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小型氧气机(一)
1 引言
?氧气如同食物和水，是人体必不可少的能源，人体代谢活动的关键物质，是生命运动的第一需要，营养物质必须通过氧化作用，才能产生和释放出化学能。?氧不仅对于ATP（人体内部传输能量的载体，一种高能化合的储能物质）生成起着关键作用，而且分解代谢过程中必须有足够的氧，各种营养物质必须与氧结合，才能完成生理氧化过程，产生出能量，并且把生成的化学能充分转化成为ATP。
全球大气日趋恶化，每天工厂烟囱和机动车辆等排出大量废气。城市空气受到污染。据科学测量平均每1000升空气中就含有40升对人体有害的气体。大气污染已构成世界环保头号难题，氧饥荒已经出现。
医学研究表明：80%的人或多或少的缺氧，环境污浊、生活节奏加快、脑力、体力消耗增加，使身体长期处于缺氧状态。都市人比生活在郊区、山林地区的人平均寿命要短10-15年，主要原因就是城市的空气污染，有害物质含量高，供氧量不足。一个成年人每天大约需要500升氧气，而很少有人能真正达到。事实上，我们人类的的生命正在受到严重威胁。
中国经济的快速增长，工业化、城市化的发展使中国的GDP 年增长率达到8 %～9 %。自改革开放以来，中国的城市化快速前进， 城市人口比例从1978 年的18 %增加到2000 年的34 % ， 这一时期的增长速度是世界平均增长速度的3 倍 。20世纪末，经济的剧增使得中国成为世界上继美国之后的第二大能源消费国， 能源特别是煤的消耗已成为中国城市空气污染的主要人为源。我国的总能源消耗从1978 年的571 万吨标准煤增加到2002 年的15 亿吨标准煤。作为主要能源的燃煤占总能源消耗的60 %以上, 燃煤是城市空气污染物(如TSP、SO2 与酸雨等) 产生的重要原因。此外，汽车消费量的快速增加，燃油消耗年平均增长达6 %，大城市空气的NOx 、CO 及相关污染物浓度升高。不断增长的能源消耗和机动车辆加重了中国城市大气环境的负担，城市空气污染作为一个主要的环境问题正迅速地凸现出来。自1980 年代以来,许多城市遭受了日益严重的空气污染，90 年代初期，中国500 多个城市中达到国家空气质量标准1级的不到1 %；近年来，暴露于未达标空气质量的城市人口占统计城市人口的近三分之二。北京、沈阳等大城市曾被列入世界十大污染城市，中国城市空气污染已明显引起的公共健康效应和经济损失。从总体来讲广大的农村比起城市来空气污染要轻的多，但个别地区由于重工业的不断发展空气质量越来越差也是不争的事实[1]。
随着中国经济的发展，人们生活水平不断提高，但环境污染以及生活节奏的加快使人们的精神压力越来越大，这些导致人们越来越注重自我调节和养生保健。一种新的养生保健方法——有氧疗法（在人体缺氧或将要出现缺氧的时候，通过给氧以增加吸入气体的氧浓度，从而提高肺泡内气体氧分压，进而通过促进弥散提高肺泡血氧含量，改善组织供氧状况，称为有氧疗法[2]）也应运而生，而且迅速红遍大江南北，但氧疗并不是普通百姓所能消费的起的，这就要求有一种更廉价的制氧设备，最好是可以应用于工业、医疗、生活、环保等众多领域。
本次研究设计的氧气机主要适合家用、宾馆和医用领域，也可应用于工业和环保等领域，其采用世界上最先进的PSA（变压吸附）空气分离制氧。用单片机作为氧气机控制系统的中心。采用氧敏传感器进行氧气浓度的检测，并实时显示装置告知用户，当指标低于设定值是报警提醒。
2 国内外发展现状
我国传统的制氧方式主要是低温精溜法和化学制氧，这些制氧方法不方便，也不安全，而且制氧成本高，很难让普通百姓享受到健康、环保的高品质氧气带来的好处。
30年代美国联合碳化物公司开拓了PSA（变压吸附）法，到了70年代西德埃森矿业研究所开发了碳分子筛，为PSA分离空气制氧拓宽了道路。近年来PSA空气分离法在全世界范围内得到了广泛地研究和开发。吸附剂和工艺技术方面取得了突破性的进展，已使得基于PSA的空气分离方法在工业、医疗、生活、环保中显示了很大的优势[3]。PSA装置具有随时开机随时制氧、设备简单、操作简便投资和管理费用低、单位产品能耗较低、装置启动迅速、产品纯度可在一定范围内随意调节、吸附在常温下进行、不涉及优势问题等优点。很适用于那些氧气需求量不大、纯度要求不是很高的场合，如家庭增氧、封闭式分体空调室内增氧，以及移动式装置用于病人随时吸氧，也可以在家用于氧疗等，在工业上，还可把PSA和低温精馏相结合，原料空气先经过PSA装置，将氧气量浓缩到80%左右，在进入低温分馏系统进行提纯，可使其精溜能力提高四倍，既能保持氧的高纯度，又能提高产量，具有极广阔的应用空间和发展潜力。
以前，家用、医用氧的获得都是采用钢瓶氧供给方式，即制氧厂通过高压深冷工艺方法，把空气中的氧起分离出来之后，预装在能承受1.47Pa (150kg/cm)压力的钢瓶里，若需要在家用氧，就要把这种预先装好氧气的钢瓶运回家去使用，使完氧气后，再把空瓶运回制氧厂去灌装或换取装好的钢瓶。这种方法虽然现在还有人用，但由于钢瓶笨重，加之钢瓶中装有高压氧气，运输既不方便，又危险，且氧气瓶中的氧气使用时间有限，这些都制约着家庭用氧的普及[4]。况且目前基层医院由于条件、环境的制约，多采用氧气瓶及局部刺激小、患者易于接受的一次性鼻塞供氧，氧气瓶及供氧装置的贮存、使用关系到患者的生命安全及疾病转归。
随着科技的进步，社会的发展，制氧方法得到了发展。由于PSA技术的出现，使得分离氧气的工作不再是一定要到氧气厂完成，变的可以在使用的地方进行，它是气体分离技术的革命也促使了小型家用、医用氧气机的诞生。
我国采用PSA技术生产的小型医用机其主要结构都是用小型无油压缩机，适时采集并压缩周期的空气，压缩空气的压力一般在19.61Pa (2kg/cm)以内，采用双床分子筛分别同时进行对压缩的空气氧氮分离和排氮清洗分子筛,两种工作做交替交换进行，交换的时间大约在10S上下。
目前，我国国内生产PSA小型医用氧气机的厂家已有十多家,产品各有点，根据控制系统的结构特点，主要有以下六种类型[4]：
·二位五通单控滑柱式电磁阀控制系统
·二位五通双控滑柱式电磁阀控制系统
·电磁先导阀气动阀控制系统
·二位四通膜式电磁阀控制系统
·旋转阀控制系统
·压力控制气阀控制系统
其中第五种控制系统结构简单又可靠，在实际的小型医用氧气机的使用中这种控制系统的故障率是很低的，第3、4种控制系统结构也是较为可靠的，第1、2种控制系统结构的可靠性相对要差些。
3 研究设想及采用方法
小型氧气机采用变压吸附PSA技术，利用结晶硅酸盐化合物（俗称沸石）的多孔结构，按照组成气体的分子和极性的大小使气体分离。由于常温下，当空气进入装有吸附剂的床层时，氧分子的尺寸和极性比氮气的分子略小，氧容易通过分子筛，而氮分子被分子吸附，从而在吸附床出口端获得一定浓度的氧气，由于吸附剂具有吸附量随压力变化的特性，改变其压力，可交替进行吸附与解吸操作，再滤除空气中含有的各种有害物，就可以连续从空气中分离出高浓度、无尘、无菌的符合医用标准的氧气。小型PSA氧气机的流程如图3.1所示。
图3.1 小型PSA氧气机的工作流程图
小型氧气机由空气供给系统、变压吸附分离系统、控制系统、氧气净化输出和废气输出系统、检测报警系统等。
控制系统采用89C51单片机 。再常温下，控制系统打开吸附装置A的阀门5，空气经过压缩机加压后，进入缓冲罐中缓冲稳压，再通过高效的除油过滤器除去可能夹带的油污和冷凝水，首先进入A装置下部装填的活性氧化铝层出去大部分的水分，然后进入分子筛层，由分子筛吸附掉空气中的氮气、二氧化碳和乙炔以及剩下的水分，氧气通过床层富集在装置A的顶部，通过阀门1和调节器作为成品气输出到储气罐中。当A吸附时，吸附装置B通过消音设备通大气降压再生，部分成品气经阀门3进入B装置对起进行反向冲洗，以使分子筛内的氮气、二氧化碳和乙炔尽可能多的解吸出来。当A内的分子筛吸附饱和时，B装置已再生完毕，控制系统这时关闭阀门5和阀门1，打开阀门2进行A、B装置的均压，同时打开阀门4、7、3，关上阀门6、使装置B进入工作状态，这样A、B两吸附装置循环交替工作，即可得到连续不断的氧气[5]。而氮气及其他组分在解吸时经消声器排入大气。为了使氧气更适宜直接呼吸使用， 在制氧机的储气罐中装有润湿瓶来对氧气进行加湿。详细设计图如图3.2所示。氧气机的电路控制图如图3.3所示。
本装置采用珈伐尼氧传感器KE-25检测储气罐中的氧气浓度并随时把测量信号通过A/D转换器ADC0809转换成标准的数字信号后传给控制系统，控制系统通过实时时钟中断定时采集氧气的浓度数据，经过内部处理后把数据传给LED数码显示氧气的浓度值，控制系统通过计时来控制各个阀门的通闭，以使两套吸附装置能够交替运行。如果出现氧浓度异常，控制系统向压缩机副控制系统（变频器）减慢或增加鼓风亮，并给于红色指示灯点亮信号。设置键盘控制以便修订输出氧气浓度，达到氧气浓度可控的要求[6]。
空气压缩机安装过程中应注意减小噪音。由于其是氧气机主要的噪音源，它的选取相当重要，它发出的噪声, 主要来自进气噪声, 驱动机和机体辐射噪声, 排气、管道和贮气罐噪声, 排气放空和阀门噪声。为使微型氧气机运作平稳、可靠，采用高效低噪音、无油空压机；对空压机加固支撑，以改变其自振频率；内部采用错落折叠式结构排列，无非定位活动部件；加大管道弯头处的曲率半径，可明显减少气流对管壁的冲击作用。并在管道中接如消音器以便达到较好的消音效果[5]。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪60 年代以后，电力电子器件经历了晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT）、MOS 控制晶体管（MGT）、MOS 控制晶闸管（MCT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和耐高压绝缘栅双极型晶闸管（HVIGBT）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20 世纪70 年代初，脉宽调制变压变频（PWM- VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪80 年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起诸多科研人员重视，并研究出诸多优化模式。20 世纪80 年代后半期，美国、日本、德国、英国等发达国家的VVVF 变频器投入市场并获得了广泛应用[7]。
微型变压吸附制氧以空气为原料，以电力为能源，采用物理吸附制氧，与氧气瓶、氧气袋和化学产氧器相比，具有安全可靠、使用方便和经济实惠的特点。由于微型变吸附制氧机的原料是空气，制氧过程中无化学反应，其产品气中也无新的易燃、易爆及毒物质；同时，制氧机只有在制氧过程中才处于有压状态，且压力远远低于氧气瓶内的压力。故此，微型变压吸附制氧机在安全方面优于化学制氧机等其他制氧装置。微型变压吸附制氧机以电作为唯一的能源，接通电源后几分钟即可生产出浓度高于90 %的氧气；并且，制氧机可以24h 连续运转[7]。制氧期间既不需要定期添加制氧剂，也不必定期充灌，使用起来非常方便。对于需要长期用氧的用户来说，微型变压吸附制氧机相当经济。由于制氧机工作时仅仅消耗电能，除初期投资外，其运行费用只有少量的电费。
微型变压吸附制氧机工艺流程中最大、最重的元件是压缩机和吸附装置，而压缩机的体积和重量直接与压缩机的功率相关，功率越大，体积和重量就越大，噪声也越高。因此，要减小制氧机的体积和重量就要从减小压缩机功率和降低吸附装置高度两方面入手。
目前变压吸附制氧用吸附剂主要为5A 沸石分子筛和13X 分子筛[8]及基于两者基础之上的改性吸附剂。研究发现 , LiX 沸石分子筛作吸附剂对氮气的吸附容量比用NaX (13X) 沸石分子筛的吸附容量高出50 %， 分离系数从13X 分子筛的3 倍提高到7 倍, 采用5 步循环工艺制氧,，制得的氧气浓度为90 %以上时，回收率高达70 % ，能耗降低
50 %。同时, 使用LiX沸石分子筛作吸附剂吸附压力比可以降低至2 ，而采用5A 沸石分子筛或13X分子筛作吸附剂，压力比一般高于4，低于此值时氧气纯度会迅速下降。因此，选用吸附性能优越的分子筛可以减少其用量，降低空氧比、吸附压力与能耗，从而降低吸附塔高度与压缩机功率，进而减小制氧机的体积与重量。用于制备医用氧气的两种分子筛的主要参数见表3.1所示。
表3.1 两种分子筛性能的比较
由表3.1 可知，在1 个大气压下， FZS2 的氮气静态吸附量是FZS1 的2.375 倍，FZS2 对N2 / O2 的选择性约为FZS1 的两倍；同时, FZS2 的吸附压力低于FZS1 的吸附压力。两种分子筛的吸附等温线如图3.4、图3.5 所示。
由图3.4 和图3.5 可以看出, 压力在0.1 MPa ～0.275MPa 之间时，FZS2 的氮气吸附等温线比FZS1的氮气吸附等温线斜率大。当分子筛量一定时，FZS2 每次循环的产氧量( 假定吸附压力均为0.275MPa) 是FZS1 的1.55 倍。由以上分析可知，采用FZS2 进行空气分离制氧比采用FZS1 减少约30 %的分子筛量，从而降低吸附塔高度，并可以减小空氧比，降低吸附压力，进而降低压缩机功率。
微型制氧机主要用于氧疗和氧保健, 用于氧疗的氧气浓度必须达到国家药典的不低于90% (体积分数) 的要求 。用于氧保健的氧气浓度要求较低, 30 %～40 %的氧浓度即可满足氧保健需要。目前, 采用膜技术产氧的制氧机生产的氧气浓度一般在40% , 也有氧气浓度为30%的氧保健专用变压吸附制氧机。本次设计的氧气机具有较宽的调氧浓度范围。
4 元器件选型
4．1 CPU主芯片89C51
单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点[9]：
·小巧灵活，成本低，易于产品化，他能方便的组装成各种智能式测试设备及个中智能仪器仪表。
·可靠性高，可适用的温度范围很广，因为单片机本身就是按照工业测控环境而设计的，能适应各种恶劣的工作环境，这些是其他机种无法比拟的。
·易于扩展，可以扩展程序存储器和数据存储器，很容易构成个中规模的应用系统，控制功能强，单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令。
·可以很方便的实现多机和分布式控制。
综上所述，相对于其他控制系统由于单片机具有以上4大特点，使它成为本次设计中控制系统设计的不二选择，它可以轻松实现氧气机的控制和报警等功能，可保证小型PSA氧气机的可靠运行，在一定程度上可以降低事故率。单片机的低成本可以降低小型PSA氧气机的制造成本，便于其推广普及。
北京集成电路设计中心推出的BI/ATμ89C51单片机，是一个低功耗、高性能的含有4K字节快擦写可编程/擦除只读存储器（EEPROM）的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHZ，与8031的指令系统和引角完全兼容。芯片上的EEPROM允许在线（+5V）电擦除、电写入或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。此外，BI/ATμ89C51还支持由软件选择的二次掉电工作方式（一种掉电工作方式是CPU停止工作，其他部分仍继续工作；另一种工作方式是，除片内RAM继续保持数据以外，其他部分都停止工作），非常适合电池供电或其他要求低功耗的场合。
图4.1 89C51的引脚图
单片机引角功能简介如下：
·P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。
·P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。
·P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可带4个LSTTL负载。
·P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。该口的每一位均可独立地定义为第一I/O口功能和第二I/O口功能。作为第一I/O口功能时，口的结构和P1口相同。
·XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引角。在单片机内部，它是 一个放大器的输入端。这个放大器构成了片内震荡器。可采用处接晶体震荡器时，此引脚应接地。
·XTAL2（20脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。若采用外部震荡器，该引脚接收震荡器的信号，即把此信息直接接到内部时钟发生器的输入端。
·RST/VPD（9脚）：当震荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。在单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V低电平。掉电期间，此脚可接上备用电源（VPD），以保证内部RAM的数据，当Vcc 下掉到低于规定的值，而VPD在其规定的电压范围内（5+0.5V）时，VPD就 向内部RAM提供备用电源。
·ALE (30脚)：当访问单片机外部存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存信号。即使不访问外部存储器，ALE仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存储器时（即从程序存储器取来MOVX类指令），在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个脉冲。因此，严格来说，用户不能用ALE做时钟源或定时。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL负载。本次设计用ALE作为锁存信号和ADC0809的时钟信号。
·/VPP (31脚)：当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但当PC值（程序计数器）超过0FFFH时（对8051、8751来说），将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当 /VPP 保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于89C51来说此引脚应接高电平。89C51的VPP编程电压为+12V或+5V。
P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，故称为准双向I/O口。P0口线内无固定上拉电阻，由两个MOS管串接，即可开漏输出，又可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。
MCS-51（89C51属于其中的一种）单片机内有两个可编程的定时器/计数器，以满足对产生精确定时时间的需要，它们具有两种工作模式（定时器和计数器模式）及四种不同的工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3），其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对它的特殊功能寄存器的编程，用户可以方便的选择适当的工作模式和工作方式。
本次设计采用T0的定时器功能，选择它的方式1（16位计数器）来产生精确的记时时间。
MCS-51 提供五个中断请求源，其中两个是外部中断源，由和引脚输入；两个为片内定时器/计数器溢出时产生的中断请求TF0、TF1；以及串行口发送中断TI或接收中断RI。这些中断请求源分别由特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。本次设计采用了3个中断，分别是外部中断0、外部中断1和T0计时中断。
和电平在每一个机器周期的S5P2被采样并锁存到IE0、IE1中，这个新置入的IE0、IE1的状态等到下一个机器周期才被查询电路查询到，如果中断被激活，并且满足响应条件，CPU接着执行一条硬件子程序调用指令以转到相应的中断服务程序入口，该硬件调用指令本身需要两个机器周期，这样，从产生外部中断请求到开始执行中断请求服务程序的第一条指令之间至少需要三个完整的机器周期。外部中断的触发有两种触发方式，电平触发方式和边沿触发方式。
4．2 CPU接口扩充芯片8255A
8255A是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别称为PA口、PB口、PC口，其中PC口又分为高四位口（PC7～PC4）和低四位口（PC3～PC0），他们都可以通过软件编程来改变I/O的工作方式。8255A可以与MCS—51单片机直接接口。且接口逻辑十分简单。
8255A的引脚介绍：
·PA口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输出锁存器。
·PB口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输出缓冲器。
·PC口：一个8位的输出锁存器；一个8位数据输入缓冲器。
·（6脚）：片选信号。由CPU输入,有效，表示该8255A被选中。
·, (5脚和36脚)：读写控制信号。由CPU输入，有效，表示CPU读8255A应由8255A向CPU传送数据或状态信息。有效，表示CPU写8255A应由CPU将控制字或数据写入8255A。
·RESET（35脚）：复位信号，由CPU输入。RESET有效时，清除8255A中所有控制字寄存器内容，并将各端口置成输入方式。
·和（8脚和9脚）：端口选择信号。
当=00，选择端口A；
当 =01，选择端口B；
当=10，选择端口C；
当=11，选择控制字寄存器。
通常PA口、PB口作为输出输入口，PC口可作为输入输出口，也可在软件的控制下，分成两个4位的 端口，作为端口A、B选通方式操作时的状态控制信号。
本次设计8255A的工作方式选择0完成输出功能，用来向数模转换器输出8位数字信号。端口B工作在方式1，完成输入功能，用来接受由模数转换器输入的8位数字信号。端口C做控制用，用做数模转换器ADC0809的启动信号，用做输入的信号，用做中断请求信号，连接89C51的口以便向CPU发出中断请求。
图4.2 8255A的引脚图
本次设计8255A的工作方式选择0完成输出功能，用来向数模转换器输出8位数字信号。端口B工作在方式1，完成输入功能，用来接受由模数转换器输入的8位数字信号。端口C做控制用，用做数模转换器ADC0809的启动信号，用做输入的信号，用做中断请求信号，连接89C51的口以便向CPU发出中断请求。
4．3 模数转换芯片ADC0809
ADC0809是National半导体公司生产CMOS材料的A/D转换器。它具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。
其主要技术指标如表4.3.1所示.
表4.1 ADC0809的主要技术指标
其引脚如图4.3所示。
图4.3 ADC0809的引脚图
ADC0809的引脚功能介绍：·IN0～IN7（脚26～28，1～5）：为8个通道模拟量输入线。·ADDA、ADDB、ADDC（脚25～23）：多路开关地址选择线。A为最低位，C位最高位，通常分别接在地址线的低三位。·2-8～2-1(脚7、14、15、8、18～21)：8位数字量输出结果。·ALE（脚22）：地址锁存有效输入线。该信号上升沿把ADDA，ADDB，ADDC 3选择线的状态锁存入多路开关地址寄存器中。·START（脚6）：启动转换输入线。该信号上升沿清除ADC的内部寄存器而在下降沿启动内部控制逻辑，开始A/D转换。·EOC（脚7）：转换完成输出线，当EOC为1时表示转换已完成。·CLOCK（脚10）：转换定时时钟输入线，其频率不能高于640HZ，当频率为640HZ时，转换速度约为100μs。·OE（9）：允许输入线。在OE为“1”时，三态输出锁存器脱离三态，把数据送给总线。·VREF(脚12，16)：参考电压输入线。
图4.4 ADC0809的模拟电压输入电路
数模转换芯片DAC0832
DAC0832是美国数据公司的8位双缓冲D/A转换器，片内带有数据锁存器，可与通常的微处理器直接接口。电路有极好的温度跟随性。使用COMS电流开关和控制逻辑来获得低功耗和低输出泄露电流误差。其主要技术指标如表4.2所示.
表4.2 DAC0832的技术指标
DAC0832引脚如图4.5所示.
图 4.5 DAC0832引脚图
DAC0832的引脚功能如下：
· D0～7（脚7～4，16～13）：数据输入线
· ILE （脚19）：数据允许信号，高电平有效
· （脚1）：输入寄存器选择信号，低电平有效
· （脚2）：输入寄存器写选通信号，低电平有效
· （脚18）：DAC寄存器写选通信号，低电平有效
· （脚17）：数据传送信号，低电平有效
·VCC （脚20）：电源输入线
·IOUT1和IOUT2（脚11、12）：电源输入线
·AGND （脚3） 模拟信号地
·DGND （脚10）数字地
·RFB （脚9）：反馈信号输入线
·VREF （脚8）：基准电源输入线
DAC0832由8位输入锁存器，8位D/A转换电路组成。 DAC0832的输出是电流型的。在微机系统中，通常需要电压信号，电流信号和电压信号之间的转换可由放大器来实现，原理如图4.6所示：
图4.6 DAC0832的电压输出电路
根据DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有三种工作方式：
·单缓冲方式;
·双缓冲方式;
·直通方式;
本次设计采用直通方式，此方式适用于连续反馈控制控制线路中，方法是：数据不通过缓冲存储器，即、、、均接地，ILE接高电平。此时必须通过I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A的转换。
4．5 LED显示器
LED显示是单片机应用系统中常用的输出器件。它由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同的组合的二极管导通，就能显示出各种字符，本次设计采用8段共阳极LED显示器，如图4.7所示：
图4.7 8段共阳极LED显示器的结构及引脚图
8段LED显示器的dp显示端用于小数点显示。由于8段LED显示器有8各段发光二极管，所以字符码为一个字节。其字型码如表4.3所示
表 4.3 8段LED字型码
显示字符 共阳极字型码 显示字符 共阳极字型码
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 “灭” FFH
b 83H ………………… …………………
4． 6 键盘
键盘是简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。在本次设计的单片机应用系统中，为了节省硬件，采用非编码键盘，在这种键盘结构中，单片机对它的控制不外乎三种方式：
·程序控制扫描方式;
·定时扫描方式;
·中断扫描方式;
其中中断扫描方式减少了对键盘的无谓扫描提高了CPU的效率，它也是本次设计最终确定的键盘扫描方法。当设置键按下时产生中断请求，CPU响应中断请求，执行中断程序，判断键盘上闭合键的键号，并做相应的程序处理。
图4.8 键盘连接电路
本次使用按键除暂停键为非复位按键以为其他均为长开可复位的按键。当需要重新设计氧气的最底浓度时，点确定键，系统产生外部中断，调用外部中断1的处理程序，对P2.4、P2.5和P2.6进行扫描，如果有加1键或减1键按下则依程序进行处理，如果确定键没有按下则循环扫描P2.4、P2.5和P2.6口，当扫描到确定键按下，则跳出中断程序，继续执行原先的程序。当暂停键按下时CPU终止中断服务、关计时器且取消变频器的正转选通，等待关机或重新开始。当暂停键打开时CPU重新开启中断服务、开计数器并且变频器正转选通，CPU重新开始工作。
4．7 看门狗电路芯片MAX813
氧气机在营运过程中，由于干扰等各种因素的影响。有可能出现死机现象导致其无法正常营运。为了克服这一现象，除了充分利用CPU本身的看门狗定时器外，还需外加看门狗电路,复位、看门狗及电源监控由MAX813芯片来完成。MAX813的主要特点如下：
·系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限为4.65V。
·如果在1.6s内没有触发该电路（即第6路无脉冲输入），则第8脚输出一个低电平信号，即看门狗电路输出信号。
·手动复位输入，低电平有效，即第1脚输入一个低电平，则第7脚产生复位输出。
·具有1.25V门限值检测器，第4脚为输入，第5脚为输出。
实际应用时，将第1脚与第8脚相连，第7脚接CPU的复位脚（89C51的第9脚），第6脚与CPU的P2.3相连。在营运过程中，P2.3不断输出脉冲信号。如果因某种原因CPU进入死循环，则P2.3无脉冲输出。于是1.6秒后在MAX813的第8脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使MAX813产生复位输出，使CPU有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，MAX813L也产生复位输出，CPU处于复位状态，不执行任何指令，直到电源电压恢复正常，因此可有效防止因电源电压较低时CPU产生错误的动作。
4．8 空气压缩机的选择
压缩机是氧气机的主要组成部分，用来对进入氧气机的空气加压，并通过对其的调速来进行氧气浓度的调节。
按工作原理分, 压缩机可分为旋转叶片式、活塞式、螺杆式三大系列。旋转叶片式空气压缩机主要是利用叶片旋转过程中, 叶片间体积的不断缩小, 产生压缩空气。此类压缩机适用于供风量要求较低的车辆, 通常是非制动用风( 空气弹簧、撒砂、轮缘润滑、门控制)。活塞式压缩机主要是通过曲轴带动活塞连杆机构使活塞在气缸内往复运动, 经两级气缸压缩, 产生压缩空气。螺杆压缩机分为单螺杆和双螺杆两大系列。单螺杆压缩机因最高排风压力为0.7 kPa。双螺杆压缩机是一种双轴回转式容积式压缩机, 电机通过联轴器直接驱动压缩机转子, 转子为两个互相啮合的螺杆, 具有非对称的啮合型面, 并在一个铸铁壳体内旋转, 即啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐减小,齿沟内的气体逐渐被压缩, 产生压缩空气.
经比较各厂家的产品最终本次设计采用了由青岛正阳空压机有限公司生产的微型Z-0.12/7型空气压缩机。其主要参数为如表4.4所示。
表4.4 Z-0.12/7型空气压缩机的参数
4．9 变频器的选取
空气压缩机在工矿企业生产中有着广泛的应用。它担负着为各种气动元件和气动设备提供气源的重任。因此空气压缩机运行的好坏直接影响生产工艺和产品质量。空气压缩机是一种把空气压入储气罐中,使之保持一定压力的机械设备,属于恒转矩负载,其运行功率与转速成正比。所以单就运行功率而言,采用变频调速控制其节能效果远不如风机泵类二次方负载显著,但空气压缩机大多处于长时间连续运行状态,传统的工作方式为进气阀开、关控制方式,即压力达到上限时关阀,压缩机进入轻载运行;压力抵达下限时开阀,压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程,不仅使供气压力波动,而且使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以只能按最大需求来选择电动机的容量,故选择的电动机容量一般较大。在实际运行中,轻载运行的时间往往所占的比例是非常高的,这就造成巨大的能源浪费。值得指出的是,供气压力的稳定性对产品质量的影响是很大的,通常生产工艺对供气压力有一定要求,若供气压力偏低,不能满足工艺要求,就可能出现废品,所以,为了避免气压不足,一般供气压力较要求值要偏高些,从而造成供气成本高,能耗大,同时造成一定的不安全因素。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪60 年代以后，电力电子器件经历了晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT）、MOS 控制晶体管（MGT）、MOS 控制晶闸管（MCT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和耐高压绝缘栅双极型晶闸管（HVIGBT）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20 世纪70 年代初，脉宽调制变压变频（PWM- VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪80 年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起诸多科研人员重视，并研究出诸多优化模式。20 世纪80 年代后半期，美国、日本、德国、英国等发达国家的VVVF 变频器投入市场并获得了广泛应用[7]。
变频调速是20 世纪80 年代初发展起来的新技术,具有易操作、免维护、控制精度高等优点。普通电动机采用变频调速后,在其拖动负载无须任何改动的情况下,即可以按照生产工艺要求调整转速输出。因此,空气压缩机完全可以用变频器驱动的方案取代加、卸载供气控制方式方案,从而实现电动机根据用气量的大小自动调整转速保证供气压力恒定,使电动机在低于额定转速下连续运转,可有效地克服电动机频繁改变运行状态所带来的诸多弊端,达到系统高效节能运行的目的。
现在世界范围内有几十家公司能生产变频器，其中以欧、美、日的各大公司为主。而我们国家在着方面起步比较晚，但已有长足发展, 并涌现出许多优秀的企业，比如森兰、安邦信以及康沃众多品牌企业等。由于国产产品具有价廉物美的特点，在国内也得到了广泛的应有。其中2003年，中国变频器市场增长呈“井喷”之势，其增长率高达40%。进入2004年，变频器市场增长明显放缓，仅为19%，市场规模约为66亿元人民币。这种增长乏力的趋势在2005年的市场将更为明显，预计在10%以下，甚至有相当多的主流厂商仅能保持与2004年持平的业绩。中国的变频器市场进入了一个“增长”的低谷，或者说04年之后，国内变频器市场增长逐渐趋于理性。 从20年前中国有能力生产变频器以来，国内变频器厂商逐渐成长起来，目前国产变频器在国内变频器市场中已经占据一席之地。在2004年的国内市场中，国内品牌供应商的市场份额总和达到14.9%，比2003年又有所上升，其中内地品牌市场份额为9.5%，基本与2003年持平。
由于空气压缩机是恒转矩负载,故变频器应选用通用型的。又因为空气压缩机不允许超过额定转速值,电动机不会过载,一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的安全系数,所以,选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。本次设计将采用的变频器为国产艾默生V800系列中的EV800-4T0011G通用变频器。其控制参数如表4.5所示.
表4.5 EV800-4T0011G通用变频器的控制参数
它具有简单易懂和便于操作与安装的特点，并且价格便宜可以在保证产品质量的前提下有效的降低氧气机的成本,便于其能得到推广和广泛的应用,其接线图如图3.3所示。
4．10 氧气传感器的选取
由于珈伐尼电池传感器有良好的线性特性，便于设计，且不需要外部电源、成本低廉，所以本次设计采用珈伐尼电池氧传感器。
GS氧气传感器是珈伐尼电池传感器的一种，它由铅阳极镀金阴极及特定的酸液组成氧分子通过不渗水的树脂薄膜进入电化学电池，在金电极发生还原反应，在两电极之间的电流同被测混合气中的氧气浓度成正比，输出电压信号由所接的电阻两端电压通过温度补偿后获得，输出电压的变化就表示氧气浓度。下面是两种GS氧气传感器的性能比较:
表4.6 KE-25和KE-50的性能比较
由图可知KE-25相对于KE-50在相应速度上有很大的优势，所以本次试验采用KE-25作为氧气传感器，在氧气传感器 安装是应注意以下几点：
·禁止传感元件结露;
·同传感器连接的设备不能有任何驱动力,
·不要过度的震动;
·即不能对传感器供电;
·所接设备输入阻抗应1000k;
·在任何情况下均不能拆开传感器或进行维修.
4．11 电磁阀的选择
电磁阀在工业生产中应用十分广泛,在石油化学工业中尤为普遍。它既可用于水、空气和中性气体以及其他与电磁阀材质相适宜的气体、液体的开关控制(二通) ,又可作为安全联锁保护系统中不可缺少的一部分(三通、四通、五通) 。电磁阀由电磁部件、阀体组成。电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成;阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。当线圈通电或断电时,磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断,以达到开关或改变流体方向的目的。在安全联锁保护系统中应用的电磁阀主要有二位三通、二位四通和二位五通,二位的含义为:对于电磁阀来说是带电或失电,对于所控制的阀来说就是打开或关闭。
二位二通电磁阀由阀体、阀罩、电磁组件、弹簧及密封结构等部件组成,动铁芯底部的密封块借助弹簧的压力将阀体进气口关闭。得电时,线圈励磁,电磁铁吸合,动铁芯上部带弹簧的密封块把气口关闭/打开,起到控制作用;失电时,电磁力消失,动铁芯在弹簧力作用下离开固定铁芯向下移动,将气口打开/关闭。
二位三通电磁阀也是由阀体、阀罩、电磁组件、弹簧及密封结构等部件组成,动铁芯底部的密封块借助弹簧的压力将阀体进气口关闭。得电时,线圈励磁,电磁铁吸合,动铁芯上部带弹簧的密封块把排气口关闭,气流从进气口进入阀门,起到控制作用;失电时,电磁力消失,动铁芯在弹簧力作用下离开固定铁芯向下移动,将排气口打开,堵住进气口,阀门因失气而改变开关状态。
二位四通和五通电磁阀的原理相同,只是四通有1 个排气口,五通有2 个排气口。它们的工作原理:当有电流通过线圈时,产生励磁作用,固定铁芯吸合动铁芯,动铁芯带动滑阀芯并压缩弹簧,改变了滑阀芯的位置,从而改变了流体的方向;当线圈失电时,依靠弹簧的弹力推动滑阀芯,顶回动铁芯,使流体按原来的方向流动。
在实际的设计应用中,电磁阀有两种供电形式:220 V AC 或24 V DC。如果选用220 V AC供电形式,因为供电电压高,传输电缆造成的电压降不会影响到电磁阀能否正常工作,不必考虑电缆电阻损失的电压,所以可以远距离传输。如果电磁阀的供电电压为24 V DC ,就必须根据电磁阀的最低工作电压来进行电缆的最大允许长度计算。
本次设计所用的电磁阀采用220V AC供电的长沙盛恩DCF22B-10X二位二通型先导式
长闭电磁阀，其便于简化电路且便于家庭应用。其主要技术参数如表4.10所示.
表4.10 DCF22B-10X技术参数
4．12 继电器KB20C04A
交流固态继电器SSR ( so lid state reley) 是一种无触点通断电子开关, 它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件) 的开关特性, 可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的, 为四端有源器件, 其中两个端子为输入控制端, 另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离, 器件中采用了高耐压的专业光耦合器。当施加输入信号后, 其主回路呈导通状态, 无信号时, 呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点, 可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。其封装形式也与传统电磁继电器基本相同。它问世于70 年代, 由于它的无触点工作特性, 使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。
固态继电器有三部分组成: 输入电路, 隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别, 输入电路可分为直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路三种。SSR 成功地实现了弱信号(V sr) 对强电(输出端负载电压) 的控制。由于光耦合器的应用, 使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作) , 而且V sr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS 等常用集成电路兼容, 可以实现直接联接。这使SSR 在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可取代传统的“线圈- 簧片触点式”继电器(简称“M ER”)。
SSR 由于是全固态电子元件组成, 与M ER 相比,它没有任何可动的机械部件, 工作中也没有任何机械动作。SSR 由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能, 没有电接触点, 所以它有一系列M ER 不具备的优点, 即工作高可靠、长寿命(有资料表明SSR 的开关次数可达108 - 109 次, 比一般M ER 的106 高几百倍) , 无动作噪声, 耐振耐机械冲击, 安装位置无限制, 很容易用绝缘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极佳。这些特点使SSR 可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手, 具有超越M ER 的技术优势。
由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件, 所以它较之电磁继电器具有以下优点：
·高寿命, 高可靠: SSR 没有机械零部件, 有固体器件完成触点功能, 由于没有运动的零部件, 因此能在高冲击, 振动的环境下工作, 由于组成固态继电器的元器件的固有特性, 决定了固态继电器的寿命长, 可靠性高。
·灵敏度高, 控制功率小, 电磁兼容性好: 固态继电器的输入电压范围较宽, 驱动功率低, 可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。
·快速转换: 固态继电器因为采用固体其间, 所以切换速度可从几毫秒至几微秒。
·电磁干扰小: 固态继电器没有输入“线圈”, 没有触点燃弧和回跳, 因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关, 在零电压处导通,零电流处关断, 减少了电流波形的突然中断, 从而减少了开关瞬态效应。
交流型SSR 由于采用过零触发技术, 因而可以使SSR 安全地用在计算机输出接口上, 不必为在接口上采用M ER 而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。此外, SSR 还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。
由于固态相对于机械继电器有以上特点，而且其噪音几乎没有，非常适合人吸氧时进行休息。经比较各厂家的不同产品，得知KB20C04A固态继电器非常适合本次设计的氧气机阀门控制系统。其主要技术参数如表4.11所示。
表4.11 KB20C04A的主要技术指标
5 程序
程序作为控制系统的必要环节，其逻辑关系的正确与否直接关系着整个系统是否能正常工作。本次设计的程序主要有两大部分主程序和中断子程序，其中中断子程序包括一个定时器中断子程序和两个外部中断子程序。
5.1 流程图
5.2 程序
ORG 0000H
RESET: AJMP MAIN ; 转主程序
ORG 000BH ；转中断子程序
AJMP ITOP
ORG 0003H
AJMP INT0
ORG 0013H
AJMP INT1
ORG 0100H
MAIN: JB P3.1 , MAIN;P3.1口按键为不可复位按键
MOV SP , #60H
CLR P1.5 ;开机指示灯
ACALL PTOMO
HERA: MOV A , R4 ;显示程序
MOV B , #14H;
DIV A B
CLR P2.0
SETB P2.1
SETB P2.2
MOV P0 , #8CH ;(P2.1控制的显示器显示为P(现在)
PUSH DPL
PUSH DPH
MOV DPTR , #70H
CLR P2.1
SETB P2.0
SETB P2.2
MOV P0 , @A+DPTR;向十位上写入数据
MOV A , B
MOV B , 02H
DIV 与特点．四川环境，2006 （３）： 104～108
2 吕玉颖．氧气治疗技术在临床上的应用．中国临床医生，2006( 1) 13～14
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4 杨建中，赵佳禾．国产小型医用氧气机变压吸附控制系统的可靠性探讨．医
疗装备2005（4）：15～17
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8 卜令兵, 刘应书, 刘文海, 张德鑫．变压吸附制氧机微型化研究．深冷技术，2006（2）：16～21
9 张毅刚，彭喜源，谭晓均，曲春波．MCS-51单片机应用设计．哈尔滨：工业大学出版社，2004：3
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