CN102636622A - 一种广域测氧浓度方法及其实现装置智能式广域测氧仪 - Google Patents

Abstract

一种广域测氧浓度方法及其实现装置智能式广域测氧仪，属于测氧浓度方法和测氧仪技术领域；解决的技术问题是提供一种能够自动适应海拔高度的测氧方法及其实现装置；采用的技术方案是：第一步，采集当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，第二步，通过大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)，求出实时海拔值H，第三步，通过海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9•H²-1.1975x10^-4•H+1，求出海拔修正系数值K₀，第四步，再次采集当前氧气浓度值a2，得出氧浓度采样平均值N，第五步，通过公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀，得出修正后的氧浓度值N₀；本发明可广泛应用于高原环境中。

Description

一种广域测氧浓度方法及其实现装置智能式广域测氧仪

技术领域

本发明一种广域测氧浓度方法及其实现装置智能式广域测氧仪，属于测氧浓度方法和测氧仪技术领域。

背景技术

高原特点是空气稀薄，并随着海拔的上升，空气中的氧分压不断降低，人类在缺氧条件下，脑、心、肺功能极易发生损害，高原常见病有：急性高山病、高原肺水肿、高山脑水肿和慢性高原病等，因此在高原工作生活常常需要借助一些制氧设备，而且当人体吸入氧气时，需要时刻掌握吸入氧气的浓度，氧气浓度过高和过低都会对我们的身体造成伤害；测氧仪主要用于测量空气中的氧气纯度和分子筛制氧设备制取氧气纯度等设备中，但目前常规测氧气仪表是为平原环境使用设计的，在高原环境使用时，受空气中的氧分压影响，显示数据偏差很大，目前国内外生产的测氧仪表均有此缺陷，达不到高原用户准确掌握氧气含量的要求。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题是：提供一种能够自动适应海拔高度的测氧方法及其实现装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种广域测氧浓度方法，所述广域测氧浓度方法按以下步骤进行：

第一步，采集当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，然后进入第二步；

第二步，通过大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)，利用第一步中采集的当前大气压力值p，求出实时海拔值H，上述大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)中R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P_O为标准的大气压，然后进入第三步；

第三步，通过海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1，利用第二步中求出实时海拔值H，求出海拔修正系数值K₀，然后进入第四步；

第四步，再次采集当前氧气浓度值a2，对采集到的两个当前氧气浓度值a1和a2进行平均计算，得出氧浓度采样平均值N，然后进入第五步；

第五步，通过公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀，利用第三步得出的海拔修正系数值K₀和第四步中得出的氧浓度采样平均值N，计算得出修正后的氧浓度值N₀。

实现所述一种广域测氧浓度方法的智能式广域测氧仪，所述智能式广域测氧仪由单片机和与单片机相连的氧气传感器、压力传感器和LED液晶显示屏构成，所述智能式广域测氧仪测量氧气浓度的流程如下：

第一步，氧气传感器和压力传感器将采集到的当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p发送至单片机，LED液晶显示屏显示单片机收到的当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，然后进入第二步；

第二步，单片机通过调用大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)计算得出当前大气压力值下的实时海拔值H，上述大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)中R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P_O为标准的大气压，p为第一步中的当前大气压力值，LED液晶显示屏显示单片机计算得出的实时海拔值H，然后进入第三步；

第三步，单片机通过调用海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1计算出海拔修正系数值K₀，上述海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1中H为第二步中得出的实时海拔值H；然后，单片机通过氧气传感器再次采集当前氧气浓度值a2，然后将第一步和第三步中采集到的两个当前氧气浓度值a1和a2进行平均计算，得出氧浓度采样平均值N，最后，单片机通过调用公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀计算得出修正后的氧浓度值N₀，LED液晶显示屏显示修正后的氧浓度值N₀。

所述智能式广域测氧仪还包括有A/D转换模块、低限报警输出继电器、高限报警输出继电器、电池和微功耗直流变换器；

所述氧气传感器和压力传感器的信号输出端串接第一放大器和第二放大器后与A/D转换模块的输入端口相连，所述A/D转换模块的输出端口与单片机的输入端口相连，所述单片机的输出端口与低限报警输出继电器和高限报警输出继电器相连，单片机的I/O输出口与LED液晶显示屏相连，所述低限报警输出继电器和高限报警输出继电器分别连接有氧纯度下限报警器和氧纯度上限报警器；

所述电池与微功耗直流变换器的输入端相连，所述微功耗直流变换器包括多个不同电压等级的电源输出端口，所述单片机、第一放大器和第二放大器的电源端口均与微功耗直流变换器的电源输出端口相连。

所述单片机还连接有电平转换器和高精度数模转换器。

所述智能式广域测氧仪还包括有温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器和湿度传感器的信号输出端口分别串接第三放大器和第四放大器后与A/D转换模块的输入端口相连，所述第三放大器和第四放大器的电源端口均与微功耗直流变换器的电源输出端口相连。

所述单片机的封装模式为LQFP，所述微功耗直流变换器和上述放大器的封装模式为SOT，所述电池采用五号干电池。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

一、本发明一种广域测氧浓度方法能够在在海拔不同的环境情况下，准确计算出当前氧气浓度值，智能式广域测氧仪能够自动、快速、准确的显示当地当前环境条件下的氧气浓度值和气压、海拔、温湿度等基本大气参数值，扩大了测氧仪的使用范围及使用条件，解决了高原用户无法准确掌握氧气含量的问题；

二、本发明智能式广域测氧仪通过单片机程序实现整个采集、计算、校准过程，操作简单，使用方便并且避免了人工操作带来的误差，并且能够自动显示当前环境条件下的温、湿度值，并且具有氧纯度上下限报警功能，避免了仪表在非使用范围内违规使用，从而降低了仪表的故障率；

三、本发明智能式广域测氧仪能够输出标准的4～20mA电流信号或0～10V或1～5V电压信号及RS-232C或RS-485数字信号，方便二次使用；

四、本发明智能式广域测氧仪中单片机的封装模式为LQFP，微功耗直流变换器和放大器的封装模式为SOT，减小了整个电路板的体积，电池采用五号干电池，极大地节省空间，使整个装置小巧便携。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

图1是本发明中智能式广域测氧仪的电路结构示意图；

图中：1为单片机、2为氧气传感器、3为压力传感器、4为A/D转换模块、5为低限报警输出继电器、6为高限报警输出继电器、7为LED液晶显示屏、8为电池、9为微功耗直流变换器、10为第一放大器、11为第二放大器、12为氧纯度下限报警器、13为氧纯度上限报警器、14为电平转换器、15为高精度数模转换器、16为温度传感器、17为湿度传感器、18为第三放大器、19为第四放大器。

具体实施方式

本发明一种广域测氧浓度方法，所述广域测氧浓度方法按以下步骤进行：

第一步，采集当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，然后进入第二步；

第二步，通过大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)，利用第一步中采集的当前大气压力值p，求出实时海拔值H，上述大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)中R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P_O为标准的大气压，然后进入第三步；

第三步，通过海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1，利用第二步中求出实时海拔值H，求出海拔修正系数值K₀，然后进入第四步；

第四步，再次采集当前氧气浓度值a2，对采集到的两个当前氧气浓度值a1和a2进行平均计算，得出氧浓度采样平均值N，然后进入第五步；

第五步，通过公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀，利用第三步得出的海拔修正系数值K₀和第四步中得出的氧浓度采样平均值N，计算得出修正后的氧浓度值N₀。

如图1所示，上述一种广域测氧浓度方法可以通过智能式广域测氧仪来实现，所述智能式广域测氧仪由单片机1和与单片机1相连的氧气传感器2、压力传感器3和LED液晶显示屏7构成，所述智能式广域测氧仪测量氧气浓度的流程如下：

第一步，氧气传感器2和压力传感器3将采集到的当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p发送至单片机1，LED液晶显示屏7显示单片机1收到的当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，然后进入第二步；

第二步，单片机1通过调用大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)计算得出当前大气压力值下的实时海拔值H，上述大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)中R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P_O为标准的大气压，p为第一步中的当前大气压力值，LED液晶显示屏7显示单片机1计算得出的实时海拔值H，然后进入第三步；

第三步，单片机1通过调用海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1计算出海拔修正系数值K₀，上述海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1中H为第二步中得出的实时海拔值H；然后，单片机1通过氧气传感器2再次采集当前氧气浓度值a2，然后将第一步和第三步中采集到的两个当前氧气浓度值a1和a2进行平均计算，得出氧浓度采样平均值N，最后，单片机1通过调用公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀计算得出修正后的氧浓度值N₀，LED液晶显示屏7显示修正后的氧浓度值N₀。

所述智能式广域测氧仪还包括有A/D转换模块4、低限报警输出继电器5、高限报警输出继电器6、电池8和微功耗直流变换器9，所述氧气传感器2和压力传感器3的信号输出端串接第一放大器10和第二放大器11后与A/D转换模块4的输入端口相连，所述A/D转换模块4的输出端口与单片机1的输入端口相连，所述单片机1的输出端口与低限报警输出继电器5和高限报警输出继电器6相连，单片机1的I/O输出口与LED液晶显示屏7相连，所述低限报警输出继电器5和高限报警输出继电器6分别连接有氧纯度下限报警器12和氧纯度上限报警器13，所述单片机1还连接有电平转换器14和高精度数模转换器15。

所述电池8与微功耗直流变换器9的输入端相连，所述微功耗直流变换器9包括多个不同电压等级的电源输出端口，所述单片机1、第一放大器10和第二放大器11的电源端口均与微功耗直流变换器9的电源输出端口相连，所述智能式广域测氧仪还包括有温度传感器16和湿度传感器17，所述温度传感器16和湿度传感器17的信号输出端口分别串接第三放大器18和第四放大器19后与A/D转换模块4的输入端口相连，所述第三放大器18和第四放大器19的电源端口均与微功耗直流变换器9的电源输出端口相连。

上述氧气传感器2用来采集大气或者制氧设备的氧气纯度值，所述氧气纯度值由体积比表示，上述压力传感器3、温度传感器16和湿度传感器17分别用来采集实时大气的气压、温度和湿度值，并通过与传感器相连的放大器将采集到的信号放大发送至单片机1，LED液晶显示屏7能够显示当前采集的氧气浓度值和气压、温度和湿度值，同时显示屏每隔1.25S刷屏一次，这样本发明在海拔不同的环境情况下，能够自动、快速、准确的显示当地当前环境条件下的氧气浓度值和气压、海拔、温湿度等基本大气参数值，扩大了测氧仪的使用范围及使用条件。

上述单片机1采用MSP430系列单片机，MSP430系列单片机的电源电压范围是1.8～3.6V 电压，可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA；其次，独特的时钟系统设计，在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统，可以只使用一个晶体振荡器，也可以使用两个晶体振荡器；由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制，智能式广域测氧仪设计方案中程序控制芯片MSP430F449单片机，封装模式为LQFP，极大地减少了MCU的在集成电路板上的体积；供电电源选用3.3V电压，时钟只用一个低速晶体振荡器最大限度的降低系统的工作频率，尽可能的降低功耗；系统运行时MSP430F449单片机采用不同的工作模式，数据处理时用活动模式，处理结束系统进入低功耗模式LPM3，尽可能的使系统处于低功耗模式。

上述放大器采用型号为OP90的微功耗放大器，OP90是一款高性能、微功耗精密低电压微功耗运算放大器，采用+1.6 V至+36 V单电源或±0.8 V至±18 V双电源供电，输入电压范围包括负供电轨，因而在单电源系统中，该器件可以处理低至地电压的输入信号，采用单电源供电时，其输出摆幅也包括地电压，因此可以实现零输入零输出式操作，在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA ，本方案选用贴片式OP90芯片进行输入模拟信号采集和放大，电源电压选单电源3.3V，OP90芯片的高性能、微功耗也大大节约了能耗，OP90贴片式的封装模式SOT占用的空间相当的小。

所述电池8与微功耗直流变换器9的输入端相连，所述微功耗直流变换器9包括多个不同电压等级的电源输出端口，所述单片机1、第一放大器10、第二放大器11、第三放大器18和第四放大器19的电源端口均与微功耗直流变换器9的电源输出端口相连，本具体实施例中上述微功耗直流变换器9采用型号为NCP1402SN33T1的NCP1402芯片，所述NCP1402系列的单片微功率升压直流—直流转换器，这是专为通过一节电池或两节电池为便携式设备供电的应用而设计的，0.8V极低的电池电压启动，可在低于0.3V的电压下工作，具有较高的转换效率，在本方案中，此芯片主要用来将两节干电池的3V电压转化为系统工作所需的3.3V电压，NCP1402SN33T1芯片的封装形式选用贴片式的SOT模式，进一步减小系统的体积。

上述LED液晶显示屏7选用的型号为ESD8805的显示屏，基于MSP430单片机自带的160段LCD液晶驱动功能，本显示屏可以由单片机I/O口直接驱动，其功耗可以满足系统的设计要求，这些硬件上的选择和设计都最大限度的降低了整个系统的功耗，达到最佳的节能效果，使得系统工作不再需要外部电源，只需两节5号干电池供电，极大地节省空间；所述单片机1的封装模式为LQFP，所述微功耗直流变换器9和上述放大器的封装模式为SOT，所述电池8采用五号干电池，芯片全部选用贴片式封装大大地减少了系统集成电路板的体积，整体设计功耗低、体积小以及选用质轻的外壳使整个装置小巧便携。

所述单片机1可以通过程序控制选择适合的满足系统工作的最佳频率，频率越低微处理器处理的指令和数据量越小，进而功耗也会大大降低；还有液晶显示器的帧频率也应选择小一点的，也可以降低功耗，利用单片机1的中断功能尽量让系统处于低功耗状态，MSP430单片机有极低的中断唤醒时间，可以满足使用者的要求。

在具体应用过程中，随着海拔高度的变化空气稀薄程度会发生变化，单片机1设定了海拔高度修正程序，达到操作简便，参数随时可调的目的；单片机1的软件中还做了一定的密码功能设置来防止非操作人员的误操作，保证测量的准确性；参数随时可由工作人员根据现场环境调整，不用经由专门的设备维护人员操作也极大地方便了工作人员外出携带，密码设置又防止了费操作人员的误操作。

所述单片机1还连接有电平转换器14和高精度数模转换器15，单片机1可以通过电平转换器14完成TTL电平和RS-232C/RS-485电平转换，输出数字信号，同时也可以通过高精度数模转换器15输出标准的4～20mA电流信号或0～10V或1～5V电压信号，方便二次使用，整个装置通过单片机1的程序实现整个采集、计算、校准过程，操作简单，使用方便并且避免了人工操作带来的误差。

Claims (6)

1.一种广域测氧浓度方法，其特征在于：所述广域测氧浓度方法按以下步骤进行：

第一步，采集当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，然后进入第二步；

第二步，通过大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)，利用第一步中采集的当前大气压力值p，求出实时海拔值H，上述大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)中R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P_O为标准的大气压，然后进入第三步；

第三步，通过海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1，利用第二步中求出实时海拔值H，求出海拔修正系数值K₀，然后进入第四步；

第四步，再次采集当前氧气浓度值a2，对采集到的两个当前氧气浓度值a1和a2进行平均计算，得出氧浓度采样平均值N，然后进入第五步；

第五步，通过公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀，利用第三步得出的海拔修正系数值K₀和第四步中得出的氧浓度采样平均值N，计算得出修正后的氧浓度值N₀。

2.实现如权利要求1所述一种广域测氧浓度方法的智能式广域测氧仪，其特征在于：所述智能式广域测氧仪由单片机（1）和与单片机（1）相连的氧气传感器（2）、压力传感器（3）和LED液晶显示屏（7）构成，所述智能式广域测氧仪测量氧气浓度的流程如下：

第一步，氧气传感器（2）和压力传感器（3）将采集到的当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p发送至单片机（1），LED液晶显示屏（7）显示单片机（1）收到的当前氧气浓度值a1和当前大气压力值p，然后进入第二步；

第二步，单片机（1）通过调用大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)计算得出当前大气压力值下的实时海拔值H，上述大气压的公式H=(RT/gM)*ln(P₀/p)中R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P_O为标准的大气压，p为第一步中的当前大气压力值，LED液晶显示屏（7）显示单片机（1）计算得出的实时海拔值H，然后进入第三步；

第三步，单片机（1）通过调用海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1计算出海拔修正系数值K₀，上述海拔修正系数公式K₀=5.3788x10^-9·H²-1.1975x10^-4·H+1中H为第二步中得出的实时海拔值H；然后，单片机（1）通过氧气传感器（2）再次采集当前氧气浓度值a2，然后将第一步和第三步中采集到的两个当前氧气浓度值a1和a2进行平均计算，得出氧浓度采样平均值N，最后，单片机（1）通过调用公式氧浓度值N₀=氧浓度采样平均值N/K₀计算得出修正后的氧浓度值N₀，LED液晶显示屏（7）显示修正后的氧浓度值N₀。

3.根据权利要求2所述的智能式广域测氧仪，其特征在于：所述智能式广域测氧仪还包括有A/D转换模块（4）、低限报警输出继电器（5）、高限报警输出继电器（6）、电池（8）和微功耗直流变换器（9）；

所述氧气传感器（2）和压力传感器（3）的信号输出端串接第一放大器（10）和第二放大器（11）后与A/D转换模块（4）的输入端口相连，所述A/D转换模块（4）的输出端口与单片机（1）的输入端口相连，所述单片机（1）的输出端口与低限报警输出继电器（5）和高限报警输出继电器（6）相连，单片机（1）的I/O输出口与LED液晶显示屏（7）相连，所述低限报警输出继电器（5）和高限报警输出继电器（6）分别连接有氧纯度下限报警器（12）和氧纯度上限报警器（13）；

所述电池（8）与微功耗直流变换器（9）的输入端相连，所述微功耗直流变换器（9）包括多个不同电压等级的电源输出端口，所述单片机（1）、第一放大器（10）和第二放大器（11）的电源端口均与微功耗直流变换器（9）的电源输出端口相连。

4.根据权利要求3所述的智能式广域测氧仪，其特征在于：所述单片机（1）还连接有电平转换器（14）和高精度数模转换器（15）。

5.根据权利要求4所述的智能式广域测氧仪，其特征在于：所述智能式广域测氧仪还包括有温度传感器（16）和湿度传感器（17），所述温度传感器（16）和湿度传感器（17）的信号输出端口分别串接第三放大器（18）和第四放大器（19）后与A/D转换模块（4）的输入端口相连，所述第三放大器（18）和第四放大器（19）的电源端口均与微功耗直流变换器（9）的电源输出端口相连。

6.根据权利要求3至5任意一项所述的智能式广域测氧仪，其特征在于：所述单片机（1）的封装模式为LQFP，所述微功耗直流变换器（9）和上述放大器的封装模式为SOT，所述电池（8）采用五号干电池。

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