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小型氧氣機(jī)(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(yùn)動(dòng)的第一需要，營(yíng)養(yǎng)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(duì)于ATP（人體內(nèi)部傳輸能量的載體，一種高能化合的儲(chǔ)能物質(zhì)）生成起著關(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(yǎng)物質(zhì)必須與氧結(jié)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(zhuǎn)化成為ATP。
全球大氣日趨惡化，每天工廠煙囪和機(jī)動(dòng)車(chē)輛等排出大量廢氣。城市空氣受到污染。據(jù)科學(xué)測(cè)量平均每1000升空氣中就含有40升對(duì)人體有害的氣體。大氣污染已構(gòu)成世界環(huán)保頭號(hào)難題，氧饑荒已經(jīng)出現(xiàn)。
醫(yī)學(xué)研究表明：80%的人或多或少的缺氧，環(huán)境污濁、生活節(jié)奏加快、腦力、體力消耗增加，使身體長(zhǎng)期處于缺氧狀態(tài)。都市人比生活在郊區(qū)、山林地區(qū)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(dá)到。事實(shí)上，我們?nèi)祟惖牡纳谑艿絿?yán)重威脅。
中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，工業(yè)化、城市化的發(fā)展使中國(guó)的GDP 年增長(zhǎng)率達(dá)到8 %～9 %。自改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)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(zhǎng)速度是世界平均增長(zhǎng)速度的3 倍 。20世紀(jì)末，經(jīng)濟(jì)的劇增使得中國(guó)成為世界上繼美國(guó)之后的第二大能源消費(fèi)國(guó)， 能源特別是煤的消耗已成為中國(guó)城市空氣污染的主要人為源。我國(guó)的總能源消耗從1978 年的571 萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤增加到2002 年的15 億噸標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)量的快速增加，燃油消耗年平均增長(zhǎng)達(dá)6 %，大城市空氣的NOx 、CO 及相關(guān)污染物濃度升高。不斷增長(zhǎng)的能源消耗和機(jī)動(dòng)車(chē)輛加重了中國(guó)城市大氣環(huán)境的負(fù)擔(dān)，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(xiàn)出來(lái)。自1980 年代以來(lái),許多城市遭受了日益嚴(yán)重的空氣污染，90 年代初期，中國(guó)500 多個(gè)城市中達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)的不到1 %；近年來(lái)，暴露于未達(dá)標(biāo)空氣質(zhì)量的城市人口占統(tǒng)計(jì)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(guó)城市空氣污染已明顯引起的公共健康效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)損失。從總體來(lái)講廣大的農(nóng)村比起城市來(lái)空氣污染要輕的多，但個(gè)別地區(qū)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(zhēng)的事實(shí)[1]。
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jié)奏的加快使人們的精神壓力越來(lái)越大，這些導(dǎo)致人們?cè)絹?lái)越注重自我調(diào)節(jié)和養(yǎng)生保健。一種新的養(yǎng)生保健方法——有氧療法（在人體缺氧或?qū)⒁霈F(xiàn)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(nèi)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，稱為有氧療法[2]）也應(yīng)運(yùn)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(fèi)的起的，這就要求有一種更廉價(jià)的制氧設(shè)備，最好是可以應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、生活、環(huán)保等眾多領(lǐng)域。
本次研究設(shè)計(jì)的氧氣機(jī)主要適合家用、賓館和醫(yī)用領(lǐng)域，也可應(yīng)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(jī)作為氧氣機(jī)控制系統(tǒng)的中心。采用氧敏傳感器進(jìn)行氧氣濃度的檢測(cè)，并實(shí)時(shí)顯示裝置告知用戶，當(dāng)指標(biāo)低于設(shè)定值是報(bào)警提醒。
2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)傳統(tǒng)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(guó)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(nèi)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(yī)療、生活、環(huán)保中顯示了很大的優(yōu)勢(shì)[3]。PSA裝置具有隨時(shí)開(kāi)機(jī)隨時(shí)制氧、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便投資和管理費(fèi)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(nèi)隨意調(diào)節(jié)、吸附在常溫下進(jìn)行、不涉及優(yōu)勢(shì)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(diào)室內(nèi)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(jié)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(tǒng)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(yīng)用空間和發(fā)展?jié)摿Α?br />
以前，家用、醫(yī)用氧的獲得都是采用鋼瓶氧供給方式，即制氧廠通過(guò)高壓深冷工藝方法，把空氣中的氧起分離出來(lái)之后，預(yù)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(yù)先裝好氧氣的鋼瓶運(yùn)回家去使用，使完氧氣后，再把空瓶運(yùn)回制氧廠去灌裝或換取裝好的鋼瓶。這種方法雖然現(xiàn)在還有人用，但由于鋼瓶笨重，加之鋼瓶中裝有高壓氧氣，運(yùn)輸既不方便，又危險(xiǎn)，且氧氣瓶中的氧氣使用時(shí)間有限，這些都制約著家庭用氧的普及[4]。況且目前基層醫(yī)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(zhuǎn)歸。
隨著科技的進(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(xiàn)，使得分離氧氣的工作不再是一定要到氧氣廠完成，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(yī)用氧氣機(jī)的誕生。
我國(guó)采用PSA技術(shù)生產(chǎn)的小型醫(yī)用機(jī)其主要結(jié)構(gòu)都是用小型無(wú)油壓縮機(jī)，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)以內(nèi)，采用雙床分子篩分別同時(shí)進(jìn)行對(duì)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(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)PSA小型醫(yī)用氧氣機(jī)的廠家已有十多家,產(chǎn)品各有點(diǎn)，根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要有以下六種類型[4]：
·二位五通單控滑柱式電磁閥控制系統(tǒng)
·二位五通雙控滑柱式電磁閥控制系統(tǒng)
·電磁先導(dǎo)閥氣動(dòng)閥控制系統(tǒng)
·二位四通膜式電磁閥控制系統(tǒng)
·旋轉(zhuǎn)閥控制系統(tǒng)
·壓力控制氣閥控制系統(tǒng)
其中第五種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又可靠，在實(shí)際的小型醫(yī)用氧氣機(jī)的使用中這種控制系統(tǒng)的故障率是很低的，第3、4種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是較為可靠的，第1、2種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性相對(duì)要差些。
3 研究設(shè)想及采用方法
小型氧氣機(jī)采用變壓吸附PSA技術(shù)，利用結(jié)晶硅酸鹽化合物（俗稱沸石）的多孔結(jié)構(gòu)，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(dāng)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?dú)獾姆肿勇孕。跞菀淄ㄟ^(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(xù)從空氣中分離出高濃度、無(wú)塵、無(wú)菌的符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)的氧氣。小型PSA氧氣機(jī)的流程如圖3.1所示。
圖3.1 小型PSA氧氣機(jī)的工作流程圖
小型氧氣機(jī)由空氣供給系統(tǒng)、變壓吸附分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氧氣凈化輸出和廢氣輸出系統(tǒng)、檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等。
控制系統(tǒng)采用89C51單片機(jī) 。再常溫下，控制系統(tǒng)打開(kāi)吸附裝置A的閥門(mén)5，空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)加壓后，進(jìn)入緩沖罐中緩沖穩(wěn)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?dú)�、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(diào)節(jié)器作為成品氣輸出到儲(chǔ)氣罐中。當(dāng)A吸附時(shí)，吸附裝置B通過(guò)消音設(shè)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(duì)起進(jìn)行反向沖洗，以使分子篩內(nèi)的氮?dú)�、二氧化碳和乙炔盡可能多的解吸出來(lái)。當(dāng)A內(nèi)的分子篩吸附飽和時(shí)，B裝置已再生完畢，控制系統(tǒng)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(xù)不斷的氧氣[5]。而氮?dú)饧捌渌M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(jī)的儲(chǔ)氣罐中裝有潤(rùn)濕瓶來(lái)對(duì)氧氣進(jìn)行加濕。詳細(xì)設(shè)計(jì)圖如圖3.2所示。氧氣機(jī)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(cè)儲(chǔ)氣罐中的氧氣濃度并隨時(shí)把測(cè)量信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)后傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷定時(shí)采集氧氣的濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理后把數(shù)據(jù)傳給LED數(shù)碼顯示氧氣的濃度值，控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)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(yùn)行。如果出現(xiàn)氧濃度異常，控制系統(tǒng)向壓縮機(jī)副控制系統(tǒng)（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(hào)。設(shè)置鍵盤(pán)控制以便修訂輸出氧氣濃度，達(dá)到氧氣濃度可控的要求[6]。
空氣壓縮機(jī)安裝過(guò)程中應(yīng)注意減小噪音。由于其是氧氣機(jī)主要的噪音源，它的選取相當(dāng)重要，它發(fā)出的噪聲, 主要來(lái)自進(jìn)氣噪聲, 驅(qū)動(dòng)機(jī)和機(jī)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(jī)運(yùn)作平穩(wěn)、可靠，采用高效低噪音、無(wú)油空壓機(jī)；對(duì)空壓機(jī)加固支撐，以改變其自振頻率；內(nèi)部采用錯(cuò)落折疊式結(jié)構(gòu)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(duì)管壁的沖擊作用。并在管道中接如消音器以便達(dá)到較好的消音效果[5]。
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20 世紀(jì)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(jì)70 年代初，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM- VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20 世紀(jì)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(jì)80 年代后半期，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF 變頻器投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)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(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)。由于微型變吸附制氧機(jī)的原料是空氣，制氧過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)，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(jī)只有在制氧過(guò)程中才處于有壓狀態(tài)，且壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氧氣瓶?jī)?nèi)的壓力。故此，微型變壓吸附制氧機(jī)在安全方面優(yōu)于化學(xué)制氧機(jī)等其他制氧裝置。微型變壓吸附制氧機(jī)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(jī)可以24h 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[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(duì)于需要長(zhǎng)期用氧的用戶來(lái)說(shuō)，微型變壓吸附制氧機(jī)相當(dāng)經(jīng)濟(jì)。由于制氧機(jī)工作時(shí)僅僅消耗電能，除初期投資外，其運(yùn)行費(fèi)用只有少量的電費(fèi)。
微型變壓吸附制氧機(jī)工藝流程中最大、最重的元件是壓縮機(jī)和吸附裝置，而壓縮機(jī)的體積和重量直接與壓縮機(jī)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(jī)的體積和重量就要從減小壓縮機(jī)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(chǔ)之上的改性吸附劑。研究發(fā)現(xiàn) , LiX 沸石分子篩作吸附劑對(duì)氮?dú)獾奈饺萘勘扔肗aX (13X) 沸石分子篩的吸附容量高出50 %， 分離系數(shù)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(dá)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(jī)功率，進(jìn)而減小制氧機(jī)的體積與重量。用于制備醫(yī)用氧氣的兩種分子篩的主要參數(shù)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?dú)忪o態(tài)吸附量是FZS1 的2.375 倍，F(xiàn)ZS2 對(duì)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)，F(xiàn)ZS2 的氮?dú)馕降葴鼐�比FZS1的氮?dú)馕降葴鼐�斜率大。當(dāng)分子篩量一定時(shí)，F(xiàn)ZS2 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(jī)功率。
微型制氧機(jī)主要用于氧療和氧保健, 用于氧療的氧氣濃度必須達(dá)到國(guó)家藥典的不低于90% (體積分?jǐn)?shù)) 的要求 。用于氧保健的氧氣濃度要求較低, 30 %～40 %的氧濃度即可滿足氧保健需要。目前, 采用膜技術(shù)產(chǎn)氧的制氧機(jī)生產(chǎn)的氧氣濃度一般在40% , 也有氧氣濃度為30%的氧保健專用變壓吸附制氧機(jī)。本次設(shè)計(jì)的氧氣機(jī)具有較寬的調(diào)氧濃度范圍。
4 元器件選型
4．1 CPU主芯片89C51
單片機(jī)以其卓越的性能，得到了廣泛的應(yīng)用，已深入到各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)應(yīng)用在檢測(cè)、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(cè)試設(shè)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?yàn)閱纹瑱C(jī)本身就是按照工業(yè)測(cè)控環(huán)境而設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，這些是其他機(jī)種無(wú)法比擬的。
·易于擴(kuò)展，可以擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，很容易構(gòu)成個(gè)中規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)，單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能指令。
·可以很方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
綜上所述，相對(duì)于其他控制系統(tǒng)由于單片機(jī)具有以上4大特點(diǎn)，使它成為本次設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不二選擇，它可以輕松實(shí)現(xiàn)氧氣機(jī)的控制和報(bào)警等功能，可保證小型PSA氧氣機(jī)的可靠運(yùn)行，在一定程度上可以降低事故率。單片機(jī)的低成本可以降低小型PSA氧氣機(jī)的制造成本，便于其推廣普及。
北京集成電路設(shè)計(jì)中心推出的BI/ATμ89C51單片機(jī)，是一個(gè)低功耗、高性能的含有4K字節(jié)快擦寫(xiě)可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的8位CMOS單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHZ，與8031的指令系統(tǒng)和引角完全兼容。芯片上的EEPROM允許在線（+5V）電擦除、電寫(xiě)入或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)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(xù)工作；另一種工作方式是，除片內(nèi)RAM繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)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(jī)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（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可帶8個(gè)LSTTL負(fù)載。
·P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，可帶4個(gè)LSTTL負(fù)載。
·P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用，可帶4個(gè)LSTTL負(fù)載。
·P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。該口的每一位均可獨(dú)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(jié)構(gòu)和P1口相同。
·XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引角。在單片機(jī)內(nèi)部，它是 一個(gè)放大器的輸入端。這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)震蕩器�？刹捎锰幗泳w震蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。
·XTAL2（20腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至內(nèi)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(hào)，即把此信息直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。
·RST/VPD（9腳）：當(dāng)震蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳外加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為≤0.5V低電平。掉電期間，此腳可接上備用電源（VPD），以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)，當(dāng)Vcc 下掉到低于規(guī)定的值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（5+0.5V）時(shí)，VPD就 向內(nèi)部RAM提供備用電源。
·ALE (30腳)：當(dāng)訪問(wèn)單片機(jī)外部存儲(chǔ)器時(shí),ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖的負(fù)跳沿用于16位地址的低8位的鎖存信號(hào)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍有正脈沖信號(hào)輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（即從程序存儲(chǔ)器取來(lái)MOVX類指令），在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)脈沖。因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，用戶不能用ALE做時(shí)鐘源或定時(shí)。ALE端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)TTL負(fù)載。本次設(shè)計(jì)用ALE作為鎖存信號(hào)和ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)。
·/VPP (31腳)：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但當(dāng)PC值（程序計(jì)數(shù)器）超過(guò)0FFFH時(shí)（對(duì)8051、8751來(lái)說(shuō)），將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng) /VPP 保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于89C51來(lái)說(shuō)此引腳應(yīng)接高電平。89C51的VPP編程電壓為+12V或+5V。
P1口、P2口、P3口各I/O口線片內(nèi)均有固定的上拉電阻，故稱為準(zhǔn)雙向I/O口。P0口線內(nèi)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)，故稱為雙向三態(tài)I/O口。
MCS-51（89C51屬于其中的一種）單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以滿足對(duì)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(jì)數(shù)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(yīng)的特殊功能寄存器中，通過(guò)對(duì)它的特殊功能寄存器的編程，用戶可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鞣绞健?br />
本次設(shè)計(jì)采用T0的定時(shí)器功能，選擇它的方式1（16位計(jì)數(shù)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(qǐng)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(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出時(shí)產(chǎn)生的中斷請(qǐng)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(qǐng)求源分別由特殊功能寄存器TCON和SCON的相應(yīng)位鎖存。本次設(shè)計(jì)采用了3個(gè)中斷，分別是外部中斷0、外部中斷1和T0計(jì)時(shí)中斷。
和電平在每一個(gè)機(jī)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(jī)器周期才被查詢電路查詢到，如果中斷被激活，并且滿足響應(yīng)條件，CPU接著執(zhí)行一條硬件子程序調(diào)用指令以轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口，該硬件調(diào)用指令本身需要兩個(gè)機(jī)器周期，這樣，從產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求到開(kāi)始執(zhí)行中斷請(qǐng)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(jī)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(kuò)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(jī)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(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器。
·PB口：一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出緩沖器。
·PC口：一個(gè)8位的輸出鎖存器；一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。
·（6腳）：片選信號(hào)。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(hào)。由CPU輸入，有效，表示CPU讀8255A應(yīng)由8255A向CPU傳送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。有效，表示CPU寫(xiě)8255A應(yīng)由CPU將控制字或數(shù)據(jù)寫(xiě)入8255A。
·RESET（35腳）：復(fù)位信號(hào)，由CPU輸入。RESET有效時(shí)，清除8255A中所有控制字寄存器內(nèi)容，并將各端口置成輸入方式。
·和（8腳和9腳）：端口選擇信號(hào)。
當(dāng)=00，選擇端口A；
當(dāng) =01，選擇端口B；
當(dāng)=10，選擇端口C；
當(dāng)=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、B選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。
本次設(shè)計(jì)8255A的工作方式選擇0完成輸出功能，用來(lái)向數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出8位數(shù)字信號(hào)。端口B工作在方式1，完成輸入功能，用來(lái)接受由模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的8位數(shù)字信號(hào)。端口C做控制用，用做數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809的啟動(dòng)信號(hào)，用做輸入的信號(hào)，用做中斷請(qǐng)求信號(hào)，連接89C51的口以便向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。
圖4.2 8255A的引腳圖
本次設(shè)計(jì)8255A的工作方式選擇0完成輸出功能，用來(lái)向數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出8位數(shù)字信號(hào)。端口B工作在方式1，完成輸入功能，用來(lái)接受由模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的8位數(shù)字信號(hào)。端口C做控制用，用做數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809的啟動(dòng)信號(hào)，用做輸入的信號(hào)，用做中斷請(qǐng)求信號(hào)，連接89C51的口以便向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。
4．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809
ADC0809是National半導(dǎo)體公司生產(chǎn)CMOS材料的A/D轉(zhuǎn)換器。它具有8個(gè)通道的模擬量輸入線，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到8位二進(jìn)制數(shù)字量。
其主要技術(shù)指標(biāo)如表4.3.1所示.
表4.1 ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)
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～I(xiàn)N7（腳26～28，1～5）：為8個(gè)通道模擬量輸入線。·ADDA、ADDB、ADDC（腳25～23）：多路開(kāi)關(guān)地址選擇線。A為最低位，C位最高位，通常分別接在地址線的低三位�！�2-8～2-1(腳7、14、15、8、18～21)：8位數(shù)字量輸出結(jié)果�！LE（腳22）：地址鎖存有效輸入線。該信號(hào)上升沿把ADDA，ADDB，ADDC 3選擇線的狀態(tài)鎖存入多路開(kāi)關(guān)地址寄存器中。·START（腳6）：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換輸入線。該信號(hào)上升沿清除ADC的內(nèi)部寄存器而在下降沿啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換�！OC（腳7）：轉(zhuǎn)換完成輸出線，當(dāng)EOC為1時(shí)表示轉(zhuǎn)換已完成�！LOCK（腳10）：轉(zhuǎn)換定時(shí)時(shí)鐘輸入線，其頻率不能高于640HZ，當(dāng)頻率為640HZ時(shí)，轉(zhuǎn)換速度約為100μs�！E（9）：允許輸入線。在OE為“1”時(shí)，三態(tài)輸出鎖存器脫離三態(tài)，把數(shù)據(jù)送給總線�！REF(腳12，16)：參考電壓輸入線。
圖4.4 ADC0809的模擬電壓輸入電路
數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832
DAC0832是美國(guó)數(shù)據(jù)公司的8位雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)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(biāo)如表4.2所示.
表4.2 DAC0832的技術(shù)指標(biāo)
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(shù)據(jù)輸入線
· ILE （腳19）：數(shù)據(jù)允許信號(hào)，高電平有效
· （腳1）：輸入寄存器選擇信號(hào)，低電平有效
· （腳2）：輸入寄存器寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效
· （腳18）：DAC寄存器寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效
· （腳17）：數(shù)據(jù)傳送信號(hào)，低電平有效
·VCC （腳20）：電源輸入線
·IOUT1和IOUT2（腳11、12）：電源輸入線
·AGND （腳3） 模擬信號(hào)地
·DGND （腳10）數(shù)字地
·RFB （腳9）：反饋信號(hào)輸入線
·VREF （腳8）：基準(zhǔn)電源輸入線
DAC0832由8位輸入鎖存器，8位D/A轉(zhuǎn)換電路組成。 DAC0832的輸出是電流型的。在微機(jī)系統(tǒng)中，通常需要電壓信號(hào)，電流信號(hào)和電壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換可由放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，原理如圖4.6所示：
圖4.6 DAC0832的電壓輸出電路
根據(jù)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(shè)計(jì)采用直通方式，此方式適用于連續(xù)反饋控制控制線路中，方法是：數(shù)據(jù)不通過(guò)緩沖存儲(chǔ)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(zhuǎn)換。
4．5 LED顯示器
LED顯示是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)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(dǎo)通，就能顯示出各種字符，本次設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)及引腳圖
8段LED顯示器的dp顯示端用于小數(shù)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(jié)。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(jī)輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤(pán)，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤(pán)。在本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了節(jié)省硬件，采用非編碼鍵盤(pán)，在這種鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)中，單片機(jī)對(duì)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(duì)鍵盤(pán)的無(wú)謂掃描提高了CPU的效率，它也是本次設(shè)計(jì)最終確定的鍵盤(pán)掃描方法。當(dāng)設(shè)置鍵按下時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，執(zhí)行中斷程序，判斷鍵盤(pán)上閉合鍵的鍵號(hào)，并做相應(yīng)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(fù)位按鍵以為其他均為長(zhǎng)開(kāi)可復(fù)位的按鍵。當(dāng)需要重新設(shè)計(jì)氧氣的最底濃度時(shí)，點(diǎn)確定鍵，系統(tǒng)產(chǎn)生外部中斷，調(diào)用外部中斷1的處理程序，對(duì)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(dāng)掃描到確定鍵按下，則跳出中斷程序，繼續(xù)執(zhí)行原先的程序。當(dāng)暫停鍵按下時(shí)CPU終止中斷服務(wù)、關(guān)計(jì)時(shí)器且取消變頻器的正轉(zhuǎn)選通，等待關(guān)機(jī)或重新開(kāi)始。當(dāng)暫停鍵打開(kāi)時(shí)CPU重新開(kāi)啟中斷服務(wù)、開(kāi)計(jì)數(shù)器并且變頻器正轉(zhuǎn)選通，CPU重新開(kāi)始工作。
4．7 看門(mén)狗電路芯片MAX813
氧氣機(jī)在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，由于干擾等各種因素的影響。有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致其無(wú)法正常營(yíng)運(yùn)。為了克服這一現(xiàn)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(fù)位、看門(mén)狗及電源監(jiān)控由MAX813芯片來(lái)完成。MAX813的主要特點(diǎn)如下：
·系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復(fù)位門(mén)限為4.65V。
·如果在1.6s內(nèi)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(hào)，即看門(mén)狗電路輸出信號(hào)。
·手動(dòng)復(fù)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(fù)位輸出。
·具有1.25V門(mén)限值檢測(cè)器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。
實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將第1腳與第8腳相連，第7腳接CPU的復(fù)位腳（89C51的第9腳），第6腳與CPU的P2.3相連。在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，P2.3不斷輸出脈沖信號(hào)。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(fù)位輸出，使CPU有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于門(mén)限值4.65V時(shí)，MAX813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，CPU處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直到電源電壓恢復(fù)正常，因此可有效防止因電源電壓較低時(shí)CPU產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。
4．8 空氣壓縮機(jī)的選擇
壓縮機(jī)是氧氣機(jī)的主要組成部分，用來(lái)對(duì)進(jìn)入氧氣機(jī)的空氣加壓，并通過(guò)對(duì)其的調(diào)速來(lái)進(jìn)行氧氣濃度的調(diào)節(jié)。
按工作原理分, 壓縮機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)葉片式、活塞式、螺桿式三大系列。旋轉(zhuǎn)葉片式空氣壓縮機(jī)主要是利用葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中, 葉片間體積的不斷縮小, 產(chǎn)生壓縮空氣。此類壓縮機(jī)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(rùn)滑、門(mén)控制)�；钊綁嚎s機(jī)主要是通過(guò)曲軸帶動(dòng)活塞連桿機(jī)構(gòu)使活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng), 經(jīng)兩級(jí)氣缸壓縮, 產(chǎn)生壓縮空氣。螺桿壓縮機(jī)分為單螺桿和雙螺桿兩大系列。單螺桿壓縮機(jī)因最高排風(fēng)壓力為0.7 kPa。雙螺桿壓縮機(jī)是一種雙軸回轉(zhuǎn)式容積式壓縮機(jī), 電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子, 轉(zhuǎn)子為兩個(gè)互相嚙合的螺桿, 具有非對(duì)稱的嚙合型面, 并在一個(gè)鑄鐵殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn), 即嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小,齒溝內(nèi)的氣體逐漸被壓縮, 產(chǎn)生壓縮空氣.
經(jīng)比較各廠家的產(chǎn)品最終本次設(shè)計(jì)采用了由青島正陽(yáng)空壓機(jī)有限公司生產(chǎn)的微型Z-0.12/7型空氣壓縮機(jī)。其主要參數(shù)為如表4.4所示。
表4.4 Z-0.12/7型空氣壓縮機(jī)的參數(shù)
4．9 變頻器的選取
空氣壓縮機(jī)在工礦企業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為各種氣動(dòng)元件和氣動(dòng)設(shè)備提供氣源的重任。因此空氣壓縮機(jī)運(yùn)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(jī)是一種把空氣壓入儲(chǔ)氣罐中,使之保持一定壓力的機(jī)械設(shè)備,屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其運(yùn)行功率與轉(zhuǎn)速成正比。所以單就運(yùn)行功率而言,采用變頻調(diào)速控制其節(jié)能效果遠(yuǎn)不如風(fēng)機(jī)泵類二次方負(fù)載顯著,但空氣壓縮機(jī)大多處于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài),傳統(tǒng)的工作方式為進(jìn)氣閥開(kāi)、關(guān)控制方式,即壓力達(dá)到上限時(shí)關(guān)閥,壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行;壓力抵達(dá)下限時(shí)開(kāi)閥,壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。這種頻繁地加減負(fù)荷過(guò)程,不僅使供氣壓力波動(dòng),而且使空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)頻繁地變換。由于設(shè)計(jì)時(shí)壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性,所以只能按最大需求來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的容量,故選擇的電動(dòng)機(jī)容量一般較大。在實(shí)際運(yùn)行中,輕載運(yùn)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(fèi)。值得指出的是,供氣壓力的穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響是很大的,通常生產(chǎn)工藝對(duì)供氣壓力有一定要求,若供氣壓力偏低,不能滿足工藝要求,就可能出現(xiàn)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(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20 世紀(jì)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(jì)70 年代初，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM- VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20 世紀(jì)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(jì)80 年代后半期，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF 變頻器投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用[7]。
變頻調(diào)速是20 世紀(jì)80 年代初發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),具有易操作、免維護(hù)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。普通電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后,在其拖動(dòng)負(fù)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(diào)整轉(zhuǎn)速輸出。因此,空氣壓縮機(jī)完全可以用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案取代加、卸載供氣控制方式方案,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速保證供氣壓力恒定,使電動(dòng)機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),可有效地克服電動(dòng)機(jī)頻繁改變運(yùn)行狀態(tài)所帶來(lái)的諸多弊端,達(dá)到系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行的目的。
現(xiàn)在世界范圍內(nèi)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(guó)家在著方面起步比較晚，但已有長(zhǎng)足發(fā)展, 并涌現(xiàn)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(guó)產(chǎn)產(chǎn)品具有價(jià)廉物美的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)也得到了廣泛的應(yīng)有。其中2003年，中國(guó)變頻器市場(chǎng)增長(zhǎng)呈“井噴”之勢(shì)，其增長(zhǎng)率高達(dá)40%。進(jìn)入2004年，變頻器市場(chǎng)增長(zhǎng)明顯放緩，僅為19%，市場(chǎng)規(guī)模約為66億元人民幣。這種增長(zhǎng)乏力的趨勢(shì)在2005年的市場(chǎng)將更為明顯，預(yù)計(jì)在10%以下，甚至有相當(dāng)多的主流廠商僅能保持與2004年持平的業(yè)績(jī)。中國(guó)的變頻器市場(chǎng)進(jìn)入了一個(gè)“增長(zhǎng)”的低谷，或者說(shuō)04年之后，國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)增長(zhǎng)逐漸趨于理性。 從20年前中國(guó)有能力生產(chǎn)變頻器以來(lái)，國(guó)內(nèi)變頻器廠商逐漸成長(zhǎng)起來(lái)，目前國(guó)產(chǎn)變頻器在國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)中已經(jīng)占據(jù)一席之地。在2004年的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，國(guó)內(nèi)品牌供應(yīng)商的市場(chǎng)份額總和達(dá)到14.9%，比2003年又有所上升，其中內(nèi)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(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,故變頻器應(yīng)選用通用型的。又因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)不允許超過(guò)額定轉(zhuǎn)速值,電動(dòng)機(jī)不會(huì)過(guò)載,一般變頻器出廠標(biāo)注的額定容量都具有一定的安全系數(shù),所以,選擇變頻器容量與所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。本次設(shè)計(jì)將采用的變頻器為國(guó)產(chǎn)艾默生V800系列中的EV800-4T0011G通用變頻器。其控制參數(shù)如表4.5所示.
表4.5 EV800-4T0011G通用變頻器的控制參數(shù)
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(jī)的成本,便于其能得到推廣和廣泛的應(yīng)用,其接線圖如圖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性特性，便于設(shè)計(jì)，且不需要外部電源、成本低廉，所以本次設(shè)計(jì)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(yīng)，在兩電極之間的電流同被測(cè)混合氣中的氧氣濃度成正比，輸出電壓信號(hào)由所接的電阻兩端電壓通過(guò)溫度補(bǔ)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(duì)于KE-50在相應(yīng)速度上有很大的優(yōu)勢(shì)，所以本次試驗(yàn)采用KE-25作為氧氣傳感器，在氧氣傳感器 安裝是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
·禁止傳感元件結(jié)露;
·同傳感器連接的設(shè)備不能有任何驅(qū)動(dòng)力,
·不要過(guò)度的震動(dòng);
·即不能對(duì)傳感器供電;
·所接設(shè)備輸入阻抗應(yīng)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(yīng)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(hù)系統(tǒng)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(dāng)線圈通電或斷電時(shí),磁芯的運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致流體通過(guò)閥體或被切斷,以達(dá)到開(kāi)關(guān)或改變流體方向的目的。在安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)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(duì)于電磁閥來(lái)說(shuō)是帶電或失電,對(duì)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(jié)構(gòu)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),線圈勵(lì)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(jié)構(gòu)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),線圈勵(lì)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(dāng)有電流通過(guò)線圈時(shí),產(chǎn)生勵(lì)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(dāng)線圈失電時(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(shè)計(jì)應(yīng)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?yàn)楣╇婋妷焊?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(yuǎn)距離傳輸。如果電磁閥的供電電壓為24 V DC ,就必須根據(jù)電磁閥的最低工作電壓來(lái)進(jìn)行電纜的最大允許長(zhǎng)度計(jì)算。
本次設(shè)計(jì)所用的電磁閥采用220V AC供電的長(zhǎng)沙盛恩DCF22B-10X二位二通型先導(dǎo)式
長(zhǎng)閉電磁閥，其便于簡(jiǎn)化電路且便于家庭應(yīng)用。其主要技術(shù)參數(shù)如表4.10所示.
表4.10 DCF22B-10X技術(shù)參數(shù)
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(dǎo)體器件) 的開(kāi)關(guān)特性, 可達(dá)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(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離, 器件中采用了高耐壓的專業(yè)光耦合器。當(dāng)施加輸入信號(hào)后, 其主回路呈導(dǎo)通狀態(tài), 無(wú)信號(hào)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(xiàn)相當(dāng)于常用電磁繼電器一樣的功能。其封裝形式也與傳統(tǒng)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(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣泛的應(yīng)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(xiàn)了弱信號(hào)(V sr) 對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓) 的控制。由于光耦合器的應(yīng)用, 使控制信號(hào)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(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR 在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈- 簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡(jiǎn)稱“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(jī)械部件, 工作中也沒(méi)有任何機(jī)械動(dòng)作。SSR 由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“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(zhǎng)壽命(有資料表明SSR 的開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)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(jī)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(tǒng))、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手, 具有超越M ER 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
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(jī)械零部件, 有固體器件完成觸點(diǎn)功能, 由于沒(méi)有運(yùn)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(zhǎng), 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(qū)動(dòng)功率低, 可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。
·快速轉(zhuǎn)換: 固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w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“線圈”, 沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳, 因而減少了電磁干擾。大多數(shù)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(dǎo)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(yīng)。
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(jì)算機(jī)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(duì)計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。此外, SSR 還有能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。
由于固態(tài)相對(duì)于機(jī)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)比較各廠家的不同產(chǎn)品，得知KB20C04A固態(tài)繼電器非常適合本次設(shè)計(jì)的氧氣機(jī)閥門(mén)控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)如表4.11所示。
表4.11 KB20C04A的主要技術(shù)指標(biāo)
5 程序
程序作為控制系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)，其邏輯關(guān)系的正確與否直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作。本次設(shè)計(jì)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(zhuǎn)主程序
ORG 000BH ；轉(zhuǎn)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(fù)位按鍵
MOV SP , #60H
CLR P1.5 ;開(kāi)機(jī)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(xiàn)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(shù)據(jù)
MOV A , B
MOV B , 02H
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