1、天 津 大 學 網 絡 教 育 學 院專科畢業論文題目：小型制氧壓氧一體機的控制系統設計完成期限：2016年7月5日 至 2016年11月5日學習中心：杭州專業名稱：機械制造與自動化學生姓名：王國慶學生學號：142092403011指導教師：劉艷玲天津大學網絡教育學院專科畢業論文小型制氧壓氧一體機的控制系統設計第一章 緒論1.1課題背景氧氣是空氣中的主要成分，是人類呼吸中必不可少的氣體，人類對氧氣的需求是一刻不能停止的。當氧氣濃度變低后會對人的生命活動產生影響。比如：缺少氧氣會對神經系統產生影響，缺氧危害最大的便是神經系統，就算是輕度的缺氧也會造成視覺和智力的功能性紊亂；同時缺氧也會對呼吸系統

2、產生影響，當在低氧環境中工作學習時，會導致過度換氣，從而使CO2呼出過多導致呼吸性堿中毒，如果二氧化碳分壓高于6.67Pa，或動脈血氧分壓低于8KPa，則會出現呼吸功能衰竭；對循環系統的影響，缺氧后，身體會反饋式增加紅細胞，當紅細胞過多時，氧氣供應不足便會引起循環阻礙；此外缺氧還會引起肝細胞水腫、變形和壞死，肝功障礙，肝纖維化等疾病。因此對于處于缺氧環境或進入缺氧環境的工作人員，為了保證工作的安全，工作人員需要隨身裝備供氧設備，于是氧氣的制備與儲存便成為首要解決的問題。自從18世紀空氣的組成被人類發現以后，已經發明很多方法來制造和存儲氧氣。其中最具代表性的是變壓吸附制氧技術，由于其能耗低、方便

3、、投資少、操作簡單、靈活等優點，目前得到廣泛的運用，并處于迅速發展中。目前，變壓吸附制氧技術正在向高濃度氧、小型化和大型化的方向發展。其中設計小型化的變壓吸附設備是目前變壓吸附制氧領域中一個發展迅速且具有重要意義的方向。在小型化的過程中我們面對一個問題，小型制氧機在制備氧氣供人員使用的過程中富裕的產品氣往往白白浪費，制氧機空閑時間的閑置也造成資源浪費。所以，引入壓氧機來保存氧氣，將富裕產品氣儲存到氧氣罐中，用于保存制造的氧氣，有利于資源的節約。1.2研究意義目前，有很多對小型制氧機的研究，市場上也有一些很好的產品出現。對于小型壓氧機而言，雖然對加工要求比較高，但市面上還是出現了一些相關成品。但

4、是，將小型制氧機與小型壓氧機結合起來的研究還比較少，目前國內外很少有壓氧制氧一體機的設計，基本上都是制氧機與壓縮機進行分體化設計。雖然分體設計有一定的優點，比如，分體設計時，各自的功能獨立，供電系統，控制系統等互不影響，系統耦合程度低。但同時又很大的缺點，吸氧與壓氧不能夠在同步進行，在氧氣使用量較少時會造成產品氣的浪費，無法將多余的氧氣存儲起來，產生的多余的氧氣將會被浪費掉。同時，分體設計不利于設備的安裝和攜帶，也不利于使用。與現在裝備多功能化、系統功能集成化的趨勢不符。因此，小型制氧壓氧一體機具有很高的研究價值和實際運用的意義。1.3 本文主要內容本文主要本文主要研究了小型制氧壓氧控制系統的

5、設計。首先，對制氧技術進行整體性介紹，并通過對常用制氧技術的分析比較得出變壓吸附技術的優勢，說明變壓吸附技術適合小型制氧系統。其次，在詳細分析變壓技術之后，針對本課題，進行制氧機及壓氧機的零部件設計選型及結構設計。主要包括：吸附塔的設計，壓縮機的選型，制氧機的結構設計，一體機的結構設計等。在進行整機結構設計時，由于顧及本設計對設備結構的考慮，所以，在整機設計的過程中，研究了多種方案設計，并在零部件的布局及組合方式過程中進行了多套嘗試，在此研究和實驗的基礎上選擇一中最為合理的結構方案。在整機結構方案確定后，在保證整機強度的前提下盡量減少整機重然后，對一體機的控制系統進行了硬件的設計和軟件的編寫。

6、在硬件設計過程中，首先進行主控制器的選型，根據所選控制器進行相關芯片的選擇，及相關電路的設計。在控制系統設計過程中分別進行了電源電路設計、復位電路設計、報警電路、人機交互電路、輸出及接口電路、信號采集處理等電路的設計。軟件方面，首先設計出軟件系統的整體結構，然后自上而下的設計軟件的結構，從整體到局部的編寫軟件程序。第二章 制氧壓氧一體機的結構設計2.1 制氧技術常用的制氧方法有深冷法、變壓吸附法、膜分離法等等。深冷法常常使用在大規模生產中或者是大型設備中，而在小型設備中使用更多的制氧方法是變壓吸附法。而變壓吸附制氧技術與其他技術相比，具有其他技術不具備的優點，比如設備投資少、單位制氧量能耗低、

7、運行過程安全、操作方便、自動化程度高等，適合用于那些對氧氣純度要求不高且氧氣需求量較小的中小型設備。變壓吸附（PSA）的基本原理是根據不同氣體在同一吸附劑上的吸附量會隨著溫度的變化而變化，在溫度一定的情況下，通過改變氣體壓強將不同的氣體分離、提純，這樣的循環過程。變壓吸附（PSA）分離法的主要使用沸石分子篩、碳分子篩、活性炭、氧化鋁以及硅膠等材料進行氣體分離的原理，一般情況下，常用沸石分子篩和碳分子篩進行氧氣和氮氣分離。這是被大規模使用的制氧技術。沸石分子篩（ZMS）是一種天然的或人工合成的結晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，沸石分子篩活化后，隨后將其加熱沸石分子到一定程度后，就可以去除里面的水分子，于

8、是就能形成籠形的結構，表面積大大增加。由于沸石分子篩對極性分子和不飽和鍵分子有很高的選擇性。因為極性分子影響了無極性的氧分子和氮分子，從而使它們產生了偶極，而吸附劑本身固有的極性偶極與氧分子和氮分子的誘導偶極具有吸附作用，所以導致氧氣和氫氣的分離。在等溫條件下，氮分子的誘導偶極的誘導力大于氧分子誘導偶極的誘導力，因而沸石分子篩吸附劑對氧分子和氮分子的吸附量是不同的。氣體行業常用的分子篩主要有：方鈉型，如型，鉀（3A），鈉（4A），鈣（5A）；八面型，如型，鈣X(10X)，鈉（13X）和型，鈉，鈣；絲光型，（-M型），高硅型沸石，如ZMS-等。其中，5A小型富氧分子篩是一種特制的5A分子篩，是專

9、門為醫療保健制氧機而生產的，該分子篩具有制氧純度高、產氧速度快、制氧壽命長的特 點，是5A分子篩在醫療保健制氧領域的一個重要應用。 碳分子篩CMS是上世紀七十年代出現的一種新型吸附劑。它以煤為原料，在流化床中氧化，經粘合劑粘結成型，并進行炭化后，使原來的大孔變為適合空分的有效孔徑而制成的。碳分子篩主要是利用篩分的特性來分離氧氣和氮氣的。在分子篩吸附過程中，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運送到微 孔和亞微孔中，微孔和亞微孔是吸附的主要場所。碳分子篩內部包含有大量的微孔，這 些微孔允許動力學尺寸小的分子快速擴散到孔內，同時限制大直徑分子的進入。它的有效孔徑在0.4nm0.9nm之間，利

10、用氮分子和氧分子的動力學直徑的差異（氮分子和氧分子的動力學直徑分別0.364nm、0.364nm），通過氮分子和氧分子在碳分子篩微孔中擴散速率的不同來實現氮氣和氧氣的分離2.2氣體壓縮技術在工業及民用領域，有時需要使用壓力較大的壓縮氣體，特別是在石油、采礦、制冷、冶金、化工和動力等部門。他們通常采用氣體壓縮機來提高氣體壓力或輸送氣體。在氣體壓縮機的選型過程中雖然最終實現的用途可能一樣，但氣體壓縮機的工作原理和結構形式卻大不相同。如我們所知，氣體的壓力取決于單位時間內氣體分子撞擊單位面積的強烈程度與次數，而提高氣體壓力的辦法主要有兩種：提高密閉空間內氣體的溫度：縮小氣體所占據的封閉空間的體積。增

11、加密閉空間內氣體的溫度，提高氣體分子運動的速度可以使密閉空間內氣體的壓力提高，但是，當溫度降低之后，氣體壓力有隨之降低，而通常情況下要求壓縮氣體溫度不宜過高，所以在大多數情況下，通過提高氣體溫度 來增加氣體壓力的方法是不可取的。那么，我們通常采用的辦法就是通過縮小氣體所使用的封閉空間的容積，縮短氣體分子間距離，也就是增加單位體積內氣體分子數目來提高封閉空間內氣體的壓力。而壓縮氣體的體積，給氣體加壓的機器即為氣體壓縮機。氣 體壓縮機按照結構類型分類，可以分為：容積式氣體壓縮機；速度式氣體壓縮機。（1）容積式氣體壓縮機，包括：往復式、回轉式。其中往復式又可分為活塞式和隔膜式等，回轉式又可分為螺桿式

12、、滑片式和羅茨式等。 （2）速度式氣體壓縮機，包括：離心式、軸流式、噴射式、混流式等。第3章 控制系統硬件設計3.1控制系統整體設計在控制領域常用的控制器是工控機、單片機、PLC等等。其中，在大中型制氧設備中多采用PLC作為控制系統的核心。對于小型制氧機，由于設備體積小、靈活性高、便于攜帶等特點一般采用單片機作為其控制系統的CPU。本系采用C8051F單片機為制氧機控制系統的主控制器，制氧機的主控板主要包括電源電路、系統復位電路、報警電路、輸出接口及驅動電路、信號采集電路、外部振蕩電路。其系統框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統整體框圖3.2 電源電路系統控制板上主要使用的兩種電源為5V和3.3

13、V兩種電源。本系統采用兩級電源變化，首先將220V交流電源轉化為5V直流電源，再通過線性穩壓器將5V直流電轉化為3.3直流電源。控制板通過變壓器將內部220V和外部220V隔離，防止電力線電壓的劇烈變化會損壞控制電路板。再經過熔斷器，熔斷器主要起保護作用。通過熔斷器后仍然是交流電，我們需要將其轉化為直流電。全橋整流電路就是將220V，50Hz的交流電轉化為直流。通過通過C1，C2兩個濾波電容為電源噪聲提供一個低阻抗的路，將噪聲瀉放到地平面，防止其影響電源變換電路。電源電路通過LM7825將直流電轉化為5V直流電，LM7825是采用DC-DC的開關電源，C3和C4主要起濾波作用。電路圖如3-2所

14、示。圖3-2 220V轉5V電源電路1117是常用的線性穩壓器，采用直流5V輸入，3.3V直流輸出。在輸出端采用不同的數量級的電容，以濾掉不同頻率的電源噪聲。5V轉3.3V電路圖如3-3所示。圖3-3 5V轉3.3V電源電路3.3 輸出接口及驅動電路輸出接口電路如圖3-4所示，單片機的4個GPIO口連接4個光耦，通過光耦實現光電隔離，防止電機側的強電流損壞控制測電路。光耦連接到驅動芯片L298N，L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等

15、，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。為了避免電機對單片機的干擾，本模塊加入光耦，進行光電隔離，從而使系統能穩定可靠的工作。本驅動電路中電源使用12V電源，同時連接上保護的二極管，主要的功能是作為高壓和抵壓保護。圖3-4 電機驅動電路3.4信號采集電路傳感器輸出的電壓為05V的模擬信號，通過兩個10K電阻連接到地，選用大電阻主要是想減小電流，防止傳感器驅動能力不足。將1/2的電壓也就是02.5V輸入到運算放大器，本運算放大器主要是一個電壓跟隨的作用。由于運算放大器高輸

16、入阻抗和低輸出阻抗的特性，這樣可以很好的為AD轉化提供良好的信號源。圖3-5 信號采集電路第四章 系統軟件設計4.1 軟件整體架構4.1.1 軟件開發環境因為在硬件設計階段選擇的單片機為Cygnal公司的C8051f系列，所以在進行軟件設計時，選擇的開發軟件也是Cygnal公司所提供的專用開發軟件。進行單片機程序設計時常用的語言有匯編和C51，C語言是一個運用廣泛，應用平臺多樣，從單片機搭配大型計算機系統都可運行的一種結構化程序語言。它具有豐富的庫函數，編譯效率高運行速度快，且具有較好的可移植性。同時它還支持從上而下的結構化設計，有完整的模塊化程序結構，為軟件設計過程的模塊提供了方便，提高了軟

17、件設計的速度、效率。相對而言，匯編語言是較底層的的語言，其直接面對設備硬件，程序效率高，結構小巧、緊湊。但由于其不是結構化的程序設計語言，用其編程可讀性較差，移植性較差。在編寫和調試過程中對編程人員的要求更高。所以用C語言編寫程序效率高、開發周期短，以便以后的維護和擴展。本系統中軟件設計主要包括以下部分：主程序、制氧程序、壓氧程序、數據采集處理程序與人機交互程序等。所有程序均采用C語言編寫，要求實現整機的正常運行，運行狀態的實時監測、顯示，故障的停機報警等功能。其中制氧系統中吸附時間和均壓時間的長短對產氧質量起著至關重要的作用，是軟件設計的關鍵參數。主程序如圖4-1所示，在接通電源后，系統開始

18、上電復位。在上電期間，器件保持在復位狀態，/RST引腳被驅動到低電平，直到VDD上升到超過VRST電平。系統復位完成后，程序開始初始化設備然后系統進入待機狀態，等待操作人員進行下一步操作。當操作人員按下開機按鍵后，系統識別到按鍵操作，向顯示屏發出顯示運行狀態的指令。此時吸附塔A開始進行首次進氣，由于剛開機時吸附塔內壓力為大氣壓力，需要先向吸附塔內注入一定量的空氣，從而使吸附塔內達到一定的壓力。在首次進氣結束后，系統開始循環進行吸附、均壓的運行過程，并在每次循環當中監測是否有關機按鈕按下，以確定是否關機。圖4-1 系統主程序圖4.1.2 吸附時間與切換時間的確定在變壓吸附制氧工藝中吸附時間和均壓

19、時間對產品氣的氧氣濃度起著至關重要的作用氧氣的濃度會隨吸附時間增加先升高后降低，存在一個最佳吸附周期。在均壓過程中，也存在一個最佳均壓時間。吸附時間和均壓時間的調整是通過調整電磁閥切換時間來實現的，需要在軟件編程中設定好切換時間。因此需要通過實驗來確定最佳的切換時間和均壓時間。4-2 吸附時間、均壓時間對氧氣濃度的影響采用本控制系統的制氧機以不同切換時間運行時氧氣濃度如圖4-2所示。有圖可知在均壓時間同為0.75s的情況下，吸附時間為6.05s時氧氣濃度要高于其他兩組。這是由于吸附周期較短時，吸附尚未完成以及解吸也不完全，造成產品氣純度下降。隨著吸附周期逐漸變長，吸附將更加充分，解吸也會更加完

20、全，產品氣的純度自然會上升。這并不是表示吸附時間越長越好，當吸附周期增加到某一數值，吸附劑達到飽和狀態，如果仍然延長吸附周期，氮氣就會穿透吸附層，因而呈現出一種產品氣濃度隨吸附時間延長氧氣濃度先增高后降低的狀態，同時在吸附時間同為6.05s的情況下，均壓時間為0.70s時氧氣濃度均要高于其他兩組。這是因為被均壓的吸附塔內的氣體壓力快速上升從而保證出口氧氣穩定在較高的濃度水平。因此均壓時間越長會使的吸附塔內壓力快速上升從而保證出口氧氣穩定在較高的濃度水平。因此均壓時間越長會使的吸附塔內壓力上升越快，產氧量越大，氧氣濃度越高，所以在一定均壓時間范圍內，氧氣濃度會隨均壓時間延長而增加。當均壓時間達到一定長度后，分子篩中解析出的氮氣就會均壓到被均壓的吸附塔內，從而使得氧氣濃度降低。根據以上數據我們確定了本制氧機的最佳吸附時間與均壓時間分別為6.05s、0.75s。4.1.3 壓氧控制程序壓氧機控制程序主要包括，對電機的啟動停止控制、對壓力信號檢測等。由于壓縮機在壓氧過程中要經歷一個壓力從0MPa到13MPa以上的變化過程，此過程中電動機的扭矩也要跟隨壓力變化進行實時調整。我們將壓氧機的開啟通過中斷對電磁閥的控制來實