【快速测量小空间空气中氧浓度的3电极电化学氧传感器设计13000字（论文）】

快速测量小空间空气中氧浓度的3电极电化学氧传感器设计目录TOC\o"1-2"\h\u56271.3本文研究内容 525061.3.1系统设计依据 562381.3.2设计主要内容 6126222.2Clark氧传感器 7205822.2三电极氧传感器原理图 919860第四章系统硬件电路设计 14158954.1总体设计 1436144.2最小系统设计 15277194.3显示电路设计 1736434.4A/D转换电路 18157444.5氧浓度检测电路 19207384.6电源电路设计 1920607第五章系统软件原理及设计 2026045.1主程序流程设计 20169355.2显示子程序流程设计 217365.3A/D转换子程序流程设计 2232680第六章调试与仿真 2386136.1Keil编码调试 23130856.2PROTEUS仿真调试 2459106.3调试问题分析 2626107第七章结论 268580第一章绪论134031.1研究目的和意义氧气是地球最丰富的元素之一,广泛地存在于各个领域。在大气层中,它以氧气的形式存在,在大气组成中排第二位,占了其中的21%左右[1]。氧气也能溶解在水中,为水中的各类生物提供了生存条件。除此之外,氧与氢的化合物是水,在整个水圈中,氧占了百分之89。在地球循环中,氧经常与其他物质氧化形成氧化物，如SiO2、Fe2O3等。氧气是我们保护自然界及其社会的生命运动所必须要求且最重要的物质,而且在生理学上的氧气是我们整个身体中一切能量的基本依据和源泉之一[2]。如果没有食物和水,一个正常的身体就能够存活几天,但是如果长期缺氧几分钟,它很有可能就陷入昏迷,这很有可能导致病人死亡。在医院里,氧气是那些接受了手术的患者病人的一剂救命稻草,也是那些患有严重心脏病或呼吸道疾病的其他危重患者病人的一剂救命稻草。过去有些人认为那些死于这次火灾的患者都是由于一氧化碳中毒所致病而引起的,但现在却出现了一种全新的看法,即认为那些死于这次火灾的患者都是由于缺氧所致病而引起的。如果在空气中缺少了氧气,那么就会导致一个人感到窒息,空气中所含有毒的气体也许就会给我们自身带来更多的健康危害;若有可燃物或者气体泄露,将有可能导致爆炸或者是火灾。在各种石油化工、煤矿、汽车等行业的各类燃气企业,尤其特别是石油化工、煤炭、汽车等领域中,燃气原材料的广泛使用以及燃气所产生的数目和品种都在逐渐增多。因此,高性能的气体传感器近年来已经成为国内外技术研究的一个重点和发展热点[3]。氧气是我们保护自然界及其社会的生命运动所必须要求且最重要的物质,而且在生理学上的氧气是我们整个身体中一切能量的基本依据和源泉之一[2]。如果没有食物和水,一个正常的身体就能够存活几天,但是如果长期缺氧几分钟,它很有可能就陷入昏迷,这很有可能导致病人死亡。在医院里,氧气是那些接受了手术的患者病人的一剂救命稻草,也是那些患有严重心脏病或呼吸道疾病的其他危重患者病人的一剂救命稻草。过去有些人认为那些死于这次火灾的患者都是由于一氧化碳中毒所致病而引起的,但现在却出现了一种全新的看法,即认为那些死于这次火灾的患者都是由于缺氧所致病而引起的。鼠标接近红色文字,可以实时查看与分句相似的情况如果我们在空气中缺少了氧气,那么就会导致一个人感到窒息,空气中所含有毒的气体也许就会给我们自身带来更多的健康危害;若有可燃物或者气体泄露,将有可能导致爆炸或者是火灾。在各种石油化工、煤矿、汽车等行业的各类燃气企业,尤其特别是石油化工、煤炭、汽车等领域。近年来,随着当前时代我国正在步入城市化和现代工业化的进程,以及环境污染严重度的进一步增加和严重程度的恶化,空气质量逐年得到明显减轻,以及中央空调大量小面积限制使用,门窗始终透不出来,使狭隘密闭的空间和大环境中自然空气日益变得污浊而受到了严重破坏,严重的直接影响了正常的生活和严重影响到了人们的生活和学习。精神上及正常的身体素质健康。恶劣的空气质量使700多万城镇居民过早死亡每年以及96%的城镇居民暴露于较高水平的环境之下,其空气污染物比推荐值要低[4]。现在人民已经越来越多地意识到了大气污染物对健康的危害,因此有害于气体污染的问题也越来越引起了人们的关注。环境保护部《大气污染控制标准》特别针对排放二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧和其他放射性金属颗粒物气体在我国大气环境中的排放浓度控制限制分别做了明确的控制规定[5]，其中明确规定了排放一氧化碳、二氧化氮等有害气体特别是石油化工企业在生产、采矿、密闭式工作空间和大型工业厂房施工生产间等环境中所产生的有毒或不良气体［6］。人们普遍认为，CO、NO2等有害气体的含量超过了控制水平,将对人类健康造成紧急损害。人体吸入氧气，排放二氧化碳，丙酮，氢气和除氧气以外的其他气体，这些气体包含了许多关于人体健康的信息。氧气作为吸入气体中的主要成分，是人体新陈代谢不可缺少的物质。呼吸中的氧气浓度可以用来计算最大摄氧量，评估心肺适能及有氧耐力等，通过氧气浓度还可以计算新陈代谢速率，用于体重管理和疾病分析。目前市场上的新陈代谢仪中，氧气传感器的检测原理主要有电化学法、比色法及荧光法。电化学方法最为常用，体积小，数据可靠，但是需要定期校准，定期更换传感器，而且价格高。比色氧气传感器无需用户校准，价格便宜，体积小巧，易于陈列化构建多传感器，但是传感芯片寿命短，多为一次性使用，因此长期使用成本较高。氧传感器目前广泛地发展应用涉及到了工业、农业、科学技术探索、医疗和军事国防等各个方面，用来实时检测周围环境空气中的各种氧化学物质及其含量。根据氧传感器的工作原理，氧传感器大致来说可以分将其划分归类为以下多种形式，包括电化学型氧传感器、热磁式氧传感器、光学氧传感器和半导体电阻型氧传感器，其中电化学氧传感器比其他氧传感器具有测试范围灵敏度灵敏度高、测量范围区域响应范围宽、响应时间快、可靠性高等诸多优点，所以它已经逐渐早熟成为目前氧测量传感器这个技术领域的主要产品研究技术方向最多、最成熟的一种产品设计类型，也是目前唯一一种能够在全球大中小规模批量生产的一种氧传感器。电化学氧气传感器是氧气在电极上发生还原反应，并将浓度转化为电信号的传感器电解质的形态对传感器的寿命影响很大，因此，我们要按电解质的不同对传感器进行分类，并对其性能，特别是寿命进行总结分析。按照电解质的不同分为:水溶液电解质传感器，固体电解质传感器及离子液体传感器[7]。氧气在生物活动和工业生产中起着重要作用。准确、高效地检测氧气对人们的生产和生活具有重要意义。电化学氧气传感器因为具有灵敏度高、高选择性、可重复性和低功耗等特点被认为是最有前景的气体检测手段。134031.2国内外研究现状在过去的几十年里，气体传感器技术的进步已经在污染控制和环境保护方面取得了重大进展。一个很好的例子是使用氧气传感器来控制车辆排放。自20世纪70年代初以来，人们对氧传感器进行了持续的研究，并开发了具有不同性能特征的各种应用传感器。氧气传感器被普遍认为在世界上是所有的汽车和气体传感器中目前应用最广泛、技术最为成熟的一类传感器,其平均每年生产能力已经达到了全部汽车和气体传感器的百分之40以上,位居第一,仅在汽车和工业中使用的氧气传感器每年高达上亿只[8]。氧传感器按照材料的种类不同大致可以将其细分为电化学型氧传感器、光纤式氧传感器、热磁式氧传感器、半导体电阻式氧传感器等。电化学型氧测量传感器通常指的就是直接使用各种氧在空气中发生的电化学反应来直接地实现针对各种氧气和其他气体的精确测量,这类型氧气传感器主要特点是具有测量检测对象的灵敏度高、数值大、测量范围区域长、响应快和持续时间短等多大特性,被广泛应用在石油化工、医药、生物以及我们的国防和军事等各个领域,是目前国内氧体测量传感器应用技术中技术最成熟,应用最多的一种是氧体测量传感器[9]。光纤式氧传感器主要是根据氧的吸光特征或者是荧光猝灭的作用来检测氧,热磁式氧传感器主要是根据氧的顺磁特征来检测氧。电化学氧传感器具有系统可靠性高、成本低等优势,这也被认为是目前我们在研发中已经技术最成熟的一类氧气传感器;热磁式氧传感器、光学氧传感器虽然灵敏度高,但因为它们存在可靠性差、成本比较高等缺点限制了其大规模的应用,因此只能应用氧气浓度测量精度较高的特殊场合。根据电解质的不同电化学型氧传感器根据也可以细分为很多种，如固体电解质氧传感器、液态电解质氧传感器等。而且相对其他同种类型的氧传感器,电化学氧传感器的特点是检测灵敏度比较高、成本比较低、测量的范围也比较广、稳定性较高等,所以它基本上占据了目前所有氧传感器市场[10]。一、固体电解质氧传感器。固体电解质氧传感器就是以固体氧敏感材料作为电解质制作的氧传感器,目前在市场上使用最广泛的的固体电解质氧敏材料主要类型包括几类有ZrO2、LiCO3、NASICON等,固体氧敏电解质材料因为它们的实际工作环境状态大多属于惰性固体,所以它们不一定能够同时存在固体电解质过度腐蚀传导电极中的电极材料和化学气体的过度挥发等质量问题,传感器的原件封装也比较容易,有利于实现传感器的小尺度规模化和微型化[11]。但是,由于这种固体的化学电解质在常温下的物质和化学离子导电性相对较弱,只有将它们的离子进行加热至一定氧化温度后它们才能正常地运行和工作,很大程度上也使我们大大限制了这种固体电解质氧传感器的正常工作[12]。然而微型化和集成化正逐渐地成为未来氧传感器发展主要趋势,因此室温固体电解质氧传感器也逐渐地成为研究热点,特别是在室温固体电解质材料领域也是氧传感器的主要研究重点。目前世界上研究得最多、成熟的固态电解质氧传感器之一便是氧化锆氧传感器。氧化锆作为电解质材料制作的氧传感器灵敏度高、测量范围宽、寿命长,其制作工艺成熟,得到了广泛的应用[13]。随着传感器技术的发展,氧化锆氧传感器已经从传统结构发展到微型化和阵列化向微型化、阵列化，特别是汽车用氧传感器已经从管状结构发展到平板结构，其性能得到了很大的提高,达到了日益严格的排放标准。二、电解质液态氧浓度传感器。液体电解质氧传感器通常是以液体电解质作为电解质原料。液体电解质材料在室温下具有很佳的离子导电性。由各种液体中的电解质原料所制成的氧传感器虽然本身具有反射灵敏度高、反射持续时间长和反射持续时间快的特点,但是液体中的电解质同时也可能存在一些容易分解、容易发生渗漏等严重问题,从而很大程度上可能还会直接地影响到传感器的工作运行稳定性和传感器的使用寿命。然而，液体电解质氧传感器本身就具备许多其他同种类型的氧传感器所无法比拟的功能和特点,因此，液体电解质氧传感器仍然被认为是氧传感器这个领域的研究热点之一。1.3本文研究内容1.3.1系统设计依据氧气是维持人体和其他有氧生物生命活动的必要物质。通过测量氧含量可以评估人体新陈代谢，用于测量间接测量有氧呼吸的生物和生物物质。随着人们对个人健康的重视，移动健康设备开始走进人们的生活，如检测呼吸气体的便携式新陈代谢仪。人呼吸气体中的的氧浓度因人因时而异，与个体的新陈代谢率相关，监测呼吸气体中的氧浓度有助于对人体健康进行管理。目前用于生命体的氧传感器检测原理主要有电化学法、比色法及萤光法。期中电化学方法最为常用，但需用户校准，维护难，价格高。比色氧气传感器无需用户校准，价格便宜体积小巧，但是传感芯片寿命短，多为一次性使用，因此长期使用成本较高。因此开发适应与生命体的低成本氧气传感器，设计简易的校准实验平台具有重要价值。1.3.2设计主要内容1、查阅文献资料，了解电化学氧气传感器的现状和发展，了解氧测量传感器的原理和作用。2、在上述工作的基础上，根据课题要求设计快速测量相应小空间的空气中氧浓度的3电极电化学氧传感器，电极用碳电极材料，制作实物。设计实验方案，利用电化学工作站开展初步实验。3、分析测试结果，完善设计，给出完整的工程设计图纸。9454第二章氧传感器工作原理及其应用134032.1氧的电化学反应原理氧传感器的主要基本工作结构原理就是基于利用贵金属氧对电极外层表面上的氧解质进行一种电化学反应,电极的外层表面会直接附着一层溶于聚合物中的电解质,这层聚合电解质薄膜可以直接让大量氧从干燥空气中快速通过。在铂丝自动工作参比电极(Pt)与铜丝参比电极(Ag/AgC1)之间分别重新加上了一个电压,当两个铂金铜丝自动工作参比电极和铜丝参比电极之间的相对波动电压差的平均值已经分别达到0.2v时,铂金铜丝周围的大量空气和其中氧就有机会自动开始被高压电解,于是就有机会开始出现一个有压和电流的波动指示。当溶液工作时的电极和其他参比电极之间的相对电压的常数值分别大于达到0.6~0.9v时,电解液的电流流动速度就可能会趋于稳定。在工作电极(Pt)上发生如下两步还原反应[14]:O2+2H2O+2eH2O2+2OH-(2.1)H2O2+2e-2OH-(2.2)总反应可简化为：O2+2H2O+4e4OH- (2.3)在参比电极(Ag/AgC1)上，发生如下反应：4Ag+4C1-4AgC1+4e (2.4)根据极限电流I=N×F×A×m×C[15]，其中：N为所有参加电极反应的负载之数；F为法拉第常数；A为两个相同电极的表面积；m为被测物质的传质系数；C为检测气体的最高浓度。在一个恒定的反应态体系下，极限的电流便会与氧浓度大小成正比。目前普遍采用的Clark电流型二电极氧传感器、恒电位型三电极氧传感器均是基于此电化学工作原理。2.2Clark氧传感器1942年，Davies和Brink在一篇论文题为《如何利用电化学原理检测人体在生物系统中的氧气和氢含量》的学术论文中,他们介绍使用了一种白色的热镀锌-微电极仪器,它用来帮助检测人体的组织和检测人体在整个血液系统中的稳定氧气和氢含量[16].之后,各种类型的传感器设计与应用也在我国开始普及。氧传感器中最常用的一种是氧传感器主要就是单相双电极式的氧参比传感器,其中一个是工作的参比电极(阴极)主要就是指它们就是位于液体亲水膜的一侧Ag/AgC1参比电极(阳极)主要就是位于液体亲水膜的另一侧,也许这就是我们所谓的检测涉及到的亲水介质。亲水膜不仅可以广泛地用来作为两个亲水电极之间的连接导电引体和一个导电层之间的媒介,同时它还能够有效地减少一些小分子中的物质朝着亲水电极两个表面方向迁移。将每以个工作参比电极和其他参比电极之间分别加以增设一恒定的阴极电压,使得阴极极化。Ag/AgC1作为一个工作极化参比电极,既为一个工作极化电极本身提供了一个恒定控制极化流过的电压,同时当它作为一个电极相互对照工作极化电极时又需要具有一种控制极化流过电流的一种流动方式来对其进行控制极化流过。Clark氧传感器最初可能是以该识别技术的主要发明者之一Clark的英文名字进行命名的,源于一种单工作电极的隔离氧辐射传感器,不同之处主要还是在于所有Clark氧传感器的两个工作电极(其中包括一个工作环境电极和一个参比电极)都必须是完全位于相同的工作环境中,并且它们都是通过一层扩散的电膜从其与外界完全隔绝的氧区域内部分离辐射出去。Clark水中氧实际浓度测量传感器不仅仅可以是一种软件可以广泛应用于各种氧的水溶液中,还有一种甚至可以是用于空气中,因而目前已经普遍广泛采用的是Clark水中氧实际浓度测量传感器用来检测空气到水中氧的实际浓度。图2.1为Clark氧传感器的工作简化电极工作参比原理流程示意图,其中中的u和r代表工作参比电极和简化工作参比电极之间的恒定电势的正相关性。2.1Clark氧传感器原理图2.3三电极氧传感器1987年Luscuiano等人研究设计的恒电位式三电极氧传感器[17,18]。同Clark氧传感器的基本工作相阻原理一样,在各种贵金属参比电极(也称工作相阻电极)的外层表面,氧化气作为化学反应物和电化学反应的主要反应物质因能量消耗而浓度增加或能量减少,产生了与其中一种氧气能量浓度大小成正比的相位电流,参比电极和其他工作相阻电极之间的相对相位电压(或偏置相对电压)仍然可以保持恒定的电位,即恒定的电位。对照器的两个电极(以下即第三个对照器电极)之间的连接应当是能够同时保持很低的直流电阻,使两个相互作用的电流回路能够直接地分别通过两个对照器的一个电极,形成一个相互作用的电流回路。图2.2是恒流二电位型三十二电极型光氧化度传感器器件设计的简单工作原理设计框图。图中的偏置正极电压给驱动工作器的电极两端带来一个极化电势,其极化值始终一直保持不变。工作在对电极及其表面的进行电化学反应时所利用产生的大量氧气经过依赖补偿电流(is)经过电流反馈补偿电阻(Rf)后再回流到通用运算功率放大器的电流输出端,将旧的电流控制信号进行转换后成为新的电压控制信号和电流输出。对照两个输入工作电极与另一个输入运算能量放大器的两个输出端接口相连,参比电极与一个输入式式输出电压器接口与紧跟着一个输入式运算能量放大器的两个输出端接口相连,由于这种方式的运算能量放大器的两个输出端接口分别具有高输入阻抗、低插入式输出电阻等三大特点,因此两个输入端的电流几乎都主要是通过连接在对照工作电极和参考工作电极上的一个电流回路来进行连接,从而形成一个电流回路,而通过这个参考工作电极几乎不会发现任何电流从这个回路中直接地流过,减小了参考电极的极化,延长了传感器的使用寿命。2.2三电极氧传感器原理图134032.4氧传感器的应用 氧气传感器的应用很广泛，在日常生活、工农业、汽车领域、煤矿、钢铁、生物、石油化工、医疗等方面都被广泛使用。在我们的社会日常生活中,随着工业现代化和人类生活物质和精神生活质量水平的快速发展和不断提高,健康暖气空调的各种应用技术概念已经逐步被深入研究和广泛推广,同时健康暖气空调在整个房间内部的整体空气变化情况已经进行了实时监测和自动分析转化后对换气的技术要求也越来越高涨,为此某些健康空调设备工业生产厂家己经逐步提出了健康空调氧吧智能空调这一新的应用概念,催生了健康空气氧吧和空调空气传感器在此应用领域的大批量和数据服务供应[19]。在新能源汽车应用领域中,随着新能源汽车柴油发动机电喷化的强制执行和实施以及新能源汽车尾气污染物排放标准的改善,促进了臭氧传感器在新能源汽车领域的广泛应用,主要是适合于汽车燃烧和温度控制[20]。系统采用空气氧含量浓度实时传感器对工业冶金和冶炼石油化工设备作业运行过程中空气氧含量变化情况分别进行了实时监测,以进一步有效控制作业空气,达到了工业节能、环保、冶炼等应用目的。在矿井里,由于空气的流动性差,煤在长期形成过程中衍生出多种气体以及煤的不断氧化和燃烧等多种因素都会造成氧气浓度的降低。为了保证矿工的健康和安全,必须保证进入工作面的空气中中氧气浓度不低于20%。因此必须随时检测井下工作面的氧气浓度。目前国外已将以氧气传感器为核心的氧气检测报警仪广泛应用于矿井、坑道,地下工程等。便携式呼吸机上常见的设备是用来检测病人肺部空调中的氧气和质量的医疗设备便携式呼吸机,它主要是一种专门用于紧急抢救的医疗器械和设备,在这种呼吸机和医疗器械运行和工作时,往往会因为其中氧气和空调的浓度发生变化而引起的空调中气体欺压等改变,否则比较容易对正在继续进行紧急抢救中的病人和糖尿病患者造成心理健康造成一定的危害和威胁所以现在大多数的便携式呼吸机上面已经有必要了配置一种能够测定人体中的氧气含量浓度[21]。随着我们的社会经济以及现代军事和科学信息技术的进一步发展和技术的改革与进步,氧传感器和其他智能化测量计算机仪表己经被广泛地应用于我们的国防科学研究、汽车工业、冶金化工、医药环境卫生、食物酿造等众多行业[22]。9454第三章系统方案的论证134033.1主控单片机在我们大学阶段接触到的单片机，最多的就是51系列单片机，51系列的单片机主要有很多种类，比如我们就有atmel公司自己生产的AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52和STC公司生产的STC89C51、STC89C52、STC89S51、STC89S52甚至增强型STC89C52RC以及STC89S52RC。每款单片机都有它的独自特点，但是这几款单片机都同时兼容MCS-51标准。无非就是存储空间、定时器/计时器或者运行性能的差异，在价格上，最初一代产品AT89C51价格最低，其他都略高于该单片机。在本系统中，三电极氧传感器的主控单片机选用最基础的51单片机就能够实现相应功能。出于对产品造价和性能的考虑，在各款单片机都能够实现系统要求任务的同时，肯定要选用价格更加便宜的AT89C51单片机作为本系统的主控元件。134033.1.1AT89C51的介绍AT89C51是一种具有低电压及更好的CMOS8位微处理器并其内部带4k字节的数据存储器,俗称单片机。AT89C51单片机给市面上许多嵌入式控制系统都提供了一个灵活性非常高而又便宜的设计。134033.1.2AT89C51的主要特性与MCS-51兼容·4K字节可编程FLASH存储器·寿命:1000写/擦循环·数据保留时间:10年·全静态工作:0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·128×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路134033.2氧浓度检测模块现在目前检测氧浓度的主要实现手段基本上可以大致细分为电化学检测氧浓度的方式、氧化锆测氧浓度和用于超声波流量检测氧浓度的方式。其中一种称为超声波氧气流量浓度传感器的特点是性能最佳但价格较贵。图3.2测量电路基本原理图测量电路不但能够有效地使参比电极和工作电极之间的输入电位差保持恒定,同时还能够有效地测量工作电极上的输入电流,因此其电位差被称为恒电位测量电路[23,24]。134033.3显示模块经常用到的显示模块有三种，从显示内容效果从低到高分别是LED 七段数码管、LCD1602液晶显示屏以及大容量可显示汉字的LCD12864。在显示内容上，七段数码管和LCD1602均不能够显示汉字，而LCD12864则能将汉字友好地显示在液晶屏上。性能优越则造价成本就会升高，所以说，LCD12864较另外两款显示器价格更贵。但是LCD12864的显示容量则大大超过LED数码管和LCD1602。考虑到基于化学传感器的氧浓度检测仪需要友好地展示汉字和符号部分，价格虽然贵些，但是性价比还是很高的，能够更好地满足氧气检测显示的需要，所以在本系统的设计中，我们选择LCD12864作为我们的显示模块。134033.3.1LCD12864的介绍带有英文全英语版本字库的128x64是一种独立的显示模块,它具有4位/8位简体汉字并行、2线或3线简体汉字串行多种软件接口的显示方式,其内部功能主要包括了一个模块,即带有英国标一级、二级简体字全英文版本字库的一个带有点阵式简体汉字图形或者一个带有液晶文字显示器的模块;其中所需要显示的英文汉字分辨率大约是128×64,内置8192个16*16点的英文汉字,和128个16*8点的ASCII的英文字符集。通过直接使用中文该软件就可以设计灵活的软件接口方式和简单、便捷的软件操作程序指令,可以直接自动地构成一个简体完整的全中文具有一种人机交互式的图形接口界面。它既使用户能够直接自动地显示8×4行16×16点阵英文汉字。还使用户能够直接地自动完成整个影像流的显示.而它低电压、高功耗则无疑是它的另一个显著性能优势。由该系列点阵液晶模块组合而成的这款点阵液晶模块的显示解决模块设计方案使它相对于其他同一种类型的其他图形画像点阵阵列液晶模块的显示解决模块,无论是软硬件的集成电路设计架构或者是液晶模块的编辑器操作程序均较简洁许多,且这款点阵液晶模块实际销售价也稍微有点需要低于相同图形点阵的其它图形点阵液晶模块。134033.3.2LCD12864的基本参数 (1)低电源电压(VDD:+3.0--+5.5V)；(2)显示分辨率:128×64点；(3)软件内置点阵汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简、繁体版本可选);(4)内置128个16×8点阵字符；(5)2MHZ时钟频率；(6)显示方式:STN、半透、正显；(7)驱动方式:1/32DUTY，1/5BIAS；(8)视角方向:6点；(9)背光模式:侧部采用高亮度的白色led,功耗仅大约为普通led的1/5-1/10;(10)通讯方式:串行、并口可选；(11)采用内置dc-dc的转换控制电路,无需额定的外加电源和负压;；(12)无需片选信号，简化软件设计；(13)工作温度:0℃-+55℃,存储温度:-20℃-+60℃。3.4A/D转换模块 AD转换模块的所有工作原理都主要目的就是将一个模拟数字量转换为一个数值量,模拟中的数字量既有可能指的是电压、电流等信号,也有可能指的是压力、温度、湿度、位移、声音、某些气体浓度等非电信号。但是在进行AD转换前，输入发送到AD转换器的所有输入和信号都必须通过各类传感器使其中的一个物理量转换为相应的电压和信号,以上我们讲到的检测电路模块中的一个检测电路就是将氧气浓度转换为了一个模拟电压和信号。在单片机的设计过程中，经常用到的AD转换模块有ADC0832、ADC0809以及TCL2543，三者虽然通道数目不同，但是都能够实现多通道同时工作。TCL2543为12位A/D转换芯片，精度比较高，11个通道可实现同时检测。ADC0832经常用在烟雾浓度检测以及光照强度检测的转换模块，只有2个通道。ADC0809和ADC0832都是8位A/D转换芯片，ADC0809芯片具有8个通道三者的造价相比，TCL2543居于第一位，但是该芯片的性能和精度较另外两款更佳，为了能够更佳精确地把控氧浓度的变化，我们选用性能更佳的TCL2543芯片。134033.4.1TCL2543的介绍TLC2543是一种采用TI我国公司自主研发生产的12位开关串行模数转换器,利用串行开关输入电容逐次不断逼近的串行开关技术优点来快速地完成串行A/D模数转换的全部操作过程。由于该芯片采用了一种串行式的数字输入接口结构,能够有效地大大节约51系列显示单片及主机I/O接口资源;且其芯片的价格适中,分辨率也相对较高,因而在各类显示仪器和其他各种显示电子设备的应用中都已经有了比较广泛的技术。134033.4.2TCL2543的特点 （1）12位分辨率A/D转换器；在工作温度范围内10μs；11个模拟输入通道；3路内置自测试方法；采样率为66knps；线性误差+-1LSBmax；有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出；可编程的MSB或LSB前导；可编程输出数据长度。系统硬件电路设计4.1总体设计三电极氧传感器及其测量电路采用AT89C51作为主控单片机，LCD12864作为显示氧浓度的平台，TCL2543芯片实现浓度数值的转化，氧浓度检测电路作为氧浓度检测装置。主要实现的功能就是对空气中氧浓度进行实时的检测显示。本系统主要由单片机主控、显示电路、AD转换电路、氧浓度检测电路以及晶振电路、复位电路和电源电路组成。如图3.1所示为整个设计的系统框图。为了整个系统的稳定，该设计的主控电路部分采用由复位电路、晶振电路、主控单片机组成的最小系统电路。本章将从最小系统电路、显示电路、AD转换电路、氧浓度检测电路、电源电路一一介绍整个系统的电路设计。AAT89C51单片机复位电路部分晶振电路电源电路显示电路部分AD转换电路氧浓度检测电路图4.1系统总体框图4.2最小系统设计最小系统的设计主要分为以下三个部分，单片机芯片、复位电路和晶振电路。在三电极氧传感器的电路设计中，单片机芯片采用最常见的51系列的一款AT89C51。该芯片具有40个引脚，四个I/O端口群P0-P3，值得注意的是P0口，P0口经常用作显示器的连接，但是需要加一个上拉电阻拉高P0口的电位。P3口还有2个定时器和一个外部数据存储器的设计。如图3.2为最小系统原理图。图4.2最小系统原理图4.2.1晶振电路设计晶振、瓷片电容组成了晶振电路。主要功能是为电路提供频率基准，从而形成合格的时钟信号流。单片机电路中由很多的门电路组成，而门电路工作的一个重要前提就是存在时钟信号流的触发。如图3.3为晶振电路的组成原理图。本系统的晶振电路是由2个30pf的瓷片电容并联后与12M晶振串联分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2端口。图4.3晶振电路原理图4.2.2复位电路设计复位电路可以利用电容电阻的充放电实现上电复位功能。如图4.4为复位电路原理图。复位电路的设计是为了避免程序卡死时需要重启电源的操作。本系统的复位电路采用电解质电容和电阻、按键开关串并联实现。图4.4复位电路原理图4.3显示电路设计三电极氧传感器及其测量电路需要显示所检测到的氧气的浓度数据。需要显示的部分由汉字和字数、数字等，所以我们采用可显示内容丰富的LCD12864。如图4.5为显示电路的原理图。为了节省元器件，利用P2口代替P0口作为显示数据的连接端口，省去了上拉电阻部分电路。可以通过调整滑动变阻器去调节LCD的显示效果。图4.5显示电路原理图4.4A/D转换电路本电路中采用的AD转换芯片是TCL2543。如图4.6为AD转换电路的原理图。左侧连接一个微弱的脉冲信号模拟三电极氧传感器的采集，将微弱信号连接TCL2543的采集通道AIN4进行A/D转换。为了提高信号采集的分辨率，TCL2543的REF+端连接+5.0V的电压。在本设计中，由氧浓度检测电路将氧浓度转换模拟的电压信号，然后AD转换器将模拟的电压信号转换为数字的电压量，经单片机处理后显示在LCD上，从而实现测量的过程。图4.6AD转换电路原理图4.5氧浓度检测电路图4.7测量电路原理图三电极氧传感器测量电路由三部分组成：电源部分，测量部分，滤波部分。其电路原理图见图4.7。4.6电源电路设计三电极氧传感器测量氧浓度需要的供电电压是5V，为了实现更加便利地携带，我们采用5V的干电池对整个系统进行供电。第五章系统软件原理及设计该系统的软件部分，采用C语言实现编程任务。整个系统的程序实现主要分为主程序、显示子程序、AD转换子程序。本章将重点从这三个方面去介绍系统程序的设计流程，力求程序设计的代码简洁而高效。5.1主程序流程设计如图5.1所示，是三电极氧传感器及其测量电路的主程序的设计流程图。主程序实现的功能主要是初始化各个模块并实现各个子程序的有序执行，达到设计任务中的功能要求。主程序执行时首先会对LCD进行初始化处理，然后AD转换芯片进行第4个通道的转换采集氧浓度数据，接下来对数据进行处理，处理后驱动LCD12864显示出采集到的氧浓度信息，本系统实时进行检测，不断的进行主程序的流程执行。在软件设计中将各个子程序分开存储，再由主程序统一调用，主程序的代码部分就是源程序中的main.c。 开始 LCD初始化 选择TCL2543的4 通道进行AD转换数据处理 驱动LCD显示数据结束图5.1主程序设计流程图5.2显示子程序流程设计显示部分本系统采用的是功能强大的LCD12864液晶屏模块。显示子程序是源程序中的12864.c代码，如图5.2是12864显示部分的子程序流程图。开始流量转换流量取值预定显示位置显示流量整数位显示小数点预定显示位置显示小数部分结束图5.2显示子程序设计流程图本系统中要求显示氧浓度的格式是“浓度=XX.XX%”，显示的部分不仅有中文还有英文字符，故而需要对显示的字符、数字、汉字要进行取模，以下为部分取模的代码展示：unsignedcharcodenong[]={0x10,0x61,0x06,0xE0,0x00,0x38,0x88,0xE8,0x5C,0x8B,0x08,0x08,0x28,0x98,0x08,0x00,0x04,0x04,0xFF,0x10,0x08,0x06,0x01,0xFF,0x40,0x21,0x06,0x19,0x21,0xC0,0x40,0x00};//汉字“浓”的16*16字模unsignedcharcodeEqu[]={0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x00};//“=”的16*16字模以上主要展示了汉字和字符的取模代码。5.3A/D转换子程序流程设计AD转换子程序可以把系统中的模拟信号转换成数字信号。AD转换子程序主要是代码中的ad.c部分。本系统中AD转换器TCL2543将采集到的微弱信号进行模数转换，转换以后传递给主控单片机AT89C51进行数据的计算处理。如图5.3为AD转换子程序的设计流程图。开始启动一个转换周期转换通道设置写控制字读取转换结果停止转换返回转换结果结束图5.3AD转换子程序设计流程图第六章调试与仿真本文研究的三电极氧传感器及其检测电路的实现分为硬件部分和软件部分的设计。硬件电路采用PROTEUS仿真软件绘制电路原理图，软件流程采用KEIL4进行代码的设计编写。本章主要从整个系统的软件和硬件电路的调试仿真去论证氧浓度检测仪的实施可行性。6.1Keil编码调试Keil是一款功能强