CN107092208A - 一种变频氧传感器的控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频氧传感器的控制器，包括控制主体电路和用于提供控制主体电路工作电压的电源，控制主体电路包括氧浓差电动势变化周期检测电路、温度控制电路、双向恒流源电路、微处理器和显示电路，氧浓差电动势变化周期检测电路包括氧浓差电动势采集电路、稳压电路、第一滞回比较器和第二滞回比较器，微处理器实时采集第一滞回比较器输出端和第二滞回比较器输出端的电压信号，当第一滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器开始计时当第二滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器结束计时，将当前时间记为t2，然后根据公式计算得到氧浓度值；优点是可以匹配变频氧传感器使用，使变频氧传感器能用于化石燃料燃烧环境中氧气浓度检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制器，尤其是涉及一种变频氧传感器的控制器。
背景技术
近些年来，随着地球生态环境的恶化，雾霾天气的出现越来越频繁，雾霾天气对人们身体健康造成不良影响，引起广泛关注。在引发雾霾天气的因素中，化石燃料的不完全燃烧产生污染气体是一大重要原因。
为解决化石燃料燃烧不充分问题，在化石燃料燃烧过程中，通常采用氧传感器配合其相应的控制器来检测氧气浓度以便控制化石燃料的燃烧状态。目前，常用来检测化石燃料燃烧过程中氧气浓度的氧传感器通常包括三种：极限电流氧传感器、浓差电势型氧传感器和宽域氧传感器。极限电流氧传感器检测氧浓度时，极限电流氧传感器上的进气孔极易被化石燃料燃烧产生的废气中的固体颗粒堵塞，造成该极限电流氧传感器失灵，检测精度不高。浓差电势型氧传感器检测氧浓度时需要一个稳定的参比气体，而化石燃料燃烧过程中难以提供，以致其检测精度不高。宽域氧传感器虽然检测精度高，但是其结构复杂，难以控制。
随着氧传感器技术的发展，检测精度高以及检测范围广的变频氧传感器技术逐渐完善。现有的变频氧传感器的结构图如图1所示。该变频氧传感器包括衬底7、第一电池片1、第二电池片2和加热片8，第一电池片1和第二电池片2上下间隔设置，第一电池片1和第二电池片2分别固定设置在衬底7上，加热片8嵌入衬底中，第一电池片1的上表面设置有第一外电极3，第一电池片1的下表面设置有第一内电极4，第二电池片2的上表面设置有第二内电极5，第二电池片2的下表面设置有第二外电极6，第一内电极4、第二内电极5和加热片8的一端均接地，第一电池片1和第二电池片2的材料均为氧化锆，第一内电极4、第一外电极3、第二内电极5和第二外电极6的材料均为铂，衬底7的材料为氧化铝，加热片8的另一端为变频氧传感器的第一输入端，第一外电极3为变频氧传感器的输出端，第二外电极6为变频氧传感器的第二输入端。该变频氧传感器结构简单，可以通过测量第一电池片1的输出信号(即变频氧传感器输出端的氧浓差电动势)来实现氧气浓度的测量，检测范围广，检测精度高，控制机理简单，相对于极限电流氧传感器、浓差电势型氧传感器和宽域氧传感器，更加适合化石燃料燃烧环境中的氧气浓度检测。
但是，该变频氧传感器不能单独工作，必须配备相应的控制器才能实现氧气浓度检测，目前市面上未出现可与之匹配使用的控制器。鉴此，设计一种变频氧传感器控制器，使变频氧传感器可以成功用于化石燃料燃烧环境中的氧气浓度检测，对于化石燃料燃烧环境中的氧气浓度检测具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变频氧传感器控制器，该变频氧传感器的控制器可以匹配变频氧传感器使用，使变频氧传感器成功用于化石燃料燃烧环境中的氧气浓度检测。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种变频氧传感器的控制器，包括控制主体电路和用于提供所述的控制主体电路工作电压的电源，所述的控制主体电路包括氧浓差电动势变化周期检测电路、温度控制电路、双向恒流源电路、微处理器和显示电路，所述的微处理器分别与所述的温度控制电路的输入端、所述的双向恒流源电路的输入端和所述的显示电路的输入端连接，所述的温度控制电路的输出端用于连接变频氧传感器的第一输入端，所述的双向恒流源电路的输出端用于连接变频氧传感器的第二输入端；所述的氧浓差电动势变化周期检测电路包括氧浓差电动势采集电路、稳压电路、第一滞回比较器和第二滞回比较器，所述的第一滞回比较器和所述的第二滞回比较器分别具有正相输入端、反相输入端和输出端，所述的稳压电路具有输入端、第一电压输出端和第二电压输出端，所述的氧浓差电动势采集电路的输入端为所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端，所述的氧浓差电动势采集电路的输出端分别与所述的第一滞回比较器的反相输入端和所述的第二滞回比较器的反相输入端连接，所述的第一滞回比较器的正相输入端和所述的稳压电路的第一电压输出端连接，所述的第二滞回比较器的正相输入端和所述的稳压电路的第二电压输出端连接，所述的第一滞回比较器的输出端为所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端，所述的第二滞回比较器的输出端为所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的第二输出端，所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端用于连接变频氧传感器的输出端，所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端和第二输出端分别与所述的微处理器连接。将变频氧传感器输出端的氧浓差电动势记为E，所述的双向恒流源电路用于控制变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E在E0和E1之间变化，E0为设定的氧浓差电动势下限，E1为设定的氧浓差电动势上限，0＜E0≤30mV，170mV＜E1≤200mV，所述的稳压电路的第一输出端输出第一参考电压，所述的稳压电路的第二输出端输出第二参考电压，将第一参考电压记为E0’，将第二参考电压记为E1’，30mV＜E0’≤100mV，100mV＜E1’≤170mV，且40mV≤E1’-E0’≤200mV；所述的氧浓差电动势采集电路实时采集变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E并发送到所述的第一滞回比较器的反相输入端和所述的第二滞回比较器的反相输入端，当氧浓差电动势E>E0’时，所述的第一滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E0’时，所述的第一滞回比较器的输出端输出高电平，当所氧浓差电动势E＝E0’时，所述的第一滞回比较器的输出端电平产生跳变，当氧浓差电动势E>E1’时，所述的第二滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E1’时，所述的第二滞回比较器的输出端输出高电平，当氧浓差电动势E＝E1’时，所述的第二滞回比较器的输出端电平产生跳变；所述的微处理器实时采集所述的第一滞回比较器输出端和所述的第二滞回比较器输出端的电压信号，当所述的第一滞回比较器输出端的电平产生跳变时，所述的微处理器开始计时，将当前时间记为t1，当所述的第二滞回比较器输出端的电平产生跳变时，所述的微处理器结束计时，将当前时间记为t2，然后根据公式(1)和公式(2)计算得到氧浓度值：
其中，为待测氧浓度值，F为法拉第常数，e为自然对数的底，R为气体常数且R＝0.0083143kJ K-1mol-1，V为变频氧传感器的第一电池片、第二电池片和衬底之间形成的空腔的体积；I为双向恒流源电路输出端输出的电流；T为变频氧传感器所处环境的绝对温度。
所述的电源包括型号为MC7805T的第一芯片、型号为LM1117_3.3的第二芯片、型号为NCV33063A的第三芯片、型号为MC7905T的第四芯片、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一电感和第二电感；所述的第一二极管的正极、所述的第二二极管的负极、所述的第二电阻阻的一端、所述的第五电容的一端和所述的第三芯片的第6脚连接且其连接端为所述的电源的输入端，接入12V电压，所述的第二二极管的正极接地，所述的第一二极管的负极和所述的第一电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端和所述的第一芯片的第1脚连接，所述的第一芯片的第2脚接地，所述的第一芯片的第3脚、所述的第一电容的一端、所述的第二电容的一端和所述的第二芯片的第3脚连接且其连接端输出5V电压，所述的第二芯片的第2脚、所述的第三电容的一端和所述的第四电容的一端连接且其连接端输出3.3V电压，所述的第二芯片的第1脚、所述的第一电容的另一端、所述的第二电容的另一端、所述的第三电容的另一端和所述的第四电容的另一端接地，所述的第二电阻的另一端、所述的第三芯片的第7脚、所述的第三芯片的第8脚和所述的第三芯片的第1脚连接，所述的第五电容的另一端和所述的第三电阻的一端连接且其连接端接地，所述的第三电阻的另一端、所述的第四电阻的一端和所述的第三芯片的第5脚连接，所述的第四电阻的另一端、所述的第六电容的一端、所述的第三芯片的第4脚、所述的第三二极管的正极、所述的第二电感的一端和所述的第七电容的一端连接，所述的第六电容的另一端和所述的第三芯片的第3脚连接，所述的第三芯片的第2脚、所述的第一电感的一端和所述的第三二极管的负极连接，所述的第一电感的另一端接地，所述的第二电感的另一端、所述的第八电容的一端和所述的第四芯片的第2脚连接，所述的第四芯片的第3脚和所述的第九电容的一端连接且其连接端输出-5V电压，所述的第七电容的另一端、所述的第八电容的另一端、所述的第九电容的另一端和所述的第四芯片的第1脚连接且其连接端接地。该电路将电源电压(12V)降压滤波产生5V、-5V和3.3V等子电源，一方面为控制器中各个模块电路提供所需的电源电压，另一方面监控电源电压，确保微处理器能正常工作，在电源电压出现危险波动时给微处理器提供复位信号。
所述的温度控制电路包括型号为BTS428的第五芯片、第十电容和第十一电容；所述的第五芯片的第1脚接地，所述的第五芯片的第2脚为所述的温度控制电路的输入端，所述的第五芯片的第3脚、所述的第十电容的一端和所述的第十一电容的一端连接且其连接端接入12V电压，所述的第十电容的另一端和所述的第十一电容的另一端均接地，所述的第五芯片的第5脚为所述的温度控制电路的输出端。该电路通过简单的电路结构实现对变频氧传感器的快速加热，使变频氧传感器尽快达到其工作温度范围，成本低，效率高。
所述的氧浓差电动势采集电路包括型号为1458的第六芯片、第四二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第十二电容、第十三电容和第十四电容；所述的第五电阻的一端、所述的第十二电容的一端和所述的第六芯片的第5脚连接，所述的第五电阻的另一端为所述的氧浓差电动势采集电路的输入端，所述的第十二电容的另一端接地，所述的第六电阻的一端接地，所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端、所述的第十三电容的一端和所述的第六芯片的第6脚连接，所述的第六芯片的第7脚、所述的第四二极管的负极、所述的第十四电容的一端、所述的第七电阻的另一端和所述的第十三电容的另一端连接且其连接端为所述的氧浓差电动势采集电路的输出端，所述的第十四电容的另一端和所述的第四二极管的正极接地。该电路在采集到氧浓差电动势后会对采集到的氧浓差电动势进行滤波处理，利于后续电路得到准确的氧浓差电动势。
所述的稳压电路包括型号为TL431的第七芯片、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十五电容、第十六电容、第十七电容和第十八电容；所述的第八电阻的一端为所述的稳压电路的输入端，接入5V电压，所述的第八电阻的另一端、所述的第七芯片的第1脚、所述的第七芯片的第2脚、所述的第十五电容的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第十六电容的一端和所述的第十电阻的一端连接，所述的第七芯片的第3脚接地，所述的第十五电容的另一端接地，所述的第十六电容的另一端接地，所述的第九电阻的另一端、所述的第十一电阻的一端和所述的第十七电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的第一输出端，所述的第十电阻的另一端、所述的第十二电阻的一端和所述的第十八电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的第二输出端，所述的第十一电阻的另一端、所述的第十七电容的另一端、所述的第十二电阻的另一端和所述的第十八电容的另一端均接地。该电路通过简单的电路结构同时产生两路稳定且准确的电压信号作为比较参考值提供给第一滞回比较器和第二滞回比较器作为输入，成本较低，信号精度较高。
所述的第一滞回比较器包括型号为LM193的第八芯片、第十三电阻和第十四电阻，所述的第十三电阻的一端为所述的第一滞回比较器的同相输入端，所述的第十三电阻的另一端、所述的第十四电阻的一端和所述的第八芯片的第5脚连接，所述的第八芯片的第6脚为所述的第一滞回比较器的反相输入端，所述的第十四电阻的另一端和所述的第八芯片的第7脚连接且其连接端为所述的第一滞回比较器的输出端；所述的第二滞回比较器包括型号为LM193的第九芯片、第十五电阻和第十六电阻，所述的第十五电阻的一端为所述的第二滞回比较器的同相输入端，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十六电阻的一端和所述的第九芯片的第3脚连接，所述的第九芯片的第2脚为所述的第二滞回比较器的反相输入端，所述的第十六电阻的另一端和所述的第九芯片的第1脚连接且其连接端为所述的第二滞回比较器的输出端。该电路中通过比较器芯片和两个电阻构成滞回比较器结构，微处理器通过采集第一滞回比较器和第二滞回比较器的输出电压，观察输出电压及其变化时间而获取电动势变化周期，获取方式简单，操作方便。
所述的双向恒流源电路包括型号为1458的第十芯片、型号为1458的第十一芯片、型号为OPA27GU的第十二芯片、型号为4052的第十三芯片、型号为INA143的第十四芯片、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第十九电容、第二十电容、第二十一电容和第二十二电容，所述的第十芯片的第3脚和所述的第十九电容的一端连接且其连接端为所述的双向恒流源电路的输入端，所述的第十九电容的另一端接地，所述的第十芯片的第2脚和所述的第十七电阻的一端连接，所述的第十七电阻的另一端、所述的第十芯片的第1脚、所述的第十八电阻的一端、所述的第二十电容的一端和所述的第十三芯片的第1脚连接，所述的第二十电容的另一端接地，所述的第十八电阻的另一端和所述的第十九电阻的一端连接，所述的第十九电阻的另一端、所述的第二十电阻的一端和所述的第十一芯片的第6脚连接，所述的第十一芯片的第5脚接地，所述的第二十电阻的另一端、所述的第十一芯片的第7脚和所述的第十三芯片的第5脚连接，所述的第十芯片的第8脚接入5V电压，所述的第十芯片的第4脚接入-5V电压，所述的第十三芯片的第11脚接入5V电压，所述的第十三芯片的第2脚、第4脚和第6脚均接地，所述的第十三芯片的第7脚接入-5V电压，所述的第十三芯片的第3脚和所述的第十四芯片的第3脚连接，所述的第十四芯片的第1脚、所述的第十二芯片的第2脚和所述的第十二芯片的第6脚连接，所述的第十四芯片的第2脚接地，所述的第十四芯片的第4脚和所述的第二十一电容的一端连接且其连接端接入-5V电压，所述的第二十一电容的另一端接地，所述的第十四芯片的第5脚、第6脚和所述的第二十一电阻的一端连接，所述的第二十一电阻的另一端和所述的第十二芯片的第3脚连接且其连接端为所述的双向恒流源电路的输出端，所述的第十四芯片的第7脚和所述的第二十二电容的一端连接且其连接端接入5V电压，所述的第二十二电容的另一端接地，所述的第十二芯片的第7脚接入5V电压，所述的第十二芯片的第4脚接地。该电路可以提供大小可设定，方向可变的电流作用于变频氧传感器，使得变频氧传感器输出的氧浓差电动势发生变化。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过设置氧浓差电动势变化周期检测电路、温度控制电路、双向恒流源电路、微处理器和显示电路，微处理器分别与温度控制电路的输入端、双向恒流源电路的输入端和显示电路的输入端连接，温度控制电路的输出端用于连接变频氧传感器的第一输入端，双向恒流源电路的输出端用于连接变频氧传感器的第二输入端；氧浓差电动势变化周期检测电路包括氧浓差电动势采集电路、稳压电路、第一滞回比较器和第二滞回比较器，第一滞回比较器和第二滞回比较器分别具有正相输入端、反相输入端和输出端，稳压电路具有输入端、第一电压输出端和第二电压输出端，氧浓差电动势采集电路的输入端为氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端，氧浓差电动势采集电路的输出端分别与第一滞回比较器的反相输入端和第二滞回比较器的反相输入端连接，第一滞回比较器的正相输入端和稳压电路的第一电压输出端连接，第二滞回比较器的正相输入端和稳压电路的第二电压输出端连接，第一滞回比较器的输出端为氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端，第二滞回比较器的输出端为氧浓差电动势变化周期检测电路的第二输出端，氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端用于连接变频氧传感器的输出端，氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端和第二输出端分别与微处理器连接；将变频氧传感器输出端的氧浓差电动势记为E，双向恒流源电路用于控制变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E在E0和E1之间变化，E0为设定的氧浓差电动势下限，E1为设定的氧浓差电动上限，0＜E0≤30mV，170mV＜E1≤200mV，稳压电路的第一输出端输出第一参考电压，稳压电路的第二输出端输出第二参考电压，将第一参考电压记为E0’，将第二参考电压记为E1’，30mV＜E0’≤100mV，100mV＜E1’≤170mV，且40mV≤E1’-E0’≤200mV；氧浓差电动势采集电路实时采集变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E并发送到第一滞回比较器的反相输入端和第二滞回比较器的反相输入端，当氧浓差电动势E>E0’时，第一滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E0’时，第一滞回比较器的输出端输出高电平，当所氧浓差电动势E＝E0’时，第一滞回比较器的输出端电平产生跳变，当氧浓差电动势E>E1’时，第二滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E1’时，第二滞回比较器的输出端输出高电平，当氧浓差电动势E＝E1’时，第二滞回比较器的输出端电平产生跳变；微处理器实时采集第一滞回比较器输出端和第二滞回比较器输出端的电压信号，当第一滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器开始计时，将当前时间记为t1，当第二滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器结束计时，将当前时间记为t2，然后根据公式(1)和公式(2)计算得到氧浓度值：
其中，为待测氧浓度值，F为法拉第常数，e为自然对数的底，R为气体常数且R＝0.0083143kJ K-1mol-1，V为变频氧传感器的第一电池片、第二电池片和衬底之间形成的空腔的体积；I为双向恒流源电路输出端输出的电流；T为变频氧传感器所处环境的绝对温度；由此该变频氧传感器的控制器可以匹配变频氧传感器使用，使变频氧传感器成功用于化石燃料燃烧环境中的氧气浓度检测。
附图说明
图1为现有的变频氧传感器的结构图；
图2为本发明的控制器的结构图；
图3为本发明的氧浓差电动势变化周期检测电路的结构图；
图4为本发明的电源的电路图；
图5为本发明的温度控制电路的电路图；
图6为本发明的氧浓差电动势采集电路的电路图；
图7为本发明的稳压电路的电路图；
图8为本发明的第一滞回比较器和第二滞回比较器的电路图；
图9为本发明的双向恒流源电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图2和图3所示，一种变频氧传感器的控制器，包括控制主体电路和用于提供控制主体电路工作电压的电源，控制主体电路包括氧浓差电动势变化周期检测电路、温度控制电路、双向恒流源电路、微处理器和显示电路，微处理器分别与温度控制电路的输入端、双向恒流源电路的输入端和显示电路的输入端连接，温度控制电路的输出端用于连接变频氧传感器的第一输入端，双向恒流源电路的输出端用于连接变频氧传感器的第二输入端；氧浓差电动势变化周期检测电路包括氧浓差电动势采集电路、稳压电路、第一滞回比较器和第二滞回比较器，第一滞回比较器和第二滞回比较器分别具有正相输入端、反相输入端和输出端，稳压电路具有输入端、第一电压输出端和第二电压输出端，氧浓差电动势采集电路的输入端为氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端，氧浓差电动势采集电路的输出端分别与第一滞回比较器的反相输入端和第二滞回比较器的反相输入端连接，第一滞回比较器的正相输入端和稳压电路的第一电压输出端连接，第二滞回比较器的正相输入端和稳压电路的第二电压输出端连接，第一滞回比较器的输出端为氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端，第二滞回比较器的输出端为氧浓差电动势变化周期检测电路的第二输出端，氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端用于连接变频氧传感器的输出端，氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端和第二输出端分别与微处理器连接。将变频氧传感器输出端的氧浓差电动势记为E，双向恒流源电路用于控制变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E在E0和E1之间变化，E0为设定的氧浓差电动势下限，E1为设定的氧浓差电动上限，0＜E0≤30mV，170mV＜E1≤200mV，稳压电路的第一输出端输出第一参考电压，稳压电路的第二输出端输出第二参考电压，将第一参考电压记为E0’，将第二参考电压记为E1’，30mV＜E0’≤100mV，100mV＜E1’≤170mV，且40mV≤E1’-E0’≤200mV；氧浓差电动势采集电路实时采集变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E并发送到第一滞回比较器的反相输入端和第二滞回比较器的反相输入端，当氧浓差电动势E>E0’时，第一滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E0’时，第一滞回比较器的输出端输出高电平，当所氧浓差电动势E＝E0’时，第一滞回比较器的输出端电平产生跳变，当氧浓差电动势E>E1’时，第二滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E1’时，第二滞回比较器的输出端输出高电平，当氧浓差电动势E＝E1’时，第二滞回比较器的输出端电平产生跳变；微处理器实时采集第一滞回比较器输出端和第二滞回比较器输出端的电压信号，当第一滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器开始计时，将当前时间记为t1，当第二滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器结束计时，将当前时间记为t2，然后根据公式(1)和公式(2)计算得到氧浓度值：
其中，为待测氧浓度值，F为法拉第常数，e为自然对数的底，R为气体常数且R＝0.0083143kJ K-1mol-1，V为变频氧传感器的第一电池片、第二电池片和衬底之间形成的空腔的体积；I为双向恒流源电路输出端输出的电流；T为变频氧传感器所处环境的绝对温度。
实施例二：如图2和图3所示，一种变频氧传感器的控制器，包括控制主体电路和用于提供控制主体电路工作电压的电源，控制主体电路包括氧浓差电动势变化周期检测电路、温度控制电路、双向恒流源电路、微处理器和显示电路，微处理器分别与温度控制电路的输入端、双向恒流源电路的输入端和显示电路的输入端连接，温度控制电路的输出端用于连接变频氧传感器的第一输入端，双向恒流源电路的输出端用于连接变频氧传感器的第二输入端；氧浓差电动势变化周期检测电路包括氧浓差电动势采集电路、稳压电路、第一滞回比较器和第二滞回比较器，第一滞回比较器和第二滞回比较器分别具有正相输入端、反相输入端和输出端，稳压电路具有输入端、第一电压输出端和第二电压输出端，氧浓差电动势采集电路的输入端为氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端，氧浓差电动势采集电路的输出端分别与第一滞回比较器的反相输入端和第二滞回比较器的反相输入端连接，第一滞回比较器的正相输入端和稳压电路的第一电压输出端连接，第二滞回比较器的正相输入端和稳压电路的第二电压输出端连接，第一滞回比较器的输出端为氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端，第二滞回比较器的输出端为氧浓差电动势变化周期检测电路的第二输出端，氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端用于连接变频氧传感器的输出端，氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端和第二输出端分别与微处理器连接。将变频氧传感器输出端的氧浓差电动势记为E，双向恒流源电路用于控制变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E在E0和E1之间变化，E0为设定的氧浓差电动势下限，E1为设定的氧浓差电动上限，0＜E0≤30mV，170mV＜E1≤200mV，稳压电路的第一输出端输出第一参考电压，稳压电路的第二输出端输出第二参考电压，将第一参考电压记为E0’，将第二参考电压记为E1’，30mV＜E0’≤100mV，100mV＜E1’≤170mV，且40mV≤E1’-E0’≤200mV；氧浓差电动势采集电路实时采集变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E并发送到第一滞回比较器的反相输入端和第二滞回比较器的反相输入端，当氧浓差电动势E>E0’时，第一滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E0’时，第一滞回比较器的输出端输出高电平，当所氧浓差电动势E＝E0’时，第一滞回比较器的输出端电平产生跳变，当氧浓差电动势E>E1’时，第二滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E1’时，第二滞回比较器的输出端输出高电平，当氧浓差电动势E＝E1’时，第二滞回比较器的输出端电平产生跳变；微处理器实时采集第一滞回比较器输出端和第二滞回比较器输出端的电压信号，当第一滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器开始计时，将当前时间记为t1，当第二滞回比较器输出端的电平产生跳变时，微处理器结束计时，将当前时间记为t2，然后根据公式(1)和公式(2)计算得到氧浓度值：
其中，为待测氧浓度值，F为法拉第常数，e为自然对数的底，R为气体常数且R＝0.0083143kJ K-1mol-1，V为变频氧传感器的第一电池片、第二电池片和衬底之间形成的空腔的体积；I为双向恒流源电路输出端输出的电流；T为变频氧传感器所处环境的绝对温度。
如图4所示，本实施例中，电源包括型号为MC7805T的第一芯片U1、型号为LM1117_3.3的第二芯片U2、型号为NCV33063A的第三芯片U3、型号为MC7905T的第四芯片U4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第一电感L1和第二电感L2；第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极、第二电阻R2的一端、第五电容C5的一端和第三芯片U3的第6脚连接且其连接端为电源的输入端，接入12V电压，第二二极管D2的正极接地，第一二极管D1的负极和第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端和第一芯片U1的第1脚连接，第一芯片U1的第2脚接地，第一芯片U1的第3脚、第一电容C1的一端、第二电容C2的一端和第二芯片U2的第3脚连接且其连接端输出5V电压，第二芯片U2的第2脚、第三电容C3的一端和第四电容C4的一端连接且其连接端输出3.3V电压，第二芯片U2的第1脚、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端和第四电容C4的另一端接地，第二电阻R2的另一端、第三芯片U3的第7脚、第三芯片U3的第8脚和第三芯片U3的第1脚连接，第五电容C5的另一端和第三电阻R3的一端连接且其连接端接地，第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的一端和第三芯片U3的第5脚连接，第四电阻R4的另一端、第六电容C6的一端、第三芯片U3的第4脚、第三二极管D3的正极、第二电感L2的一端和第七电容C7的一端连接，第六电容C6的另一端和第三芯片U3的第3脚连接，第三芯片U3的第2脚、第一电感L1的一端和第三二极管D3的负极连接，第一电感L1的另一端接地，第二电感L2的另一端、第八电容C8的一端和第四芯片U4的第2脚连接，第四芯片U4的第3脚和第九电容C9的一端连接且其连接端输出-5V电压，第七电容C7的另一端、第八电容C8的另一端、第九电容C9的另一端和第四芯片U4的第1脚连接且其连接端接地。
如图5所示，本实施例中，温度控制电路包括型号为BTS428的第五芯片U5、第十电容C10和第十一电容C11；第五芯片U5的第1脚接地，第五芯片U5的第2脚为温度控制电路的输入端，第五芯片U5的第3脚、第十电容C10的一端和第十一电容C11的一端连接且其连接端接入12V电压，第十电容C10的另一端和第十一电容C11的另一端均接地，第五芯片U5的第5脚为温度控制电路的输出端。
如图6所示，本实施例中，氧浓差电动势采集电路包括型号为1458的第六芯片U6、第四二极管D4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第十二电容C12、第十三电容C13和第十四电容C14；第五电阻R5的一端、第十二电容C12的一端和第六芯片U6的第5脚连接，第五电阻R5的另一端为氧浓差电动势采集电路的输入端，第十二电容C12的另一端接地，第六电阻R6的一端接地，第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的一端、第十三电容C13的一端和第六芯片U6的第6脚连接，第六芯片U6的第7脚、第四二极管D4的负极、第十四电容C14的一端、第七电阻R7的另一端和第十三电容C13的另一端连接且其连接端为氧浓差电动势采集电路的输出端，第十四电容C14的另一端和第四二极管D4的正极接地。
如图7所示，本实施例中，稳压电路包括型号为TL431的第七芯片U7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17和第十八电容C18；第八电阻R8的一端为稳压电路的输入端，接入5V电压，第八电阻R8的另一端、第七芯片U7的第1脚、第七芯片U7的第2脚、第十五电容C15的一端、第九电阻R9的一端、第十六电容C16的一端和第十电阻R10的一端连接，第七芯片U7的第3脚接地，第十五电容C15的另一端接地，第十六电容C16的另一端接地，第九电阻R9的另一端、第十一电阻R11的一端和第十七电容C17的一端连接且其连接端为稳压电路的第一输出端，第十电阻R10的另一端、第十二电阻R12的一端和第十八电容C18的一端连接且其连接端为稳压电路的第二输出端，第十一电阻R11的另一端、第十七电容C17的另一端、第十二电阻R12的另一端和第十八电容C18的另一端均接地。
如图8所示，本实施例中，第一滞回比较器包括型号为LM193的第八芯片U8、第十三电阻R13和第十四电阻R14，第十三电阻R13的一端为第一滞回比较器的同相输入端，第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的一端和第八芯片U8的第5脚连接，第八芯片U8的第6脚为第一滞回比较器的反相输入端，第十四电阻R14的另一端和第八芯片U8的第7脚连接且其连接端为第一滞回比较器的输出端；第二滞回比较器包括型号为LM193的第九芯片U9、第十五电阻R15和第十六电阻R16，第十五电阻R15的一端为第二滞回比较器的同相输入端，第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的一端和第九芯片U9的第3脚连接，第九芯片U9的第2脚为第二滞回比较器的反相输入端，第十六电阻R16的另一端和第九芯片U9的第1脚连接且其连接端为第二滞回比较器的输出端。
如图9所示，本实施例中，双向恒流源电路包括型号为1458的第十芯片U10、型号为1458的第十一芯片U11、型号为OPA27GU的第十二芯片U12、型号为4052的第十三芯片U13、型号为INA143的第十四芯片U14、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21和第二十二电容C22，第十芯片U10的第3脚和第十九电容C19的一端连接且其连接端为双向恒流源电路的输入端，第十九电容C19的另一端接地，第十芯片U10的第2脚和第十七电阻R17的一端连接，第十七电阻R17的另一端、第十芯片U10的第1脚、第十八电阻R18的一端、第二十电容C20的一端和第十三芯片U13的第1脚连接，第二十电容C20的另一端接地，第十八电阻R18的另一端和第十九电阻R19的一端连接，第十九电阻R19的另一端、第二十电阻R20的一端和第十一芯片U11的第6脚连接，第十一芯片U11的第5脚接地，第二十电阻R20的另一端、第十一芯片U11的第7脚和第十三芯片U13的第5脚连接，第十芯片U10的第8脚接入5V电压，第十芯片U10的第4脚接入-5V电压，第十三芯片U13的第11脚接入5V电压，第十三芯片U13的第2脚、第4脚和第6脚均接地，第十三芯片U13的第7脚接入-5V电压，第十三芯片U13的第3脚和第十四芯片U14的第3脚连接，第十四芯片U14的第1脚、第十二芯片U12的第2脚和第十二芯片U12的第6脚连接，第十四芯片U14的第2脚接地，第十四芯片U14的第4脚和第二十一电容C21的一端连接且其连接端接入-5V电压，第二十一电容C21的另一端接地，第十四芯片U14的第5脚、第6脚和第二十一电阻R21的一端连接，第二十一电阻R21的另一端和第十二芯片U12的第3脚连接且其连接端为双向恒流源电路的输出端，第十四芯片U14的第7脚和第二十二电容C22的一端连接且其连接端接入5V电压，第二十二电容C22的另一端接地，第十二芯片U12的第7脚接入5V电压，第十二芯片U12的第4脚接地。
Claims (7)
1.一种变频氧传感器的控制器，包括控制主体电路和用于提供所述的控制主体电路工作电压的电源，其特征在于所述的控制主体电路包括氧浓差电动势变化周期检测电路、温度控制电路、双向恒流源电路、微处理器和显示电路，所述的微处理器分别与所述的温度控制电路的输入端、所述的双向恒流源电路的输入端和所述的显示电路的输入端连接，所述的温度控制电路的输出端用于连接变频氧传感器的第一输入端，所述的双向恒流源电路的输出端用于连接变频氧传感器的第二输入端；
所述的氧浓差电动势变化周期检测电路包括氧浓差电动势采集电路、稳压电路、第一滞回比较器和第二滞回比较器，所述的第一滞回比较器和所述的第二滞回比较器分别具有正相输入端、反相输入端和输出端，所述的稳压电路具有输入端、第一电压输出端和第二电压输出端，所述的氧浓差电动势采集电路的输入端为所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端，所述的氧浓差电动势采集电路的输出端分别与所述的第一滞回比较器的反相输入端和所述的第二滞回比较器的反相输入端连接，所述的第一滞回比较器的正相输入端和所述的稳压电路的第一电压输出端连接，所述的第二滞回比较器的正相输入端和所述的稳压电路的第二电压输出端连接，所述的第一滞回比较器的输出端为所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端，所述的第二滞回比较器的输出端为所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的第二输出端，所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的输入端用于连接变频氧传感器的输出端，所述的氧浓差电动势变化周期检测电路的第一输出端和第二输出端分别与所述的微处理器连接。
将变频氧传感器输出端的氧浓差电动势记为E，所述的双向恒流源电路用于控制变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E在E0和E1之间变化，E0为设定的氧浓差电动势下限，E1为设定的氧浓差电动上限，0＜E0≤30mV，170mV＜E1≤200mV，所述的稳压电路的第一输出端输出第一参考电压，所述的稳压电路的第二输出端输出第二参考电压，将第一参考电压记为E0’，将第二参考电压记为E1’，30mV＜E0’≤100mV，100mV＜E1’≤170mV，且40mV≤E1’-E0’≤200mV；所述的氧浓差电动势采集电路实时采集变频氧传感器输出端的氧浓差电动势E并发送到所述的第一滞回比较器的反相输入端和所述的第二滞回比较器的反相输入端，当氧浓差电动势E>E0’时，所述的第一滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E0’时，所述的第一滞回比较器的输出端输出高电平，当所氧浓差电动势E＝E0’时，所述的第一滞回比较器的输出端电平产生跳变，当氧浓差电动势E>E1’时，所述的第二滞回比较器的输出端输出低电平，当氧浓差电动势E＜E1’时，所述的第二滞回比较器的输出端输出高电平，当氧浓差电动势E＝E1’时，所述的第二滞回比较器的输出端电平产生跳变；
所述的微处理器实时采集所述的第一滞回比较器输出端和所述的第二滞回比较器输出端的电压信号，当所述的第一滞回比较器输出端的电平产生跳变时，所述的微处理器开始计时，将当前时间记为t1，当所述的第二滞回比较器输出端的电平产生跳变时，所述的微处理器结束计时，将当前时间记为t2，然后根据公式(1)和公式(2)计算得到氧浓度值：
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其中，为待测氧浓度值，F为法拉第常数，e为自然对数的底，R为气体常数且R＝0.0083143kJ K-1mol-1，V为变频氧传感器的第一电池片、第二电池片和衬底之间形成的空腔的体积；I为双向恒流源电路输出端输出的电流；T为变频氧传感器所处环境的绝对温度。
2.根据权利要求1所述的一种变频氧传感器控制器，其特征在于所述的电源包括型号为MC7805T的第一芯片、型号为LM1117_3.3的第二芯片、型号为NCV33063A的第三芯片、型号为MC7905T的第四芯片、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一电感和第二电感；所述的第一二极管的正极、所述的第二二极管的负极、所述的第二电阻阻的一端、所述的第五电容的一端和所述的第三芯片的第6脚连接且其连接端为所述的电源的输入端，接入12V电压，所述的第二二极管的正极接地，所述的第一二极管的负极和所述的第一电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端和所述的第一芯片的第1脚连接，所述的第一芯片的第2脚接地，所述的第一芯片的第3脚、所述的第一电容的一端、所述的第二电容的一端和所述的第二芯片的第3脚连接且其连接端输出5V电压，所述的第二芯片的第2脚、所述的第三电容的一端和所述的第四电容的一端连接且其连接端输出3.3V电压，所述的第二芯片的第1脚、所述的第一电容的另一端、所述的第二电容的另一端、所述的第三电容的另一端和所述的第四电容的另一端接地，所述的第二电阻的另一端、所述的第三芯片的第7脚、所述的第三芯片的第8脚和所述的第三芯片的第1脚连接，所述的第五电容的另一端和所述的第三电阻的一端连接且其连接端接地，所述的第三电阻的另一端、所述的第四电阻的一端和所述的第三芯片的第5脚连接，所述的第四电阻的另一端、所述的第六电容的一端、所述的第三芯片的第4脚、所述的第三二极管的正极、所述的第二电感的一端和所述的第七电容的一端连接，所述的第六电容的另一端和所述的第三芯片的第3脚连接，所述的第三芯片的第2脚、所述的第一电感的一端和所述的第三二极管的负极连接，所述的第一电感的另一端接地，所述的第二电感的另一端、所述的第八电容的一端和所述的第四芯片的第2脚连接，所述的第四芯片的第3脚和所述的第九电容的一端连接且其连接端输出-5V电压，所述的第七电容的另一端、所述的第八电容的另一端、所述的第九电容的另一端和所述的第四芯片的第1脚连接且其连接端接地。
3.根据权利要求1所述的一种变频氧传感器控制器，其特征在于所述的温度控制电路包括型号为BTS428的第五芯片、第十电容和第十一电容；所述的第五芯片的第1脚接地，所述的第五芯片的第2脚为所述的温度控制电路的输入端，所述的第五芯片的第3脚、所述的第十电容的一端和所述的第十一电容的一端连接且其连接端接入12V电压，所述的第十电容的另一端和所述的第十一电容的另一端均接地，所述的第五芯片的第5脚为所述的温度控制电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种变频氧传感器控制器，其特征在于所述的氧浓差电动势采集电路包括型号为1458的第六芯片、第四二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第十二电容、第十三电容和第十四电容；所述的第五电阻的一端、所述的第十二电容的一端和所述的第六芯片的第5脚连接，所述的第五电阻的另一端为所述的氧浓差电动势采集电路的输入端，所述的第十二电容的另一端接地，所述的第六电阻的一端接地，所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端、所述的第十三电容的一端和所述的第六芯片的第6脚连接，所述的第六芯片的第7脚、所述的第四二极管的负极、所述的第十四电容的一端、所述的第七电阻的另一端和所述的第十三电容的另一端连接且其连接端为所述的氧浓差电动势采集电路的输出端，所述的第十四电容的另一端和所述的第四二极管的正极接地。
5.根据权利要求1所述的一种变频氧传感器控制器，其特征在于所述的稳压电路包括型号为TL431的第七芯片、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十五电容、第十六电容、第十七电容和第十八电容；所述的第八电阻的一端为所述的稳压电路的输入端，接入5V电压，所述的第八电阻的另一端、所述的第七芯片的第1脚、所述的第七芯片的第2脚、所述的第十五电容的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第十六电容的一端和所述的第十电阻的一端连接，所述的第七芯片的第3脚接地，所述的第十五电容的另一端接地，所述的第十六电容的另一端接地，所述的第九电阻的另一端、所述的第十一电阻的一端和所述的第十七电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的第一输出端，所述的第十电阻的另一端、所述的第十二电阻的一端和所述的第十八电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的第二输出端，所述的第十一电阻的另一端、所述的第十七电容的另一端、所述的第十二电阻的另一端和所述的第十八电容的另一端均接地。
6.根据权利要求1所述的一种变频氧传感器控制器，其特征在于所述的第一滞回比较器包括型号为LM193的第八芯片、第十三电阻和第十四电阻，所述的第十三电阻的一端为所述的第一滞回比较器的同相输入端，所述的第十三电阻的另一端、所述的第十四电阻的一端和所述的第八芯片的第5脚连接，所述的第八芯片的第6脚为所述的第一滞回比较器的反相输入端，所述的第十四电阻的另一端和所述的第八芯片的第7脚连接且其连接端为所述的第一滞回比较器的输出端；所述的第二滞回比较器包括型号为LM193的第九芯片、第十五电阻和第十六电阻，所述的第十五电阻的一端为所述的第二滞回比较器的同相输入端，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十六电阻的一端和所述的第九芯片的第3脚连接，所述的第九芯片的第2脚为所述的第二滞回比较器的反相输入端，所述的第十六电阻的另一端和所述的第九芯片的第1脚连接且其连接端为所述的第二滞回比较器的输出端。
7.根据权利要求1所述的一种变频氧传感器控制器，其特征在于所述的双向恒流源电路包括型号为1458的第十芯片、型号为1458的第十一芯片、型号为OPA27GU的第十二芯片、型号为4052的第十三芯片、型号为INA143的第十四芯片、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第十九电容、第二十电容、第二十一电容和第二十二电容，所述的第十芯片的第3脚和所述的第十九电容的一端连接且其连接端为所述的双向恒流源电路的输入端，所述的第十九电容的另一端接地，所述的第十芯片的第2脚和所述的第十七电阻的一端连接，所述的第十七电阻的另一端、所述的第十芯片的第1脚、所述的第十八电阻的一端、所述的第二十电容的一端和所述的第十三芯片的第1脚连接，所述的第二十电容的另一端接地，所述的第十八电阻的另一端和所述的第十九电阻的一端连接，所述的第十九电阻的另一端、所述的第二十电阻的一端和所述的第十一芯片的第6脚连接，所述的第十一芯片的第5脚接地，所述的第二十电阻的另一端、所述的第十一芯片的第7脚和所述的第十三芯片的第5脚连接，所述的第十芯片的第8脚接入5V电压，所述的第十芯片的第4脚接入-5V电压，所述的第十三芯片的第11脚接入5V电压，所述的第十三芯片的第2脚、第4脚和第6脚均接地，所述的第十三芯片的第7脚接入-5V电压，所述的第十三芯片的第3脚和所述的第十四芯片的第3脚连接，所述的第十四芯片的第1脚、所述的第十二芯片的第2脚和所述的第十二芯片的第6脚连接，所述的第十四芯片的第2脚接地，所述的第十四芯片的第4脚和所述的第二十一电容的一端连接且其连接端接入-5V电压，所述的第二十一电容的另一端接地，所述的第十四芯片的第5脚、第6脚和所述的第二十一电阻的一端连接，所述的第二十一电阻的另一端和所述的第十二芯片的第3脚连接且其连接端为所述的双向恒流源电路的输出端，所述的第十四芯片的第7脚和所述的第二十二电容的一端连接且其连接端接入5V电压，所述的第二十二电容的另一端接地，所述的第十二芯片的第7脚接入5V电压，所述的第十二芯片的第4脚接地。
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