摘 要

氧气在现代的生产生活中都有着十分重要的作用，使用的领域也十分广泛，例如治疗、冶金、化学工业等，同时在这些领域中，对于氧气浓度的要求也十分严格。所以，通过一种能够准确测量氧气浓度的仪器来测量作业场所的氧气浓度，可以极大的提高产品的质量，保证作业场所工作人员的安全。本文以当前国内外气体检测仪的发展状况和发展趋势，设计了一种基于Cortex-M0芯片的氧气浓度检测仪。

本文设计的氧气浓度检测仪是以STM32F0芯片为核心，以工业常用的4-20mA电流环进行信号传输。按照使用场所和生产成本，采用电化学式传感器检测氧气浓度。在现场显示氧气浓度的同时并传输到远端控制处，并在超过安全范围时进行声光报警。

论文主要从硬件和软件两个方面来进行研究。硬件方面主要设计了以Cortex-M0为核心的信号采集电路、电源供电电路、信号输出电路、数据显示电路等。硬件电路设计尽可能遵循低功耗的设计原则，减少芯片的损耗，延长仪器的使用时间。软件设计方面，主要设计了主程序，数据采集程序，数码管显示程序，按键控制程序，信号传输程序等。通过实验得出实现数据，验证了检测仪的误差范围和响应事件等性能均满足设计要求，同时还对误差进行了分析。实验表明，该氧气浓度检测仪设计符合要求，实用性强，可以保证工作环境的安全。

关键词：Cortex-M0；氧气浓度检测仪；电化学传感器；4-20mA电流环

Abstract

Oxygen in the modern production and life have a very important role,it is also in the use of a wide range of areas, such as treatment, metallurgy, chemical industry, etc.In these areas, the oxygen concentration requirements are also very strict.Therefore, through an accurate measurement of oxygen concentration of the instrument to measure the oxygen concentration in the workplace, can greatly improve the quality of the product and ensure the safety of the workplace staff.In this paper, an oxygen concentration detector based on Cortex-M0 chip is designed with the development status and development trend of gas detector at home and abroad.

This design of the oxygen concentration detector uses STM32F0 chip as the core, the industry commonly used 4-20mA current loop signal transmission.Taking into account the use of places and production costs, this detector uses electrochemical sensors to detect oxygen concentration.In the field shows the oxygen concentration at the same time ,transmitted to the remote control, and the sound and light will alarm when it’s more than the safety range.

The paper mainly studies from hardware and software.Hardware design is mainly designed to Cortex-M0 as the core of the signal acquisition circuit, power supply circuit, signal output circuit, data display circuit.Hardware circuit design as far as possible to follow the low-power design principles, reduce chip loss, extend the use of equipment time.Software design, the main design of the main program, data acquisition procedures, digital display program, key control procedures, signal transmission procedures.The experimental results show that the error range and response event of the detector meet the design requirements, and the error is also analyzed.Experiments show that the oxygen concentration detector designed to meet the requirements, practical, and can ensure the safety of the work environment.

Key Words：Cortex-M0; oxygen concentration detector; electrochemical sensor; 4 ~ 20mA current loop

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本论文的主要内容 2

第2章 氧气浓度检测仪的总体设计方案 4

2.1 氧气浓度检测仪概述 4

2.1.1 技术指标 4

2.1.1 主要功能 4

2.2 传感器的选择 5

2.2.1 气体传感器的概述 5

2.2.2 传感器选择的理由 5

2.2.1 电化学式气体传感器工作原理 5

2.3 氧气浓度检测仪总体方案设计 6

2.3.1 设计思想 6

2.3.2 硬件结构框图 6

2.3.3 工作原理 7

2.4 本章小结 7

第3章 氧气浓度检测仪的硬件设计 8

3.1 微处理器 8

3.1.1 微处理器的选型 8

3.1.2 微处理器的外围电路设计 9

3.2 电化学传感器接口电路 10

3.3 AD采样电路 12

3.4 电源供电电路 13

3.5 人机交互电路 13

3.5.1 按键电路 13

3.5.2 数码管显示电路 14

3.5.3 报警电路 15

3.6 信号输出电路 15

3.6.1 4~20mA电流环 15

3.6.2 电流环信号输出电路 17

3.7 PCB抗干扰设计 17

3.7.1 PCB元件布局原则 17

3.7.2 PCB布线原则 17

3.8 本章小结 18

第4章 氧气浓度检测仪的软件设计 19

4.1 软件开发环境准备 19

4.2 系统主程序设计 20

4.3 A/D采样模块程序设计 21

4.4 CH454驱动的数码管和按键扫描程序 23

4.5 AD5410信号输出模块 25

4.6 本章小结 26

第5章 系统实验与结果分析 27

5.1 系统调试 27

5.1.1 硬件调试 27

5.1.2 软件调试 27

5.2 检测仪的标定 28

5.3 氧气浓度检测仪性能实验 28

5.3.1 误差实验 28

5.3.2 稳定性实验 29

5.3.3 响应时间实验 29

5.3.4 信号传输实验 29

5.4 实验结果分析 30

5.5 本章小结 30

结 论 31

参考文献 32

致 谢 34

1. 绪论

1.1 研究背景及意义

氧气在各个领域都有着有着十分广泛的应用，例如化学、医疗、冶金等行业。在这些应用中，对于氧气的浓度的要求十分严格。例如，煤炭的主要来源是挖掘矿脉，但很多的煤矿都是瓦斯矿井，根据相关的条令规定，在展开工作之前，一定要保证矿井中的氧气浓度是20%以上，空气的主要成份包括N₂，CO₂以及O₂等，将空气中的O₂含量增高，有益于人体的健康。采矿作为一种在地下工作的活动，自身条件和自然条件都比较复杂，采矿过程中容易出现瓦斯泄漏的和煤气外泄的现象，会给工作人员带来健康和生命上的危险与危害，所以为了保证产业的经济效益和工作人员的生命安全，需要时时对矿井中的氧气浓度进行检测，如果出现有毒气体或者氧气浓度不符合规范，就必须停止作业，对气体进行处理，以减少突发事故的产生；在医疗方面，人的正常生活需要氧气，长时间缺氧会对人的脑部造成不可恢复的破坏，甚至死亡，但是正常人如果长时间吸入纯氧也会导致氧中毒；在冶金过程中使用高纯度的氧不仅可以降低钢的含碳量，还可以有效的清除磷、硫、硅等杂志。在这些应用中都需要对氧气的浓度进行检测^[1]。

本次设计开发的氧气浓度测试仪适用于可燃气体存在的场所，能够保证生产环境的安全，提高生产产品的质量。