基于ARM嵌入式高精度测硫仪设计.docVIP

基于ARM嵌入式高精度测硫仪设计 　　摘要 测硫仪是分析煤、石油等能源燃料中硫含量的重要设备。本文采用嵌入式软硬件解决方案、基于库仑法设计了一种高精度测硫仪（简称为EHP-ISA）。仪器采用Cortex-M3核的STM32F103ZE微处理器和μC/OS-II实时操作系统，主要包括高精度数据采集模块、基于PID的电解电流及炉温智能控制模块，以及友好的人机交互接口。测试结果表明，该测硫仪的高中低硫煤的极差在0.003%～0.090%之间，精度高于国家标准，能很好的满足工业界的要求。 　　关键词 测硫仪；库仑法；数据采集；嵌入式 　　中图分类号TQ53 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）80-0220-02 　　0 引言 　　目前，随着人们对大气污染问题的重视，石油、煤矿等开采于经营企业、环境保护部门及煤炭消费者更加重视硫的含量。传统的测硫仪虽然价格便宜，但是大多是基于PLC或8位单片机，很难同时满足高精度、快速、智能等需求。 　　当前，主要有四种硫含量分析的方法：艾氏卡重量法、高温燃烧中和法、库仑滴定法和红外检测法。艾氏卡重量法分析结果准确度高、重现性好，但操作程序复杂、耗能大；高温燃烧中和法的分析结果误差较大、实验周期也较长；红外检测法的测定快速，但开发和生产成本非常高；库仑滴定法[1]分析结果精度高，分析时间短，适合于日常分析。因此，本文EHP-ISA采用的就是库仑滴定法。 　　这里以碘为滴定试剂，煤样在1150℃的高温下，煤中硫会转化为SO2和SO3气体；将燃烧后的气体全部导入电解池，SO2与水反应生成H2SO3，然后又被电解碘氧化成H2SO4。仪器采用双铂电极指示终点。根据电解碘的过程中消耗的电量可以计算出煤中硫的含量： 　　（1） 　　式中：Q为电解碘消耗的电量，mc；ms为试样的质量，mg。 　　1 EHP-ISA硬件系统设计 　　EHP-ISA硬件系统由嵌入式处理器、高精度和高速数据采集模块、电解电流控制模块、炉温控制模块和通信模块等构成（如图1）。 　　嵌入式处理器STM32F103ZE负责采集温度信号和向上位机实时发送数据，并在随机的显示屏上显示相关信息。同时，其也接受来自上位机或触摸屏上发出的控制命令，完成对炉温的温度调节以及搅拌器、气泵、风扇、步进机的控制。 　　EHP-ISA与上位机之间通过RS232串口实现实时通信，上位机发送控制命令，EHP-ISA接收后完成相应的控制。当然，EHP-ISA也可以不与上位机连接，独立工作。独立工作时，操作人员可以通过随机的触摸显示屏上的操作引导完成测量。 　　1.1 数据采集模块 　　在智能控制器中，需要完成采集电解池电极电压、输出到电解池的电流、高温炉中热电偶传感器输出信号和AD590的输出信号4路信号。为了保证高精度及高效性和减小体积，EHP-ISA中采用了ADS1242串行A/D转换器。ADS1242是一款24位串行A/D转换器，提供高达24位无丢失码性能和21位的有效分辨率 ，有兼容SPI的串行接口。 　　ADS1242内含有4通道模拟开关和采样保持电路，可以将上面所述的四种信号转换成数字信号，传送给STM32F103ZE处理器做相应的处理。 　　电解池中的电解电极电压是个幅值很小的信号，一般在20mV～200mV之间，因此在传送到ADS1242进行模数转换之前得放大该信号。 　　EHP-ISA中采用了AD620作为放大器来放大该信号，AD620是一款低成本、高精度、低功耗放大器，增益范围为1～10000。电解电极电压经AD620放大30倍后，与电解池隔离，再传送到ADS1242模数转换器。 　　热电偶传感器的输出信号也十分微弱，仍然先用AD620将其放大（400倍），后进行模数转换。通常，高温炉的要保持在1 150℃，以供煤样完全燃烧。 　　1.2 炉温控制模块 　　在煤样燃烧的过程中要求燃烧炉的温度稳定在1 150℃，精度要较高且波动不能太大，国家标准是波动不能超过5℃。因此要求测硫仪能够精确的测量和控制炉温。 　　EHP-ISA采用热电偶，并用AD590测量冷端环境温度，实现对热电偶传感器的冷端补偿[3]。AD590测出温度T?L后，将其转换成冷端电势EL；将热电偶的输出电势ER和冷端电势EL相加，得到电势E = EL + ER ；计算电势E，转换成炉温T。 　　当燃烧炉加热时候——即炉温在1 100℃以内时，以2s为周期，采用70%占空比的PWM信号对燃烧炉进行加热。 　　当炉温高于1 100℃，对炉温进行PID控制，使炉温保持在1 150℃左右，波动保证在上下4℃以内，这样可以延长硅碳管的寿命，而不至于因频繁的通电和断电而快速老化。 　　1.3 电解电流控制模块 　　在库仑滴定法中，硫的含量是对电解电量积分的结果，因此电解电流的