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小型氧氣機(一)
1 引言
?氧氣如同食物和水，是人體必不可少的能源，人體代謝活動(dòng)的關(guān)鍵物質(zhì)，是生命運動(dòng)的第一需要，營(yíng)養物質(zhì)必須通過(guò)氧化作用，才能產(chǎn)生和釋放出化學(xué)能。?氧不僅對于A(yíng)TP（人體內部傳輸能量的載體，一種高能化合的儲能物質(zhì)）生成起著(zhù)關(guān)鍵作用，而且分解代謝過(guò)程中必須有足夠的氧，各種營(yíng)養物質(zhì)必須與氧結合，才能完成生理氧化過(guò)程，產(chǎn)生出能量，并且把生成的化學(xué)能充分轉化成為ATP。
全球大氣日趨惡化，每天工廠(chǎng)煙囪和機動(dòng)車(chē)輛等排出大量廢氣。城市空氣受到污染。據科學(xué)測量平均每1000升空氣中就含有40升對人體有害的氣體。大氣污染已構成世界環(huán)保頭號難題，氧饑荒已經(jīng)出現。
醫學(xué)研究表明：80%的人或多或少的缺氧，環(huán)境污濁、生活節奏加快、腦力、體力消耗增加，使身體長(cháng)期處于缺氧狀態(tài)。都市人比生活在郊區、山林地區的人平均壽命要短10-15年，主要原因就是城市的空氣污染，有害物質(zhì)含量高，供氧量不足。一個(gè)成年人每天大約需要500升氧氣，而很少有人能真正達到。事實(shí)上，我們人類(lèi)的的生命正在受到嚴重威脅。
中國經(jīng)濟的快速增長(cháng)，工業(yè)化、城市化的發(fā)展使中國的GDP 年增長(cháng)率達到8 %～9 %。自改革開(kāi)放以來(lái)，中國的城市化快速前進(jìn)， 城市人口比例從1978 年的18 %增加到2000 年的34 % ， 這一時(shí)期的增長(cháng)速度是世界平均增長(cháng)速度的3 倍 。20世紀末，經(jīng)濟的劇增使得中國成為世界上繼美國之后的第二大能源消費國， 能源特別是煤的消耗已成為中國城市空氣污染的主要人為源。我國的總能源消耗從1978 年的571 萬(wàn)噸標準煤增加到2002 年的15 億噸標準煤。作為主要能源的燃煤占總能源消耗的60 %以上, 燃煤是城市空氣污染物(如TSP、SO2 與酸雨等) 產(chǎn)生的重要原因。此外，汽車(chē)消費量的快速增加，燃油消耗年平均增長(cháng)達6 %，大城市空氣的NOx 、CO 及相關(guān)污染物濃度升高。不斷增長(cháng)的能源消耗和機動(dòng)車(chē)輛加重了中國城市大氣環(huán)境的負擔，城市空氣污染作為一個(gè)主要的環(huán)境問(wèn)題正迅速地凸現出來(lái)。自1980 年代以來(lái),許多城市遭受了日益嚴重的空氣污染，90 年代初期，中國500 多個(gè)城市中達到國家空氣質(zhì)量標準1級的不到1 %；近年來(lái)，暴露于未達標空氣質(zhì)量的城市人口占統計城市人口的近三分之二。北京、沈陽(yáng)等大城市曾被列入世界十大污染城市，中國城市空氣污染已明顯引起的公共健康效應和經(jīng)濟損失。從總體來(lái)講廣大的農村比起城市來(lái)空氣污染要輕的多，但個(gè)別地區由于重工業(yè)的不斷發(fā)展空氣質(zhì)量越來(lái)越差也是不爭的事實(shí)[1]。
隨著(zhù)中國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，但環(huán)境污染以及生活節奏的加快使人們的精神壓力越來(lái)越大，這些導致人們越來(lái)越注重自我調節和養生保健。一種新的養生保健方法——有氧療法（在人體缺氧或將要出現缺氧的時(shí)候，通過(guò)給氧以增加吸入氣體的氧濃度，從而提高肺泡內氣體氧分壓，進(jìn)而通過(guò)促進(jìn)彌散提高肺泡血氧含量，改善組織供氧狀況，稱(chēng)為有氧療法[2]）也應運而生，而且迅速紅遍大江南北，但氧療并不是普通百姓所能消費的起的，這就要求有一種更廉價(jià)的制氧設備，最好是可以應用于工業(yè)、醫療、生活、環(huán)保等眾多領(lǐng)域。
本次研究設計的氧氣機主要適合家用、賓館和醫用領(lǐng)域，也可應用于工業(yè)和環(huán)保等領(lǐng)域，其采用世界上最先進(jìn)的PSA（變壓吸附）空氣分離制氧。用單片機作為氧氣機控制系統的中心。采用氧敏傳感器進(jìn)行氧氣濃度的檢測，并實(shí)時(shí)顯示裝置告知用戶(hù)，當指標低于設定值是報警提醒。
2 國內外發(fā)展現狀
我國傳統的制氧方式主要是低溫精溜法和化學(xué)制氧，這些制氧方法不方便，也不安全，而且制氧成本高，很難讓普通百姓享受到健康、環(huán)保的高品質(zhì)氧氣帶來(lái)的好處。
30年代美國聯(lián)合碳化物公司開(kāi)拓了PSA（變壓吸附）法，到了70年代西德埃森礦業(yè)研究所開(kāi)發(fā)了碳分子篩，為PSA分離空氣制氧拓寬了道路。近年來(lái)PSA空氣分離法在全世界范圍內得到了廣泛地研究和開(kāi)發(fā)。吸附劑和工藝技術(shù)方面取得了突破性的進(jìn)展，已使得基于PSA的空氣分離方法在工業(yè)、醫療、生活、環(huán)保中顯示了很大的優(yōu)勢[3]。PSA裝置具有隨時(shí)開(kāi)機隨時(shí)制氧、設備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便投資和管理費用低、單位產(chǎn)品能耗較低、裝置啟動(dòng)迅速、產(chǎn)品純度可在一定范圍內隨意調節、吸附在常溫下進(jìn)行、不涉及優(yōu)勢問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。很適用于那些氧氣需求量不大、純度要求不是很高的場(chǎng)合，如家庭增氧、封閉式分體空調室內增氧，以及移動(dòng)式裝置用于病人隨時(shí)吸氧，也可以在家用于氧療等，在工業(yè)上，還可把PSA和低溫精餾相結合，原料空氣先經(jīng)過(guò)PSA裝置，將氧氣量濃縮到80%左右，在進(jìn)入低溫分餾系統進(jìn)行提純，可使其精溜能力提高四倍，既能保持氧的高純度，又能提高產(chǎn)量，具有極廣闊的應用空間和發(fā)展潛力。
以前，家用、醫用氧的獲得都是采用鋼瓶氧供給方式，即制氧廠(chǎng)通過(guò)高壓深冷工藝方法，把空氣中的氧起分離出來(lái)之后，預裝在能承受1.47Pa (150kg/cm)壓力的鋼瓶里，若需要在家用氧，就要把這種預先裝好氧氣的鋼瓶運回家去使用，使完氧氣后，再把空瓶運回制氧廠(chǎng)去灌裝或換取裝好的鋼瓶。這種方法雖然現在還有人用，但由于鋼瓶笨重，加之鋼瓶中裝有高壓氧氣，運輸既不方便，又危險，且氧氣瓶中的氧氣使用時(shí)間有限，這些都制約著(zhù)家庭用氧的普及[4]。況且目前基層醫院由于條件、環(huán)境的制約，多采用氧氣瓶及局部刺激小、患者易于接受的一次性鼻塞供氧，氧氣瓶及供氧裝置的貯存、使用關(guān)系到患者的生命安全及疾病轉歸。
隨著(zhù)科技的進(jìn)步，社會(huì )的發(fā)展，制氧方法得到了發(fā)展。由于PSA技術(shù)的出現，使得分離氧氣的工作不再是一定要到氧氣廠(chǎng)完成，變的可以在使用的地方進(jìn)行，它是氣體分離技術(shù)的革命也促使了小型家用、醫用氧氣機的誕生。
我國采用PSA技術(shù)生產(chǎn)的小型醫用機其主要結構都是用小型無(wú)油壓縮機，適時(shí)采集并壓縮周期的空氣，壓縮空氣的壓力一般在19.61Pa (2kg/cm)以?xún)�，采用雙床分子篩分別同時(shí)進(jìn)行對壓縮的空氣氧氮分離和排氮清洗分子篩,兩種工作做交替交換進(jìn)行，交換的時(shí)間大約在10S上下。
目前，我國國內生產(chǎn)PSA小型醫用氧氣機的廠(chǎng)家已有十多家,產(chǎn)品各有點(diǎn)，根據控制系統的結構特點(diǎn)，主要有以下六種類(lèi)型[4]：
·二位五通單控滑柱式電磁閥控制系統
·二位五通雙控滑柱式電磁閥控制系統
·電磁先導閥氣動(dòng)閥控制系統
·二位四通膜式電磁閥控制系統
·旋轉閥控制系統
·壓力控制氣閥控制系統
其中第五種控制系統結構簡(jiǎn)單又可靠，在實(shí)際的小型醫用氧氣機的使用中這種控制系統的故障率是很低的，第3、4種控制系統結構也是較為可靠的，第1、2種控制系統結構的可靠性相對要差些。
3 研究設想及采用方法
小型氧氣機采用變壓吸附PSA技術(shù)，利用結晶硅酸鹽化合物（俗稱(chēng)沸石）的多孔結構，按照組成氣體的分子和極性的大小使氣體分離。由于常溫下，當空氣進(jìn)入裝有吸附劑的床層時(shí)，氧分子的尺寸和極性比氮氣的分子略小，氧容易通過(guò)分子篩，而氮分子被分子吸附，從而在吸附床出口端獲得一定濃度的氧氣，由于吸附劑具有吸附量隨壓力變化的特性，改變其壓力，可交替進(jìn)行吸附與解吸操作，再濾除空氣中含有的各種有害物，就可以連續從空氣中分離出高濃度、無(wú)塵、無(wú)菌的符合醫用標準的氧氣。小型PSA氧氣機的流程如圖3.1所示。
圖3.1 小型PSA氧氣機的工作流程圖
小型氧氣機由空氣供給系統、變壓吸附分離系統、控制系統、氧氣凈化輸出和廢氣輸出系統、檢測報警系統等。
控制系統采用89C51單片機 。再常溫下，控制系統打開(kāi)吸附裝置A的閥門(mén)5，空氣經(jīng)過(guò)壓縮機加壓后，進(jìn)入緩沖罐中緩沖穩壓，再通過(guò)高效的除油過(guò)濾器除去可能夾帶的油污和冷凝水，首先進(jìn)入A裝置下部裝填的活性氧化鋁層出去大部分的水分，然后進(jìn)入分子篩層，由分子篩吸附掉空氣中的氮氣、二氧化碳和乙炔以及剩下的水分，氧氣通過(guò)床層富集在裝置A的頂部，通過(guò)閥門(mén)1和調節器作為成品氣輸出到儲氣罐中。當A吸附時(shí)，吸附裝置B通過(guò)消音設備通大氣降壓再生，部分成品氣經(jīng)閥門(mén)3進(jìn)入B裝置對起進(jìn)行反向沖洗，以使分子篩內的氮氣、二氧化碳和乙炔盡可能多的解吸出來(lái)。當A內的分子篩吸附飽和時(shí)，B裝置已再生完畢，控制系統這時(shí)關(guān)閉閥門(mén)5和閥門(mén)1，打開(kāi)閥門(mén)2進(jìn)行A、B裝置的均壓，同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)4、7、3，關(guān)上閥門(mén)6、使裝置B進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣A、B兩吸附裝置循環(huán)交替工作，即可得到連續不斷的氧氣[5]。而氮氣及其他組分在解吸時(shí)經(jīng)消聲器排入大氣。為了使氧氣更適宜直接呼吸使用， 在制氧機的儲氣罐中裝有潤濕瓶來(lái)對氧氣進(jìn)行加濕。詳細設計圖如圖3.2所示。氧氣機的電路控制圖如圖3.3所示。
本裝置采用珈伐尼氧傳感器KE-25檢測儲氣罐中的氧氣濃度并隨時(shí)把測量信號通過(guò)A/D轉換器ADC0809轉換成標準的數字信號后傳給控制系統，控制系統通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷定時(shí)采集氧氣的濃度數據，經(jīng)過(guò)內部處理后把數據傳給LED數碼顯示氧氣的濃度值，控制系統通過(guò)計時(shí)來(lái)控制各個(gè)閥門(mén)的通閉，以使兩套吸附裝置能夠交替運行。如果出現氧濃度異常，控制系統向壓縮機副控制系統（變頻器）減慢或增加鼓風(fēng)亮，并給于紅色指示燈點(diǎn)亮信號。設置鍵盤(pán)控制以便修訂輸出氧氣濃度，達到氧氣濃度可控的要求[6]。
空氣壓縮機安裝過(guò)程中應注意減小噪音。由于其是氧氣機主要的噪音源，它的選取相當重要，它發(fā)出的噪聲, 主要來(lái)自進(jìn)氣噪聲, 驅動(dòng)機和機體輻射噪聲, 排氣、管道和貯氣罐噪聲, 排氣放空和閥門(mén)噪聲。為使微型氧氣機運作平穩、可靠，采用高效低噪音、無(wú)油空壓機；對空壓機加固支撐，以改變其自振頻率；內部采用錯落折疊式結構排列，無(wú)非定位活動(dòng)部件；加大管道彎頭處的曲率半徑，可明顯減少氣流對管壁的沖擊作用。并在管道中接如消音器以便達到較好的消音效果[5]。
變頻技術(shù)是應交流電機無(wú)級調速的需要而誕生的。20 世紀60 年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、雙極型功率晶體管（BJT）、MOS 控制晶體管（MGT）、MOS 控制晶閘管（MCT）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管（HVIGBT）的發(fā)展過(guò)程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20 世紀70 年代初，脈寬調制變壓變頻（PWM- VVVF）調速研究引起了人們的高度重視。20 世紀80 年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題引起諸多科研人員重視，并研究出諸多優(yōu)化模式。20 世紀80 年代后半期，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家的VVVF 變頻器投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應用[7]。
微型變壓吸附制氧以空氣為原料，以電力為能源，采用物理吸附制氧，與氧氣瓶、氧氣袋和化學(xué)產(chǎn)氧器相比，具有安全可靠、使用方便和經(jīng)濟實(shí)惠的特點(diǎn)。由于微型變吸附制氧機的原料是空氣，制氧過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應，其產(chǎn)品氣中也無(wú)新的易燃、易爆及毒物質(zhì)；同時(shí)，制氧機只有在制氧過(guò)程中才處于有壓狀態(tài)，且壓力遠遠低于氧氣瓶?jì)鹊膲毫�。故此，微型變壓吸附制氧機在安全方面優(yōu)于化學(xué)制氧機等其他制氧裝置。微型變壓吸附制氧機以電作為唯一的能源，接通電源后幾分鐘即可生產(chǎn)出濃度高于90 %的氧氣；并且，制氧機可以24h 連續運轉[7]。制氧期間既不需要定期添加制氧劑，也不必定期充灌，使用起來(lái)非常方便。對于需要長(cháng)期用氧的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，微型變壓吸附制氧機相當經(jīng)濟。由于制氧機工作時(shí)僅僅消耗電能，除初期投資外，其運行費用只有少量的電費。
微型變壓吸附制氧機工藝流程中最大、最重的元件是壓縮機和吸附裝置，而壓縮機的體積和重量直接與壓縮機的功率相關(guān)，功率越大，體積和重量就越大，噪聲也越高。因此，要減小制氧機的體積和重量就要從減小壓縮機功率和降低吸附裝置高度兩方面入手。
目前變壓吸附制氧用吸附劑主要為5A 沸石分子篩和13X 分子篩[8]及基于兩者基礎之上的改性吸附劑。研究發(fā)現 , LiX 沸石分子篩作吸附劑對氮氣的吸附容量比用NaX (13X) 沸石分子篩的吸附容量高出50 %， 分離系數從13X 分子篩的3 倍提高到7 倍, 采用5 步循環(huán)工藝制氧,，制得的氧氣濃度為90 %以上時(shí)，回收率高達70 % ，能耗降低
50 %。同時(shí), 使用LiX沸石分子篩作吸附劑吸附壓力比可以降低至2 ，而采用5A 沸石分子篩或13X分子篩作吸附劑，壓力比一般高于4，低于此值時(shí)氧氣純度會(huì )迅速下降。因此，選用吸附性能優(yōu)越的分子篩可以減少其用量，降低空氧比、吸附壓力與能耗，從而降低吸附塔高度與壓縮機功率，進(jìn)而減小制氧機的體積與重量。用于制備醫用氧氣的兩種分子篩的主要參數見(jiàn)表3.1所示。
表3.1 兩種分子篩性能的比較
由表3.1 可知，在1 個(gè)大氣壓下， FZS2 的氮氣靜態(tài)吸附量是FZS1 的2.375 倍，FZS2 對N2 / O2 的選擇性約為FZS1 的兩倍；同時(shí), FZS2 的吸附壓力低于FZS1 的吸附壓力。兩種分子篩的吸附等溫線(xiàn)如圖3.4、圖3.5 所示。
由圖3.4 和圖3.5 可以看出, 壓力在0.1 MPa ～0.275MPa 之間時(shí)，FZS2 的氮氣吸附等溫線(xiàn)比FZS1的氮氣吸附等溫線(xiàn)斜率大。當分子篩量一定時(shí)，FZS2 每次循環(huán)的產(chǎn)氧量( 假定吸附壓力均為0.275MPa) 是FZS1 的1.55 倍。由以上分析可知，采用FZS2 進(jìn)行空氣分離制氧比采用FZS1 減少約30 %的分子篩量，從而降低吸附塔高度，并可以減小空氧比，降低吸附壓力，進(jìn)而降低壓縮機功率。
微型制氧機主要用于氧療和氧保健, 用于氧療的氧氣濃度必須達到國家藥典的不低于90% (體積分數) 的要求 。用于氧保健的氧氣濃度要求較低, 30 %～40 %的氧濃度即可滿(mǎn)足氧保健需要。目前, 采用膜技術(shù)產(chǎn)氧的制氧機生產(chǎn)的氧氣濃度一般在40% , 也有氧氣濃度為30%的氧保健專(zhuān)用變壓吸附制氧機。本次設計的氧氣機具有較寬的調氧濃度范圍。
4 元器件選型
4．1 CPU主芯片89C51
單片機以其卓越的性能，得到了廣泛的應用，已深入到各個(gè)領(lǐng)域。單片機應用在檢測、控制領(lǐng)域中，具有如下特點(diǎn)[9]：
·小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，他能方便的組裝成各種智能式測試設備及個(gè)中智能儀器儀表。
·可靠性高，可適用的溫度范圍很廣，因為單片機本身就是按照工業(yè)測控環(huán)境而設計的，能適應各種惡劣的工作環(huán)境，這些是其他機種無(wú)法比擬的。
·易于擴展，可以擴展程序存儲器和數據存儲器，很容易構成個(gè)中規模的應用系統，控制功能強，單片機的邏輯控制功能很強，指令系統有各種控制功能指令。
·可以很方便的實(shí)現多機和分布式控制。
綜上所述，相對于其他控制系統由于單片機具有以上4大特點(diǎn)，使它成為本次設計中控制系統設計的不二選擇，它可以輕松實(shí)現氧氣機的控制和報警等功能，可保證小型PSA氧氣機的可靠運行，在一定程度上可以降低事故率。單片機的低成本可以降低小型PSA氧氣機的制造成本，便于其推廣普及。
北京集成電路設計中心推出的BI/ATμ89C51單片機，是一個(gè)低功耗、高性能的含有4K字節快擦寫(xiě)可編程/擦除只讀存儲器（EEPROM）的8位CMOS單片機，時(shí)鐘頻率高達20MHZ，與8031的指令系統和引角完全兼容。芯片上的EEPROM允許在線(xiàn)（+5V）電擦除、電寫(xiě)入或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。此外，BI/ATμ89C51還支持由軟件選擇的二次掉電工作方式（一種掉電工作方式是CPU停止工作，其他部分仍繼續工作；另一種工作方式是，除片內RAM繼續保持數據以外，其他部分都停止工作），非常適合電池供電或其他要求低功耗的場(chǎng)合。
圖4.1 89C51的引腳圖
單片機引角功能簡(jiǎn)介如下：
·P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線(xiàn)（低8位）及數據總線(xiàn)分時(shí)復用口，可帶8個(gè)LSTTL負載。
·P1口：8位準雙向I/O口，可帶4個(gè)LSTTL負載。
·P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線(xiàn)（高8位）復用，可帶4個(gè)LSTTL負載。
·P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口。該口的每一位均可獨立地定義為第一I/O口功能和第二I/O口功能。作為第一I/O口功能時(shí)，口的結構和P1口相同。
·XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引角。在單片機內部，它是 一個(gè)放大器的輸入端。這個(gè)放大器構成了片內震蕩器�？刹捎锰幗泳w震蕩器時(shí)，此引腳應接地。
·XTAL2（20腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內部接至內部反向放大器的輸出端。若采用外部震蕩器，該引腳接收震蕩器的信號，即把此信息直接接到內部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。
·RST/VPD（9腳）：當震蕩器運行時(shí)，在此引腳外加上兩個(gè)機器周期的高電平將使單片機復位（RST）。在單片機正常工作時(shí)，此引腳應為≤0.5V低電平。掉電期間，此腳可接上備用電源（VPD），以保證內部RAM的數據，當Vcc 下掉到低于規定的值，而VPD在其規定的電壓范圍內（5+0.5V）時(shí)，VPD就 向內部RAM提供備用電源。
·ALE (30腳)：當訪(fǎng)問(wèn)單片機外部存儲器時(shí),ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖的負跳沿用于16位地址的低8位的鎖存信號。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器，ALE仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的1/6。但是，每當訪(fǎng)問(wèn)外部數據存儲器時(shí)（即從程序存儲器取來(lái)MOVX類(lèi)指令），在兩個(gè)機器周期中ALE只出現一次，即丟失一個(gè)脈沖。因此，嚴格來(lái)說(shuō)，用戶(hù)不能用ALE做時(shí)鐘源或定時(shí)。ALE端可以驅動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)TTL負載。本次設計用ALE作為鎖存信號和ADC0809的時(shí)鐘信號。
·/VPP (31腳)：當EA端保持高電平時(shí)，單片機訪(fǎng)問(wèn)內部程序存儲器，但當PC值（程序計數器）超過(guò)0FFFH時(shí)（對8051、8751來(lái)說(shuō)），將自動(dòng)轉向執行外部程序存儲器內的程序。當 /VPP 保持低電平時(shí)，則只訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。對于89C51來(lái)說(shuō)此引腳應接高電平。89C51的VPP編程電壓為+12V或+5V。
P1口、P2口、P3口各I/O口線(xiàn)片內均有固定的上拉電阻，故稱(chēng)為準雙向I/O口。P0口線(xiàn)內無(wú)固定上拉電阻，由兩個(gè)MOS管串接，即可開(kāi)漏輸出，又可處于高阻的“浮空”狀態(tài)，故稱(chēng)為雙向三態(tài)I/O口。
MCS-51（89C51屬于其中的一種）單片機內有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計數器，以滿(mǎn)足對產(chǎn)生精確定時(shí)時(shí)間的需要，它們具有兩種工作模式（定時(shí)器和計數器模式）及四種不同的工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3），其控制字均在相應的特殊功能寄存器中，通過(guò)對它的特殊功能寄存器的編程，用戶(hù)可以方便的選擇適當的工作模式和工作方式。
本次設計采用T0的定時(shí)器功能，選擇它的方式1（16位計數器）來(lái)產(chǎn)生精確的記時(shí)時(shí)間。
MCS-51 提供五個(gè)中斷請求源，其中兩個(gè)是外部中斷源，由和引腳輸入；兩個(gè)為片內定時(shí)器/計數器溢出時(shí)產(chǎn)生的中斷請求TF0、TF1；以及串行口發(fā)送中斷TI或接收中斷RI。這些中斷請求源分別由特殊功能寄存器TCON和SCON的相應位鎖存。本次設計采用了3個(gè)中斷，分別是外部中斷0、外部中斷1和T0計時(shí)中斷。
和電平在每一個(gè)機器周期的S5P2被采樣并鎖存到IE0、IE1中，這個(gè)新置入的IE0、IE1的狀態(tài)等到下一個(gè)機器周期才被查詢(xún)電路查詢(xún)到，如果中斷被激活，并且滿(mǎn)足響應條件，CPU接著(zhù)執行一條硬件子程序調用指令以轉到相應的中斷服務(wù)程序入口，該硬件調用指令本身需要兩個(gè)機器周期，這樣，從產(chǎn)生外部中斷請求到開(kāi)始執行中斷請求服務(wù)程序的第一條指令之間至少需要三個(gè)完整的機器周期。外部中斷的觸發(fā)有兩種觸發(fā)方式，電平觸發(fā)方式和邊沿觸發(fā)方式。
4．2 CPU接口擴充芯片8255A
8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別稱(chēng)為PA口、PB口、PC口，其中PC口又分為高四位口（PC7～PC4）和低四位口（PC3～PC0），他們都可以通過(guò)軟件編程來(lái)改變I/O的工作方式。8255A可以與MCS—51單片機直接接口。且接口邏輯十分簡(jiǎn)單。
8255A的引腳介紹：
·PA口：一個(gè)8位數據輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè)8位數據輸出鎖存器。
·PB口：一個(gè)8位數據輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè)8位數據輸出緩沖器。
·PC口：一個(gè)8位的輸出鎖存器；一個(gè)8位數據輸入緩沖器。
·（6腳）：片選信號。由CPU輸入,有效，表示該8255A被選中。
·, (5腳和36腳)：讀寫(xiě)控制信號。由CPU輸入，有效，表示CPU讀8255A應由8255A向CPU傳送數據或狀態(tài)信息。有效，表示CPU寫(xiě)8255A應由CPU將控制字或數據寫(xiě)入8255A。
·RESET（35腳）：復位信號，由CPU輸入。RESET有效時(shí)，清除8255A中所有控制字寄存器內容，并將各端口置成輸入方式。
·和（8腳和9腳）：端口選擇信號。
當=00，選擇端口A(yíng)；
當 =01，選擇端口B；
當=10，選擇端口C；
當=11，選擇控制字寄存器。
通常PA口、PB口作為輸出輸入口，PC口可作為輸入輸出口，也可在軟件的控制下，分成兩個(gè)4位的 端口，作為端口A(yíng)、B選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號。
本次設計8255A的工作方式選擇0完成輸出功能，用來(lái)向數模轉換器輸出8位數字信號。端口B工作在方式1，完成輸入功能，用來(lái)接受由模數轉換器輸入的8位數字信號。端口C做控制用，用做數模轉換器ADC0809的啟動(dòng)信號，用做輸入的信號，用做中斷請求信號，連接89C51的口以便向CPU發(fā)出中斷請求。
圖4.2 8255A的引腳圖
本次設計8255A的工作方式選擇0完成輸出功能，用來(lái)向數模轉換器輸出8位數字信號。端口B工作在方式1，完成輸入功能，用來(lái)接受由模數轉換器輸入的8位數字信號。端口C做控制用，用做數模轉換器ADC0809的啟動(dòng)信號，用做輸入的信號，用做中斷請求信號，連接89C51的口以便向CPU發(fā)出中斷請求。
4．3 模數轉換芯片ADC0809
ADC0809是National半導體公司生產(chǎn)CMOS材料的A/D轉換器。它具有8個(gè)通道的模擬量輸入線(xiàn)，可在程序控制下對任意通道進(jìn)行A/D轉換，得到8位二進(jìn)制數字量。
其主要技術(shù)指標如表4.3.1所示.
表4.1 ADC0809的主要技術(shù)指標
其引腳如圖4.3所示。
圖4.3 ADC0809的引腳圖
ADC0809的引腳功能介紹：·IN0～IN7（腳26～28，1～5）：為8個(gè)通道模擬量輸入線(xiàn)�！DDA、ADDB、ADDC（腳25～23）：多路開(kāi)關(guān)地址選擇線(xiàn)。A為最低位，C位最高位，通常分別接在地址線(xiàn)的低三位�！�2-8～2-1(腳7、14、15、8、18～21)：8位數字量輸出結果�！LE（腳22）：地址鎖存有效輸入線(xiàn)。該信號上升沿把ADDA，ADDB，ADDC 3選擇線(xiàn)的狀態(tài)鎖存入多路開(kāi)關(guān)地址寄存器中�！TART（腳6）：?jiǎn)?dòng)轉換輸入線(xiàn)。該信號上升沿清除ADC的內部寄存器而在下降沿啟動(dòng)內部控制邏輯，開(kāi)始A/D轉換�！OC（腳7）：轉換完成輸出線(xiàn)，當EOC為1時(shí)表示轉換已完成�！LOCK（腳10）：轉換定時(shí)時(shí)鐘輸入線(xiàn)，其頻率不能高于640HZ，當頻率為640HZ時(shí)，轉換速度約為100μs�！E（9）：允許輸入線(xiàn)。在OE為“1”時(shí)，三態(tài)輸出鎖存器脫離三態(tài)，把數據送給總線(xiàn)�！REF(腳12，16)：參考電壓輸入線(xiàn)。
圖4.4 ADC0809的模擬電壓輸入電路
數模轉換芯片DAC0832
DAC0832是美國數據公司的8位雙緩沖D/A轉換器，片內帶有數據鎖存器，可與通常的微處理器直接接口。電路有極好的溫度跟隨性。使用COMS電流開(kāi)關(guān)和控制邏輯來(lái)獲得低功耗和低輸出泄露電流誤差。其主要技術(shù)指標如表4.2所示.
表4.2 DAC0832的技術(shù)指標
DAC0832引腳如圖4.5所示.
圖 4.5 DAC0832引腳圖
DAC0832的引腳功能如下：
· D0～7（腳7～4，16～13）：數據輸入線(xiàn)
· ILE （腳19）：數據允許信號，高電平有效
· （腳1）：輸入寄存器選擇信號，低電平有效
· （腳2）：輸入寄存器寫(xiě)選通信號，低電平有效
· （腳18）：DAC寄存器寫(xiě)選通信號，低電平有效
· （腳17）：數據傳送信號，低電平有效
·VCC （腳20）：電源輸入線(xiàn)
·IOUT1和IOUT2（腳11、12）：電源輸入線(xiàn)
·AGND （腳3） 模擬信號地
·DGND （腳10）數字地
·RFB （腳9）：反饋信號輸入線(xiàn)
·VREF （腳8）：基準電源輸入線(xiàn)
DAC0832由8位輸入鎖存器，8位D/A轉換電路組成。 DAC0832的輸出是電流型的。在微機系統中，通常需要電壓信號，電流信號和電壓信號之間的轉換可由放大器來(lái)實(shí)現，原理如圖4.6所示：
圖4.6 DAC0832的電壓輸出電路
根據DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有三種工作方式：
·單緩沖方式;
·雙緩沖方式;
·直通方式;
本次設計采用直通方式，此方式適用于連續反饋控制控制線(xiàn)路中，方法是：數據不通過(guò)緩沖存儲器，即、、、均接地，ILE接高電平。此時(shí)必須通過(guò)I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A的轉換。
4．5 LED顯示器
LED顯示是單片機應用系統中常用的輸出器件。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時(shí)，相應的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫(huà)發(fā)亮�？刂撇煌慕M合的二極管導通，就能顯示出各種字符，本次設計采用8段共陽(yáng)極LED顯示器，如圖4.7所示：
圖4.7 8段共陽(yáng)極LED顯示器的結構及引腳圖
8段LED顯示器的dp顯示端用于小數點(diǎn)顯示。由于8段LED顯示器有8各段發(fā)光二極管，所以字符碼為一個(gè)字節。其字型碼如表4.3所示
表 4.3 8段LED字型碼
顯示字符 共陽(yáng)極字型碼 顯示字符 共陽(yáng)極字型碼
0 COH c C6H
1 F9H d A1H
2 A4H E 86H
3 B0H F 8EH
4 99H P 8CH
5 92H U C1H
6 82H T CEH
7 F8H y 91H
8 80H H 89H
9 90H L C7H
A 88H “滅” FFH
b 83H ………………… …………………
4． 6 鍵盤(pán)
鍵盤(pán)是簡(jiǎn)單的單片機輸入設備，通過(guò)鍵盤(pán)輸入數據或命令，實(shí)現簡(jiǎn)單的人機對話(huà)。鍵盤(pán)上閉合鍵的識別是由專(zhuān)用硬件實(shí)現的，稱(chēng)為編碼鍵盤(pán)，靠軟件實(shí)現的稱(chēng)為非編碼鍵盤(pán)。在本次設計的單片機應用系統中，為了節省硬件，采用非編碼鍵盤(pán)，在這種鍵盤(pán)結構中，單片機對它的控制不外乎三種方式：
·程序控制掃描方式;
·定時(shí)掃描方式;
·中斷掃描方式;
其中中斷掃描方式減少了對鍵盤(pán)的無(wú)謂掃描提高了CPU的效率，它也是本次設計最終確定的鍵盤(pán)掃描方法。當設置鍵按下時(shí)產(chǎn)生中斷請求，CPU響應中斷請求，執行中斷程序，判斷鍵盤(pán)上閉合鍵的鍵號，并做相應的程序處理。
圖4.8 鍵盤(pán)連接電路
本次使用按鍵除暫停鍵為非復位按鍵以為其他均為長(cháng)開(kāi)可復位的按鍵。當需要重新設計氧氣的最底濃度時(shí)，點(diǎn)確定鍵，系統產(chǎn)生外部中斷，調用外部中斷1的處理程序，對P2.4、P2.5和P2.6進(jìn)行掃描，如果有加1鍵或減1鍵按下則依程序進(jìn)行處理，如果確定鍵沒(méi)有按下則循環(huán)掃描P2.4、P2.5和P2.6口，當掃描到確定鍵按下，則跳出中斷程序，繼續執行原先的程序。當暫停鍵按下時(shí)CPU終止中斷服務(wù)、關(guān)計時(shí)器且取消變頻器的正轉選通，等待關(guān)機或重新開(kāi)始。當暫停鍵打開(kāi)時(shí)CPU重新開(kāi)啟中斷服務(wù)、開(kāi)計數器并且變頻器正轉選通，CPU重新開(kāi)始工作。
4．7 看門(mén)狗電路芯片MAX813
氧氣機在營(yíng)運過(guò)程中，由于干擾等各種因素的影響。有可能出現死機現象導致其無(wú)法正常營(yíng)運。為了克服這一現象，除了充分利用CPU本身的看門(mén)狗定時(shí)器外，還需外加看門(mén)狗電路,復位、看門(mén)狗及電源監控由MAX813芯片來(lái)完成。MAX813的主要特點(diǎn)如下：
·系統上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第7腳產(chǎn)生復位輸出，復位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復位門(mén)限為4.65V。
·如果在1.6s內沒(méi)有觸發(fā)該電路（即第6路無(wú)脈沖輸入），則第8腳輸出一個(gè)低電平信號，即看門(mén)狗電路輸出信號。
·手動(dòng)復位輸入，低電平有效，即第1腳輸入一個(gè)低電平，則第7腳產(chǎn)生復位輸出。
·具有1.25V門(mén)限值檢測器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。
實(shí)際應用時(shí)，將第1腳與第8腳相連，第7腳接CPU的復位腳（89C51的第9腳），第6腳與CPU的P2.3相連。在營(yíng)運過(guò)程中，P2.3不斷輸出脈沖信號。如果因某種原因CPU進(jìn)入死循環(huán)，則P2.3無(wú)脈沖輸出。于是1.6秒后在MAX813的第8腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使MAX813產(chǎn)生復位輸出，使CPU有效復位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當電源電壓低于門(mén)限值4.65V時(shí)，MAX813L也產(chǎn)生復位輸出，CPU處于復位狀態(tài)，不執行任何指令，直到電源電壓恢復正常，因此可有效防止因電源電壓較低時(shí)CPU產(chǎn)生錯誤的動(dòng)作。
4．8 空氣壓縮機的選擇
壓縮機是氧氣機的主要組成部分，用來(lái)對進(jìn)入氧氣機的空氣加壓，并通過(guò)對其的調速來(lái)進(jìn)行氧氣濃度的調節。
按工作原理分, 壓縮機可分為旋轉葉片式、活塞式、螺桿式三大系列。旋轉葉片式空氣壓縮機主要是利用葉片旋轉過(guò)程中, 葉片間體積的不斷縮小, 產(chǎn)生壓縮空氣。此類(lèi)壓縮機適用于供風(fēng)量要求較低的車(chē)輛, 通常是非制動(dòng)用風(fēng)( 空氣彈簧、撒砂、輪緣潤滑、門(mén)控制)�；钊綁嚎s機主要是通過(guò)曲軸帶動(dòng)活塞連桿機構使活塞在氣缸內往復運動(dòng), 經(jīng)兩級氣缸壓縮, 產(chǎn)生壓縮空氣。螺桿壓縮機分為單螺桿和雙螺桿兩大系列。單螺桿壓縮機因最高排風(fēng)壓力為0.7 kPa。雙螺桿壓縮機是一種雙軸回轉式容積式壓縮機, 電機通過(guò)聯(lián)軸器直接驅動(dòng)壓縮機轉子, 轉子為兩個(gè)互相嚙合的螺桿, 具有非對稱(chēng)的嚙合型面, 并在一個(gè)鑄鐵殼體內旋轉, 即嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小,齒溝內的氣體逐漸被壓縮, 產(chǎn)生壓縮空氣.
經(jīng)比較各廠(chǎng)家的產(chǎn)品最終本次設計采用了由青島正陽(yáng)空壓機有限公司生產(chǎn)的微型Z-0.12/7型空氣壓縮機。其主要參數為如表4.4所示。
表4.4 Z-0.12/7型空氣壓縮機的參數
4．9 變頻器的選取
空氣壓縮機在工礦企業(yè)生產(chǎn)中有著(zhù)廣泛的應用。它擔負著(zhù)為各種氣動(dòng)元件和氣動(dòng)設備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機運行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量�？諝鈮嚎s機是一種把空氣壓入儲氣罐中,使之保持一定壓力的機械設備,屬于恒轉矩負載,其運行功率與轉速成正比。所以單就運行功率而言,采用變頻調速控制其節能效果遠不如風(fēng)機泵類(lèi)二次方負載顯著(zhù),但空氣壓縮機大多處于長(cháng)時(shí)間連續運行狀態(tài),傳統的工作方式為進(jìn)氣閥開(kāi)、關(guān)控制方式,即壓力達到上限時(shí)關(guān)閥,壓縮機進(jìn)入輕載運行;壓力抵達下限時(shí)開(kāi)閥,壓縮機進(jìn)入滿(mǎn)載運行。這種頻繁地加減負荷過(guò)程,不僅使供氣壓力波動(dòng),而且使空氣壓縮機的負荷狀態(tài)頻繁地變換。由于設計時(shí)壓縮機不能排除在滿(mǎn)負荷狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間運行的可能性,所以只能按最大需求來(lái)選擇電動(dòng)機的容量,故選擇的電動(dòng)機容量一般較大。在實(shí)際運行中,輕載運行的時(shí)間往往所占的比例是非常高的,這就造成巨大的能源浪費。值得指出的是,供氣壓力的穩定性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響是很大的,通常生產(chǎn)工藝對供氣壓力有一定要求,若供氣壓力偏低,不能滿(mǎn)足工藝要求,就可能出現廢品,所以,為了避免氣壓不足,一般供氣壓力較要求值要偏高些,從而造成供氣成本高,能耗大,同時(shí)造成一定的不安全因素。
變頻技術(shù)是應交流電機無(wú)級調速的需要而誕生的。20 世紀60 年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、雙極型功率晶體管（BJT）、MOS 控制晶體管（MGT）、MOS 控制晶閘管（MCT）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管（HVIGBT）的發(fā)展過(guò)程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20 世紀70 年代初，脈寬調制變壓變頻（PWM- VVVF）調速研究引起了人們的高度重視。20 世紀80 年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題引起諸多科研人員重視，并研究出諸多優(yōu)化模式。20 世紀80 年代后半期，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家的VVVF 變頻器投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應用[7]。
變頻調速是20 世紀80 年代初發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),具有易操作、免維護、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。普通電動(dòng)機采用變頻調速后,在其拖動(dòng)負載無(wú)須任何改動(dòng)的情況下,即可以按照生產(chǎn)工藝要求調整轉速輸出。因此,空氣壓縮機完全可以用變頻器驅動(dòng)的方案取代加、卸載供氣控制方式方案,從而實(shí)現電動(dòng)機根據用氣量的大小自動(dòng)調整轉速保證供氣壓力恒定,使電動(dòng)機在低于額定轉速下連續運轉,可有效地克服電動(dòng)機頻繁改變運行狀態(tài)所帶來(lái)的諸多弊端,達到系統高效節能運行的目的。
現在世界范圍內有幾十家公司能生產(chǎn)變頻器，其中以歐、美、日的各大公司為主。而我們國家在著(zhù)方面起步比較晚，但已有長(cháng)足發(fā)展, 并涌現出許多優(yōu)秀的企業(yè)，比如森蘭、安邦信以及康沃眾多品牌企業(yè)等。由于國產(chǎn)產(chǎn)品具有價(jià)廉物美的特點(diǎn)，在國內也得到了廣泛的應有。其中2003年，中國變頻器市場(chǎng)增長(cháng)呈“井噴”之勢，其增長(cháng)率高達40%。進(jìn)入2004年，變頻器市場(chǎng)增長(cháng)明顯放緩，僅為19%，市場(chǎng)規模約為66億元人民幣。這種增長(cháng)乏力的趨勢在2005年的市場(chǎng)將更為明顯，預計在10%以下，甚至有相當多的主流廠(chǎng)商僅能保持與2004年持平的業(yè)績(jì)。中國的變頻器市場(chǎng)進(jìn)入了一個(gè)“增長(cháng)”的低谷，或者說(shuō)04年之后，國內變頻器市場(chǎng)增長(cháng)逐漸趨于理性。 從20年前中國有能力生產(chǎn)變頻器以來(lái)，國內變頻器廠(chǎng)商逐漸成長(cháng)起來(lái)，目前國產(chǎn)變頻器在國內變頻器市場(chǎng)中已經(jīng)占據一席之地。在2004年的國內市場(chǎng)中，國內品牌供應商的市場(chǎng)份額總和達到14.9%，比2003年又有所上升，其中內地品牌市場(chǎng)份額為9.5%，基本與2003年持平。
由于空氣壓縮機是恒轉矩負載,故變頻器應選用通用型的。又因為空氣壓縮機不允許超過(guò)額定轉速值,電動(dòng)機不會(huì )過(guò)載,一般變頻器出廠(chǎng)標注的額定容量都具有一定的安全系數,所以,選擇變頻器容量與所驅動(dòng)的電動(dòng)機容量相同即可。本次設計將采用的變頻器為國產(chǎn)艾默生V800系列中的EV800-4T0011G通用變頻器。其控制參數如表4.5所示.
表4.5 EV800-4T0011G通用變頻器的控制參數
它具有簡(jiǎn)單易懂和便于操作與安裝的特點(diǎn)，并且價(jià)格便宜可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下有效的降低氧氣機的成本,便于其能得到推廣和廣泛的應用,其接線(xiàn)圖如圖3.3所示。
4．10 氧氣傳感器的選取
由于珈伐尼電池傳感器有良好的線(xiàn)性特性，便于設計，且不需要外部電源、成本低廉，所以本次設計采用珈伐尼電池氧傳感器。
GS氧氣傳感器是珈伐尼電池傳感器的一種，它由鉛陽(yáng)極鍍金陰極及特定的酸液組成氧分子通過(guò)不滲水的樹(shù)脂薄膜進(jìn)入電化學(xué)電池，在金電極發(fā)生還原反應，在兩電極之間的電流同被測混合氣中的氧氣濃度成正比，輸出電壓信號由所接的電阻兩端電壓通過(guò)溫度補償后獲得，輸出電壓的變化就表示氧氣濃度。下面是兩種GS氧氣傳感器的性能比較:
表4.6 KE-25和KE-50的性能比較
由圖可知KE-25相對于KE-50在相應速度上有很大的優(yōu)勢，所以本次試驗采用KE-25作為氧氣傳感器，在氧氣傳感器 安裝是應注意以下幾點(diǎn)：
·禁止傳感元件結露;
·同傳感器連接的設備不能有任何驅動(dòng)力,
·不要過(guò)度的震動(dòng);
·即不能對傳感器供電;
·所接設備輸入阻抗應1000k;
·在任何情況下均不能拆開(kāi)傳感器或進(jìn)行維修.
4．11 電磁閥的選擇
電磁閥在工業(yè)生產(chǎn)中應用十分廣泛,在石油化學(xué)工業(yè)中尤為普遍。它既可用于水、空氣和中性氣體以及其他與電磁閥材質(zhì)相適宜的氣體、液體的開(kāi)關(guān)控制(二通) ,又可作為安全聯(lián)鎖保護系統中不可缺少的一部分(三通、四通、五通) 。電磁閥由電磁部件、閥體組成。電磁部件由固定鐵芯、動(dòng)鐵芯、線(xiàn)圈等部件組成;閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等組成。當線(xiàn)圈通電或斷電時(shí),磁芯的運轉將導致流體通過(guò)閥體或被切斷,以達到開(kāi)關(guān)或改變流體方向的目的。在安全聯(lián)鎖保護系統中應用的電磁閥主要有二位三通、二位四通和二位五通,二位的含義為:對于電磁閥來(lái)說(shuō)是帶電或失電,對于所控制的閥來(lái)說(shuō)就是打開(kāi)或關(guān)閉。
二位二通電磁閥由閥體、閥罩、電磁組件、彈簧及密封結構等部件組成,動(dòng)鐵芯底部的密封塊借助彈簧的壓力將閥體進(jìn)氣口關(guān)閉。得電時(shí),線(xiàn)圈勵磁,電磁鐵吸合,動(dòng)鐵芯上部帶彈簧的密封塊把氣口關(guān)閉/打開(kāi),起到控制作用;失電時(shí),電磁力消失,動(dòng)鐵芯在彈簧力作用下離開(kāi)固定鐵芯向下移動(dòng),將氣口打開(kāi)/關(guān)閉。
二位三通電磁閥也是由閥體、閥罩、電磁組件、彈簧及密封結構等部件組成,動(dòng)鐵芯底部的密封塊借助彈簧的壓力將閥體進(jìn)氣口關(guān)閉。得電時(shí),線(xiàn)圈勵磁,電磁鐵吸合,動(dòng)鐵芯上部帶彈簧的密封塊把排氣口關(guān)閉,氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入閥門(mén),起到控制作用;失電時(shí),電磁力消失,動(dòng)鐵芯在彈簧力作用下離開(kāi)固定鐵芯向下移動(dòng),將排氣口打開(kāi),堵住進(jìn)氣口,閥門(mén)因失氣而改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
二位四通和五通電磁閥的原理相同,只是四通有1 個(gè)排氣口,五通有2 個(gè)排氣口。它們的工作原理:當有電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí),產(chǎn)生勵磁作用,固定鐵芯吸合動(dòng)鐵芯,動(dòng)鐵芯帶動(dòng)滑閥芯并壓縮彈簧,改變了滑閥芯的位置,從而改變了流體的方向;當線(xiàn)圈失電時(shí),依靠彈簧的彈力推動(dòng)滑閥芯,頂回動(dòng)鐵芯,使流體按原來(lái)的方向流動(dòng)。
在實(shí)際的設計應用中,電磁閥有兩種供電形式:220 V AC 或24 V DC。如果選用220 V AC供電形式,因為供電電壓高,傳輸電纜造成的電壓降不會(huì )影響到電磁閥能否正常工作,不必考慮電纜電阻損失的電壓,所以可以遠距離傳輸。如果電磁閥的供電電壓為24 V DC ,就必須根據電磁閥的最低工作電壓來(lái)進(jìn)行電纜的最大允許長(cháng)度計算。
本次設計所用的電磁閥采用220V AC供電的長(cháng)沙盛恩DCF22B-10X二位二通型先導式
長(cháng)閉電磁閥，其便于簡(jiǎn)化電路且便于家庭應用。其主要技術(shù)參數如表4.10所示.
表4.10 DCF22B-10X技術(shù)參數
4．12 繼電器KB20C04A
交流固態(tài)繼電器SSR ( so lid state reley) 是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān), 它利用電子元件(如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體器件) 的開(kāi)關(guān)特性, 可達到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的, 為四端有源器件, 其中兩個(gè)端子為輸入控制端, 另外兩端為輸出受控端。為實(shí)現輸入與輸出之間的電氣隔離, 器件中采用了高耐壓的專(zhuān)業(yè)光耦合器。當施加輸入信號后, 其主回路呈導通狀態(tài), 無(wú)信號時(shí), 呈阻斷狀態(tài)。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn), 可實(shí)現相當于常用電磁繼電器一樣的功能。其封裝形式也與傳統電磁繼電器基本相同。它問(wèn)世于70 年代, 由于它的無(wú)觸點(diǎn)工作特性, 使其在許多領(lǐng)域的電控及計算機控制方面得到日益廣泛的應用。
固態(tài)繼電器有三部分組成: 輸入電路, 隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類(lèi)別, 輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。SSR 成功地實(shí)現了弱信號(V sr) 對強電(輸出端負載電壓) 的控制。由于光耦合器的應用, 使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作) , 而且V sr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS 等常用集成電路兼容, 可以實(shí)現直接聯(lián)接。這使SSR 在數控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可取代傳統的“線(xiàn)圈- 簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡(jiǎn)稱(chēng)“M ER”)。
SSR 由于是全固態(tài)電子元件組成, 與M ER 相比,它沒(méi)有任何可動(dòng)的機械部件, 工作中也沒(méi)有任何機械動(dòng)作。SSR 由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現“通”和“斷”的開(kāi)關(guān)功能, 沒(méi)有電接觸點(diǎn), 所以它有一系列M ER 不具備的優(yōu)點(diǎn), 即工作高可靠、長(cháng)壽命(有資料表明SSR 的開(kāi)關(guān)次數可達108 - 109 次, 比一般M ER 的106 高幾百倍) , 無(wú)動(dòng)作噪聲, 耐振耐機械沖擊, 安裝位置無(wú)限制, 很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式, 而且具有良好的防潮防霉防腐性能, 在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點(diǎn)使SSR 可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車(chē)載武器系統)、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設備的應用中大顯身手, 具有超越M ER 的技術(shù)優(yōu)勢。
由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件, 所以它較之電磁繼電器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
·高壽命, 高可靠: SSR 沒(méi)有機械零部件, 有固體器件完成觸點(diǎn)功能, 由于沒(méi)有運動(dòng)的零部件, 因此能在高沖擊, 振動(dòng)的環(huán)境下工作, 由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性, 決定了固態(tài)繼電器的壽命長(cháng), 可靠性高。
·靈敏度高, 控制功率小, 電磁兼容性好: 固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬, 驅動(dòng)功率低, 可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動(dòng)器。
·快速轉換: 固態(tài)繼電器因為采用固體其間, 所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。
·電磁干擾小: 固態(tài)繼電器沒(méi)有輸入“線(xiàn)圈”, 沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳, 因而減少了電磁干擾。大多數交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開(kāi)關(guān), 在零電壓處導通,零電流處關(guān)斷, 減少了電流波形的突然中斷, 從而減少了開(kāi)關(guān)瞬態(tài)效應。
交流型SSR 由于采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù), 因而可以使SSR 安全地用在計算機輸出接口上, 不必為在接口上采用M ER 而產(chǎn)生的一系列對計算機的干擾而煩惱。此外, SSR 還有能承受在數值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。
由于固態(tài)相對于機械繼電器有以上特點(diǎn)，而且其噪音幾乎沒(méi)有，非常適合人吸氧時(shí)進(jìn)行休息。經(jīng)比較各廠(chǎng)家的不同產(chǎn)品，得知KB20C04A固態(tài)繼電器非常適合本次設計的氧氣機閥門(mén)控制系統。其主要技術(shù)參數如表4.11所示。
表4.11 KB20C04A的主要技術(shù)指標
5 程序
程序作為控制系統的必要環(huán)節，其邏輯關(guān)系的正確與否直接關(guān)系著(zhù)整個(gè)系統是否能正常工作。本次設計的程序主要有兩大部分主程序和中斷子程序，其中中斷子程序包括一個(gè)定時(shí)器中斷子程序和兩個(gè)外部中斷子程序。
5.1 流程圖
5.2 程序
ORG 0000H
RESET: AJMP MAIN ; 轉主程序
ORG 000BH ；轉中斷子程序
AJMP ITOP
ORG 0003H
AJMP INT0
ORG 0013H
AJMP INT1
ORG 0100H
MAIN: JB P3.1 , MAIN;P3.1口按鍵為不可復位按鍵
MOV SP , #60H
CLR P1.5 ;開(kāi)機指示燈
ACALL PTOMO
HERA: MOV A , R4 ;顯示程序
MOV B , #14H;
DIV A B
CLR P2.0
SETB P2.1
SETB P2.2
MOV P0 , #8CH ;(P2.1控制的顯示器顯示為P(現在)
PUSH DPL
PUSH DPH
MOV DPTR , #70H
CLR P2.1
SETB P2.0
SETB P2.2
MOV P0 , @A+DPTR;向十位上寫(xiě)入數據
MOV A , B
MOV B , 02H
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