CN115452919A - 基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，包括MCU控制模块、传感器供电模块、数据采集模块、无线通讯模块和UART串口通讯模块，数据采集模块由氧化锆氧气传感器、传感器信号采集与放大电路和模数转换电路构成。本发明属于弥散氧环境气体检测技术领域，具体是提供了一种可以实现长时间不间断工作，实时检测环境氧气浓度，保证了测量的精度，延长了传感器的使用寿命，能保证持续稳定的线性输出，满足了高原弥散氧环境的检测效率和实时性的需求，且维护成本更低的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统。
Description
技术领域
本发明属于弥散氧环境气体检测技术领域，主要应用于高原弥散氧环境检测、或者纯氧环境检测，具体是指一种基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统。
背景技术
目前氧气检测传感器技术应用最广泛的是电化学氧气传感器，但是在弥散氧环境下，不能实时的有效检测环境氧气浓度，且使用寿命很短。陶瓷氧化锆传感器使用寿命是电化学的几十倍，但是这种传感器补偿电路和驱动电路设计难度很大，且成本非常高。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种有效解决电化学传感器使用寿命的同时，利用高精度AD转换芯片，通过有效的算法，实现了低成本应用电路，基于陶瓷氧化锆检测原理基础，结合电压驱动检测电路，实时检测环境氧气浓度，保证了测量的精度的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统。
本发明采取的技术方案如下：本发明一种基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，包括MCU控制模块、传感器供电模块、数据采集模块、无线通讯模块和UART串口通讯模块，
所述MCU控制模块通过UART串口通讯模块与无线通讯模块双向连接，所述MCU控制模块用于完成传感器的数据采集与计算、充电管理以及通讯管理等工作，
所述数据采集模块、传感器供电模块的输出通过UART串口通讯模块与MCU控制模块相连接，
所述传感器供电模块与数据采集模块相连接。
优选方案中，所述数据采集模块由氧化锆氧气传感器、传感器信号采集与放大电路和模数转换电路构成，所述氧化锆氧气传感器的输出至传感器信号采集与放大电路的输入端，所述传感器信号采集与放大电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端通过UART串口通讯模块与MCU控制模块连接。
进一步地，所述传感器供电模块由两个独立的DCDC电源芯片构成，分别输出DC电压1.3V与DC电压2.25V给氧化锆氧气传感器提供信号激励和信号输出电源，氧化锆氧气传感器需要两个不同电压进行驱动，当需要测量的时候，由MCU控制模块控制DCDC芯片使能引脚。
进一步地，所述传感器信号采集与放大电路由运算放大器构成，所述DC电压1.3V连接氧化锆氧气传感器的VS+引脚(信号输出激励电源)，所述DC电压2.25V连接氧化锆氧气传感器的VH+引脚，所述氧化锆氧气传感器的VH-引脚接地，所述氧化锆氧气传感器的VS-引脚连接运算放大器，所述运算放大器将氧化锆氧气传感器的模拟量信号放大10倍以后，模拟量电压输出和环境氧气浓度成正比，输出给模数转换电路。
进一步地，所述模数转换电路由模数转换器U3和电压基准芯片U5构成，所述模数转换器将氧化锆氧气传感器输出的模拟量转换为MCU控制模块可识别的数字量，所述电压基准芯片与模数转换器连接，所述电压基准芯片为模数转换器提供高精度电压基准源。
如图7所示，优选方案中，所述无线通讯模块由无线收发器芯片构成，所述无线收发器芯片完成氧化锆氧气传感器与主机之间的无线数据传输功能，所述无线收发器芯片可实现2.4G和蓝牙无线通讯功能，所述无线收发器芯片与主机之间通过SPI总线通讯方式交换数据o
优选的，所述MCU控制模块由MCU完成，优选方案中，MCU为STM32系列单片机，自带串口、A/D转换器和PWM。
优选方案中，所述模数转换器与MCU之间通过SPI总线通讯接口交换数据。
进一步地，所述模数转换器为型号ADS1256的芯片，所述电压基准芯片型号为LM4040B的芯片，所述无线收发器芯片型号为NRF24L01，是一款极低功耗的2.4G频段的无线通讯芯片，可实现2.4G和蓝牙无线通讯功能，NRF24L01的U2位连接无线balun平衡器，平衡PCB的F天线阻抗匹配。
本方案所提供的一种基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，采用上述结构本发明取得的有益效果如下：
1、解决了现有技术中采用电化学氧气传感器的寿命短，不能实现连续工作，本方案采用MCU的PWM的能量调节，应用陶瓷氧化锆传感技术，可以实现连续24小时不间断工作，实时检测环境氧气浓度，通过MCU计算并获得氧气含量百分比，检测范围从0.1～25.0vol％O2，保证了测量的精度。
2、相比较电化学传感器无法在高原、高压环境下使用的缺点，使用陶瓷氧化锆检测技术能够在高压、高原环境中进行直接环境测量，无需风扇，延长了传感器的使用寿命，能保证持续稳定的线性输出，满足了高原弥散氧环境的检测效率和实时性的需求，且维护成本更低，在其有效工作寿命内，无需维护保养，应用场景比电化学传感器更加广泛。
附图说明
图1为本方案所提供的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统的整体原理示意图；
图2为本方案中传感器供电模块的部分电路示意图一；
图3为本方案中传感器供电模块的部分电路示意图二；
图4为本方案中传感器信号采集与放大电路的原理示意图；
图5为本方案中模数转换电路的部分电路示意图一；
图6为本方案中模数转换电路的部分电路示意图二；
图7为本方案中无线通讯模块的原理示意图；
图8为本方案中锂电池充电管理接口模块的原理示意图；
图9为本方案中485通讯接口的电路原理图；
图10为本方案中MCU控制模的电路原理图。
其中，1、MCU控制模块，2、传感器供电模块，3、数据采集模块，4、无线通讯模块，5、UART串口通讯模块。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图10所示，本发明一种基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，包括MCU控制模块1、传感器供电模块2、数据采集模块3、无线通讯模块4和UART串口通讯模块5，所述MCU控制模块1通过UART串口通讯模块5与无线通讯模块4双向连接，所述MCU控制模块1用于完成氧化锆氧气传感器的数据采集与计算、充电管理以及通讯管理等工作，所述数据采集模块、传感器供电模块的输出通过UART串口通讯模块与MCU控制模块相连接，所述传感器供电模块与数据采集模块相连接。其中，图10为MCU控制模的电路原理图，MCU控制模块由MCU完成，优选方案中，MCU为STM32系列单片机，自带串口、A/D转换器和PWM。
优选方案中，所述数据采集模块3由氧化锆氧气传感器U10、传感器信号采集与放大电路和模数转换电路，所述氧化锆氧气传感器的输出至传感器信号采集与放大电路的输入端，所述传感器信号采集与放大电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端通过UART串口通讯模块与MCU控制模块连接。
如图2和图3所示，所述传感器供电模块2由两个独立的DCDC电源芯片U7和U8构成，分别输出DC电压1.3V与DC电压2.25V给氧化锆氧气传感器提供信号激励和信号输出电源，氧化锆氧气传感器需要两个不同电压进行驱动，当需要测量的时候，由MCU控制模块控制DCDC芯片使能引脚。
如图4所示，所述传感器信号采集与放大电路由运算放大器U12构成，所述DC电压1.3V连接氧化锆氧气传感器的VS+引脚(信号输出激励电源)，所述DC电压2.25V连接氧化锆氧气传感器的VH+引脚，所述氧化锆氧气传感器的VH-引脚接地，所述氧化锆氧气传感器的VS-引脚连接运算放大器，所述运算放大器将氧化锆氧气传感器的模拟量信号放大10倍以后，模拟量电压输出和环境氧气浓度成正比，输出给模数转换电路。
如图5和图6所示，所述模数转换电路由模数转换器U3和电压基准芯片U5构成，所述模数转换器将氧化锆氧气传感器输出的模拟量转换为MCU控制模块可识别的数字量，所述电压基准芯片与模数转换器连接，所述电压基准芯片为模数转换器提供高精度电压基准源，模数转换器与MCU之间通过SPI总线通讯接口交换数据。
如图7所示，所述无线通讯模块4由无线收发器芯片构成，所述无线收发器芯片完成氧化锆氧气传感器与主机之间的无线数据传输功能，所述无线收发器芯片可实现2.4G和蓝牙无线通讯功能，所述无线收发器芯片与主机之间通过SPI总线通讯方式交换数据。
如图8所示，作为另一实施例，所述测量系统还包括锂电池充电管理接口模块，锂电池充电管理接口模块主要为数据采集模块提供锂电池供电，由Type-C接口提供充电，U4(BQ2407)为充电管理芯片，带有充电状态指示(LED1，LED2)和过电压、过电流以及电池反接保护功能，充电电流最大支持1.5A，满足产品设计需求。
如图9所示，作为另一实施例，所述测量系统还包括485通讯接口，U9(SN65HVD78)是485通讯电平转换芯片，可以实现MCU的TTL电平与485电平之间的转换，实现远距离通讯功能，与主机采用MODBUS RTU模式进行通讯。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：包括MCU控制模块、传感器供电模块、数据采集模块、无线通讯模块和UART串口通讯模块；
所述MCU控制模块通过UART串口通讯模块与无线通讯模块双向连接，所述MCU控制模块用于完成传感器的数据采集与计算、充电管理以及通讯管理的工作；
所述数据采集模块、传感器供电模块的输出通过UART串口通讯模块与MCU控制模块相连接；
所述传感器供电模块与数据采集模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述数据采集模块由氧化锆氧气传感器、传感器信号采集与放大电路和模数转换电路构成，所述氧化锆氧气传感器的输出至传感器信号采集与放大电路的输入端，所述传感器信号采集与放大电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端通过UART串口通讯模块与MCU控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述传感器供电模块由两个独立的DCDC电源芯片构成，分别输出DC电压1.3V与DC电压2.25V给氧化锆氧气传感器提供信号激励和信号输出电源，氧化锆氧气传感器需要两个不同电压进行驱动，当需要测量的时候，由MCU控制模块控制DCDC芯片使能引脚。
4.根据权利要求3所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述传感器信号采集与放大电路由运算放大器构成，所述DC电压1.3V连接氧化锆氧气传感器的VS+引脚，所述DC电压2.25V连接氧化锆氧气传感器的VH+引脚，所述氧化锆氧气传感器的VH-引脚接地，所述氧化锆氧气传感器的VS-引脚连接运算放大器，所述运算放大器将氧化锆氧气传感器的模拟量信号放大后，模拟量电压输出和环境氧气浓度成正比，输出给模数转换电路。
5.根据权利要求4所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述模数转换电路由模数转换器和电压基准芯片构成，所述模数转换器将氧化锆氧气传感器输出的模拟量转换为MCU控制模块可识别的数字量，所述电压基准芯片与模数转换器连接，所述电压基准芯片为模数转换器提供高精度电压基准源。
6.根据权利要求5所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述无线通讯模块由无线收发器芯片构成，所述无线收发器芯片完成氧化锆氧气传感器与主机之间的无线数据传输功能，所述无线收发器芯片可实现2.4G和蓝牙无线通讯功能，所述无线收发器芯片与主机之间通过SPI总线通讯方式交换数据。
7.根据权利要求6所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述MCU控制模块由MCU完成，所述MCU为STM32系列单片机，自带串口、A/D转换器和PWM。
8.根据权利要求7所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述模数转换器与MCU之间通过SPI总线通讯接口交换数据。
9.根据权利要求8所述的基于陶瓷氧化锆氧气传感器在弥散氧气中的测量系统，其特征在于：所述模数转换器为型号ADS1256的芯片，所述电压基准芯片型号为LM4040B的芯片，所述无线收发器芯片型号为NRF24L01。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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