胡志健100900726自动化1001论文正文Word格式.docx
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1.2研究现状8
1.3研究目标及方案分析8
1.3.1本文研究内容9
1.3.2方案分析9
1.4本文组织结构9
2相关理论综述11
2.1引言11
2.2pH电极检测11
2.2.1pH的定义11
2.2.2pH电极构造12
2.2.3pH电极检测常见问题12
2.3步进电机13
2.3.1步进电机结构14
2.3.2步进电机的原理16
2.3.3步进电机的特性17
2.3.4步进电机驱动与控制18
2.4MSP430单片机21
2.4.1MSP430单片机概述21
2.4.2MSP430单片机片内资源22
2.5SolidWorks25
2.6小结26
3步进电机控制27
3.1引言27
3.2电极水平运动控制27
3.2.1基本结构27
3.2.2设计原理27
3.2.3技术参数28
3.2.4驱动控制28
3.3电极垂直运动控制29
3.3.1基本结构29
3.3.2设计原理30
3.3.3技术参数30
3.3.4驱动控制30
3.4小结30
4通讯设计31
4.1复位指令31
4.2上升指令31
4.3下降指令31
4.4左移指令32
4.5右移指令32
5整体结构33
5.1电源33
5.2MSP430控制核心板33
5.3红外接近开关34
5.4整体结构图35
5.5上位机界面36
6实物调试37
6.1串口调试37
6.2步进电机驱动器调试37
6.3红外传感器调试38
6.4问题与解决方法38
7总结与展望40
7.1总结40
7.2展望40
参考文献41
致谢42
附录
(一)43
译文及原文67
前言
计算机的发展正迅速渗透各行各业,从最初的电子管计算机,发展到晶体管计算机,再到后来的集成电路数字计算机,直到现在的大规模集成电路计算机,无论是从计算速度,还是体积上,计算机都取得了飞速发展,根据摩尔定律:
集成电路上可容纳的电晶体数目,约每隔24个月便会增加一倍。
计算机的飞速发展同时又以网络化、模块化和微机化为特征。
从大型机发展到小型机、微型机。
随着微控制器的性能不断提高,促使以微控制器为控制中心的嵌入式系统得以在工业上广泛的应用。
另外在控制模型、控制算法、实时控制、操作系统等方面也日益完善。
计算机技术与化工产业的有力结合给工业生产带来了十分可观的经济效益。
计算机技术与工业自动化控制相结合催生了许多新的理论和技术,推动了工业生产的发展和计算机控制技术的进步。
在现代化的化工生产中,大量化工过程(如农药和医药生产,制皂,味精提炼,洗涤剂生产等)都需要对其化学反应过程中的pH值进行控制,但由于酸碱中和反应的pH值变化通常呈非线性特征,以及反应过程一般在大容器中进行,中和剂加入到pH值变化所需时间很长,这一严重的非线性与时滞特性给pH控制带来极大困难,不仅难以控制准确,而且浪费大量中和剂。
考虑到单片机运算速度快,控制功能强大,可靠性高、配置灵活方便的特点。
因此,使用单片机来解决工业生产中控制问题是常用的一种处理方式。
目前,在化工业现场大多情况是利用pH检测探头检测溶液的pH值,如GeorgFischerLLC公司生产的2724-2726pH/ORP传感变送器,双结复合电极(参比电极为Ag/AgCl),内温度传感器,自动温度补偿,螺纹设计方便安装。
然而,实际调查发现pH电极长期浸泡在待测液中会明显缩短寿命,因此需要定期更换pH电极,而频繁更换器件无疑降低了生产效率,提高了生产成本,也增加了一线工人的劳动量。
如今常用的处理方式是:
pH电极在使用前被护套里的保护液保护着,目的是为了保持其原来的pH电势平衡不变从而使测量时更加精确,常用的pH电极保护液是:
3mol/L的KCL溶液,问题在于如何实现pH电极在线检测后自动保护:
也就是说当pH电极检测溶液pH后,不仅要传输检测结果而且要脱离待测液而浸泡在KCL保护液中以此来延长寿命,快速恢复活性。
当然,pH值的有效读取与传输也是亟待解决的技术问题。
本课题针对上述这种现状,利用微控制器控制步进电机的方法,结合pH检测技术与嵌入式技术,研究设计一种工业用长寿命pH值在线检测仪,实现pH电极自动保护。
pH探头检测部分和电极运动控制部分。
pH探头检测部分主要包括以下内容:
(1)pH值含义。
pH值是水溶液酸碱度的一种量度。
溶液中的
或
的相对数量决定了水溶液的酸碱性。
(2)pH计组成。
pH计是基于电位法原理设计的pH测定仪,它由电极组成的变换器和电子部件组成的检测器所构成[8]。
(3)pH值测量。
在pH值测量过程中,温度、电极涂层、腐蚀剂、玻璃电极与参考电极阻抗等都会影响pH的测量值,了解影响因素有助于提高测量结果的准确性。
pH探头检测部分主要是了解pH探头的构成与检测原理,选用合适的pH电极做模拟实验,检测待测液pH时输出标准的电流信号(4-20mA)。
电机运动控制部分主要包括以下内容:
(1)电极垂直运动控制。
借助于步进电机与定滑轮,实现pH电极在垂直方向上运动控制。
(2)电极水平运动控制。
借助于减速电机与直线滑台,实现pH电极在水平方向上运动控制。
本文通过构建一种工业用长寿命pH在线检测仪模型解决实际工业现场中pH频繁更换的问题,实验表明,pH检测仪模型能良好工作,一定意义上延长了pH电极寿命。
1绪论
1.1研究目的及意义
1.1.1研究目的
依据pH的定义,pH值是衡量溶液酸碱性的量度,许多场合都需要测定与控制溶液的酸碱性。
pH的测定和控制在工农业生产、科学研究与医疗等方面尤为重要。
在pH检测控制器设计方面,有模糊神经网络pH控制器;
在pH测控装置设计方面,8031单片机实现常规的PID控制、应用KMM可编程控制器组成非线性串级控制系统、以计量泵作为控制元件的pH值控制系统等,很好地解决了pH值检测过程中许多问题,但也有一定的缺陷。
本文主要是针对pH检测过程中如何有效控制电极工作,旨在提出一种工业用长寿命pH在线检测仪。
1.1.2研究的意义
传统的pH值检测借助于人工操作完成,需要多次测量。
传统的方法繁琐、效率低,并且增加了人力成本。
随着单片机的普及与性能的提高,利用以单片机为核心的嵌入式系统解决工农业生产问题己经成为研究的热点。
如今pH检测已广泛应用于工业(尤其是化学与化工)、农业、医疗、科学研究、生活用品等领域。
很多化学反应需要在特定的pH下进行,否则得不到所期望的产物。
例如,氯碱工业生产中所用食盐水的pH要控制在12左右,以除去其中的
和
等杂质。
在无机盐的生产中,为了分离所含的杂质如
,常把无机盐溶液的pH调到5左右,此时
形成
沉淀而分离析出,其他阳离子却留在溶液中;
很多植物有喜酸性土壤或碱性土壤的习性,土壤的pH关系到农作物的生长,有的作物如芝麻、油菜、萝卜等可以生长在较大的pH范围内,有的却对土壤的pH反应非常敏感,如茶树适宜在pH约为4.0~5.5的土壤中生长。
所以控制土壤的pH可以使种植的植物生长的更好。
可见溶液的pH测定广泛应用在各个领域中。
目前的研究主流是pH控制器与测控装置,并没有装置用于延长pH电极的使用寿命。
如何实现pH电极在线检测后自动保护:
当pH电极检测溶液pH后,传输检测数据,并脱离待测液而浸泡在KCL保护液中,快速恢复活性。
pH电极间歇性工作,延长寿命以降低生产成本具有现实的意义。
1.2研究现状
在pH检测控制器设计方面,薛艳君、薛薇、郑劭馨设计的模糊神经网络pH控制器[9],针对pH值控制过程中非线性、纯滞后性的特点,采用模糊控制技术与神经网络技术相结合构成的模糊神经网络pH控制器,克服了传统PID控制达不到满意控制效果的缺陷。
在pH测控装置设计方面,由于市场需要,研制与开发pH测控装置的研究院与公司也逐日增多,例如在研究锅炉给水pH检测方面,陈荣、丘达人在分析锅炉给水pH值检测原理的基础上,说明了pH检测输出的电势不仅与被测溶液的pH值有关,而且与被测溶液的温度有关,并给出了关于温度对pH值影响的放大器补偿电路控制方法,采用8031单片机实现常规的PID控制[5]。
1994年,卞平针对工业废液中的pH值控制问题,应用KMM可编程控制器组成非线性串级控制系统[6],引入流量参数串级控制,运用TBL、PMD实现非线性控制,采用KMM内部的运算模块实现分程控制,以防止用阀门定位器进行分程控制时因定位的放大作用而引起系统不稳定。
1995年,杨明建设计的以计量泵作为控制元件的pH值控制系统[2]。
总体来说,工业现场pH检测始终是专家、学者们的热门研究问题。
研究形式多样,内容涉及面十分广泛,随着科技的进步,技术的发展,新兴的pH检测理论与装置如雨后春笋般不断涌现。
1.3研究目标及方案分析
设计并实物制作一种工业用长寿命pH值在线检测仪。
检测仪运作时,借助于电机转动实现pH电极水平与垂直运动,借助于单片机精确控制,实现电极间歇性工作。
当pH电极检测溶液pH之后,脱离具有一定腐蚀性的测试液,移动pH电极使其浸入保护液中快速恢复电极活性,以便延长电极的使用寿命。
1.3.1本文研究内容
本文主要研究内容是pH电极运动控制部分,从两个方向控制pH电极运动:
水平方向和垂直方向。
水平运动实现主要包括:
(1)选择合适的直线滑台,带动电极水平运动;
(2)选择合适的电机驱动器,驱动步进电机;
垂直运动实现主要包括:
(1)选择合适的减速电机,体积较小;
(2)选择合适的鼓轮与定滑轮,制作传动装置牵引pH电极上下运动;
(3)选择合适的电机驱动器,驱动减速电机。
1.3.2方案分析
为了设计工业用的长寿命pH在线检测仪,首先需查阅与污水处理、pH值检测相关的国内外文献,熟悉工业污水处理工艺流程与控制技术,熟悉基本pH检测机理与现象;
进一步,选购pH电极,利用pH电极检测待测液,实现pH值在线检测。
智能化与自动化的系统离不开CPU的控制,采用C语言[14]编写并调试整个控制系统的软件。
选用MSP430单片机控制整个系统的运行,实现工业现场pH检测的自动化与智能化。
在整个检测装置设计过程中,最为关键与困难之处在于机械结构的设计与制作。
设计并搭建pH保护装置,包括元件选型与样机制作。
硬件设计主要是控制器基本电路、电源电路、传感器信号输入电路等设计与调试。
当然最基本的器件必不可少,如合适的步进电机、驱动电路与直流电源。
1.4本文组织结构
第1章,绪论。
介绍本文要解决的问题,包括研究目的与意义、国内研究现状及方案分析。
第2章,相关理论综述,主要介绍pH在线检测、步进电机、MSP430单片机、3D机械设计SolidWorks软件等的基础知识。
第3章,步进电机控制。
提出电极运动控制方法,并结合建模图讲述实际运动控制效果。
第4章,通讯设计。
讲述上位机通过串口发送控制指令,控制电极运动。
第5章,整体结构。
介绍整个检测仪的组成部件与结构,上位机设计。
第6章,实物调试。
讲述了调试过程中遇到的问题与解决办法。
第7章,总结与展望。
对论文所述内容加以总结,提出下一步改进思路。
2相关理论综述
2.1引言
单片机(也称微控制器)发展非常快,而且处理速度与综合性能提升迅速,主要归功于电子设计理论与制造工艺不断完善与提升。
单片机的发展推动了以微控制器为核心的嵌入式系统发展,并迅速融入生产与生活中。
下面就pH电极检测、步进电机运动、MSP430单片机等内容做简要介绍。
2.2pH电极检测
pH测量有广泛的工业应用,几乎每一个行业都会用到pH值检测,应用范围从水调节到与废物处理相关的一些特定的处理机制。
2.2.1pH的定义
定义2-1:
pH值是严格定义为氢氧根离子浓度的对数(
)[7]:
(2-1)
氢离子活度的定义为1摩尔氢离子浓度乘以一个活动系数,考虑相互作用的氢离子与其他特定的化学物质。
在实践中,pH值通常被认为是氢离子浓度的对数:
(2-2)
在这种形式,pH值使用时为了方便简称表达为氢离子浓度。
在25摄氏度常温下,中性溶液的pH值为7.0,酸性物质的pH小于7,而碱性物质的pH数值大于7。
2.2.2pH电极构造
图2.1电极构造
其中,左侧为pH电极,中间为温度元件,右侧为参比电极,连接到pH分析仪。
pH电极与参比电极组合呈现了一个等势点,在等势点,即使温度发生变化,毫伏电势是一个常量。
最常用的等势点被设定成7.0pH下电势零毫伏。
借助于等势点,结合理论上已知的电极特性使得相对于参考温度(通常为25摄氏度)的任意温度下测量时的补偿(纠正)pH值测量结果成为可能,借助来自于温度传感器的温度信号,使得pH值测量摆脱随着温度变化电极输出发送变化的现象。
2.2.3pH电极检测常见问题
借助于pH玻璃电极检测溶液pH值时,最终的pH检测输出(4-20mA电流)常会受多方面因素影响,下面简要说明常见的影响因素。
在诸多影响因素中,温度对pH电极输出电流影响最大。
溶液的pH值检测会随着温度变化而发生改变,归因于温度对弱酸与弱碱电离,以及水本身的电离产生影响。
事实上,任何pH值等于或大于7的测量值在某种程度上依赖于温度,对于测量结果影响多少取决于测量方案的组成以及测量过程中温度比25摄氏度多少。
这种现象(特性)常被用来解释实验室测量与在线测量的差异性。
先进的的pH分析仪允许借助于温度补偿方式来修正温度以及毫伏电压输出对pH产生的测量误差。
只需要简单的输出温度测量因子(每变化一摄氏度下pH变化)。
其次,在强碱性溶液测量时,pH测量易受钠离子影响。
更准确地说是碱性离子测量误差,钠离子测量误差常发生在高pH值下,当与钠离子浓度相比时氢离子浓度非常低的情况下。
钠离子浓度相对于氢离子而言浓度太高以至于电极开始对钠离子产生反应。
导致的结果是pH测量读数时低于实际的pH值。
根据不同的pH电极组成,这种现场可能在低至10pH时情形下发生。
相比钠离子,锂离子将产生一个更大的误差,然而钾离子影响则可以忽略不计。
而当测量诸如氢氟酸也会溶解玻璃电极,但也有特殊配方设计的pH玻璃电极以抵抗氢氟酸的腐蚀,当按照使用规范操作时能达到适宜的电极寿命。
重要的一点是,虽然只有氢氟酸而不是氟离子破坏玻璃电极,但是氢氟酸是一种弱酸。
因此,在pH值很高的情形下测量时,即使有相当高的氟离子浓度也不会对电极产生伤害。
但是如果测量时pH变小,氟离子会与氢离子结合而形成氢氟酸从而破坏电极。
因此,对于极端环境下的pH值测量显得尤为重要(即使过程十分混乱),其中氟离子的浓度决定了测量时氢氟酸的最大浓度。
此外,由于pH电极的构造,参考电极的变化对于输出的电流不可忽视。
其中参考电极毒化。
常见毒化电极离子包括溴、碘、硫离子,当这些离子进入填充液时,会形成不可溶的银离子沉淀物,但对参考电极的初始电势并不会产生影响。
沉淀掉的银离子可以通过溶解氯化银得以补偿,直到氯化银的涂层完全失去之后导致参考电极的电势(或温度特性)发生巨大的改变。
当到这种程度时,参考电极必须被替换。
毒化还有可能在还原剂亚硫酸氯或络合剂(氨)的减少而导致填充液中银离子形成银或络合物导致银离子浓度的降低。
为了维持参考电极与pH电极之间的电气连接,在参考电极与测量电极之间必须要有一个可自由扩散层。
在某些情形下,高浓度离子形成不可溶的银离子沉淀物(尤其是硫化物)沉淀在液体接界与接口处。
金属离子与氯离子形成不可溶的盐(一般重金属为:
银、铅、汞)也沉淀在液体接界处。
当液面接界不再发生离子迁移时,读取到的pH测量值将发生不可预测的漂移,这就是通常所说的液体接界的堵塞。
2.3步进电机
电机有各种分类方式,如用电压种类分类时,有AC驱动与DC驱动;
用旋转速度与电源频率关系分类时,则有同步电机和异步电机[1]。
依据小型电机系列分类,步进电机属于DC驱动的同步电机[10],但无法直接用DC或AC电源来驱动,因此需要配备驱动器才能使用。
步进电机与无刷DC电机一样,借助驱动电路将电机定子与DC电源连接在一起工作。
步进电机驱动电路的主要功能,是按顺序指令切换DC电源的电流流入步进电机的各相线圈。
2.3.1步进电机结构
当步进电机切换一次定子绕组的激磁电流时,转子就旋转一个固定角度即步距角。
步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到,相极数是偶数。
步进电机通常都为两相以上的,当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步进电机。
虽说单相,实际上是一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动转子转动。
实用的步进电机的相数有单相、两相、三相、四相、五相。
现在使用的步进电机大部分用永磁转子。
普通使用永久磁铁的原因是效率高,分辨率高等优点。
(1)决定步距角的因素
步进电机分辨率(一圈的步数,360度除以步距角)越高,位置精度越高。
为了得到高分辨率,设计的级数要多。
PM型转子为N和S极在转子的铁心外表面上等节距放置,转子极数为N极和S极之和,为了简化分析,假设极对数为1。
此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角
,由式(2-3)表示,其中
为转子极对数,P为定子相数:
(2-3)
上式表明,一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角。
由式(2-3)分析可知,步距角越小,分辨率越高,因此要提高步进电机的分辨率,就要增加转子极对数N,或采用定子相数P较多的多相式方法,矛盾的是
的增加受到机械加工的限制,所以要制造高分辨率的步进电机需要两种方法并用才行。
(2)两相步进电机
两相步进电机最简单的构成为
的情况,电机结构如下图2.2所示。
一般两相电机定子磁极数为4的倍数,至少是4。
转子为N极与S极各一个的两极转子。
定子一般用硅钢片叠压制作,定子磁极数为4极,相当于一组绕组占两个极,A相两个极在空间相差
,B相两个极在空间上也相差
。
电流在一组绕组内正负流动(驱动方式称为双极性驱动),A相与B相电流的相位相差
,两组绕组中矩形波电流交替流过。
即两相电机的定子,在
=1时,空间相差
,时间上电流相差
相位,电流与普通的同步电机相似,在定子上产生旋转磁场,转子被旋转磁场吸引,随旋转磁场同步旋转。
如下图2.2所示,两相步进电机的结构(PM型)及其运行原理,从图2.2(a)到图2.2(b)顺时针旋转
,依次图2.2(c)、图2.2(d)均旋转
,依次不断运转成为连续旋转。
以图2.2为例,假如A相有两个线圈,单向电流交替流过两个线圈,也可产生相反的磁通方向,此方式称为单极(unipolar)型线圈。
图2.2两相步进电机的结构与运行原理(PM双极型)
如下图2.3
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