基于AVR单片机的乙醇浓度在线检测仪

第27卷第6期齐齐哈尔大学学报Vol 27. No 62011年11月Journal of Qiqihar UniversityNov 2011基于AVR单片机的乙醇浓度在线检测仪徐凤霞,张金龙齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院,黑龙江齐齐哈尔161006)摘要:乙醇浓度是发酵生产过程中的重要控制参数,乙醇浓度的测量精度直接影响发酵过程的控制精度和发酵产品的质量。基于气液相平衡原理建立乙醇浓度的在线测量数学模型,以 ATMEGAL6L单片机和TGS2620半导体气敏传感器为核心,设计了乙醇浓度在线检测仪。理论和实验证明该检测仪具有通用性好、测量准确度高、性能稳定、响应速度快等特点关键词:乙醇浓度;气液相平衡原理;TCS2620;AVR;RS485中图分类号:TP212413;O643.1文献标志码:A文章编号:1007-984X(2011)06-001203乙醇作为一种重要的化学溶剂和生产原料,广泛应用于化工、食品、医药等行业。随着乙醇工业在我国迅速发展,实际工业生产过程中要求乙醇浓度能够实时在线检测。目前乙醇浓度的检测大多采用离线的方法,主要是基于化学滴定法和液相色谱法。现有的检测手段具有检测方式复杂、检测周期长和不便于信号远距离传输及网络化监控等缺点。目前对于工业生产中乙醇浓度的在线检测的研究很少,而且都只处于在实验室研究和探索的阶段。因此,研究快速、实时、稳定的乙醇浓度在线检测技术,研制乙醇浓度在线检测仪具有很高的学术价值和经济价值。系统的原理和结构由于发酵过程中溶液浓度检测的复杂性,目前的传感器还不能直接在线检测液态乙醇的浓度,因此需要通过数学的或者估计的方法寻找容易测量的间接变量与液态乙醇浓度的对应数学关系。根据气液相平衡原理,在微生物发酵过程中,当气体和液体达到平衡的状态时,发酵罐中所有的状态(如温度,压力,组分等等)都不会发生变化,即发酵罐中的气体成分和液体成分处于动态平衡状态。此时如果测量得到发酵罐中气体乙醇的浓度,就可以间接得到发酵液中液态乙醇的含量。运用系统辨识的方法建立气相乙醇成分浓度在线检测数学模型。由于测量过程中没有确定的乙醇浓度与传感器输出电压值之间的函数关系,因此采用曲线拟合方法进行测量系统建模。以TGS2620传感器的输出电压值作为测量模型的输入量,而将高精度标准仪器测量的乙醇浓度值作为测量模型的输出量,运用最小二乘法建立气相乙醇浓度和传感器电压信号之间的数学关系式。该模型为一个多项式函数,如下式(1)所示y=f(x)=a+a x+a, x2+.+a,x"式中:y表示气相乙醇浓度;x表示TGS822传感器检测输出的电压信号;a(i=0,1,2,…n)为模型待辨识的参数;n为多项式函数的阶数,一般不超过102检测仪的硬件设计结合成本、检测精度、抗于扰性、系统可靠性与稳定性等因素,选用 ATMEL公司的 ATmegal6单片机作为检测仪运算处理核心。检测仪的硬件结构如图1所示。该装置由传感器信号检测、信号调理、AD转收稿日期:2011-05-25基金项目:齐齐哈尔大学研究生创新科研项目资助( YJSCX2010005X)作者简介:徐风霞(1970-),女,哈尔滨人,教授,博士,主要研究方向为网络控制,智能控制. fengxia_hi@63.coun第6期基于AVR单片机的乙醇浓度在线检测仪换、AVR数据采集与处理、数据显示、串行通信和供电电源等6个模块组成。气敏传感器信号经由滤波处理后,由12位AD转换芯片AD7705进行模数转换,转换得到的数字信号通过PA0口进入AVR单片机,然后由AVR单片机结合键盘输入参数进行曲线拟合或数据计算,并将处理结果用于历史数据存储、液晶显示和串行通信。液晶显示气敏传感器信号调理ATmegal6AD转换RS485图1在线检测仪硬件结构框图串行通信模块由SNη5LBC184芯片组成,该芯片带有内置高能量瞬变噪声保护装置。能承受峰值400W的过压瞬变,显著提髙了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性。芯片还具有瞬变高压抑制功能,能承受高达8kV的静电放电冲击及能抗雷电的冲击。在实际工程应用中,考虑到总线上某一台分机的SN75LBC184芯片短路,可能影响其它分机的通信,因此在SN75LBC184的信号输出端各串联了2个209的电阻R3、R4这样单个芯片的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在设备现场连线时,信号传输一般选用双绞线,它的特性阻抗约为1209,所以线路设计时应当考虑阻抗匹配问题。在RS-485网络传输线的开始端和终端各接1并接一只1209的匹配电阻(如图2中R VCCR12),以减少线路上传输信号的反射。D GND485ARS-485标准定义信号阈值的上下限为±200mV。即当队≥+200mV时,SN75LB C 184总线状态应表示为“1”;当V-V≤-200mV时,总线状态应表示为“0”。但当V-VB0.1在±200mV之间时,则总线状态为不确定。这样定义差分输入端能够提供比较高图2RS-485串行迺信接口电路的噪声抑制能力。因此,在SN75LBC184芯片的差分输入端A,B分别接上拉电阻R和下拉电阻R1,使开始总线空闲或开路时,呈现唯一的高电平,即可很好地解决此问题。初始化通过RS-485串行通信接口可以实现工业复杂电磁环境下信息的远距离传输和网络化测控数据信号采集键盘中断3检测仪的软件实现周用AD转换程序气相乙醇浓度在线检测仪的软件部分包括数据采集、AD转中断处理数据处理换、数据处理、1602显示驱动、键盘控制和串行通信接口等子程中断返回序。图3为软件系统的主程序流程。数据采集子程序主要用于对数据显示传感器信号的采集,AD转换子程序,完成AD芯片的驱动和把数据通信信号从模拟物理量到数字信息量的转变;数据处理子程序主要根据前期曲线拟合算法得到的采集电压与所测乙醇浓度值之间的拟合关系式计算最后测量的乙醇浓度值;键盘控制子程序主要用于在进行装置实验标定时辨识参数的输入和实际生产应用时进行显图3软件系统的主程序流程图14齐齐哈尔大学学报2011年示数据的切换;串行通信子程序的功能则是用于完成检测仪与主机的通信任务,实时的将检测数据传送给上位机,以便于系统的网络化监控。每当系统上电或复位后,首先执行初始化程序。包括1602液晶显示初始化、AD7705初始化、按键初始化、定时器初始化、RS-485串行通信接口初始化等初始化子程序。初始化之后开始进入主函数,主函数段 while循环代码,在该代码里完成数据的拟合、计算、显示、存储、通信等工作。在程序执行过程中允许键盘中断程序,实现对实验装置进行标定,还可以进行选择切换显示内容(显示补偿电阻值、实际测量电阻值或拟合后的乙醇浓度值)、重新输入拟合参数等操作。4检测仪的校准方法微生物发酵乙醇浓度检测仪的标定可以采用的方法有两种,实际生产标定法和实验室标定法。实际生产标定法由于是基于实际的生产过程,因此标定的精确度很高,但是在标定过程中很难取样到在整个检测仪量程范围内均匀标定数据。如果仅对这些不完整的数据进行处理,并试图用这些数据标定出在线检测仪整个量程范围内的电压值与乙醇浓度值之间的对应关系曲线,则有可能会在一些测量范围内产生较大的误差;而实验室标定法可以用人为加减无水乙醇的方法控制取样溶液的乙醇浓度值,理论上可以得到检测仪量程范围内任一浓度值,使用这些均匀完整的数据进行曲线拟合,可以在检测仪整个量程范围内更精确的得出的传感器输出电压值与气相酒精浓度值之间的对应关系。但是和实际生产标定法相比,实验室标定只是模拟发酵过程的真实生产环境,并不能准确的反应发酵的实际过程。针对两种标定方法的优点和缺点对液相乙醇浓度在线检测仪的标定采取了将两种标定相结合的标定方法,首先量取适量的发酵溶液,然后通过向发酵液中添加入无水乙醇的方式来控制发酵液中的乙醇浓度,这样的标定方法不仅实现了标定环境和真实生产环境的一致性,同时均匀全面的得到所需浓度的发酵溶液,既减小了标定的工作难度又保证了标定的精度。5结束语本文设计了基于AR单片机的酒精浓度检测仪,设计过程包括了硬件电路设计、软件程序编写、软硬件整合和检测仪综合标定三部分。硬件电路部分结构简单、抗干扰能力强,适用于工业生产过程。软件部分釆用模块化设计思想,各个子程序的功能相对独立,便于调试和修改。检测仪标定过程快速、准确,标定精度相对较高。通过软、硬件联合调试,实验结果表明该检測仪具有检测精度髙,响应速度快,性能稳定等特点。参考文献「!l胡长鹏,洪晓斌,刘桂雄,等.基于软测量技术的液相乙醇浓度在线检测系统.科学技术与工程,2008(8):1671-1675[2叶廷东,黄国健,刘桂雄基于多传感软测量的在线检测装置研制门制造业动化,2009(31):60-63.「3]王建林,赵利强.智能化微生物发酵乙醇浓度在线检测仪的研制门应用基础与工程科学学报,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