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摘 要：目前，我国对节能、环境问题重视程度大幅提高，在电力、石油化工、冶金、电力、轻工等行业广泛存在的工业加热炉、锅炉燃烧热效率低的问题也已经得到广泛的重视，所以氧含量分析仪的研究具有十分重要的研究意义。根据烟气中的氧气含量来调整燃料与空气的配比，可以起到保护环境、节约能源的作用。本文设计了一种烟气氧量检测系统，基于氧化锆氧含量传感器，设计氧含量传感器测控电路。
关键词：烟气氧量检测系统；氧化锆氧含量传感器；电路设计
本设计电路主要由以下几部分组成：
一、MSP430F169接口电路设计
本设计所采用的单片机为MSP430F169，为64引脚封装，48个数字I/O.根据本设计的诸多要求，单片机接口电路可分为以下几个部分：
1. 电源模块
由于本设计使用大小±15V的外部电源模块，对于芯片电压过大，所以使用三端稳压器件LM7808，以及可调三端稳压器件LM317，将其电压转化为3.5V，并通过电容进行电源稳压滤波，为系统提供稳定的电源。
2. 时钟模块
本设计选用32.768kHz晶振，低速晶体振荡器满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求。对于MSP430x1x系列单片机而言，32.768kHz晶振在无外接电容的情况下即可工作。故将晶振引脚直接接到单片机相应管脚即可。
3. 复位模块
复位操作可以使单片机初始化，也可以将处于死机状态下的单片机重新启动。
4. 检测信号輸入模块
前端模拟电路将传感器信号进行处理后，将其送入单片机内部的A/D，从而实现检测信号的输入。
5. A/D电压基准模块
将一精密电压加在MSP430F169的10脚（VeREF+），即可为单片机的内部A/D转换器提供一个基准电压。MSP430F169内部的ADC12模块能够实现12位精度的模数转换，具有通用和高速的特性。由于电源电压的离散性比较大，并且内部电压误差较大，所以需要选用外部参考电压。MSP430单片机的最高工作电压为3.6V，而且内部A/D转换器参考电压不能超过单片机的电源电压，所以此时需要选用的参考芯片的电压为3.3V。
6. 串口通讯模块
由MSP430F169的32脚（UTXD0）、33脚（URXD0）与通讯模块连接，实现与上位机的通讯。
7. 数据存储模块
由MSP430F169的29脚（SDA）、31脚（SCL）与数据存储模块连接，实现对外围存储器件的读写。为提高程序可靠性，采用IO口线模拟I2C协议对EEPROM进行读写。
二、检测电路设计
1.传感器工作温度检测电路
设计传感器工作温度检测电路时，需要考虑两个方面，即传感器探头温度的恒定控制和传感器输出弱信号的提取检测。本设计选用的MSP430F169单片机满足系统信号采集处理和控制的要求，使外围电路更为简化，从而提高了系统稳定性和抗干扰能力。由于在氧含量检测的过程中，需要对氧化锆传感器进行700℃恒温控制，所以本设计选用K型热电偶作为温度传感器，以检测传感器的工作温度。选用ADA4817作为放大电路的核心器件，其具有5 V至10 V的宽电源电压范围，可采用单电源或双电源供电，适合包括有源滤波和ADC驱动在内的各种应用。
2.氧电势采集电路
在氧电势采集电路中，同样使用ADA4817作为核心器件。若温度为700℃，此时传感器在氧含量为1%的情况下输出约为63.4mV，则放大电路的放大倍数最大可取为3.3V/63.4mV≈52.1。当系统接近测量上限时，氧含量由21%增加到21.2%，氧电势的变化仅为0.2mV（700℃时），为了保证其0.2%的分辨率，放大电路的放大倍数应大于等于4.0Mv/0.2mV=20。综上所述，这里将放大倍数定为40，同时满足了量程要求和分辨率不低于0.2%的要求。
3.数据存储模块
本设计所选用的数据存储器需要满足数据在系统断电后也能保存的要求，所以需要将其写进非易失性存储器。MSP430F169单片机可保存数据，但为了提高系统的可靠性，本设计使用外部EEPROM作为数据存储器。
数据存储利用了单片机的IO口模拟I2C协议，实现了对EEPROM的读写。同时还利用了MSP430F169内部的USART0模块，使其在I2C模式下工作，不仅实现了数据的读取，也使I2C操作变得更为简单。
4.串口通讯电路
本设计采用的MAX3221为3V至5.5V的单通道RS-232线驱动器/接收器，其特点有：工作电源电压为3V至5.5V；最多可处理250KB/S；一个驱动器和一个接收器；外接电容器（4·0.1μF）。考虑到终端匹配时，需在总线两端各接一支阻值等于电缆特性阻抗的电阻，由于电阻要消耗大量功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合，需用一电容隔断直流成分，这样可以节省大部分功率。其中电阻还有限流的作用。
最后对本设计的传感器工作温度检测电路和氧电势采集电路的放大、滤波进行仿真。
关键词：烟气氧量检测系统；氧化锆氧含量传感器；电路设计
本设计电路主要由以下几部分组成：
一、MSP430F169接口电路设计
本设计所采用的单片机为MSP430F169，为64引脚封装，48个数字I/O.根据本设计的诸多要求，单片机接口电路可分为以下几个部分：
1. 电源模块
由于本设计使用大小±15V的外部电源模块，对于芯片电压过大，所以使用三端稳压器件LM7808，以及可调三端稳压器件LM317，将其电压转化为3.5V，并通过电容进行电源稳压滤波，为系统提供稳定的电源。
2. 时钟模块
本设计选用32.768kHz晶振，低速晶体振荡器满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求。对于MSP430x1x系列单片机而言，32.768kHz晶振在无外接电容的情况下即可工作。故将晶振引脚直接接到单片机相应管脚即可。
3. 复位模块
复位操作可以使单片机初始化，也可以将处于死机状态下的单片机重新启动。
4. 检测信号輸入模块
前端模拟电路将传感器信号进行处理后，将其送入单片机内部的A/D，从而实现检测信号的输入。
5. A/D电压基准模块
将一精密电压加在MSP430F169的10脚（VeREF+），即可为单片机的内部A/D转换器提供一个基准电压。MSP430F169内部的ADC12模块能够实现12位精度的模数转换，具有通用和高速的特性。由于电源电压的离散性比较大，并且内部电压误差较大，所以需要选用外部参考电压。MSP430单片机的最高工作电压为3.6V，而且内部A/D转换器参考电压不能超过单片机的电源电压，所以此时需要选用的参考芯片的电压为3.3V。
6. 串口通讯模块
由MSP430F169的32脚（UTXD0）、33脚（URXD0）与通讯模块连接，实现与上位机的通讯。
7. 数据存储模块
由MSP430F169的29脚（SDA）、31脚（SCL）与数据存储模块连接，实现对外围存储器件的读写。为提高程序可靠性，采用IO口线模拟I2C协议对EEPROM进行读写。
二、检测电路设计
1.传感器工作温度检测电路
设计传感器工作温度检测电路时，需要考虑两个方面，即传感器探头温度的恒定控制和传感器输出弱信号的提取检测。本设计选用的MSP430F169单片机满足系统信号采集处理和控制的要求，使外围电路更为简化，从而提高了系统稳定性和抗干扰能力。由于在氧含量检测的过程中，需要对氧化锆传感器进行700℃恒温控制，所以本设计选用K型热电偶作为温度传感器，以检测传感器的工作温度。选用ADA4817作为放大电路的核心器件，其具有5 V至10 V的宽电源电压范围，可采用单电源或双电源供电，适合包括有源滤波和ADC驱动在内的各种应用。
2.氧电势采集电路
在氧电势采集电路中，同样使用ADA4817作为核心器件。若温度为700℃，此时传感器在氧含量为1%的情况下输出约为63.4mV，则放大电路的放大倍数最大可取为3.3V/63.4mV≈52.1。当系统接近测量上限时，氧含量由21%增加到21.2%，氧电势的变化仅为0.2mV（700℃时），为了保证其0.2%的分辨率，放大电路的放大倍数应大于等于4.0Mv/0.2mV=20。综上所述，这里将放大倍数定为40，同时满足了量程要求和分辨率不低于0.2%的要求。
3.数据存储模块
本设计所选用的数据存储器需要满足数据在系统断电后也能保存的要求，所以需要将其写进非易失性存储器。MSP430F169单片机可保存数据，但为了提高系统的可靠性，本设计使用外部EEPROM作为数据存储器。
数据存储利用了单片机的IO口模拟I2C协议，实现了对EEPROM的读写。同时还利用了MSP430F169内部的USART0模块，使其在I2C模式下工作，不仅实现了数据的读取，也使I2C操作变得更为简单。
4.串口通讯电路
本设计采用的MAX3221为3V至5.5V的单通道RS-232线驱动器/接收器，其特点有：工作电源电压为3V至5.5V；最多可处理250KB/S；一个驱动器和一个接收器；外接电容器（4·0.1μF）。考虑到终端匹配时，需在总线两端各接一支阻值等于电缆特性阻抗的电阻，由于电阻要消耗大量功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合，需用一电容隔断直流成分，这样可以节省大部分功率。其中电阻还有限流的作用。
最后对本设计的传感器工作温度检测电路和氧电势采集电路的放大、滤波进行仿真。