單片機(jī)在微型氧氣機(jī)中的應(yīng)用

采用PSA(變壓吸附)空氣分離制氧技術(shù)的微型氧氣機(jī)，由于其完全采用物理方式制氧，既方便安全，又價(jià)格低廉，在運(yùn)動(dòng)保健、醫(yī)療康復(fù)和健康空調(diào)等多種場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。而單片機(jī)以其低廉的價(jià)格、可靠的性能，在微型氧氣機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。

本文探討的微型氧氣機(jī)采用世界先進(jìn)的變壓吸附PSA技術(shù)，利用沸石分子篩作為吸附劑，通過(guò)吸附劑對(duì)空氣中氧、氮吸附能力的差異而將氣體混合物分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)氧氣和氮?dú)獾姆蛛x。外界空氣先進(jìn)行壓縮增壓，保持一定的壓力，再送入變壓吸附分離床。在分離床的作用下，床內(nèi)空氣中的氮?dú)獗晃?，而氧氣不被吸附，這樣可以在分離床出口端獲得高純度的氧氣。輸出氧氣的流量采用機(jī)械式流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出流量增加時(shí)氧氣純度會(huì)相應(yīng)地降低，為了保證輸出的氧氣濃度，采用氣敏傳感器進(jìn)行氧濃度的檢測(cè)，并通過(guò)實(shí)時(shí)顯示裝置告知用戶，當(dāng)指標(biāo)低于設(shè)定值時(shí)報(bào)警提醒。

1　電氣控制要求

1．1　變壓吸附分離床的工作過(guò)程

變壓吸附分離床的工作原理如圖1所示。分離床由2只裝有制氧專用沸石分子篩的吸附裝置A和B以及切換閥門1～8等組成，其中1，3為排放閥門，2，4為進(jìn)氣閥門，5，7為均壓閥門，6，8為輸出閥門。分離床在自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用下，吸附裝置A、B交替工作，按照“A工作→A排氣及均壓→B工作→B排氣及均壓 →A工作…”的過(guò)程，不斷循環(huán)。儲(chǔ)氣罐的作用是均衡輸出氧氣的壓力。

吸附裝置A工作時(shí)，閥門2，6打開(kāi)(其余關(guān)閉)，壓縮空氣經(jīng)閥門2進(jìn)入A，濾去氮?dú)?，剩余氧氣?jīng)閥門 6輸出。在吸附裝置A內(nèi)的分子篩快被吸附飽和之前，進(jìn)入A排氣及均壓狀態(tài)，開(kāi)啟閥門1，5，7(其余關(guān)閉)，裝置A解吸先前所吸附的氮?dú)猓狗肿雍Y吸附劑得到再生，同時(shí)A、B均壓以提高產(chǎn)氣效率。均壓后自動(dòng)切換到吸附裝置B工作置B中繼續(xù)吸附制氧。同樣，當(dāng)吸附裝置B內(nèi)的分子篩快被吸附飽和之前，自動(dòng)進(jìn)入 B排氣及均壓狀態(tài)，開(kāi)啟閥門3，5，7(其余關(guān)閉)，裝置B實(shí)現(xiàn)減壓解吸再生。4種工作狀態(tài)依次循環(huán)，2只吸附裝置交替重復(fù)進(jìn)行吸附和再生，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)制取氧氣的目的。

1．2　基本控制要求
    (1)完成系統(tǒng)的4個(gè)工作狀態(tài)循環(huán)。
    (2)輸出氧氣濃度的檢測(cè)。
    (3)用戶參數(shù)設(shè)定。
　(4)顯示與報(bào)警。

2　單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

2．1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。本系統(tǒng)選用AT89C51單片機(jī)，片內(nèi)有4 kB的Flash存儲(chǔ)器，這樣不用再擴(kuò)展外部的程序存儲(chǔ)器。顯示部分選用3位LED數(shù)碼管，左邊一位用于狀態(tài)顯示，“P”表示后兩位當(dāng)前顯示的是輸出的氧濃度；“b”表示后兩位當(dāng)前顯示的是設(shè)定的最低氧濃度，當(dāng)輸出的氧濃度低于設(shè)定的濃度時(shí)進(jìn)行報(bào)警。 AT89C51的P0口作LED的段控口，位控線選用P2．0 P2．1，P2．2，段控和位控信號(hào)都經(jīng)ULN2003反相，以驅(qū)動(dòng)LED。本系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)按鍵，分別是開(kāi)機(jī)、增1、減1和確認(rèn)鍵，具體操作見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)部分。氧傳感器測(cè)得的氧濃度值經(jīng)放大后，送入ADC0809的通道0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADC0809的地址為7FFFH。根據(jù)氧氣機(jī)的控制要求，選用 P1．0～P1．4作為1＃閥～8＃閥的控制端，再經(jīng)固態(tài)繼電器的隔離和驅(qū)動(dòng)，控制相應(yīng)閥的通與斷，當(dāng)P1．0～P1．4輸出低電平時(shí)相應(yīng)的電磁閥導(dǎo)通，高電平時(shí)閥斷開(kāi)。P1．5是電源指示，P1．6，P1．7是報(bào)警指示(其中P1．6接雙色發(fā)光二極管的綠色部分，P1．7接紅色部分)，剛開(kāi)機(jī)時(shí)發(fā)黃色光 (紅、綠都亮)表示待用狀態(tài)，工作時(shí)若氧濃度高于設(shè)定值發(fā)綠色光表示工作正常，若氧濃度低于設(shè)定值發(fā)紅色光進(jìn)行報(bào)警。

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2．2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要包括主程序、顯示子程序、按鍵處理子程序、氧濃度檢測(cè)與處理子程序、報(bào)警判斷與處理子程序和定時(shí)中斷與電磁閥控制程序等幾部分。

主程序流程如圖3所示。氧氣機(jī)上電后，空氣壓縮機(jī)工作，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，按下“開(kāi)機(jī)”鍵進(jìn)入工作狀態(tài)并開(kāi)始制氧，工作過(guò)程中可隨時(shí)進(jìn)行氧濃度的下限設(shè)定。氧氣濃度檢測(cè)與處理子程序完成氧氣濃度的測(cè)量與顯示。ADC0809采用延時(shí)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于CY-16氧傳感器測(cè)得的氧濃度與輸出電流呈對(duì)數(shù)關(guān)系，因此需要通過(guò)軟件進(jìn)行修正，并調(diào)用顯示子程序進(jìn)行顯示。

按鍵處理子程序完成氧濃度的設(shè)定，制氧時(shí)可通過(guò)按鍵進(jìn)行新的濃度設(shè)置，并通過(guò)按“確認(rèn)”鍵結(jié)束設(shè)置。

報(bào)警判斷與處理子程序根據(jù)測(cè)得的氧濃度值，與用戶設(shè)定的氧濃度下限進(jìn)行比較，判斷是否需要報(bào)警，如有報(bào)警則控制相應(yīng)的批示燈亮。

定時(shí)中斷與電磁閥控制程序中采用時(shí)間控制原則，控制相應(yīng)電磁閥的通斷來(lái)保證吸附裝置A，B輪流工作。為此采用定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)工作過(guò)程的循環(huán)，定時(shí)時(shí)間到，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行工作過(guò)程的轉(zhuǎn)換并根據(jù)控制要求設(shè)定相應(yīng)的定時(shí)常數(shù)。

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2．3　系統(tǒng)的試制

通常排氣及均壓的時(shí)間只要1～2 s就能獲得滿意的效果，所以對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，試制的關(guān)鍵是確定吸附裝置A(或B)的最佳工作時(shí)間t。t主要對(duì)輸出氧氣的流量Q與氧濃度有影響。試制的過(guò)程中，改變t值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出輸出氧濃度為90％時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，得到相應(yīng)的Q-t關(guān)系曲線如圖4所示。從而獲得該系統(tǒng)吸附裝置A(或B)的最佳工作時(shí)間為25 s。整個(gè)系統(tǒng)按照“A工作25 s→A排氣2 s→B工作25 s→B排氣2 s”的過(guò)程自動(dòng)循環(huán)。含氧量的指示通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)儀表調(diào)校。

3　結(jié)語(yǔ)

試制的微型氧氣機(jī)在輸出氧濃度90％的情況下，輸出流量為5 L/min，小流量輸出時(shí)氧濃度可達(dá)95％以上，滿足1～3人同時(shí)使用，現(xiàn)已由蘇州賽普氣體有限公司投入小批量生產(chǎn)。其自動(dòng)控制系統(tǒng)由于采用單片機(jī)技術(shù)，大大地降低了成本，提高了運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)
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［2］陸亞民．單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000．
［3］微型氧氣機(jī)生產(chǎn)可行性論證［S］．2002．