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AVR單片機(jī)的乙醇濃度在線檢測儀徐鳳霞,張金龍齊齊哈爾大學(xué)計算機(jī)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)過程中的重要控制參數(shù),乙醇濃度的測量精度直接影響發(fā)酵過程的控制精度和發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量。基于氣液相平衡原理建立乙醇濃度的在線測量數(shù)學(xué)模型,以 ATMEGAL6L單片機(jī)和TGS2620半導(dǎo)體氣敏傳感器為核心,設(shè)計了乙醇濃度在線檢測儀。理論和實(shí)驗證明該檢測儀具有通用性好、測量準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)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中圖分類號:TP212413;O643.1文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。隨著乙醇工業(yè)在我國迅速發(fā)展,實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中要求乙醇濃度能夠?qū)崟r在線檢測。目前乙醇濃度的檢測大多采用離線的方法,主要是基于化學(xué)滴定法和液相色譜法。現(xiàn)有的檢測手段具有檢測方式復(fù)雜、檢測周期長和不便于信號遠(yuǎn)距離傳輸及網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等缺點(diǎn)。目前對于工業(yè)生產(chǎn)中乙醇濃度的在線檢測的研究很少,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、穩(wěn)定的乙醇濃度在線檢測技術(shù),研制乙醇濃度在線檢測儀具有很高的學(xué)術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)價值。系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)由于發(fā)酵過程中溶液濃度檢測的復(fù)雜性,目前的傳感器還不能直接在線檢測液態(tài)乙醇的濃度,因此需要通過數(shù)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(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)氣液相平衡原理,在微生物發(fā)酵過程中,當(dāng)氣體和液體達(dá)到平衡的狀態(tài)時,發(fā)酵罐中所有的狀態(tài)(如溫度,壓力,組分等等)都不會發(fā)生變化,即發(fā)酵罐中的氣體成分和液體成分處于動態(tài)平衡狀態(tài)。此時如果測量得到發(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(yùn)用系統(tǒng)辨識的方法建立氣相乙醇成分濃度在線檢測數(shù)學(xué)模型。由于測量過程中沒有確定的乙醇濃度與傳感器輸出電壓值之間的函數(shù)關(guān)系,因此采用曲線擬合方法進(jìn)行測量系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)儀器測量的乙醇濃度值作為測量模型的輸出量,運(yùn)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(shù)學(xué)關(guān)系式。該模型為一個多項式函數(shù),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(shù);n為多項式函數(shù)的階數(shù),一般不超過102檢測儀的硬件設(shè)計結(jié)合成本、檢測精度、抗于擾性、系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性等因素,選用 ATMEL公司的 ATmegal6單片機(jī)作為檢測儀運(yùn)算處理核心。檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置由傳感器信號檢測、信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)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AVR單片機(jī)的乙醇濃度在線檢測儀換、AVR數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)顯示、串行通信和供電電源等6個模塊組成。氣敏傳感器信號經(jīng)由濾波處理后,由12位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7705進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號通過PA0口進(jìn)入AVR單片機(jī),然后由AVR單片機(jī)結(jié)合鍵盤輸入?yún)?shù)進(jìn)行曲線擬合或數(shù)據(jù)計算,并將處理結(jié)果用于歷史數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示和串行通信。液晶顯示氣敏傳感器信號調(diào)理ATmegal6AD轉(zhuǎn)換RS485圖1在線檢測儀硬件結(jié)構(gòu)框圖串行通信模塊由SNη5LBC184芯片組成,該芯片帶有內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護(hù)裝置。能承受峰值400W的過壓瞬變,顯著提髙了抵抗數(shù)據(jù)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(dá)8kV的靜電放電沖擊及能抗雷電的沖擊。在實(shí)際工程應(yīng)用中,考慮到總線上某一臺分機(jī)的SN75LBC184芯片短路,可能影響其它分機(jī)的通信,因此在SN75LBC184的信號輸出端各串聯(lián)了2個209的電阻R3、R4這樣單個芯片的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在設(shè)備現(xiàn)場連線時,信號傳輸一般選用雙絞線,它的特性阻抗約為1209,所以線路設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮阻抗匹配問題。在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的開始端和終端各接1并接一只1209的匹配電阻(如圖2中R VCCR12),以減少線路上傳輸信號的反射。D GND485ARS-485標(biāo)準(zhǔn)定義信號閾值的上下限為±200mV。即當(dāng)隊≥+200mV時,SN75LB C 184總線狀態(tài)應(yīng)表示為“1”;當(dāng)V-V≤-200mV時,總線狀態(tài)應(yīng)表示為“0”。但當(dāng)V-VB0.1在±200mV之間時,則總線狀態(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,使開始總線空閑或開路時,呈現(xiàn)唯一的高電平,即可很好地解決此問題。初始化通過RS-485串行通信接口可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)復(fù)雜電磁環(huán)境下信息的遠(yuǎn)距離傳輸和網(wǎng)絡(luò)化測控數(shù)據(jù)信號采集鍵盤中斷3檢測儀的軟件實(shí)現(xiàn)周用AD轉(zhuǎn)換程序氣相乙醇濃度在線檢測儀的軟件部分包括數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)中斷處理數(shù)據(jù)處理換、數(shù)據(jù)處理、1602顯示驅(qū)動、鍵盤控制和串行通信接口等子程中斷返回序。圖3為軟件系統(tǒng)的主程序流程。數(shù)據(jù)采集子程序主要用于對數(shù)據(jù)顯示傳感器信號的采集,AD轉(zhuǎn)換子程序,完成AD芯片的驅(qū)動和把數(shù)據(jù)通信信號從模擬物理量到數(shù)字信息量的轉(zhuǎn)變;數(shù)據(jù)處理子程序主要根據(jù)前期曲線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;鍵盤控制子程序主要用于在進(jìn)行裝置實(shí)驗標(biāo)定時辨識參數(shù)的輸入和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時進(jìn)行顯圖3軟件系統(tǒng)的主程序流程圖14齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報2011年示數(shù)據(jù)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(jī)的通信任務(wù),實(shí)時的將檢測數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),以便于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。每當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后,首先執(zhí)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。初始化之后開始進(jìn)入主函數(shù),主函數(shù)段 while循環(huán)代碼,在該代碼里完成數(shù)據(jù)的擬合、計算、顯示、存儲、通信等工作。在程序執(zhí)行過程中允許鍵盤中斷程序,實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗裝置進(jìn)行標(biāo)定,還可以進(jìn)行選擇切換顯示內(nèi)容(顯示補(bǔ)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(shù)等操作。4檢測儀的校準(zhǔn)方法微生物發(fā)酵乙醇濃度檢測儀的標(biāo)定可以采用的方法有兩種,實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)定法和實(shí)驗室標(biāo)定法。實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)定法由于是基于實(shí)際的生產(chǎn)過程,因此標(biāo)定的精確度很高,但是在標(biāo)定過程中很難取樣到在整個檢測儀量程范圍內(nèi)均勻標(biāo)定數(shù)據(jù)。如果僅對這些不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并試圖用這些數(shù)據(jù)標(biāo)定出在線檢測儀整個量程范圍內(nèi)的電壓值與乙醇濃度值之間的對應(yīng)關(guān)系曲線,則有可能會在一些測量范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的誤差;而實(shí)驗室標(biāo)定法可以用人為加減無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(nèi)任一濃度值,使用這些均勻完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,可以在檢測儀整個量程范圍內(nèi)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(yīng)關(guān)系。但是和實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)定法相比,實(shí)驗室標(biāo)定只是模擬發(fā)酵過程的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境,并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)發(fā)酵的實(shí)際過程。針對兩種標(biāo)定方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對液相乙醇濃度在線檢測儀的標(biāo)定采取了將兩種標(biāo)定相結(jié)合的標(biāo)定方法,首先量取適量的發(fā)酵溶液,然后通過向發(fā)酵液中添加入無水乙醇的方式來控制發(fā)酵液中的乙醇濃度,這樣的標(biāo)定方法不僅實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定環(huán)境和真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的一致性,同時均勻全面的得到所需濃度的發(fā)酵溶液,既減小了標(biāo)定的工作難度又保證了標(biāo)定的精度。5結(jié)束語本文設(shè)計了基于AR單片機(jī)的酒精濃度檢測儀,設(shè)計過程包括了硬件電路設(shè)計、軟件程序編寫、軟硬件整合和檢測儀綜合標(biāo)定三部分。硬件電路部分結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng),適用于工業(yè)生產(chǎn)過程。軟件部分釆用模塊化設(shè)計思想,各個子程序的功能相對獨(dú)立,便于調(diào)試和修改。檢測儀標(biāo)定過程快速、準(zhǔn)確,標(biāo)定精度相對較高。通過軟、硬件聯(lián)合調(diào)試,實(shí)驗結(jié)果表明該檢測儀具有檢測精度髙,響應(yīng)速度快,性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)「!l胡長鵬,洪曉斌,劉桂雄,等.基于軟測量技術(shù)的液相乙醇濃度在線檢測系統(tǒng).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檢測裝置研制門制造業(yè)動化,2009(31):60-63.「3]王建林,趙利強(qiáng).智能化微生物發(fā)酵乙醇濃度在線檢測儀的研制門應(yīng)用基礎(chǔ)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