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基于ZigBee的在线碱液浓度计.pdf

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基于ZigBee的在线碱液浓度计.pdf

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基 于 ZigBee的在 线 碱 液 浓 度计 董 方 武  基 于 ZigBee的在 线 碱液 浓 度 计  On—line Alkali Concentration M eter Based on ZigBee  肇 方 武  (浙 江纺织服 装职业技 术 学院 ,浙 江 宁波 315211)  摘 要 :针 对织物 丝光及后 处理工 艺碱浓 度检测 过程 中对监控 系统 实 时性 的要求 ,根 据 电化学 原理 ,提 出 了基 于 ZigBee技 术 的碱 浓  度检 测系统 。系统选用 .11公 司基 于 ZigBee技术 的 CC2430芯片作 为系统数据 采集 与传输 、数据显 示节 点的控 制器 。设 计并 给 出 了碱  浓度 数据采 集电路 、主节点 与数据 显示 电路 原 理 图和程 序 流程 。运 行结 果 表 明 ,该 系统 具 有稳 定 可靠 、抗 干 扰 、体 积 小 、成本 低 等特  点 ,为化 工及纺 织等企 业的碱浓 度检测 提供 了一种新 技术 。  关键 词 :ZigBee  CC2430  碱浓 度 检 测 节 点设计  中图分 类号 :TP212.6  文献标 志码 :A  Abstract: In textile mercerizing and finishing technological processes,aiming at the requirement on real—time performance of monitoring system  in detecting process for alkali concentration,and in accordance with the principle of electrochemical,the monitoring system based on ZigBee  technology is put forward. In the system ,the ZigBee—based chip CC2430 from TI has been selected for data acquisition and transmission,data  display and node controller. The principle and program flowcharts of concentration data collection circuit,main node。and data display circuit  ale given.The ope rational result shows that the system is stable,anti—interference I compact and low—cost;it offers a new technique for detecting  concentration of alkali in chemical and textile industries.  Keywords: ZigBee  CC2430  Alkali concentration  Detection  Node design  0 引言  且呈簇状分布的监 控系统 中。它可与电化学传感器组  成一种低成本 、高精度 、高可行性 的检测设备 。  在纺织 织物丝光 、炼 漂等前处理工艺 中,需要使用  NaOH(烧碱)对织物进行处理以达到工艺要求 ,而在织物  1 检 测原理  漂洗后处 理工 艺 中则 需要 去 除织 物 中的残 留碱… 。在 这  根据电化学原理 ,金属 在酸碱盐 溶液 中与溶液之  些工艺 中 ,碱浓 度的变 化 大 ,为 了保 证 工艺 的稳 定性 和重  间存在一定 的电位 ,被 称为 电极 电势 。图 1所示 为金  现I生,需要对碱浓度进行实 时检测和处 理。传统生产 中  属 电 势测 量 原 理 图 。  需要结合不同的工艺和使用不同的检测方法 ,如密度法 、  折 光法 、电导法和滴 定法 等 ,而这 些 检测 方法 均具 有 一定  的局限性,检测时需要使用不同的检测设备  ,结构复杂、  安装和维护也不方便、实时性较差 ,同时,检测设备的成本  较高 ,检 测 精 度 也 在 一 定 程 度 上 受 到 工 艺 扰 动 的影 响。  根据电化学原理,可通过测量工作液中 OH 离子浓度 ,达  到检测碱浓度的目的。这种方法可直接检测工作液 中的  碱浓度,基本不受工作液的扰动和其他因素的影响 j。  ZigBee技术作为 一种新兴 的无线 监控技术  ,特  别适合应 用在数 据量 小 、数 据格式 简单 、实时 性要 求  高 、工作现场环境恶劣 、布线 与供 电不 方便 、监控点 多  图 1 金 属 电势 测 量 原 理 图  Fig.1  Principle of metal potential measurem ent  金属 电位的变化 与溶液 中离子的浓度之 间存在一  定 的对数关系  。该 电势用能斯特 方程表示为 :  E=Eo+(0.198 4T/n)lgK  (1)  宁波 市先进 纺织技 术与服装 CAD重点 实验 室基 金 资助 项 目(编号 :  2007ZDSYS—A一002)。  修 改稿 收到 日期 :2oo8一ll一26。  作 者董方武 ,男,1964年生 ,1984年毕 业于原华 中农学院机械 专业 ,获硕  士学位,i, Jgt ̄;主要从事数据采集与过程控制、无线传感器网络的研究。  式 中:  为标准电极 电势 ;T为绝对温度 ,K;rt为 电极  反应中的电子数 ;K为离子浓度。  根据实验可知 ,当温度变化到某一值时(如 25℃),  金属的电势可用下式表示 :  76  PROCESS AUTOMATION INSTRUM ENTATION Vo1.30 No.8 August 2OO9  基 于 ZigBee的 在 线 碱 液 浓 度 计 董 方 武  E =(0.059 2/n)lgK +C  (2)  式 中 :C为金属常 数 ,其值 与金 属 材料 有关 。因此 ,根  据式 (2)测量金属的 电势 ,即可计算 出溶液 的浓度 。  在 测 量 插 入 NaOH 溶 液 中金 属 的 电极 电 势 时 ,不  能直接测量 NaOH溶液 与金属 间 的电势差 ,而要 使 用  溶液引 出电极来测 量  。引 出电极使用 甘汞 电极 (盐  桥 ),通 过 测 量 甘 汞 电极 与 金 属 电极 (Fe)之 间 的 电 势  差 ,根 据 式 (2)即 可 计 算 出 碱 液 中 NaOH浓 度 。  2 系统设计 与 实现  2.1 浓 度 检 测 电 路 原 理  浓度传感器 电路 由金属 电极和盐桥组成 。金属 电  极采用不锈钢电极 、盐桥使用甘汞 电极 ;金属 电极与 甘  汞 电极之间的电势差信号经过小信号处理 电路处理放  大后 ,输入到 ZigBee处理器 ,通过 CC2430进行 A/D转  换" 。电势差信号 由 CC2430处理 后 以无 线方式 传输  到 无 线 接 收 端 ,再 由接 收 端 的 微 处 理 器 CC2430处 理   后 ,将浓度显示 在显示屏上 ,同时将浓度数据经数据接  口输入到计算机系统 ,进行存 储 和数据 处理 。碱 浓度  检 测 系 统 原 理 如 图 2所 示 。  数 据 处理 与显 示节 点  碱浓度传感器}= ——  1  CC 一24.3.0  . 温度传感器  竺兰三竺I I 与 菇  节点  图 2 碱 浓 度 检 测 系 统 框 图  Fig.2  Block diagram of the detection  system of alkali concentration  2.2 浓 度 检 测 电路 设 计  碱 浓度与温度检测基本电路如图 3所示 。碱浓度  检测电路使用 两个 高输 入、输 出阻抗 的斩波稳零 运算  放大器 ICL7650,即 u 和 u 组成 差动放 大 电路  ,其  输入阻抗在 1O Q 以上 ,从 而使输入信号 不受 电路 阻  抗 变 化 的影 响 。 由 于 ICL7650利 用 动态 校 零 技 术 消 除  了 CMOS器件 固有 的失调 和漂 移 ,克服 了传统 斩波稳  零 放大器的缺 点 ,使 该 电路 能够有 效抑 制共模 噪声 的  干扰 ,以适应工业 现场 复杂 的环境 。放 大器供 电 电压  为 5 V,通过调节 PR 、PR 、PR 的阻值 ,使 u 输 出电  压 为 0~3.3 V。  图 3 碱 浓度 与 温 度 检 测 基 本 电路  Fig.3  Basic circuits for alkali concentration and temperature detection  温 度 检 测 电路 采 用 AD590(U )作 为 温 度 传 感  器  j,温 度 检测 范 围 为 一55~ +150 oC,有 较 宽 的 电 源  电 压适 应 能 力 。放 大 器 采 用 ICL7560(U ),通 过 调 节  PR,和 PR,来 调整温度 检测范 围 ,使 U 的输 出在 0~  3.3 V,PR 用 于 调 节 U 的 输 入 失 调 。 电源 由 U 及 u  提供 土5 V电压 。  数据 处理与传输电路采用 ZigBee芯片 CC2430,包  括 与 8051兼容的 内部 CPU、8/14位 的 ADC、128 kB的  RAM 及符合 IEEE 802.15.4标 准 的 RF无 线收 发机 。  由 u 和 u 输出 的信号分别通 过 P。和 P0。输 入 至 u  .  内部 的 ADC进 行 A/D转换 。当 u 接 收 到 主节点 的  数据采集指令 时 ,启动 中断处理程序 ,在一段连续时 间  内对浓度 和温 度电压信 号采样 ,然 后对所 采集 的数据  进 行 等 精 密 度 处理  。。;将 处 理 后 的 浓 度 和 温 度 数 据 存  储 到指定 的存储 单元 ,并 以一定 的数 据格 式 经 RF模  块 传 输 至 主节 点 。  2.3 数据接收 与处理 电路设计  CC2430将接 收到的浓度 和 温度信 号存 储 到其指  定 的存储 区 ,然后调用数据处理子程序 ,采用特定 的算  法对采集到 的浓度数 据进行 处理 ;将 处理 得到 的 电压  数据 (金属 电极 的电势 )按 式 (2)计算 出碱 液 的浓度 ;  最后将浓度数据输送至液 晶显示器显示 。液 晶显示器  《自动化仪表》第 30卷第 8期 2009年 8月  77  基 于 ZigBee的 在线 碱 液 浓 度 计 董 方 武  采用 TBG128064F型带 中文字库 的显示 模块 ,同时 ,通  ~¨  过 MAX232串 口电路输 出到计算机 系统 ,由计算 机系  统进行存储和相应的处理Nm一I— ,基D本 T舢电 N路  舢RT 如N 图 N 舢T4 所 示。  c ÷   1  I  l  C  I28x64  液 晶显示 器  ∞ ∞ 兰叁  U  U   C  0%和 42%浓度的液体用于调整检测 电路 的输 出信号 ,  即电压为0~3.3 V。滴定与检测浓度 比较如表 1所示。  表 1 滴定 与 检 测 浓度 比较 表  Tab.1  Comparision of titration and detection concentrat ion  襄工一一一— 一IdnD一 一D一 G DO 一G一n 一D一IG.一_1(~ ¨ C 舯 ‰‰‰  蝴 L 一   cJL   C 1,  图 4 数 据 接 收 与 处 理 基 本 电路   4 结束语  Fig.4  Basic circuit for data receiving and processing  2.4 软 件设 计  碱浓度检测系统 软件采用模 块化设计 ,主要 由碱  浓度数据采集 、数据处理 、数据显示 、数据传输 、无线发  射与接收等模块组成 。数据采集流程如图 5所示 。  碱浓度检测电路采用高输入阻抗 的信号处理 电路  和 CC2430处理器 ;其数据传输使用无线方式,有效克服  了工业现场各种干扰,具有嵌入性 强、检测浓度范 围广、  测量精度高等特点 ,并可与计算机监控系统或与 自动控  制装置配合进行碱浓度 的 自动控制 。该设计 已成功应  用在浙江某印染公 司的 LHJ3126型号 丝光机对织物的  发送加 入 网络信 号  <   奎 >互  丝光等前处理工艺 中,不仅可用于检测 NaOH浓度 ,还  可对 HC1、H:sO 、NaC1、Na:CO 等强 电解质溶液的浓度  进行 高精度 的在线检测 ,在纺织 、轻工 、食品、化工 等行  空 闲状 态  &  是  ————一   接收 指令  < ≤  采集 数据 :浓度,温 度  ’ 一  发 送数 据  业生产 中具有很好的应用价值。  参 考 文 献  [1]范雪荣.纺织品染整工艺学 [M].北京 :中国纺织 出版社 ,2001:  38—52.  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