摘 要： 針對(duì)膜制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套氮?dú)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/濃度" title="濃度" target="_blank">濃度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),，包括硬件設(shè)計(jì),、選型和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)得所制氮?dú)庵兄饕s質(zhì)氧氣的濃度間接測(cè)得氮?dú)鉂舛?利用氧氣傳感器將氧氣濃度轉(zhuǎn)變成電流信號(hào),，信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送至MSP430G2533單片機(jī)處理,。單片機(jī)的輸出一方面用于控制電磁閥和調(diào)節(jié)閥，另一方面用于LED現(xiàn)場(chǎng)顯示,，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的目的,。系統(tǒng)具有鍵盤(pán)輸入及氮?dú)鉂舛蕊@示功能,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)所制氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)95%以上,。該設(shè)計(jì)成本低,，操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定,，性能可靠,，精度較高。

關(guān)鍵詞： 濃度; 監(jiān)測(cè); 控制

       隨著生活水平的日益提高,，人們對(duì)賴(lài)以生存的食品質(zhì)量要求也與日俱增,，希望每天的食品都是新鮮可口的。在食品包裝袋中充入氮?dú)?，隔絕食品,、水果等與空氣的直接接觸，防止了因大氣與各種包裝食品直接接觸而引起食品的氧化,、褪色,、腐敗以及各種霉菌、細(xì)菌對(duì)食品的侵害,，從而保證了包裝食品的新鮮度,，延長(zhǎng)了包裝食品的存放周期。此法由于氮?dú)獾奶厥馕锢硇再|(zhì)有別于化學(xué)性的防腐處理，所以不會(huì)留下任何殘留物,。這么好的包裝效果以及因此而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益已得到了食品生產(chǎn)商和使用者的認(rèn)可,。而保質(zhì)期的長(zhǎng)短與氮?dú)獾臐舛认⑾⑾嚓P(guān)，這就要求在制氮過(guò)程中做好氮?dú)鉂舛鹊膶?shí)時(shí)檢測(cè),。隨著生活水平的提高,，氮?dú)獾挠猛緯?huì)更加廣泛，對(duì)其濃度的要求也會(huì)越來(lái)越高,。

       目前,，工業(yè)制氮系統(tǒng)大多采用PLC進(jìn)行監(jiān)控，成本較高,體積大,。鑒于這種情況,，本文在此基礎(chǔ)上，針對(duì)膜制氮系統(tǒng),，通過(guò)分析其原理,、工藝流程，以低功耗,、低成本,、性能高為目的，設(shè)計(jì)了一套氮?dú)鉂舛鹊脑诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)利用單片機(jī),、氧氣傳感器、電磁閥等設(shè)備實(shí)現(xiàn)其功能,，不僅價(jià)格低廉,，功耗極低，而且操作簡(jiǎn)單,，控制靈活,，可靠性高，大大約了成本,。

       1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       1.1 膜制氮系統(tǒng)原理

　     膜制氮工藝流程如圖1所示,，該制氮系統(tǒng)以空氣為原料。首先將空氣用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮,，為后續(xù)設(shè)備提供氣源,；再經(jīng)過(guò)空氣預(yù)處理裝置將壓縮空氣進(jìn)行干燥和凈化處理，此過(guò)程包括除水,、吸附除油,、過(guò)濾顆粒和空氣溫度調(diào)節(jié),，為膜組提供清潔的空氣,；然后進(jìn)入膜分離器，也是膜分離制氮的中心環(huán)節(jié)，利用金屬膜或有機(jī)膜對(duì)混合氣體的不同成分具有選擇性滲透和擴(kuò)散的特性來(lái)達(dá)到分離氣體的目的,。經(jīng)過(guò)處理的壓縮空氣進(jìn)入膜分離器后被分為富氧空氣和氮?dú)?，合格的氮?dú)饨?jīng)過(guò)增壓，即可投入使用[1],。

       1.2 氮?dú)鉂舛缺O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       由于空氣的主要成分是氮?dú)?78%)和氧氣(21%),，因此，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)膜分離器分離出的氮?dú)庵醒鯕獾臐舛?，即可間接地測(cè)量出所制取的氮?dú)獾臐舛?，從而判斷其是否合格?/p>

　     氮?dú)鉂舛鹊谋O(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。氧氣傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換,、濾波處理后送至單片機(jī)處理,；單片機(jī)將處理結(jié)果一方面用于顯示，另一方面用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和控制閥的開(kāi)閉,。圖中的控制閥包括氮?dú)夥趴臻y和氮?dú)廨敋忾y,，調(diào)節(jié)閥用來(lái)控制膜分離過(guò)程中的壓差，如果氮?dú)鉂舛鹊陀谠O(shè)定值,，輸氣閥關(guān)閉,，放空閥打開(kāi)，調(diào)節(jié)閥增大開(kāi)度,，提高氮?dú)鉂舛?。另外，本系統(tǒng)還具有鍵盤(pán)輸入和現(xiàn)場(chǎng)顯示功能,，可以設(shè)定氮?dú)鉂舛鹊南孪拗导皩?shí)時(shí)顯示氮?dú)獾臐舛取?/p>

       1.3 硬件選型

       1.3.1 單片機(jī)

       本系統(tǒng)選擇TI公司的MSP430G2533單片機(jī),，它不僅具有超低功耗、高集成度,、高性?xún)r(jià)比的優(yōu)點(diǎn),，更重要的是，其內(nèi)部集成了10位的ADC,，該模塊內(nèi)部是一個(gè)SAR型的AD內(nèi)核,可以在片內(nèi)產(chǎn)生參考電壓,，并且具有數(shù)據(jù)傳輸控制器。本系統(tǒng)為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確,，設(shè)置ADC10的轉(zhuǎn)換模式為單通道重復(fù)采樣,，多次采樣后取平均值[2]。

       1.3.2 氧氣傳感器

       氧氣傳感器采用ZOY系列氧化鋯探頭,，該型傳感器根據(jù)電化學(xué)原電池的原理工作,利用待測(cè)氣體在原電池中陰極上的電化學(xué)還原和陽(yáng)極的氧化過(guò)程產(chǎn)生電流,并且待測(cè)氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比,。這樣，通過(guò)測(cè)定電流的大小就可以確定待測(cè)氣體的濃度,，廣泛適合工業(yè),、礦下及環(huán)保中氧氣濃度的檢測(cè)[3],。

　     本系統(tǒng)選擇量程為0~5%的探頭，其雙路隔離輸出為4~20 mADC,，基本誤差小于±3％,，其輸入-輸出呈線(xiàn)性關(guān)系:

　     Y=320X+0.4      (1)

式中,Y為輸出電流(mA)，X為氧氣濃度(%),。

       1.3.3 鍵盤(pán)

　　   由于本系統(tǒng)控制命令較少,，故選擇獨(dú)立式按鍵，電路圖如圖3所示,。UP鍵可以向上調(diào)節(jié)輸入值,，DOWN鍵可以向下調(diào)節(jié)輸入值，同時(shí)這兩個(gè)鍵還具有選擇設(shè)置對(duì)象的功能,；OK鍵為主菜單鍵,，同時(shí)具有確認(rèn)功能；CANCEL鍵具有取消當(dāng)前值與返回主菜單的功能,。

       1.3.4 顯示器

       由于本系統(tǒng)只要求顯示器顯示數(shù)值,，為節(jié)約成本，選用LED作為顯示器件,。另外,，為便于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，也可將結(jié)果送至PC進(jìn)行顯示,。

       1.3.5 電磁閥

       輸氣閥,、放空閥選用德國(guó)寶得(BURKER)的產(chǎn)品，可以輸出其閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),，其輸入電壓為24 Ｖ,，用于氮?dú)饧兌瓤刂啤?/p>

　    調(diào)節(jié)閥采用智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，選擇上海永鵬電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,，其智能控制器是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制單元,，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程控制電動(dòng)執(zhí)行調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)及開(kāi)度。由遠(yuǎn)程儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí),，可用其輸出信號(hào)(4~20 mA)實(shí)現(xiàn),，定位精度＜1％,并且可手動(dòng)與自動(dòng)操作。選擇輸入為0~5 V型電磁閥,，用于控制系統(tǒng)壓力,，調(diào)節(jié)氮?dú)鉂舛取?/p>

       1.3.6 D/A轉(zhuǎn)換模塊

       D/A模塊選擇TI的TLV5616芯片，它是一款12 bit電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,電壓輸出范圍是參考電壓的2倍,。在參考電壓設(shè)置為2.5 V時(shí),，其輸出范圍為0~5 V，可以直接供給調(diào)節(jié)閥,。

       1.4 電路設(shè)計(jì)

       1.4.1 信號(hào)處理電路

　     信號(hào)處理電路如圖4所示,其作用是將氧氣傳感器輸出的4~20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~3.3 V, 供單片機(jī)處理,。第一級(jí)用采樣電阻獲得電壓, 再放大4.12 5倍;第二級(jí)與0.825 V做減法,得到0~3.3 V電壓可供單片機(jī)的A/D模塊,。

       1.4.2 驅(qū)動(dòng)電路

       驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，其作用是用單片機(jī)的輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)控制閥(即輸氣閥和放空閥)的動(dòng)作,。圖中J1為電磁閥。

       2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

　     系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示,。本軟件流程圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易,方便且易于操作,，主要完成信號(hào)輸入、信號(hào)處理,、鍵盤(pán)輸入,、輸出顯示及輸出控制等功能。另外,，軟件中加入了PID調(diào)節(jié)程序,，減小了系統(tǒng)的誤差，提高了整個(gè)系統(tǒng)的精度[4],。

       2.2 PID子程序流程圖

       2.2.1 PID算法

       常規(guī)的PID算法的基本原理如圖7所示,。 

       模擬PID控制器的規(guī)律為:

       駐u(k)=Kp[e(t)+e(t)dt+

       TD]+u0          (2)

       其中Kp為比例系數(shù)，T1是積分項(xiàng)的比例常數(shù),，TD是微分項(xiàng)的比例常數(shù),，u0為控制常量。

　     PID控制算法分為位置式和增量式兩種,。位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān),，算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差;而增量式中只須計(jì)算增量,，算式中不需要累加,，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí),，對(duì)控制量的影響較小,，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。另外,，由于單片機(jī)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算被控制量,，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制,，并且單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的量有限,。綜合考慮，系統(tǒng)采用增量式PID控制[5],，其算法為：

       u(k)=Kp(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)  (3)

       其中ek為本次采樣誤差,，ek-1為上次采樣誤差，ek-2為上上次采樣誤差,。

       2.2.2 PID程序路程圖

       PID控制子程序流程圖如圖8所示,。其中參數(shù)A=Kp+KD+KI,，B=Kp+2KD，C=KD,。

       本文主要介紹了在膜制氮過(guò)程中氮?dú)鉂舛鹊脑诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，包括硬件及軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)控制功能,，體積小,，低功耗，價(jià)格低廉,，同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示氮?dú)鉂舛?。在膜制氮系統(tǒng)中，使用該監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)將使氮?dú)獾闹迫「颖憷?，同時(shí)提高了整套設(shè)備的精度,，節(jié)省了大量的人力物力，大大降低了成本,。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮永和.膜制氮裝置的應(yīng)用[J].大氮肥,，2010，33(3):214-216.

[2] 沈建華,，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2008.

[3] 陳倫瓊.氧氣濃度檢測(cè)儀在高壓開(kāi)關(guān)站中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012,，34(24):61-62.

[4] 謝小芳,，黃俊，譚成宇.基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013,，39(1):23-26.

[5] 李曉光，王秀,，李民贊.基于單片機(jī)PID和PWM液體流量控制系統(tǒng)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,，2008，24(5):69-71.