煙氣氧含量檢測技術(shù)的研究

李曉亮

摘 要：目前，我國對節(jié)能、環(huán)境問題重視程度大幅提高，在電力、石油化工、冶金、電力、輕工等行業(yè)廣泛存在的工業(yè)加熱爐、鍋爐燃燒熱效率低的問題也已經(jīng)得到廣泛的重視，所以氧含量分析儀的研究具有十分重要的研究意義。根據(jù)煙氣中的氧氣含量來調(diào)整燃料與空氣的配比，可以起到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的作用。本文設(shè)計(jì)了一種煙氣氧量檢測系統(tǒng)，基于氧化鋯氧含量傳感器，設(shè)計(jì)氧含量傳感器測控電路。

關(guān)鍵詞：煙氣氧量檢測系統(tǒng)；氧化鋯氧含量傳感器；電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)電路主要由以下幾部分組成：

一、MSP430F169接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)為MSP430F169，為64引腳封裝，48個(gè)數(shù)字I/O.根據(jù)本設(shè)計(jì)的諸多要求，單片機(jī)接口電路可分為以下幾個(gè)部分：

1. 電源模塊

由于本設(shè)計(jì)使用大小±15V的外部電源模塊，對于芯片電壓過大，所以使用三端穩(wěn)壓器件LM7808，以及可調(diào)三端穩(wěn)壓器件LM317，將其電壓轉(zhuǎn)化為3.5V，并通過電容進(jìn)行電源穩(wěn)壓濾波，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

2. 時(shí)鐘模塊

本設(shè)計(jì)選用32.768kHz晶振，低速晶體振蕩器滿足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求。對于MSP430x1x系列單片機(jī)而言，32.768kHz晶振在無外接電容的情況下即可工作。故將晶振引腳直接接到單片機(jī)相應(yīng)管腳即可。

3. 復(fù)位模塊

復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以將處于死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動。

4. 檢測信號輸入模塊

前端模擬電路將傳感器信號進(jìn)行處理后，將其送入單片機(jī)內(nèi)部的A/D，從而實(shí)現(xiàn)檢測信號的輸入。

5. A/D電壓基準(zhǔn)模塊

將一精密電壓加在MSP430F169的10腳（VeREF+），即可為單片機(jī)的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓。MSP430F169內(nèi)部的ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有通用和高速的特性。由于電源電壓的離散性比較大，并且內(nèi)部電壓誤差較大，所以需要選用外部參考電壓。MSP430單片機(jī)的最高工作電壓為3.6V，而且內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓不能超過單片機(jī)的電源電壓，所以此時(shí)需要選用的參考芯片的電壓為3.3V。

6. 串口通訊模塊

由MSP430F169的32腳（UTXD0）、33腳（URXD0）與通訊模塊連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。

7. 數(shù)據(jù)存儲模塊

由MSP430F169的29腳（SDA）、31腳（SCL）與數(shù)據(jù)存儲模塊連接，實(shí)現(xiàn)對外圍存儲器件的讀寫。為提高程序可靠性，采用IO口線模擬I2C協(xié)議對EEPROM進(jìn)行讀寫。

二、檢測電路設(shè)計(jì)

1.傳感器工作溫度檢測電路

設(shè)計(jì)傳感器工作溫度檢測電路時(shí)，需要考慮兩個(gè)方面，即傳感器探頭溫度的恒定控制和傳感器輸出弱信號的提取檢測。本設(shè)計(jì)選用的MSP430F169單片機(jī)滿足系統(tǒng)信號采集處理和控制的要求，使外圍電路更為簡化，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。由于在氧含量檢測的過程中，需要對氧化鋯傳感器進(jìn)行700℃恒溫控制，所以本設(shè)計(jì)選用K型熱電偶作為溫度傳感器，以檢測傳感器的工作溫度。選用ADA4817作為放大電路的核心器件，其具有5 V至10 V的寬電源電壓范圍，可采用單電源或雙電源供電，適合包括有源濾波和ADC驅(qū)動在內(nèi)的各種應(yīng)用。

2.氧電勢采集電路

在氧電勢采集電路中，同樣使用ADA4817作為核心器件。若溫度為700℃，此時(shí)傳感器在氧含量為1%的情況下輸出約為63.4mV，則放大電路的放大倍數(shù)最大可取為3.3V/63.4mV≈52.1。當(dāng)系統(tǒng)接近測量上限時(shí)，氧含量由21%增加到21.2%，氧電勢的變化僅為0.2mV（700℃時(shí)），為了保證其0.2%的分辨率，放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)大于等于4.0Mv/0.2mV=20。綜上所述，這里將放大倍數(shù)定為40，同時(shí)滿足了量程要求和分辨率不低于0.2%的要求。

3.數(shù)據(jù)存儲模塊

本設(shè)計(jì)所選用的數(shù)據(jù)存儲器需要滿足數(shù)據(jù)在系統(tǒng)斷電后也能保存的要求，所以需要將其寫進(jìn)非易失性存儲器。MSP430F169單片機(jī)可保存數(shù)據(jù)，但為了提高系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計(jì)使用外部EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲器。

數(shù)據(jù)存儲利用了單片機(jī)的IO口模擬I2C協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對EEPROM的讀寫。同時(shí)還利用了MSP430F169內(nèi)部的USART0模塊，使其在I2C模式下工作，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀取，也使I2C操作變得更為簡單。

4.串口通訊電路

本設(shè)計(jì)采用的MAX3221為3V至5.5V的單通道RS-232線驅(qū)動器/接收器，其特點(diǎn)有：工作電源電壓為3V至5.5V；最多可處理250KB/S；一個(gè)驅(qū)動器和一個(gè)接收器；外接電容器（4·0.1μF）。考慮到終端匹配時(shí)，需在總線兩端各接一支阻值等于電纜特性阻抗的電阻，由于電阻要消耗大量功率，對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合，需用一電容隔斷直流成分，這樣可以節(jié)省大部分功率。其中電阻還有限流的作用。

最后對本設(shè)計(jì)的傳感器工作溫度檢測電路和氧電勢采集電路的放大、濾波進(jìn)行仿真。