大學生校園戶外運動便攜式測氧儀

李海 李媛瓊 張恩溪

摘 要 設計了一種以7OXV氧氣傳感器為采集器件，由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發生電路、電壓比較器和脈沖穩幅電路四個部分組成作為系統的氧氣檢測電路。測氧儀以 STM32F030C8T6單片機為核心，用聲光作為報警的提示信號，顯示屏作為數據的顯示。當氧氣濃度低于一定值時，系統立即報警，提示人們此地方不宜運動或者調整運動的時間。當代大學生最流行的校園戶外運動者對空氣環境越來越嚴格的要求，本設計制作思路要求易攜帶，逐步和手機等網絡終端連接，達到監測和使用方便的目的。

【關鍵詞】7OXV氧氣傳感器 PID控制器 STM32單片機

當代大學生最流行的、最提倡的便是校園戶外運動，而校園戶外運動者對空氣環境越來越嚴格的要求，但隨著我國經濟的快速發展，空氣質量越來越不理想，各種呼吸疾病的發生，使得人們的身體健康面臨嚴峻的挑戰。戶外運動也越顯得重要，而戶外運動的地點、適宜的環境就更重要。本產品則是針對空氣中的氧氣濃度進行監控而設計的。本文所設計出來的大學生校園戶外運動便攜式測氧系統由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發生電路、電壓比較器和脈沖穩幅電路組成作為系統的氧氣檢測電路，用聲光作為報警的提示信號，顯示屏作為數據的顯示。測氧儀可隨時打開對空氣中的氧氣濃度進行檢測。同時采用聲光報警系統，當氧氣濃度低于一定值時，系統發出提示。

1 總體設計

本次設計是大學生校園戶外運動便攜式測氧系統，該系統以單片機STM32F030C8T6為核心，包含7OXV氧氣傳感器采樣器、存儲器的擴展、LCD顯示器、報警裝置遠程監控等組成。該傳感器可以有效的監測室外氧氣的濃度，試用范圍非常廣泛。監測到的信號經過處理，再傳送到單片機，經單片機處理后發出指令，如果氧氣超過規定值，該系統可以立即發出聲光報警進行提示。大學生校園戶外運動便攜式測氧系統結構框如圖1所示。

該系統采用STM32F030C8T6和7OXV氧氣傳感器采樣器，提高了系統的可靠性和抗干擾能力，非常適用于校園戶外運動對氧氣濃度的監測監控，性能優良，經久耐用，可靠性高。

2 測氧儀硬件系統

2.1 測氧儀控制器

測氧儀采用STM32系列的單片機（型號為STM32F030C8T6）作為核心，以Cortex?-M0 作為內核，64kB ROM 閃存， 8kB RAM，各種增強型外設和 I/O。如 I2C、SPI 和 USART 等通信接口，以及12位ADC、16位計時器和一個高級控制 PWM 計時器。

2.2 電路原理

根據氧氣檢測原理，設計了氧氣檢測電路，該電路主要由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發生電路、電壓比較器和脈沖穩幅電路四個部分組成。

電橋不平衡信號取樣電路，是用此信號去調節電壓比較器輸出的脈沖電壓寬度；鋸齒波發生電路，由555構成的時基電路工作在自激狀態，振蕩頻率為1kHz，即周期為T=1ms，輸出的鋸齒波電壓送到電壓比較器的正端；電壓比較器的負端接受來自取樣電路的輸出電壓Uo2，當鋸齒波電壓超過控制電壓Uo2時，比較器輸出電壓為高電平，鋸齒波回掃時，當其電壓值低于Uo2時，比較器輸出為低電平，這樣將形成一個矩形脈沖電壓。在一系列鋸齒波作用下，比較器就輸出一矩形脈沖電壓系列；由高準確度可控穩壓管TL431構成的脈沖穩幅電路，當通過TL431的電流在（1～100）mA范圍內時，只要分壓電阻的溫度系數相同，則輸出電壓有很高的穩定性，從而保證了在輸入脈沖幅值變化時，輸出脈沖的幅值恒定。為保證有足夠的電流通過載體催化元件，設置了由三極管組成的脈沖電流放大環節。

2.3 警報模塊

本文中設計了聲光報警電路，是采用NPN型S8080三極管驅動，當BEEP端輸出低電平時，三極管飽和，此時發光二極管和蜂鳴器發出聲光報警。當BEEP端輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。

2.4 電源模塊

電源模塊是控制系統的動力中樞，穩定性良好的電源模塊是測氧儀順利完成所有功能的基礎。STM32單片機開發板自帶5V轉3.3 V芯片（MS1117—3.3）。因是戶外使用，采用了USB充電，小電池蓄電。

3 測氧儀軟件設計

測氧儀的控制系統軟件設計是基于Keil Vision5編譯，并使用C語言對測氧儀的信號處理模塊，信號傳送模塊，顯示模塊等進行程序編寫。

（1）測氧儀的初始化程序。測氧儀在上電后，軟件對測氧儀的硬件做最基本的初始化是必須的，初始化之后，才能各個功能的操作。

（2）主控芯片編程。用于對測氧儀中信號傳送的數值進行判斷，并實現報警功能。

（3）信號處理程序。從氧氣傳感器接收模擬信號轉換成數字信號，通過傳送回單片機主控芯片。

4 結語

本設計通過檢測電路、信號處理電路來采集并處理空氣中的氧氣濃度的數據。同時采用聲光報警系統，當氧氣濃度低于一定值時，系統立即報警。為戶外運動愛好者和校內同學們提供了更健康的運動環境。測氧儀具有結構簡單、靈活，高靈敏度，擴展性強，具有較高的性價比等。測氧儀應用STM32F030C8T6大大的提高了系統的可靠性和抗干擾能力，非常適用于各種場所氧氣濃度的檢測，性能優良，經久耐用，可靠性高。體積小巧，使用方便；5V供電，便于攜帶。適合在任何地方、任何時刻、不連續監測的場合使用，經久耐用，適合各個階段人群使用，可降低呼吸疾病發生，非常適合戶外運動輔助設備，提高大學生身體健康。同時還具備建構簡單，隨身充電方便價值，在市場具有實用性和可開發意義。

參考文獻

[1]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]楊振江.智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

作者簡介

李海（1982-），江西省人。講師。研究方向為檢測技術與自動化裝置。

李媛瓊（1995-），女，廣東省汕頭市人。大學專科學歷。主要學習電氣自動化方向。

張恩溪（1996-），男，廣東省廣州市人。大學專科學歷。主要學習電氣自動化方向。

作者單位

中山職業技術學院機電工程學院 廣東省中山市 528404