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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，人體代謝活動的關(guān)鍵物質(zhì)，是生命運(yùn)動的第一需要，營養(yǎng)物質(zhì)必須通過氧化作用，才能產(chǎn)生和釋放出化學(xué)能。?氧不僅對于ATP（人體內(nèi)部傳輸能量的載體，一種高能化合的儲能物質(zhì)）生成起著關(guān)鍵作用，而且分解代謝過程中必須有足夠的氧，各種營養(yǎng)物質(zhì)必須與氧結(jié)合，才能完成生理氧化過程，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)動車輛等排出大量廢氣。城市空氣受到污染。據(jù)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(gòu)成世界環(huán)保頭號難題，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。
中國經(jīng)濟(jì)的快速增長，工業(yè)化、城市化的發(fā)展使中國的GDP 年增長率達(dá)到8 %～9 %。自改革開放以來，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)期的增長速度是世界平均增長速度的3 倍 。20世紀(jì)末，經(jīng)濟(jì)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(fèi)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，汽車消費(fèi)量的快速增加，燃油消耗年平均增長達(dá)6 %，大城市空氣的NOx 、CO 及相關(guān)污染物濃度升高。不斷增長的能源消耗和機(jī)動車輛加重了中國城市大氣環(huán)境的負(fù)擔(dān)，城市空氣污染作為一個(gè)主要的環(huán)境問題正迅速地凸現(xiàn)出來。自1980 年代以來,許多城市遭受了日益嚴(yán)重的空氣污染，90 年代初期，中國500 多個(gè)城市中達(dá)到國家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1級的不到1 %；近年來，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(yīng)和經(jīng)濟(jì)損失。從總體來講廣大的農(nóng)村比起城市來空氣污染要輕的多，但個(gè)別地區(qū)由于重工業(yè)的不斷發(fā)展空氣質(zhì)量越來越差也是不爭的事實(shí)[1]。
隨著中國經(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越大，這些導(dǎo)致人們越來越注重自我調(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，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 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
我國傳統(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)氧氣帶來的好處。
30年代美國聯(lián)合碳化物公司開拓了PSA（變壓吸附）法，到了70年代西德埃森礦業(yè)研究所開發(fā)了碳分子篩，為PSA分離空氣制氧拓寬了道路。近年來PSA空氣分離法在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛地研究和開發(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[3]。PSA裝置具有隨時(shí)開機(jī)隨時(shí)制氧、設(shè)備簡單、操作簡便投資和管理費(fèi)用低、單位產(chǎn)品能耗較低、裝置啟動迅速、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)勢問題等優(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合，如家庭增氧、封閉式分體空調(diào)室內(nèi)增氧，以及移動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，即制氧廠通過高壓深冷工藝方法，把空氣中的氧起分離出來之后，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(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�，氧容易通過分子篩，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、無塵、無菌的符合醫(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)打開吸附裝置A的閥門5，空氣經(jīng)過壓縮機(jī)加壓后，進(jìn)入緩沖罐中緩沖穩(wěn)壓，再通過高效的除油過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，氧氣通過床層富集在裝置A的頂部，通過閥門1和調(diào)節(jié)器作為成品氣輸出到儲氣罐中。當(dāng)A吸附時(shí)，吸附裝置B通過消音設(shè)備通大氣降壓再生，部分成品氣經(jīng)閥門3進(jìn)入B裝置對起進(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。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5和閥門1，打開閥門2進(jìn)行A、B裝置的均壓，同時(shí)打開閥門4、7、3，關(guān)上閥門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)的儲氣罐中裝有潤濕瓶來對氧氣進(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檢測儲氣罐中的氧氣濃度并隨時(shí)把測量信號通過A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號后傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過實(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)通過計(jì)時(shí)來控制各個(gè)閥門的通閉，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。設(shè)置鍵盤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, 主要來自進(jìn)氣噪聲, 驅(qū)動機(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、無油空壓機(jī)；對空壓機(jī)加固支撐，以改變其自振頻率；內(nèi)部采用錯落折疊式結(jié)構(gòu)排列，無非定位活動部件；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(dá)到較好的消音效果[5]。
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(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、日本、德國、英國等發(fā)達(dá)國家的VVVF 變頻器投入市場并獲得了廣泛應(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，制氧過程中無化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)品氣中也無新的易燃、易爆及毒物質(zhì)；同時(shí)，制氧機(jī)只有在制氧過程中才處于有壓狀態(tài)，且壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氧氣瓶內(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，使用起來非常方便。對于需要長期用氧的用戶來說，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、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(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)種無法比擬的。
·易于擴(kuò)展，可以擴(kuò)展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，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)快擦寫可編程/擦除只讀存儲器（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、電寫入或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復(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合。
圖4.1 89C51的引腳圖
單片機(jī)引角功能簡介如下：
·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，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)訪問單片機(jī)外部存儲器時(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。即使不訪問外部存儲器，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(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)（即從程序存儲器取來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)格來說，用戶不能用ALE做時(shí)鐘源或定時(shí)。ALE端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個(gè)TTL負(fù)載。本次設(shè)計(jì)用ALE作為鎖存信號和ADC0809的時(shí)鐘信號。
·/VPP (31腳)：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器，但當(dāng)PC值（程序計(jì)數(shù)器）超過0FFFH時(shí)（對8051、8751來說），將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng) /VPP 保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對于89C51來說此引腳應(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)無固定上拉電阻，由兩個(gè)MOS管串接，即可開漏輸出，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，通過對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(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(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)生外部中斷請求到開始執(zhí)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(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），他們都可以通過軟件編程來改變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。由CPU輸入,有效，表示該8255A被選中。
·, (5腳和36腳)：讀寫控制信號。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8255A應(yīng)由CPU將控制字或數(shù)據(jù)寫入8255A。
·RESET（35腳）：復(fù)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(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。
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。
本次設(shè)計(jì)8255A的工作方式選擇0完成輸出功能，用來向數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出8位數(shù)字信號。端口B工作在方式1，完成輸入功能，用來接受由模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的8位數(shù)字信號。端口C做控制用，用做數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809的啟動信號，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(shè)計(jì)8255A的工作方式選擇0完成輸出功能，用來向數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出8位數(shù)字信號。端口B工作在方式1，完成輸入功能，用來接受由模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的8位數(shù)字信號。端口C做控制用，用做數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809的啟動信號，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(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。該信號上升沿把ADDA，ADDB，ADDC 3選擇線的狀態(tài)鎖存入多路開關(guān)地址寄存器中。·START（腳6）：啟動轉(zhuǎn)換輸入線。該信號上升沿清除ADC的內(nèi)部寄存器而在下降沿啟動內(nèi)部控制邏輯，開始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電流開關(guān)和控制邏輯來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，高電平有效
· （腳1）：輸入寄存器選擇信號，低電平有效
· （腳2）：輸入寄存器寫選通信號，低電平有效
· （腳18）：DAC寄存器寫選通信號，低電平有效
· （腳17）：數(shù)據(jù)傳送信號，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） 模擬信號地
·DGND （腳10）數(shù)字地
·RFB （腳9）：反饋信號輸入線
·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，電流信號和電壓信號之間的轉(zhuǎn)換可由放大器來實(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)不通過緩沖存儲器，即、、、均接地，ILE接高電平。此時(shí)必須通過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段共陽極LED顯示器，如圖4.7所示：
圖4.7 8段共陽極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 共陽極字型碼 顯示字符 共陽極字型碼
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
鍵盤是簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對話。鍵盤上閉合鍵的識別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。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，在這種鍵盤結(jié)構(gòu)中，單片機(jī)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的無謂掃描提高了CPU的效率，它也是本次設(shè)計(jì)最終確定的鍵盤掃描方法。當(dāng)設(shè)置鍵按下時(shí)產(chǎn)生中斷請求，CPU響應(yīng)中斷請求，執(zhí)行中斷程序，判斷鍵盤上閉合鍵的鍵號，并做相應(yīng)的程序處理。
圖4.8 鍵盤連接電路
本次使用按鍵除暫停鍵為非復(fù)位按鍵以為其他均為長開可復(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)或重新開始。當(dāng)暫停鍵打開時(shí)CPU重新開啟中斷服務(wù)、開計(jì)數(shù)器并且變頻器正轉(zhuǎn)選通，CPU重新開始工作。
4．7 看門狗電路芯片MAX813
氧氣機(jī)在營運(yùn)過程中，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)致其無法正常營運(yùn)。為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用CPU本身的看門狗定時(shí)器外，還需外加看門狗電路,復(fù)位、看門狗及電源監(jiān)控由MAX813芯片來完成。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)位門限為4.65V。
·如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路（即第6路無脈沖輸入），則第8腳輸出一個(gè)低電平信號，即看門狗電路輸出信號。
·手動復(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門限值檢測器，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。在營運(yùn)過程中，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)生錯誤的動作。
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，用來對進(jìn)入氧氣機(jī)的空氣加壓，并通過對其的調(diào)速來進(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)量要求較低的車輛, 通常是非制動用風(fēng)( 空氣彈簧、撒砂、輪緣潤滑、門控制)�；钊綁嚎s機(jī)主要是通過曲軸帶動活塞連桿機(jī)構(gòu)使活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動, 經(jīng)兩級氣缸壓縮, 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)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動壓縮機(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)著為各種氣動元件和氣動設(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、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)開閥,壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。這種頻繁地加減負(fù)荷過程,不僅使供氣壓力波動,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)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性,所以只能按最大需求來選擇電動機(jī)的容量,故選擇的電動機(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)無級調(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、日本、德國、英國等發(fā)達(dá)國家的VVVF 變頻器投入市場并獲得了廣泛應(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)。普通電動機(jī)采用變頻調(diào)速后,在其拖動負(fù)載無須任何改動的情況下,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)動的方案取代加、卸載供氣控制方式方案,從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)整轉(zhuǎn)速保證供氣壓力恒定,使電動機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),可有效地克服電動機(jī)頻繁改變運(yùn)行狀態(tài)所帶來的諸多弊端,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。而我們國家在著方面起步比較晚，但已有長足發(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。由于國產(chǎn)產(chǎn)品具有價(jià)廉物美的特點(diǎn)，在國內(nèi)也得到了廣泛的應(yīng)有。其中2003年，中國變頻器市場增長呈“井噴”之勢，其增長率高達(dá)40%。進(jìn)入2004年，變頻器市場增長明顯放緩，僅為19%，市場規(guī)模約為66億元人民幣。這種增長乏力的趨勢在2005年的市場將更為明顯，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。中國的變頻器市場進(jìn)入了一個(gè)“增長”的低谷，或者說04年之后，國內(nèi)變頻器市場增長逐漸趨于理性。 從20年前中國有能力生產(chǎn)變頻器以來，國內(nèi)變頻器廠商逐漸成長起來，目前國產(chǎn)變頻器在國內(nèi)變頻器市場中已經(jīng)占據(jù)一席之地。在2004年的國內(nèi)市場中，國內(nèi)品牌供應(yīng)商的市場份額總和達(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)不允許超過額定轉(zhuǎn)速值,電動機(jī)不會過載,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)動的電動機(jī)容量相同即可。本次設(shè)計(jì)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(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，它由鉛陽極鍍金陰極及特定的酸液組成氧分子通過不滲水的樹脂薄膜進(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相對于KE-50在相應(yīng)速度上有很大的優(yōu)勢，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)動力,
·不要過度的震動;
·即不能對傳感器供電;
·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)致流體通過閥體或被切斷,以達(dá)到開關(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:對于電磁閥來說是帶電或失電,對于所控制的閥來說就是打開或關(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),線圈勵磁,電磁鐵吸合,動鐵芯上部帶彈簧的密封塊把氣口關(guān)閉/打開,起到控制作用;失電時(shí),電磁力消失,動鐵芯在彈簧力作用下離開固定鐵芯向下移動,將氣口打開/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),線圈勵磁,電磁鐵吸合,動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,起到控制作用;失電時(shí),電磁力消失,動鐵芯在彈簧力作用下離開固定鐵芯向下移動,將排氣口打開,堵住進(jìn)氣口,閥門因失氣而改變開關(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)有電流通過線圈時(shí),產(chǎn)生勵磁作用,固定鐵芯吸合動鐵芯,動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧,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滑閥芯,頂回動鐵芯,使流體按原來的方向流動。
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進(jìn)行電纜的最大允許長度計(jì)算。
本次設(shè)計(jì)所用的電磁閥采用220V AC供電的長沙盛恩DCF22B-10X二位二通型先導(dǎo)式
長閉電磁閥，其便于簡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) 是一種無觸點(diǎn)通斷電子開關(guān), 它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件) 的開關(guān)特性, 可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的, 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)施加輸入信號后, 其主回路呈導(dǎo)通狀態(tài), 無信號時(shí), 呈阻斷狀態(tài)。整個(gè)器件無可動部件及觸點(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。它問世于70 年代, 由于它的無觸點(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(V sr) 對強(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(簡稱“M ER”)。
SSR 由于是全固態(tài)電子元件組成, 與M ER 相比,它沒有任何可動的機(jī)械部件, 工作中也沒有任何機(jī)械動作。SSR 由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的開關(guān)功能, 沒有電接觸點(diǎn), 所以它有一系列M ER 不具備的優(yōu)點(diǎn), 即工作高可靠、長壽命(有資料表明SSR 的開關(guān)次數(shù)可達(dá)108 - 109 次, 比一般M ER 的106 高幾百倍) , 無動作噪聲, 耐振耐機(jī)械沖擊, 安裝位置無限制, 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。
由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點(diǎn)開關(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 沒有機(jī)械零部件, 有固體器件完成觸點(diǎn)功能, 由于沒有運(yùn)動的零部件, 因此能在高沖擊, 振動的環(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, 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)繼電器沒有輸入“線圈”, 沒有觸點(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, 從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。
交流型SSR 由于采用過零觸發(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)相對于機(jī)械繼電器有以上特點(diǎn)，而且其噪音幾乎沒有，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;向十位上寫入數(shù)據(jù)
MOV A , B
MOV B , 02H
DIV 與特點(diǎn)．四川環(huán)境，2006 （３）： 104～108
2 呂玉穎．氧氣治療技術(shù)在臨床上的應(yīng)用．中國臨床醫(yī)生，2006( 1) 13～14
3 馮晉哲，張玉文，陳流芳，王世駒，吳裕遠(yuǎn)．PSA 法分離空氣的基本理論和模型．低溫工程，1997（4）：27～32
4 楊建中，趙佳禾．國產(chǎn)小型醫(yī)用氧氣機(jī)變壓吸附控制系統(tǒng)的可靠性探討．醫(yī)
療裝備2005（4）：15～17
5 陳黎敏，朱江．微型氧氣機(jī)設(shè)計(jì)． 常州信息學(xué)院學(xué)報(bào)，2003 （2）：21~23
6 姚慶文，丁輝．單片機(jī)在微型氧氣機(jī)中的應(yīng)用．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004 （7）：
12~14
7 呂凱．變頻器的控制及選型．應(yīng)用技術(shù)，2006(9)：76～80
8 卜令兵, 劉應(yīng)書, 劉文海, 張德鑫．變壓吸附制氧機(jī)微型化研究．深冷技術(shù)，2006（2）：16～21
9 張毅剛，彭喜源，譚曉均，曲春波．MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)．哈爾濱：工業(yè)大學(xué)出版社，2004：3
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