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)動保健、醫(yī)療康復(fù)和健康空調(diào)等多種場合得到了廣泛應(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，通過吸附劑對空氣中氧、氮吸附能力的差異而將氣體混合物分開，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，并通過實(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…”的過程，不斷循環(huán)。儲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(其余關(guān)閉)，壓縮空氣經(jīng)閥門2進(jìn)入A，濾去氮?dú)猓Ｓ嘌鯕饨?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)，開啟閥門1，5，7(其余關(guān)閉)，裝置A解吸先前所吸附的氮?dú)?，使分子篩吸附劑得到再生，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，自動進(jìn)入 B排氣及均壓狀態(tài)，開啟閥門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。
(3)用戶參數(shù)設(shè)定。
　(4)顯示與報(bào)警。

2　單片機(jī)自動控制系統(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存儲器，這樣不用再擴(kuò)展外部的程序存儲器。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，段控和位控信號都經(jīng)ULN2003反相，以驅(qū)動LED。本系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)按鍵，分別是開機(jī)、增1、減1和確認(rèn)鍵，具體操作見軟件設(shè)計(jì)部分。氧傳感器測得的氧濃度值經(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，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。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。