基于A(yíng)VR單片機的乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀

第27卷第6期齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報Vol 27. No 62011年11月Journal of Qiqihar UniversityNov 2011基于A(yíng)VR單片機的乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀徐鳳霞,張金龍齊齊哈爾大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾161006)摘要:乙醇濃度是發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的重要控制參數,乙醇濃度的測量精度直接影響發(fā)酵過(guò)程的控制精度和發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量?；跉庖合嗥胶庠斫⒁掖紳舛鹊脑诰€(xiàn)測量數學(xué)模型,以 ATMEGAL6L單片機和TGS2620半導體氣敏傳感器為核心,設計了乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀。理論和實(shí)驗證明該檢測儀具有通用性好、測量準確度高、性能穩定、響應速度快等特點(diǎn)關(guān)鍵詞:乙醇濃度;氣液相平衡原理;TCS2620;AVR;RS485中圖分類(lèi)號:TP212413;O643.1文獻標志碼:A文章編號:1007-984X(2011)06-001203乙醇作為一種重要的化學(xué)溶劑和生產(chǎn)原料,廣泛應用于化工、食品、醫藥等行業(yè)。隨著(zhù)乙醇工業(yè)在我國迅速發(fā)展,實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中要求乙醇濃度能夠實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測。目前乙醇濃度的檢測大多采用離線(xiàn)的方法,主要是基于化學(xué)滴定法和液相色譜法?，F有的檢測手段具有檢測方式復雜、檢測周期長(cháng)和不便于信號遠距離傳輸及網(wǎng)絡(luò )化監控等缺點(diǎn)。目前對于工業(yè)生產(chǎn)中乙醇濃度的在線(xiàn)檢測的研究很少,而且都只處于在實(shí)驗室研究和探索的階段。因此,研究快速、實(shí)時(shí)、穩定的乙醇濃度在線(xiàn)檢測技術(shù),研制乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟價(jià)值。系統的原理和結構由于發(fā)酵過(guò)程中溶液濃度檢測的復雜性,目前的傳感器還不能直接在線(xiàn)檢測液態(tài)乙醇的濃度,因此需要通過(guò)數學(xué)的或者估計的方法尋找容易測量的間接變量與液態(tài)乙醇濃度的對應數學(xué)關(guān)系。根據氣液相平衡原理,在微生物發(fā)酵過(guò)程中,當氣體和液體達到平衡的狀態(tài)時(shí),發(fā)酵罐中所有的狀態(tài)(如溫度,壓力,組分等等)都不會(huì )發(fā)生變化,即發(fā)酵罐中的氣體成分和液體成分處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)如果測量得到發(fā)酵罐中氣體乙醇的濃度,就可以間接得到發(fā)酵液中液態(tài)乙醇的含量。運用系統辨識的方法建立氣相乙醇成分濃度在線(xiàn)檢測數學(xué)模型。由于測量過(guò)程中沒(méi)有確定的乙醇濃度與傳感器輸出電壓值之間的函數關(guān)系,因此采用曲線(xiàn)擬合方法進(jìn)行測量系統建模。以TGS2620傳感器的輸出電壓值作為測量模型的輸入量,而將高精度標準儀器測量的乙醇濃度值作為測量模型的輸出量,運用最小二乘法建立氣相乙醇濃度和傳感器電壓信號之間的數學(xué)關(guān)系式。該模型為一個(gè)多項式函數,如下式(1)所示y=f(x)=a+a x+a, x2+.+a,x"式中:y表示氣相乙醇濃度;x表示TGS822傳感器檢測輸出的電壓信號;a(i=0,1,2,…n)為模型待辨識的參數;n為多項式函數的階數,一般不超過(guò)102檢測儀的硬件設計結合成本、檢測精度、抗于擾性、系統可靠性與穩定性等因素,選用 ATMEL公司的 ATmegal6單片機作為檢測儀運算處理核心。檢測儀的硬件結構如圖1所示。該裝置由傳感器信號檢測、信號調理、AD轉收稿日期:2011-05-25基金項目:齊齊哈爾大學(xué)研究生創(chuàng )新科研項目資助( YJSCX2010005X)作者簡(jiǎn)介:徐風(fēng)霞(1970-),女,哈爾濱人,教授,博士,主要研究方向為網(wǎng)絡(luò )控制,智能控制. fengxia_hi@63.coun第6期基于A(yíng)VR單片機的乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀換、AVR數據采集與處理、數據顯示、串行通信和供電電源等6個(gè)模塊組成。氣敏傳感器信號經(jīng)由濾波處理后,由12位AD轉換芯片AD7705進(jìn)行模數轉換,轉換得到的數字信號通過(guò)PA0口進(jìn)入AVR單片機,然后由AVR單片機結合鍵盤(pán)輸入參數進(jìn)行曲線(xiàn)擬合或數據計算,并將處理結果用于歷史數據存儲、液晶顯示和串行通信。液晶顯示氣敏傳感器信號調理ATmegal6AD轉換RS485圖1在線(xiàn)檢測儀硬件結構框圖串行通信模塊由SNη5LBC184芯片組成,該芯片帶有內置高能量瞬變噪聲保護裝置。能承受峰值400W的過(guò)壓瞬變,顯著(zhù)提髙了抵抗數據同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性。芯片還具有瞬變高壓抑制功能,能承受高達8kV的靜電放電沖擊及能抗雷電的沖擊。在實(shí)際工程應用中,考慮到總線(xiàn)上某一臺分機的SN75LBC184芯片短路,可能影響其它分機的通信,因此在SN75LBC184的信號輸出端各串聯(lián)了2個(gè)209的電阻R3、R4這樣單個(gè)芯片的硬件故障就不會(huì )使整個(gè)總線(xiàn)的通信受到影響。在設備現場(chǎng)連線(xiàn)時(shí),信號傳輸一般選用雙絞線(xiàn),它的特性阻抗約為1209,所以線(xiàn)路設計時(shí)應當考慮阻抗匹配問(wèn)題。在RS-485網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)的開(kāi)始端和終端各接1并接一只1209的匹配電阻(如圖2中R VCCR12),以減少線(xiàn)路上傳輸信號的反射。D GND485ARS-485標準定義信號閾值的上下限為±200mV。即當隊≥+200mV時(shí),SN75LB C 184總線(xiàn)狀態(tài)應表示為“1”;當V-V≤-200mV時(shí),總線(xiàn)狀態(tài)應表示為“0”。但當V-VB0.1在±200mV之間時(shí),則總線(xiàn)狀態(tài)為不確定。這樣定義差分輸入端能夠提供比較高圖2RS-485串行迺信接口電路的噪聲抑制能力。因此,在SN75LBC184芯片的差分輸入端A,B分別接上拉電阻R和下拉電阻R1,使開(kāi)始總線(xiàn)空閑或開(kāi)路時(shí),呈現唯一的高電平,即可很好地解決此問(wèn)題。初始化通過(guò)RS-485串行通信接口可以實(shí)現工業(yè)復雜電磁環(huán)境下信息的遠距離傳輸和網(wǎng)絡(luò )化測控數據信號采集鍵盤(pán)中斷3檢測儀的軟件實(shí)現周用AD轉換程序氣相乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀的軟件部分包括數據采集、AD轉中斷處理數據處理?yè)Q、數據處理、1602顯示驅動(dòng)、鍵盤(pán)控制和串行通信接口等子程中斷返回序。圖3為軟件系統的主程序流程。數據采集子程序主要用于對數據顯示傳感器信號的采集,AD轉換子程序,完成AD芯片的驅動(dòng)和把數據通信信號從模擬物理量到數字信息量的轉變;數據處理子程序主要根據前期曲線(xiàn)擬合算法得到的采集電壓與所測乙醇濃度值之間的擬合關(guān)系式計算最后測量的乙醇濃度值;鍵盤(pán)控制子程序主要用于在進(jìn)行裝置實(shí)驗標定時(shí)辨識參數的輸入和實(shí)際生產(chǎn)應用時(shí)進(jìn)行顯圖3軟件系統的主程序流程圖14齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報2011年示數據的切換;串行通信子程序的功能則是用于完成檢測儀與主機的通信任務(wù),實(shí)時(shí)的將檢測數據傳送給上位機,以便于系統的網(wǎng)絡(luò )化監控。每當系統上電或復位后,首先執行初始化程序。包括1602液晶顯示初始化、AD7705初始化、按鍵初始化、定時(shí)器初始化、RS-485串行通信接口初始化等初始化子程序。初始化之后開(kāi)始進(jìn)入主函數,主函數段 while循環(huán)代碼,在該代碼里完成數據的擬合、計算、顯示、存儲、通信等工作。在程序執行過(guò)程中允許鍵盤(pán)中斷程序,實(shí)現對實(shí)驗裝置進(jìn)行標定,還可以進(jìn)行選擇切換顯示內容(顯示補償電阻值、實(shí)際測量電阻值或擬合后的乙醇濃度值)、重新輸入擬合參數等操作。4檢測儀的校準方法微生物發(fā)酵乙醇濃度檢測儀的標定可以采用的方法有兩種,實(shí)際生產(chǎn)標定法和實(shí)驗室標定法。實(shí)際生產(chǎn)標定法由于是基于實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程,因此標定的精確度很高,但是在標定過(guò)程中很難取樣到在整個(gè)檢測儀量程范圍內均勻標定數據。如果僅對這些不完整的數據進(jìn)行處理,并試圖用這些數據標定出在線(xiàn)檢測儀整個(gè)量程范圍內的電壓值與乙醇濃度值之間的對應關(guān)系曲線(xiàn),則有可能會(huì )在一些測量范圍內產(chǎn)生較大的誤差;而實(shí)驗室標定法可以用人為加減無(wú)水乙醇的方法控制取樣溶液的乙醇濃度值,理論上可以得到檢測儀量程范圍內任一濃度值,使用這些均勻完整的數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合,可以在檢測儀整個(gè)量程范圍內更精確的得出的傳感器輸出電壓值與氣相酒精濃度值之間的對應關(guān)系。但是和實(shí)際生產(chǎn)標定法相比,實(shí)驗室標定只是模擬發(fā)酵過(guò)程的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境,并不能準確的反應發(fā)酵的實(shí)際過(guò)程。針對兩種標定方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對液相乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀的標定采取了將兩種標定相結合的標定方法,首先量取適量的發(fā)酵溶液,然后通過(guò)向發(fā)酵液中添加入無(wú)水乙醇的方式來(lái)控制發(fā)酵液中的乙醇濃度,這樣的標定方法不僅實(shí)現了標定環(huán)境和真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的一致性,同時(shí)均勻全面的得到所需濃度的發(fā)酵溶液,既減小了標定的工作難度又保證了標定的精度。5結束語(yǔ)本文設計了基于A(yíng)R單片機的酒精濃度檢測儀,設計過(guò)程包括了硬件電路設計、軟件程序編寫(xiě)、軟硬件整合和檢測儀綜合標定三部分。硬件電路部分結構簡(jiǎn)單、抗干擾能力強,適用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。軟件部分釆用模塊化設計思想,各個(gè)子程序的功能相對獨立,便于調試和修改。檢測儀標定過(guò)程快速、準確,標定精度相對較高。通過(guò)軟、硬件聯(lián)合調試,實(shí)驗結果表明該檢測儀具有檢測精度髙,響應速度快,性能穩定等特點(diǎn)。參考文獻「!l胡長(cháng)鵬,洪曉斌,劉桂雄,等.基于軟測量技術(shù)的液相乙醇濃度在線(xiàn)檢測系統.科學(xué)技術(shù)與工程,2008(8):1671-1675[2葉廷東,黃國健,劉桂雄基于多傳感軟測量的在線(xiàn)檢測裝置研制門(mén)制造業(yè)動(dòng)化,2009(31):60-63.「3]王建林,趙利強.智能化微生物發(fā)酵乙醇濃度在線(xiàn)檢測儀的研制門(mén)應用基礎與工程科學(xué)學(xué)報,2009,17(5):782-787On-line ethanol concentration detector based on AVRXU Feng-xia, ZHANG Jin-longCollege of Computer and Control Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, ChinaAbstract: The ethanol concentration is an important control parameter in fermentation process, the accuracy ofmeasurement of ethanol concentration has a direct influence on the control accuracy of the fermentation process andthe quality of the fermented product. Basing on the principle of gas-liquid phase equilibrium, establish the on linemeasurement mathematical model of ethanol concentration. The AVR and TGS2620 as the core, design an on lineethanol concentration detector: Theory and experiment prove that this detector possesses some good features includinggood generality high measuring accuracy, stable performance and fast response speed and so onKey words: alcohol concentration; principle of phase equilibrium; TGS2620: AVR; RS-485