采用PSA(變壓吸附)空氣分離制氧技術的微型氧氣機，由于其完全采用物理方式制氧，既方便安全，又價格低廉，在運動保健、醫(yī)療康復和健康空調等多種場合得到了廣泛應用。而單片機以其低廉的價格、可靠的性能，在微型氧氣機的自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。

本文探討的微型氧氣機采用世界先進的變壓吸附PSA技術，利用沸石分子篩作為吸附劑，通過吸附劑對空氣中氧、氮吸附能力的差異而將氣體混合物分開，實現(xiàn)氧氣和氮氣的分離。外界空氣先進行壓縮增壓，保持一定的壓力，再送入變壓吸附分離床。在分離床的作用下，床內空氣中的氮氣被吸附，而氧氣不被吸附，這樣可以在分離床出口端獲得高純度的氧氣。輸出氧氣的流量采用機械式流量調節(jié)閥進行調節(jié)，當輸出流量增加時氧氣純度會相應地降低，為了保證輸出的氧氣濃度，采用氣敏傳感器進行氧濃度的檢測，并通過實時顯示裝置告知用戶，當指標低于設定值時報警提醒。

1　電氣控制要求

1．1　變壓吸附分離床的工作過程

變壓吸附分離床的工作原理如圖1所示。分離床由2只裝有制氧專用沸石分子篩的吸附裝置A和B以及切換閥門1～8等組成，其中1，3為排放閥門，2，4為進氣閥門，5，7為均壓閥門，6，8為輸出閥門。分離床在自動控制系統(tǒng)的作用下，吸附裝置A、B交替工作，按照“A工作→A排氣及均壓→B工作→B排氣及均壓 →A工作…”的過程，不斷循環(huán)。儲氣罐的作用是均衡輸出氧氣的壓力。

吸附裝置A工作時，閥門2，6打開(其余關閉)，壓縮空氣經(jīng)閥門2進入A，濾去氮氣，剩余氧氣經(jīng)閥門 6輸出。在吸附裝置A內的分子篩快被吸附飽和之前，進入A排氣及均壓狀態(tài)，開啟閥門1，5，7(其余關閉)，裝置A解吸先前所吸附的氮氣，使分子篩吸附劑得到再生，同時A、B均壓以提高產(chǎn)氣效率。均壓后自動切換到吸附裝置B工作置B中繼續(xù)吸附制氧。同樣，當吸附裝置B內的分子篩快被吸附飽和之前，自動進入 B排氣及均壓狀態(tài)，開啟閥門3，5，7(其余關閉)，裝置B實現(xiàn)減壓解吸再生。4種工作狀態(tài)依次循環(huán)，2只吸附裝置交替重復進行吸附和再生，從而實現(xiàn)了連續(xù)制取氧氣的目的。

1．2　基本控制要求
    (1)完成系統(tǒng)的4個工作狀態(tài)循環(huán)。
    (2)輸出氧氣濃度的檢測。
    (3)用戶參數(shù)設定。
　(4)顯示與報警。

2　單片機自動控制系統(tǒng)

2．1　控制系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。本系統(tǒng)選用AT89C51單片機，片內有4 kB的Flash存儲器，這樣不用再擴展外部的程序存儲器。顯示部分選用3位LED數(shù)碼管，左邊一位用于狀態(tài)顯示，“P”表示后兩位當前顯示的是輸出的氧濃度；“b”表示后兩位當前顯示的是設定的最低氧濃度，當輸出的氧濃度低于設定的濃度時進行報警。 AT89C51的P0口作LED的段控口，位控線選用P2．0 P2．1，P2．2，段控和位控信號都經(jīng)ULN2003反相，以驅動LED。本系統(tǒng)設置4個按鍵，分別是開機、增1、減1和確認鍵，具體操作見軟件設計部分。氧傳感器測得的氧濃度值經(jīng)放大后，送入ADC0809的通道0進行A/D轉換，ADC0809的地址為7FFFH。根據(jù)氧氣機的控制要求，選用 P1．0～P1．4作為1＃閥～8＃閥的控制端，再經(jīng)固態(tài)繼電器的隔離和驅動，控制相應閥的通與斷，當P1．0～P1．4輸出低電平時相應的電磁閥導通，高電平時閥斷開。P1．5是電源指示，P1．6，P1．7是報警指示(其中P1．6接雙色發(fā)光二極管的綠色部分，P1．7接紅色部分)，剛開機時發(fā)黃色光 (紅、綠都亮)表示待用狀態(tài)，工作時若氧濃度高于設定值發(fā)綠色光表示工作正常，若氧濃度低于設定值發(fā)紅色光進行報警。

2．2　控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件主要包括主程序、顯示子程序、按鍵處理子程序、氧濃度檢測與處理子程序、報警判斷與處理子程序和定時中斷與電磁閥控制程序等幾部分。

主程序流程如圖3所示。氧氣機上電后，空氣壓縮機工作，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，按下“開機”鍵進入工作狀態(tài)并開始制氧，工作過程中可隨時進行氧濃度的下限設定。氧氣濃度檢測與處理子程序完成氧氣濃度的測量與顯示。ADC0809采用延時方式進行轉換，由于CY-16氧傳感器測得的氧濃度與輸出電流呈對數(shù)關系，因此需要通過軟件進行修正，并調用顯示子程序進行顯示。

按鍵處理子程序完成氧濃度的設定，制氧時可通過按鍵進行新的濃度設置，并通過按“確認”鍵結束設置。

報警判斷與處理子程序根據(jù)測得的氧濃度值，與用戶設定的氧濃度下限進行比較，判斷是否需要報警，如有報警則控制相應的批示燈亮。

定時中斷與電磁閥控制程序中采用時間控制原則，控制相應電磁閥的通斷來保證吸附裝置A，B輪流工作。為此采用定時器中斷來實現(xiàn)4個工作過程的循環(huán)，定時時間到，產(chǎn)生中斷請求，在中斷服務程序中進行工作過程的轉換并根據(jù)控制要求設定相應的定時常數(shù)。

2．3　系統(tǒng)的試制

通常排氣及均壓的時間只要1～2 s就能獲得滿意的效果，所以對于自動控制系統(tǒng)而言，試制的關鍵是確定吸附裝置A(或B)的最佳工作時間t。t主要對輸出氧氣的流量Q與氧濃度有影響。試制的過程中，改變t值，通過實驗測出輸出氧濃度為90％時對應的流量，得到相應的Q-t關系曲線如圖4所示。從而獲得該系統(tǒng)吸附裝置A(或B)的最佳工作時間為25 s。整個系統(tǒng)按照“A工作25 s→A排氣2 s→B工作25 s→B排氣2 s”的過程自動循環(huán)。含氧量的指示通過標準儀表調校。

3　結語

試制的微型氧氣機在輸出氧濃度90％的情況下，輸出流量為5 L/min，小流量輸出時氧濃度可達95％以上，滿足1～3人同時使用，現(xiàn)已由蘇州賽普氣體有限公司投入小批量生產(chǎn)。其自動控制系統(tǒng)由于采用單片機技術，大大地降低了成本，提高了運行的可靠性。

參考文獻
［1］潘新民，王燕芳．單片微型計算機實用系統(tǒng)設計［M］．北京：人民郵電出版社，1992．
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