一种氧化锆型氧传感器的采样控制电路的制作方法

本实用新型涉及传感器控制技术领域，具体涉及一种氧化锆型氧传感器的采样控制电路。

背景技术：

氧的控制与测量在工业生产中有着重大的意义，精确计算相应环境中的氧含量，具有十分可观的经济效益和显著的社会效益。氧含量的测定一般可以通过电化学氧传感器、超声波氧传感器以及氧化锆型氧传感器来实现。氧化锆型氧传感器是利用氧化锆(ZrO2)材料在高温700℃左右表现出来的固体电解质特性，对应测算出相应的氧含量。但氧化锆型氧传感器的正常工作时需要设计出合理的外部驱动电路进行电性能控制，才能使得传感器循环往复的输出氧含量信号。

目前电化学氧传感器的使用范围主要是用于常温环境场合，更换周期短，性价比较高，但其存在使用寿命短，环境耐低温特性差的问题。超声波氧传感器则是应用于对采样精度要求不是很高的场合，其存在不同温度点漂移大的问题。这两者存在的问题都是受限于其工作原理，无法从根本上解决问题。在要求比较严苛的使用场合，则只能使用氧化锆型氧传感器，而氧化锆型氧传感器的准确控制和信号采样是个难题，这也是一直困扰其推广和使用的主要问题。鉴于此，如何提供一种线路连接简单、对氧化锆型氧传感器采样和控制效果佳的氧化锆型氧传感器的采样控制电路是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中氧化锆型氧传感器准确控制和信号采样比较困难的难题，而提供一种氧化锆型氧传感器的采样控制电路。

本实用新型为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

设计一种氧化锆型氧传感器的采样控制电路，包括电源模块、恒流源模块、采样延时启动模块、氧化锆型氧传感器、信号滤波和放大模块、恒流源反向控制模块和信号计算模块；所述的电源模块包括稳压源、电阻R1、稳压二极管D1和稳压二极管D2，所述的稳压源和电阻R1相并联，稳压源和电阻R1的输入端连接至供电电源，所述的稳压源输出端与氧化锆型氧传感器的加热体连接，用于给氧化锆型氧传感器的加热体进行加热，所述电阻R1的输出端与稳压二极管D1和稳压二极管D2相串联，稳压二极管D2另一端接地，所述电阻R1与稳压二极管D1之间设有+10V恒流输出端，稳压二极管D1和稳压二极管D2之间设有com端口；所述的恒流源模块包括电阻R2、光电耦合器U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、集成运放U3和集成运放U4，所述光电耦合器U2的阳极与电阻R2连接，所述电阻R2的另一端与直流电源VDD连接，所述光电耦合器U2的集电极与并联连接的电阻R3和电阻R4相连接，所述电阻R4的另一端与集成运放U3的同名端相连接，所述光电耦合器U2的发射级与集成运放U3的异名端以及电源模块中的com端口相连接，所述集成运放U3的同名端还并联有电阻R6，所述电阻R6的另一端与集成运放U4的异名端以及集成运放U4的输出端相连接，所述集成运放U3的输出端与电阻R7相连接，且所述集成运放U3的输出端与述集成运放U3的异名端之间还连接有电阻R5，所述电阻R7另一端与集成运放U4的同名端相连接；所述的采样延时启动模块包括单片机U1,所述单片机U1设有输出引脚p1，所述引脚p1与恒流源模块中的光电耦合器U2的阴极连接，所述单片机U1在上电后一定时间内输出高电平信号，一定时间结束以后输出低电平信号；所述氧化锆型氧传感器还设有恒流输入端口con1和恒流输出端口con2，所述恒流输入端口con1与恒流源模块中集成运放U4的同名端相连接，所述恒流输出端口con2与电源模块中的com端口相连接；所述的信号滤波和放大模块包括电容C1、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和集成运放U5，所述氧化锆型氧传感器信号输出端与电容C1和电阻R9相连接，所述电容C1和电阻R9相并联，所述电阻R9与集成运放U5的同名端相连接，所述的电容C1串联电阻R8后与集成运放U5的异名端相连接，所述电容C1与电阻R8之间还与电源模块中的com端口相连接，所述集成运放U5输出端与集成运放U5异名端之间连接有电阻R10,所述电阻R10与集成运放U5输出端之间连接有电阻R11；所述的恒流源反向控制模块包括集成运放U6、集成运放U11、与非门U12和与非门U13；所述的信号计算模块包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、集成运放U7、集成运放U8、集成运放U9、集成运放U10和单片机U14；所述电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17依次串联，电阻R12的一端与电源模块中的+10V恒流输出端连接，电阻R17的一端与电源模块中的com端口相连接；所述集成运放U6的同名端连接至电阻R12与电阻R13之间，所述集成运放U7的同名端串联电阻R18后连接至电阻R13与电阻R14之间，所述集成运放U8的异名端连接至电阻R14与电阻R15之间，所述集成运放U9的同名端串联电阻R22后连接至电阻R14与电阻R15之间，所述集成运放U10的异名端连接至电阻R15与电阻R16之间，所述集成运放U11的异名端连接至电阻R16与电阻R17之间，所述集成运放U7同名端与输出端之间连接有电阻R19，所述集成运放U8同名端与输出端之间连接有电阻R21，所述集成运放U9同名端与输出端之间连接有电阻R23，所述集成运放U10同名端与输出端之间连接有电阻R25；所述集成运放U6的异名端、集成运放U7的异名端、电阻R20的输入端、集成运放U9的异名端、电阻R24的输入端和集成运放U11的同名端分别与信号滤波和放大模块中的电阻R11相连接；所述集成运放U7、集成运放U8、集成运放U9和集成运放U10的输出端分别与单片机U14对应的I/O接口相连接；所述与非门U12的输出端和集成运放U11的输出端分别连接至与非门U13的输入端，所述的与非门U13的输出端和集成运放U11的输出端连接至与非门U12的输入端，所述与非门U13的输出端还连接至恒流源模块中电阻R3的输入端。

工作原理：本实用新型中的电源模块提供两路电源，其中经稳压芯片稳压后的电源用于对氧化锆型氧传感器的加热体进行加热，为氧化锆型氧传感器提供和保持恒定的反应温度，在电阻R1输出端的+10V电压用于对氧化锆型氧传感器正常采集提高恒流电源；当整个电路上电工作以后，首先电源模块对氧化锆型氧传感器的加热体进行加热，单片机U1保持高电平，此时恒流源模块中的光电耦合器U2的阴极和阳极均处于高电平状态，从而光电耦合器U2的发射级和集电极不导通，恒流源模块不工作；当单片机U1在延时一定时间以后输出低电平，光电耦合器U2导通，启动恒流源模块，此时R7的输出端相对集成运放U3的异名端即会产生与电阻R3输入端，也就是pump信号同极性的恒流源；R7的输出端与com端分别与氧化锆型氧传感器的恒流输入端口con1和恒流输出端口con2连接，对氧化锆型氧传感器进行驱动运行，氧化锆型氧传感器将检测的能斯特电压传输至信号滤波和放大模块，经滤波、放大处理后传输至集成运放U6至集成运放U11中，其中能斯特电压在与集成运放U7至集成运放U10进行比较并将比较结果传递至单片机U14中，单片机U14根据集成运放U7至集成运放U10的采样时间差，按照计算公式即可准确的得出相应环境条件下氧气浓度值；

td＝(t1-t2)+(t5-t4)；

其中：t1、t2、t4、t5为相应电压值的采样时间，K是灵敏度因子，典型值为1.05ms/mbar，BP为相应环境中的大气压力值。而集成运放U6和集成运放U10的输出结果在与非门U12和与非门U13的作用下，即产生了电平的翻转动作并将信号传递至恒流源模块中，实现了泵送循环的可逆恒流源。

优选的，所述氧化锆型氧传感器的加热体加热温度为700℃。

优选的，所述的com端口输出对地电压为+5V。

优选的，所述的单片机U1和单片机U14为AT89S51型单片机。

优选的，所述单片机U1上电后输出高电平信号时间为60s，60s后输出低电平信号。

本实用新型采用上述结构后，有益效果在于：

(1)本实用新型实现了对氧化锆型氧传感器的工作控制和输出采样控制，通过采集到的能斯特电压进行滤波、放大处理并将结果同时传递至若干个集成运放中进行采样，然后将采样数据传递至单片机中，单片机根据采样的时间差计算相应环境条件下氧气浓度值，具有工作原理简单的有益效果；同时根据对检测结果的多次采样并根据采样的时间间隔差计算氧气浓度值，具有氧气浓度值计算准确的有益效果；

(2)本实用新型同时将氧化锆型氧传感器输出的能斯特电压与与非门的作用下实现了电平的翻转，进而将翻转的电平反馈至恒流源模块中，通过恒流源模块中的两个集成运放实现了可逆恒流源的输出，对氧化锆型氧传感器的工作提供了必要的可逆恒流源，确保了氧化锆型氧传感器的正常工作；

(3)本实用新型设置的采样延时启动模块，在电源模块对氧化锆型氧传感器的加热体加热完成以后再进行采样控制，避免了初级检测结果不准确的信号输出，进而避免了对人员的误读。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中电源模块的电路示意图；

图3是本实用新型中恒流源模块、采样延时启动模块和信号滤波和放大模块的电路示意图；

图4是本实用新型中恒流源反向控制模块和信号计算模块的电路示意图。

图中：电源模块1、恒流源模块2、采样延时启动模块3、氧化锆型氧传感器4、信号滤波和放大模块5、恒流源反向控制模块6、信号计算模块7。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参阅附图1-附图4所示，本实用新型的一种氧化锆型氧传感器的采样控制电路，包括电源模块1、恒流源模块2、采样延时启动模块3、氧化锆型氧传感器4、信号滤波和放大模块5、恒流源反向控制模块6和信号计算模块7；所述的电源模块1包括稳压源、电阻R1、稳压二极管D1和稳压二极管D2，所述的稳压源和电阻R1相并联，稳压源和电阻R1的输入端连接至供电电源，所述稳压源输出端与氧化锆型氧传感器4的加热体连接，用于给氧化锆型氧传感器4的加热体进行加热，所述电阻R1的输出端与稳压二极管D1和稳压二极管D2相串联，稳压二极管D2另一端接地，所述电阻R1与稳压二极管D1之间设有+10V恒流输出端，所述稳压二极管D1和稳压二极管D2之间设有com端口。

所述的恒流源模块2包括电阻R2、光电耦合器U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、集成运放U3和集成运放U4，所述光电耦合器U2的阳极与电阻R2连接，所述电阻R2的另一端与直流电源VDD连接，所述光电耦合器U2的集电极与并联连接的电阻R3和电阻R4相连接，所述电阻R4的另一端与集成运放U3的同名端相连接，所述光电耦合器U2的发射级与集成运放U3的异名端以及电源模块1中的com端口相连接，所述集成运放U3的同名端还并联有电阻R6，所述电阻R6的另一端与集成运放U4的异名端以及集成运放U4的输出端相连接，所述集成运放U3的输出端与电阻R7相连接，且所述集成运放U3的输出端与述集成运放U3的异名端之间还连接有电阻R5，所述电阻R7另一端与集成运放U4的同名端相连接。

所述的采样延时启动模块3包括单片机U1,所述单片机U1设有输出引脚p1，所述引脚p1与恒流源模块2中的光电耦合器U2的阴极连接，所述单片机U1在上电后一定时间内输出高电平信号，一定时间结束以后输出低电平信号。所述氧化锆型氧传感器4还设有恒流输入端口con1和恒流输出端口con2，所述恒流输入端口con1与恒流源模块2中集成运放U4的同名端相连接，所述恒流输出端口con2与电源模块1中的com端口相连接。

所述的信号滤波和放大模块5包括电容C1、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和集成运放U5，所述氧化锆型氧传感器4信号输出端与电容C1和电阻R9相连接，所述电容C1和电阻R9相并联，所述电阻R9与集成运放U5的同名端相连接，所述电容C1串联电阻R8后与集成运放U5的异名端相连接，所述电容C1与电阻R8之间还与电源模块1中的com端口相连接，所述集成运放U5输出端与集成运放U5异名端之间连接有电阻R10,所述的电阻R10与集成运放U5输出端之间连接有电阻R11。

所述的恒流源反向控制模块6包括集成运放U6、集成运放U11、与非门U12和与非门U13；所述的信号计算模块7包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、集成运放U7、集成运放U8、集成运放U9、集成运放U10和单片机U14；所述电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17依次串联，电阻R12的一端与电源模块1中的+10V恒流输出端连接，电阻R17的一端与电源模块1中的com端口相连接；所述集成运放U6的同名端连接至电阻R12与电阻R13之间，所述集成运放U7的同名端串联电阻R18后连接至电阻R13与电阻R14之间，所述集成运放U8的异名端连接至电阻R14与电阻R15之间，所述集成运放U9的同名端串联电阻R22后连接至电阻R14与电阻R15之间，所述集成运放U10的异名端连接至电阻R15与电阻R16之间，所述集成运放U11的异名端连接至电阻R16与电阻R17之间，所述集成运放U7同名端与输出端之间连接有电阻R19，所述集成运放U8同名端与输出端之间连接有电阻R21，所述集成运放U9同名端与输出端之间连接有电阻R23，所述集成运放U10同名端与输出端之间连接有电阻R25；所述集成运放U6的异名端、集成运放U7的异名端、电阻R20的输入端、集成运放U9的异名端、电阻R24的输入端和集成运放U11的同名端分别与信号滤波和放大模块5中的电阻R11相连接；所述集成运放U7、集成运放U8、集成运放U9和集成运放U10的输出端分别与单片机U14对应的I/O接口相连接；所述与非门U12的输出端和集成运放U11的输出端分别连接至与非门U13的输入端，所述与非门U13的输出端和集成运放U11的输出端连接至与非门U12的输入端，所述与非门U13的输出端还连接至恒流源模块2中电阻R3的输入端。

所述氧化锆型氧传感器4的加热体加热温度为700℃，所述的com端口输出对地电压为+5V，所述的单片机U1和单片机U14为AT89S51型单片机，所述单片机U1上电后输出高电平信号时间为60s，60s后输出低电平信号。

工作原理：本实用新型中的电源模块1提供两路电源，其中经稳压芯片稳压后的Vcc_Heat用于对氧化锆型氧传感器4的加热体进行加热，为氧化锆型氧传感器4提供和保持恒定的反应温度，在电阻R1输出端的+10V电压用于对氧化锆型氧传感器4正常采集提高恒流电源；当整个电路上电工作以后，首先电源模块1对氧化锆型氧传感器4的加热体进行加热，单片机U1保持高电平，此时恒流源模块2中的光电耦合器U2的阴极和阳极均处于高电平状态，从而光电耦合器U2的发射级和集电极不导通，恒流源模块2不工作；当单片机U1在延时一定时间以后输出Pump-enable低电平，光电耦合器U2导通，启动恒流源模块2，此时R7的输出端相对集成运放U3的异名端即会产生与电阻R3输入端，也就是pump信号同极性的恒流源；R7的输出端与com端分别与氧化锆型氧传感器4的恒流输入端口con1和恒流输出端口con2连接，对氧化锆型氧传感器4进行驱动运行，氧化锆型氧传感器4将检测的能斯特电压sens传输至信号滤波和放大模块5，经滤波、放大处理后传输至集成运放U6至集成运放U11中，其中能斯特电压sens在与集成运放U7至集成运放U10进行比较并将比较结果传递至单片机U14中，单片机U14根据集成运放U7至集成运放U10的采样时间差，按照计算公式即可准确的得出相应环境条件下氧气浓度值；

td＝(t1-t2)+(t5-t4)；

其中：t1、t2、t4、t5为相应电压值的采样时间，K是灵敏度因子，典型值为1.05ms/mbar，BP为相应环境中的大气压力值。而集成运放U6和集成运放U10的输出结果在与非门U12和与非门U13的作用下，即产生了电平的翻转动作并将信号传递至恒流源模块2中，实现了泵送循环的可逆恒流源。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。