单片机在微型氧气机中的应用
采用PSA(变压吸附)空气分离制氧技术的微型氧气机,由于其完全采用物理方式制氧,既方便安全,又价格低廉,在运动保健、医疗康复和健康空调等多种场合得到了广泛应用。而单片机以其低廉的价格、可靠的性能,在微型氧气机的自动控制系统中发挥了重要的作用。
本文探讨的微型氧气机采用世界先进的变压吸附PSA技术,利用沸石分子筛作为吸附剂,通过吸附剂对空气中氧、氮吸附能力的差异而将气体混合物分开,实现氧气和氮气的分离。外界空气先进行压缩增压,保持一定的压力,再送入变压吸附分离床。在分离床的作用下,床内空气中的氮气被吸附,而氧气不被吸附,这样可以在分离床出口端获得高纯度的氧气。输出氧气的流量采用机械式流量调节阀进行调节,当输出流量增加时氧气纯度会相应地降低,为了保证输出的氧气浓度,采用气敏传感器进行氧浓度的检测,并通过实时显示装置告知用户,当指标低于设定值时报警提醒。
1 电气控制要求
1.1 变压吸附分离床的工作过程
变压吸附分离床的工作原理如图1所示。分离床由2只装有制氧专用沸石分子筛的吸附装置A和B以及切换阀门1~8等组成,其中1,3为排放阀门,2,4为进气阀门,5,7为均压阀门,6,8为输出阀门。分离床在自动控制系统的作用下,吸附装置A、B交替工作,按照“A工作→A排气及均压→B工作→B排气及均压 →A工作…”的过程,不断循环。储气罐的作用是均衡输出氧气的压力。
吸附装置A工作时,阀门2,6打开(其余关闭),压缩空气经阀门2进入A,滤去氮气,剩余氧气经阀门 6输出。在吸附装置A内的分子筛快被吸附饱和之前,进入A排气及均压状态,开启阀门1,5,7(其余关闭),装置A解吸先前所吸附的氮气,使分子筛吸附剂得到再生,同时A、B均压以提高产气效率。均压后自动切换到吸附装置B工作置B中继续吸附制氧。同样,当吸附装置B内的分子筛快被吸附饱和之前,自动进入 B排气及均压状态,开启阀门3,5,7(其余关闭),装置B实现减压解吸再生。4种工作状态依次循环,2只吸附装置交替重复进行吸附和再生,从而实现了连续制取氧气的目的。
1.2 基本控制要求
(1)完成系统的4个工作状态循环。
(2)输出氧气浓度的检测。
(3)用户参数设定。
(4)显示与报警。
2 单片机自动控制系统
2.1 控制系统硬件设计
系统的硬件原理如图2所示。本系统选用AT89C51单片机,片内有4 kB的Flash存储器,这样不用再扩展外部的程序存储器。显示部分选用3位LED数码管,左边一位用于状态显示,“P”表示后两位当前显示的是输出的氧浓度;“b”表示后两位当前显示的是设定的最低氧浓度,当输出的氧浓度低于设定的浓度时进行报警。 AT89C51的P0口作LED的段控口,位控线选用P2.0 P2.1,P2.2,段控和位控信号都经ULN2003反相,以驱动LED。本系统设置4个按键,分别是开机、增1、减1和确认键,具体操作见软件设计部分。氧传感器测得的氧浓度值经放大后,送入ADC0809的通道0进行A/D转换,ADC0809的地址为7FFFH。根据氧气机的控制要求,选用 P1.0~P1.4作为1#阀~8#阀的控制端,再经固态继电器的隔离和驱动,控制相应阀的通与断,当P1.0~P1.4输出低电平时相应的电磁阀导通,高电平时阀断开。P1.5是电源指示,P1.6,P1.7是报警指示(其中P1.6接双色发光二极管的绿色部分,P1.7接红色部分),刚开机时发黄色光 (红、绿都亮)表示待用状态,工作时若氧浓度高于设定值发绿色光表示工作正常,若氧浓度低于设定值发红色光进行报警。
2.2 控制系统软件设计
控制系统的软件主要包括主程序、显示子程序、按键处理子程序、氧浓度检测与处理子程序、报警判断与处理子程序和定时中断与电磁阀控制程序等几部分。
主程序流程如图3所示。氧气机上电后,空气压缩机工作,系统进入待机状态,按下“开机”键进入工作状态并开始制氧,工作过程中可随时进行氧浓度的下限设定。氧气浓度检测与处理子程序完成氧气浓度的测量与显示。ADC0809采用延时方式进行转换,由于CY-16氧传感器测得的氧浓度与输出电流呈对数关系,因此需要通过软件进行修正,并调用显示子程序进行显示。
按键处理子程序完成氧浓度的设定,制氧时可通过按键进行新的浓度设置,并通过按“确认”键结束设置。
报警判断与处理子程序根据测得的氧浓度值,与用户设定的氧浓度下限进行比较,判断是否需要报警,如有报警则控制相应的批示灯亮。
定时中断与电磁阀控制程序中采用时间控制原则,控制相应电磁阀的通断来保证吸附装置A,B轮流工作。为此采用定时器中
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