氧傳感器應用電路設計

1、東北石油大學課 程 設 計課 程 傳感器課程設計 題 目 氧傳感器應用電路設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 測控技術與儀器 學生姓名 學生學號 指導教師 2013年7 月 16日任務書課程 傳感器課程設計題目 氧傳感器應用電路設計專業(yè) 測控技術與儀器 姓名 * 學號 *主要內容：本文主要講述基STC12C5A60S2單片機和LM358、氧傳感器氧含量測試的設計。本設計通過STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的主控制中心完成氧傳感器輸出信號的采集，氧傳感器感應氧含量并輸出信號，LM358實現信號處理，用LED指示燈顯示表示當前的氧含量?；疽螅?、了解測試分析氧傳感器的信號2、能夠處

2、理氧傳感器輸出信號3、STC12C5A60S2單片機的使用及其片內資源，能夠使用片內AD模塊資源3、能夠繪畫電路原理圖4、能夠C語言編程主要參考資料：1 張毅剛,單片機原理及應用J,北京:高等教育出版社,2003.2 黃賢武,鄭莜霞,傳感器原理與應用J,成都:電子科技大學出版社,2004.3 周潤景,蔡雨恬,PROTEUS入門實用教程M,北京:機械工業(yè)出版社,2011.4 樓然苗,李光飛,單片機課程設計指導J,北京:北京航空航天大學出版社2007.5 萬光毅.單片機實驗與實踐教程M.北京：北京航空航天大學出版社.2005.1.6 朱清慧,Proteus電子技術虛擬實驗室M,北京:中國水利水電出

3、版社,2010.完成期限 2013.7.122013.7.16指導教師* * 專業(yè)負責人* 2013年 7 月 12 日摘 要本文主要講述基STC12C5A60S2單片機和LM358、氧傳感器氧含量測試的設計。本設計通過STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的主控制中心的氧傳感器系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用氧傳感器感應氧含量并輸出信號，由LM358接收信號并實現信號處理，最終將結果輸入單片機，在STC12C5A60S2單片機的控制下，用LED指示燈顯示表示當前的氧含量，并在特定條件下使用蜂鳴器進行報警。關鍵字：STC12C5A60S2單片機，氧傳感器，LM358目錄一、設計要求1二、設計方案及其特點11、

4、方案說明12、方案論證2三、傳感器工作原理2四、電路的工作原理4五、單元電路設計、參數計算和器件選擇51、單元電路設計52、器件選擇8系統(tǒng)需要的元器件清單10六、總結10氧傳感器應用電路設計一 、設計要求設計一個基于STC12C5A60S2單片機和LM358、氧傳感器的氧含量測量系統(tǒng)。本設計通過STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的主控制中心完成氧傳感器輸出信號的采集，氧傳感器感應氧含量并輸出信號，LM358實現信號處理，用LED指示燈顯示表示當前的氧含量。二、設計方案及其特點1、方案說明圖2.1系統(tǒng)方框圖1、硬件電路部分 ：（1）、單片機所需的平穩(wěn)電壓； （2）、STC12C6A60S2單

5、片機最小系統(tǒng)；（3）、時鐘電路與復位電路； （4）具有10位精度的A/D轉換功能； 1、硬件電路部分 ：（1）、單片機所需的平穩(wěn)電壓； （2）、STC12C6A60S2單片機最小系統(tǒng)；（3）、時鐘電路與復位電路； （4）、具有10位精度的A/D轉換功能； 2、軟件編程部分：（1）、系統(tǒng)復位初始化；（2）、跳鍵設置與處理；（3）、AD采樣處理；（4）、輸出模塊程序編寫；采用宏晶公司的STC89C52單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。2、軟件編程部分：（1）、系統(tǒng)復位初始

6、化；（2）、跳鍵設置與處理；（3）、AD采樣處理；（4）、輸出模塊程序編寫；2、方案論證方案一：使用功能較為簡單的AT89C51單片機作為控制器，它是16位控制器，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。其優(yōu)點是價格便宜。但是功能相對較為簡單，沒有AD，PWM等功能，還需要外接A/D電路。而且AT89C51單片機不可以ISP下載，下載仿真比較麻煩；方案二：使用功能齊全的STC12C6A60S2單片機作為控制器，內部資源多，同時有帶有AD轉換，能實現傳感器模擬量與數字量的轉換，PWM輸出，該系列芯片具

7、有普通51單片機的所有共性，可以和AT89C51單片機完全兼容，同時可以ISP下載，下載仿真也很方便；比較以上兩種方案，根據我們設計的實際要求，需要AD轉換，因此我們選擇STC12C6A60S2單片機做為系統(tǒng)的核心控制芯片。三、傳感器工作原理氧傳感器利用了Nernst原理。其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一種固態(tài)電解質，兩側面分別燒結上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，由于兩側氧濃度不同，高濃度側(陶瓷管內側4)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(廢氣側)，使該電極帶負電, 即產生電勢差。當空燃比

8、較低時(濃混合氣)，廢氣中的氧較少，因此陶瓷管外側氧離子較少，形成1.0V左右的電動勢；當空燃比等于14.7時，此時陶瓷管內外兩側產生的電動勢為0.4V0.5V， 該電動勢為基準電動勢；當空燃比較高時（稀混合氣），廢氣中氧含量較高，陶瓷管內外的氧離子濃度差較小，所以產生電動勢很低，接近為零。圖3.1 氧傳感器 圖3.2 氧傳感器原理圖氧傳感器是利用陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢，由化學平衡原理計算出對應的氧濃度，達到監(jiān)測和控制爐內燃燒空燃比，保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件，廣泛應用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣氛控制。它是目前最佳的燃燒氣分測量方式，具有結構簡單、

9、響應迅速、維護容易、使用方便、測量準確等優(yōu)點。運用該傳感器進行燃燒氣氛測量和控制既能穩(wěn)定和提高產品質量，又可縮短生產周期，節(jié)約能源。 氧傳感器的工作原理與干電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。其基本工作原理是：在一定條件下(高溫和鉑催化)，利用氧化鋯內外兩側的氧濃度差，產生電位差，且濃度差越大，電位差越大。大氣中氧的含量為21%，濃混合氣燃燒后的廢氣實際上不含氧，稀混合氣燃燒后生成的廢氣或因缺火產生的廢氣中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少得多。 在高溫及鉑的催化下，帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內外表面上。由于大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多，套管上與大氣相通一側比廢氣一側吸附更多

10、的負離子，兩側離子的濃度差產生電動勢。當套管廢氣一側的氧濃度低時，在電極之間產生一個高電壓(0。61V)，這個電壓信號被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號看作濃混合氣，而把低電壓信號看作稀混合氣。根據氧傳感器的電壓信號，電腦按照盡可能接近14.7：1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。因此氧傳感器是電子控制燃油計量的關鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時(端部達到300°C以上)其特性才能充分體現，才能輸出電壓。它在約800°C時，對混合氣的變化反應最快，而在低溫時這種特性會發(fā)生很大變化。氧傳感器的兩個電極的輸出電壓跟尾氣中氧與大氣中氧的相對值呈很好的相關性。然而這個電壓跟氧

11、含量的關系并不是線性的。氧傳感器在最佳空燃比附近最敏感（很小的空燃比變化便會產生很大的輸出電壓變化），而在空燃比過濃或過稀時不敏感。低電壓對應高氧含量，所以0.10.4伏的電壓輸出表明稀混合比，而0.61.0伏代表濃混合比。當氧傳感器輸出電壓為0.45伏的時候，空燃比最佳。四、電路的工作原理圖4.1電路總圖系統(tǒng)使用STC12C6A60S2作為系統(tǒng)主控芯片，主要有傳感器加熱初始化、使用AD對傳感器進行采樣、跳鍵設置報警信號。對報警蜂鳴器和LED指示做出相應控制。跳鍵設置好之后，單片機每對傳感器進行采樣，通過LED和蜂鳴器氧含量指示報警的功能。設計方案中，我們使用12V-2A電源適配器為單片機供電

12、，在電源的輸入端使用LM7805制作的5V系統(tǒng)穩(wěn)壓電源可以滿足系統(tǒng)電源的使用，電路構造簡單，處理輸入電源的紋波，輸出端根據負載使用470uF的電容可以滿足輸出電流的紋波濾除。其中D1為電源信號指示燈。另外，我們使用PNP三極管驅動蜂鳴器報警。當單片機輸出為低電平時，三級管導通，蜂鳴器發(fā)聲報警。這樣設計的原因在于，51系列單片機在復位時的電平輸出為高電平，這樣可以防止在單片機復位的時間里發(fā)出蜂鳴聲。五、單元電路設計、參數計算和器件選擇1、單元電路設計（1）電源電路設計圖5.1 電源電路設計圖方案在系統(tǒng)中，我們使用市場上的12V-2A電源適配器獲取系統(tǒng)的電源，在電源的輸入端使用LM7805制作的5

13、V系統(tǒng)穩(wěn)壓電源可以滿足系統(tǒng)電源的使用，電路構造簡單，處理輸入電源的紋波，輸出端根據負載使用470uF的電容可以滿足輸出電流的紋波濾除。其中D1為電源信號指示燈。（2）信號處理電路設計在信號處理電路中，我們使用LM358芯片作為放大器對傳感器傳回的信號做放大處理。LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。經過LM358處理后得到穩(wěn)定的信號送到單片機進行處理。圖5.2 傳感器及信號處理電路（3）跳鍵輸入電路設計圖5.3 跳鍵輸入電路圖（4）單片機最

14、小系統(tǒng)系統(tǒng)使用STC12C6A60S2作為系統(tǒng)主控芯片，主要有傳感器加熱初始化、使用AD對傳感器進行采樣、跳鍵設置報警信號。對報警蜂鳴器和LED指示做出相應控制。跳鍵設置好之后，單片機每對傳感器進行采樣，通過LED和蜂鳴器氧含量指示報警的功能。圖5.4 單片機最小系統(tǒng)電路圖（5）顯示電路及報警電路圖5.5 顯示及報警電路原理圖為排阻控制流過LED的電流，保護LED和單片機，我們使用了PNP三極管驅動蜂鳴器報警。當單片機輸出為低電平時，三級管導通，蜂鳴器發(fā)聲報警。這樣設計的原因在于，51系列單片機在復位時的電平輸出為高電平，這樣可以防止在單片機復位的時間里發(fā)出蜂鳴聲。2、器件選擇（1）STC12

15、C6A60S2單片機STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。1.增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓：（3V單片機）；3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當于普

16、通8051的 0420MHz；4.用戶應用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)；5.片上集成1280字節(jié)RAM；6.通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma；7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(

17、STC12C5A62S2/AD/PWM無內部EEPROM)；9. 看門狗；10.內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）；11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%；12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz15.5MHz，3.3V單片機為：8MHz12MHz，精度要求不高時

18、，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準；13.共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實現2個16位定時器；14. 2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘；15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/

19、P1.3(也可通過寄存器設置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設置到P4.3)；16. PWM(2路）/PCA（可編程計數器陣列,2路）：可用來當2路D/A使用；可用來再實現2個定時器；也可用來再實現2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；17.A/D轉換, 10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現多串口；19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)

20、，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3)；20.工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級) / 0 - 75(商業(yè)級)21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接。（2）LM358芯片LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。元件特性：內部頻率補償：直流電壓增益高(約100dB) 單位增益頻帶寬(約1MHz

21、) 電源電壓范圍寬：單電源(330V)； 雙電源(±1.5 一±15V) 低功耗電流，適合于電池供電 輸入偏流：低輸入失調電壓和失調電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)系統(tǒng)需要的元器件清單表1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數量備注1單片機STC12C6A60S212芯片LM35813傳感器氧傳感器14晶振15電阻若干6電容若干7導線若干六、總結氧傳感器應用電路設計至此完成了。在本次設計中，通過查閱各種相關的資料，終于對所需要使用的元件有所了解，并且正確的使用在電路中。氧傳感器系統(tǒng)可以對所在環(huán)境的氧濃度進行檢測，并把結果顯示在LED屏幕上，在氧濃度達到一定值時還可以通過蜂鳴器進行報警。氧傳感器在工業(yè)上有著極為重要的作用，其廣泛用于石油、化工、煤炭、冶金、造紙、消防、市政、醫(yī)藥、汽車、氣體排放監(jiān)