基于PSoC的氧含量检测仪的设计

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Design of Oxygen Measuring Instrument Based on PSoCYAN He .CHEN Lin1.YIN Hong-zhi(1.College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 43008 1，Chi-Ha：2.Beijing Rising Ensign Technology Co.，Ltd.，Beijing 100096，China)Abstract：The design and implement of an intelligent oxygen measurement based on programmable system on chip(PSoC)was introduced in this paper.Using zirconium dioxide oxygen sensor O2S-FR，oxygen amount was measuredby PSoC device as the control core.Temperature compensation and oxygen sensor signal processing circuit was de-signed.Both software and hardware design method by using on-chip an alogy subsystem and digital subsystem were indetail described.Sampled data was showed on the LCD screen or communicated to master computer by RS485。

Key words：programmable system on chip(PSoC)：Embedded：zirconium dioxide oxygen sensor在工农业控制领域，含氧量的分析对于生产过程有着重要的意义1。以往的微控制器实现测量，需要耗费大量的时间和精力设计外围电路。其系统设计的软硬件较为复杂、开发难度大、成本高，不利于安装和生产[2]。相比基于 FPGA的氧化锆分析仪[31，以PSoC为核心，利用片内的可编程数字阵列和高精度模拟资源，将外围控制电路单元集成在单片上，能大大提高项目开发的效率、灵活性和可靠性 。其它方案相比较，基于 PSoC动态重配置技术的设计方案在扩大测量范围的同时能够动态调整测量精度，在实现多样化测量的同时不会增加过多成本，这更加适应现代传感器技术的发展要求[51。本设计采用美国Cypress公司的基于 ARM Cortex-M3内核的 PSoC5作为控制核心.使用英国SST公司的动态高精度氧化锆氧气传感器作为检测元件 ，具有结构简单、响应快、量程广、运行可靠、校准时不需要参比气体等优点。

1 氧含量检测仪的系统结构本检测仪的系统结构如图 1所示 。它由上位机通过 RS485通信与以PSoC为核心的测量拈相连。

测量部分由恒流源、LCD显示、测量电路、氧化锆氧收稿 日期 ：2013-01-08：修订 日期 ：2013-02-04作者简介：严赫(1988-)，男，在读硕士研究生，研究方向为嵌入式硬件及应用电子技术。

自动化与仪表2013(7) 团气传感器等部分组成，上位机用 Visual Basic 6.0编写，用于接收数据并在上位机上显示，同时进行检测仪的校准。PSoC核心部分负责被测信号的采集、运算、存储、结果显示、通信管理以及电源管理等工作。

上位主机及校准界面LCD点阵显示拈SPI总线PSoCUARTE R0M恒 流源模拟I，OADC数字I/0氧化锆氧气传感器 -信号放大图 1 氧含量检测仪系统结构Fig.1 Oxygen measurement system structure1.1 氧化锆氧气传感器测氧原理在 650 oC高温以上 ，稳定的氧化锆(ZrO )能够部分电解产生移动的氧离子，氧化锆电极上通以恒定的直流源，电极的阳极就会释放大量游离的氧离子。根据法拉第电解第-定律，氧离子与被传送的电荷呈正 比，即电化学泵吸 ：Ⅳ- (1)式中：Ⅳ为被传送氧气的摩尔数 ：i为恒流 ；t为时间；z为氧离子的化合价；F是法拉第常数(F96485C/mo1)。而当氧化锆两端有氧气压差，就会产生能斯托电压。氧压比与能斯托电压满足能斯托方程6]：AV丝eo .1n导 (2) L0其中：k 是波尔兹曼常数 ( 1.38x10 J/K)；T为氧化锆元件工作温度(oC)；e。是元电荷(eo1.602x10- C)；Ci是氧化锆两端气体离子浓度(mol/kg)。

O2S-FR型传感器利用上述原理制成，其传感元件由两个氧化锆方片组成.方片上涂有铂电极 ，铂电极起催化剂的作用，氧化锆方片通过铂电极隔开，形成了-个密封的传感室.如图2所示。其中-个氧化锆方片连接到可逆恒流源起电化学泵吸作用。

铂 电极 Pump端和 Common端之间通以可逆恒流源 ，根据恒流源的方向，氧离子通过该方片从-个电极移动到另-个电极，这就改变了传感室内的压力 ，另外-个方片随着压力 P2的改变产生能斯托电压，-个完整的泵周期就是抽空传感器室再将其囝充满所需要的时间.根据能斯托电压的变化测量泵周期，而泵周期与氧气浓度呈比例关系。

Pump Sense图 2 传 感 兀 件Fig.2 Sensing element1.2 片内测量电路和信号处理电路由式(2)可知：d(△ )- 堕 n d -B g- 1 dCl (3)er0 I-，2 eo la2常温下空气中的氧含量-般为 20.77%，取 C为 1%，由式(3)可知：当氧含量为 1%时：- .1n ：2.61×1o (4) OT 1.60x10-19 1 。 、当传感器工作在 750℃时.传感器的灵敏度非常高.温度每变化 1℃，能斯托电压的变化量为0.261 mV。由于传感器检测的信号就是毫伏级的能斯托电压.所以氧气探头内部加热丝的供电电压要比较稳定，以降低测量误差。本系统选用 TPS5430作为加热丝的供电芯片，该芯片的输出阻抗小，带负载能力强，输出精度高，抗干扰能力较强，能够提供稳定的供电电压。O2S-FR型传感器是-个 5端传感器，端13分别为Pump、Common、Sense、GND和加热端。TPS5430的输出引脚则直接和加热端相连，提供稳定的加热电压。而测量时.需要 Pump端和Common端之间通以4O A可逆的恒定电流(如图2所示)，这个过程，然后测量 Sense端和 Common端不断地对传感器室进行增压和减压 ，并重复的能斯托电压V-sense作为传感信号。

本设计使用 Cypress公司提供的集成开发环境PSoC Creator 2.1。利用 PSoC Creator先进的图形设计编辑器，配置测量电路和信号处理电路的片内固件元件，如图 3所示▲行硬件设计时。在 IDE的项目管理器中打开TopDesign.cysch文件，将开发过程中用到的所有 IO口放置在原理图上，并设置其属性 ，所有的可见 IO口均对应着外部的引脚[61。然后