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1、文章编号：1 0 0 1 9 9 4 4(2 0 0 7)0 5-0 0 3 0 0 4基于单片机的制氧控制系统张万林葛立峰(安徽大学电子工程学院台肥2 3 0 0 3 9)摘要：通过本控制系统的研究实现P S A 系列医用制氧设备的集成化和智能化控制，为我军提供高技的智能型医用制氧设备。本拉制系统是以P s A 匡用制氧设备为控制对象，根据分子筛变压吸附(P S A)制氧技术厦其总体方案束确立的，并通过L P C 9 3 5 系列单片机采实现。试制结果表明，该拉制方案是有效的。关键词：单片机；微型氧气机；变压吸附；制氧设备中图分类号：T P 2 7 3文献标志鹤：BC o n t r o l
2、S y s t e mo fP r o d u c i n gO x y g e nB a s e do nM C UZ H A N GW a n L i n，G EL i-f e n g(C o l l e g eo fE l e c t m m eE n g i n e e r i n g，A n h u iU n i v e r s i t y，2 3 0 0 3 9，C h i n a)A b s t r a c t：砷r e s e a r c h0 nt h ec o n t r o ls y s t e m，w er e a l i z et h ee o m p o s i t
3、 i v ea n di n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h eP S As e r i e sm e d i c a lo x y g e n g e n e r a t i n ge q u i p m e n t I tp w f i d e sak i n do fh i g he m c i e ti n t e l l i g e n tm e d i c Mo x y g e n g e n e r a t i i a ge q u i p m e m A c c o r d i n gh)t h eP S Ao x y g e n g
4、e n e r a t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ew h d ep r o j e c t t h i ss y s t e mm a k e st h eP S Am e d i c a lo x y g e n g e n e r a t i n ge q u i p m e n t i t sc o n t r o ls u b j e c ta n dU S,e St h em i c r o c o m p u t e ro fL P C 9 3 5 a c h i e v eE x-p e r l m e n t a i p r o d u
5、 c t i o nr e s u l t st h a tt h ec o n t r o lp m J e c ti se f f e c t i v e K e yw o r d s：m l e r o e o n l p u t o ru n i t；m i c r o-o x y g e nm a c h i n e；P S A；o x y g e n g e n e r a t i n ge q u i p m e n t采用P S A(变压吸附)空气分离制氧技术的微型氧气机采用完全的物理制氧方式，既方便安全，又价格便宜，而单片机以其低廉的价格，可靠的性能，在其自动控制中发挥了重要
6、的作用。L P C 9 3 5“1 是L P C 9 0 0 系列新出的9 款微控制器中的旗舰芯片，是单片封状的微处理器，通过2 个模，数转换器，能同时在两个通道(共有8 个通道)转换和读取数据，例如可以同时读取电压和电流的测量结果，以便设计员进行实时数据分析。这些帅C 9 3 5 转换器能在不到4“s 的时间内对这些信号进行转换。其性能6 倍于标准8 0 C 5 1 器件。该装置体积小、重量轻、运行稳定、操作方便、使用寿命长，为高原机械化部队提供了一种全新的供氧方式。此系列机器的研制很好地解决了我机械化部队高原作战和平H e nr i 练的供氧问题，有利于提高部队的高原适应能力并最终提高和保
7、持部队的战斗力。该成果还可广泛用于战场救护和后勤保障等领域，也能用在其它民用领域，并能产生显著的军事、收稿E l 期：2 0 0 7-0 6 3 0：修订日期：2 0 0 7 0 7 1 2作者简介：张万林(1 9 8 2 一)，男，硕士研究生，研究方向为信号采集与处理、传感器与测控技术；葛立峰(1 9 4 7 一)，男，教授，博士生导师研究方向为信号采集与处理、传感器与测控技术。囫 万方数据经济和社会效益。1制氧机的设备组成制氧原理流程图如图1 所示。该装置由曲部分组成，一部分是制氧系统，另一部分是压缩机系统。制氧原理是以美国进口沸石分子筛为吸附剂，用物理的变压吸附法(P S A)将空气中的
8、氧气与氮气分离并滤除空气中的有害物质，从而获取符合医用氧标准的高纯度氧气。氯气排出图1制氧机制氲原理流程图F i g 1F l o wc h a o fo x y g e n-m a k i n g2 主控制板硬件系统框图制氧机主控制板圈的系统框图如图2 所示。2 1电源系统设计电源系统：将交流2 2 0 V 电压经变压器转换成交流2 8 V，2 8 V 电压经整流电桥整流为直流电压V S S，再经极性电容和普通电容滤波后通过D C D C接键与接钮电路卜叫c P u 卜_ 叫电磁阀控制电复位等辅助竺孚H 三等量塑r。酾摇再f图2 制氲机主控制板的系统框图F i g 2M a i nc o n
9、 t r o lp a n e lo fo x y g e nm a c h i n es y s t e m转换芯片L M 7 8 1 2”将电压量2 8 V 转换成1 2 V，经过极性电容和普通电容滤波后，再经D C D C 转换芯片L M l l l 7 3 3 踟将电压量1 2 V 转换成3 3 v，最后再经过极性电容和普通电容滤波后，将输出电压V D D传给单片机。主控制板电源系统原理图如图3 所示。V D D图3 主控制板电源系统原理圈F i g3 M a i nc o n t r o lp a n e lo fp o w e rs y s t e md i a g r a m2
10、2 制氧机的主电路板设计制氧机的主电路板设计如图4 所示。具体有：(1)系统时钟电路设计；(2)系统复位电路设计；(3)按键与按钮电路设计；(4)输人输出I O 接口电路；(5)声光指示电路设计。自动化与役表2 0 0 7(5)G N D图4 主控村板的主电路原理圈F i g 4M a i nc i r c u i td i a g r a mo ft h em a i nc o n t r o lp a n e l圈 万方数据以下分别讨沦：(1)系统时钟电路没计如图4 中对应的部分。对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。但由了一图中的电容起着系统时钟频率微
11、调和稳定的作用。因此在本系统的实际应用中选择了炳个3 0 p F 的电容，晶振为1 2 M H z。(2)系统复位电路设计如图4 中对应的部分。本系统采用的是R C 复位方式。R C 复位电路的实质是一阶放电电路。系统上电时该电路提供有效的复位信号R S T 引脚6(高电平)直至系统电源稳定后撤消复位信号(低电平)。从理论上说，L P C 9 3 5 系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位，即只要保证t=R C 2 M 便可。但在此设计中采用电容C 取值为1 0 0 斗F，电阻R 取值为5 1 k,Q。(3)按键与按钮电路设计如图4 中的S l，s 2 对应的部分。按键与按钮
12、电路设计中关键要考虑的就是按键去抖动问题(简称“去抖”)，一般有硬件去抖和软件去抖两种方式。过去硬件去抖通常采用分立元件或触发器实现目前市场上已有硬件去抖专用接口芯片，例如：M A X I M 公司M A X 6 8 1 6-6 8 1 8 均为单电源供电，电压为2 7 5 5 v，分别为单输人、双输人、和八输入，输出端具有欠压锁定功能。这里考虑系统的硬件简化和成本，没有采用硬件去抖，而采用软件去抖。(4)输入输出I 0 接口电路设计如图4 中对应的部分。为实现二位四通电磁阀的开关控制，设计如图4 巾对应的I 0 口驱动隔离电路。图中C O N 口l，2 为电磁阀的触点，L P C 9 3 5
13、 控制信号I N(1 2 引脚，P 1 2)经电|j H 尺和光电耦合器驱动同态继电器，当l N 端为高电平时，控制电磁阀的运行。其输出接口配置为1 5 引脚(P 2 4)和1 9 引脚(p o 7，定时计数器1 外部计数输入溢出输出)。(5)声光指示电路设计如周4 中对应的部分。此部分电路设计采用光电耦合元件驱动L E D 显示。3 控制系统软件设计控制系统的软件设计【2 1 主要包括主程序、按键处理子程序、定时中断和电磁阀控制程序等几部分。主程序流程图如图5 所示。氧气机上电后，空气压缩机工作，系统进入待机状态，按下“开机”键进人工作状态，调用定时中断和电磁阀控制程序并开始制氧。定时中断与
14、电磁阀控制程序中采用时间控制原囵图5 主程序流程图F i g 5F l o wc h a r to fm a i np r o g r a m则控制二位四通电磁阀中二j 位的通断来保证吸附装置正常工作。为此采用定时器巾断米实现其工作过程的循环，定时时问到，产生中断请求，在中断服务程序中进行T 作过程的转换并根据控制要求设定相应的定时常数。4 试制系统的高、低温实验分析(1)高低温运行时产氧浓度如图6 所示。图6 高低温运行时产氧浓度图F i g 6H i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ep r o d u c e do x y g e nc o n c e
15、n t r a t i o nm a p对试验样品在常温、额定工作状态下测试供氧装置性能；切断电源在非T 作状态下，将样品置于一5 0 的低温箱中贮存8 小时：在5 1 0 分钟内将温度升至一4 3 保持2 小时，在额定工作状态下开机进行低温测试并记录：切断电源将温度由一4 3 升至7 0 并在该温度下贮存8 小时：万方数据在5 1 0 分钟内将温度降至+5 0，保持2 小时，在额定工作状态下开机进行高温测试并记录；从温控箱中取出试验样品待恢复到常温后对试验样品进行外观检查和最终测试外观应无损伤，电源能正常工作。图6 中曲线变化显示高温区产氧浓度变化较低温区小，温度在4 5 一3 0 c c
16、问，产氧浓度能维持8 0(测氧仪检测)，2 0 一1 0 间能达到9 0。(2)低温电磁阀转换时问如图7 所示。值后，产氧浓度会降低。由图7 可以看出一4 0 T：时，最佳转换时间在9 4 s 左右。此外还需要更多的实验数据来确定各温度下的最佳转换时间。5 结语试制的微型氧气机以空气为原料，不需任何辅料，耗电量小，制氧成本低。在输出流量为5 U m i n 的情况下输出氧气浓度9 0，小流量输出时浓度可达9 5 以上满足1 3 人同时使用。全套气路均为低压系统程序控制运行安全可靠。其自动控制系统由于采用单片机技术，氧流量可调，随用随制，持续供氧。开停如意，操作简便，性能稳定，噪音低，大大降低了
17、成本，提高了运行的可靠性。参考文献：n 1p I-1 1 L I P S 公司P g g L P C 9 3 3 _ 9 3 4 _ 9 3 5 _ 9 3 6 _ 2 _ 靴n 手册 E B lw 1 F wz l g r a e uc o m2 0 0 5 嘲周航慈单片机程序设计基础I M】北京；航卒航天大学出版社，1 9 9 9圈7 低温电磁阀的转换时间圈f 3 胡攫才，单片机原理及其接口技术【M】北京：清华大学出版社，F i g 7E l e c t m r n a g n e t i cv a I V Oh y p o t h e r m i ac o n v e r s i o n
18、1 q t i m ep l a n4】,T O S H I I A 公司L M 7 8 1 2，L M i l l 7D A T A S H E E T E B i c 3 7电磁阀转化时间延长，产氧浓度增高，达到一定2 0 0 0_(上接第2 6 页)3 2M o d b u s _ R T U 协议实现M o d b u s 是应用于电子控制器上的一种通用协议，已经成为一通用工业标准。M o d b u s 西议定义了一个通用的控制器能认识使用的消息结构，不同厂商生产的控制设备可以直接连成工业网络，进行集中监控。M o d b u s 协议包括A S C I I、R T U 模式，通常要
19、求通信速度快的应采用R T U 模式，而对通信速度要求不高的可采用A S C I I 码方式。在水位仪设计中就是选择的M o d b u s R T U 四。上位主机和下位从机之间采用主从方式，即查询与应答方式进行通信，无论是从何处发出，地址段填的是从机地址。其基本格式如下：r _ _ 厂厂一1 一_ 1从机地址I 功能代码数据C R C 高字节IC R C 低字节l在系统设计中并没有实现M o d b u s _ R T U 全部指令功能只是实现rM o d b u s _ R T U 协议的一个子集。同时对M u d b u s _ R T U 功能指令进行了扩充，增加了参数设置等部分内容
20、。数据部分组织在上行下行组织时略有不同限于篇幅这里就不加介绍。自动忧s 仪表2 0 0 7(5)另外M o d b u s 协议需要对数据进行校验，R T U模式采用的是1 6 位C R C 校验，1 6 位C R C 校验的计算若直接进行肯定对M C U 要求太高，在系统设计中采川参考文献 3 J 附录中的查表算法进行。4 结语本文介绍的高精度跟踪式水位测量仪是世界银行贷款项目“长江干堤加固项目”的一个子项目“长江防洪模型”中的基本仪器设备。该仪器已研制成功，由十余台跟踪式水位测量仪与上位机组成的水位测量系统经长时间测试，各项技术指标均达到设计要求，不仅满足水利模型中对水位有精度保征的实时跟
21、踪测量，而且稍加调整n f 以广泛应用于其它对液位测量有要求的工业现场。参考文献：【1 于海生，等微型计算机控制拄术 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 3 f 2 1 张贤达觋代信号处理 M 北京：清华大学出版社，2 0 t)2【3】H o a e y w e lH o n e y w e l lM o d b u s oR T US e r i a lC o m m u n i c a t i o n sU s e rM a n u a l5 1 5 2 2 5 6 6 U z l2 0 0 3 一圈 万方数据基于单片机的制氧控制系统基于单片机的制氧控制系统作者：张万林，葛立峰，ZHAN
22、G Wan-Lin，GE Li-feng作者单位：安徽大学,电子工程学院,合肥,230039刊名：自动化与仪表英文刊名：AUTOMATION&INSTRUMENTATION年，卷(期)：2007，22(5)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.PHILIPS 公司 P89LPC933_934_935_936_2_user_cn 手册 20052.周航慈 单片机程序设计基础 19993.胡汉才 单片机原理及其接口技术 19964.TOSHIBA 公司 LM7812,LM1117 DATASHEET 2000 相似文献(2条)相似文献(2条)1.期刊论文 姚庆文.丁辉 单片机在微型氧气机中的应用-现代电子技术2004,27(7)采用PSA技术分离制氧的微型氧气机广泛应用于医疗保健等场合,其电气控制线路非常适合使用单片机技术来实现.本文分析了PSA制氧装置的工作过程,给出了单片机控制电路的硬件设计与软件设计方案.试制结果表明,该控制方案是有效的.2.期刊论文 陈黎敏.朱江.CHEN Li-min.ZHU Jiang 微型氧气机设计-常州信息职业技术学院学报2003,2(2)微型氧气机的研制将使更多人享受到环保、健康的氧气.本文介绍了一种新型微型氧气机产品的原理和特点,并分析了单片机控制系统和变压吸附装置.本文链接：http:/