支撑材料Word下载.docx
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可作为PH电极、电导率电极、及温度传感器等电压型电极的信号处理电路。
图组二
单片机驱动12864液晶屏实现显示功能
该实现完成较早,它主要印证了我们对无线单片机的单片机功能的学习和对12864液晶屏学习
智能仪表表头
该组件作为智能仪表的表头。
具有实时显示终端节点上传数据的功能。
此时无线节点作为无线网络中的协调器,有构建局域网功能。
它将网络多个节点的信息汇聚,并在液晶屏上显示。
通过按键可以切换液晶屏界面,是一个真正的表头。
仪表主界面
仪表主菜单
图组三
第一版自制无线节点实物图
第一版自制无线节点PCB图
这是我们自制的第一版节点样品,由于经验不足,在制作板子过程中,工厂可能没有把接地芯片的接地引脚接地。
性能不佳,有的能用的有效传输距离也只有20到30米。
对巴伦了解还不深刻,前端信号干扰比较强烈。
误差比较大。
第二版自制无线节实物图
第二版自制无线节点的PCB图
这是我们第二次制作的无线节点,与上次相比在性能上有较大改善,将IO口重新分布设计,改进巴伦电路,有效传输距离在80米左右。
自制节点烧程器
这是我们自制的无线节点烧程器,简单、好用。
第二部分项目工作日志
开题篇-道路的选择
2009-10-17我们的实验项目最终通过审核,我们怀着无比快乐的心情,开始了我们的创新试验计划项目之路。
记得我们在得知大学生创新试验计划项目申请通知的时候,怀着一种憧憬与向往的我们思考着我们的项目种类,最终我们想到了现在环境对于国家和国民的影响,又要结合着我们大学中所学的各种知识,怎样给国家人民带来更大的帮助,以上海市最大的冶金企业上海宝山钢铁集团为例,污水处理过程中存在一些问题,如:
有的地方过处理和有的地方欠处理;
许多参数需要现场检测,而复杂的环境给现场操作工人的身体造成很大危害;
没有在线实时监测污水处理的数据系统,不能实时显示污水监测数据;
污水处理情况没有明细的纪录,给污水处理过程监控和环保单位的检查造成很多困难,不利于实现环境情况管理等问题。
因此,急需智能无线仪表的研发和无线监控系统的建立,确保污水处理达到标准、保证工人安全、方便工厂和市政环保部门进行实时监控和监管。
结合现在的工业现场,我们了解到有线网络在某些场合要受到布线的限制:
布线、改线工程量大;
线路容易损坏;
网中的各节点不可移动。
铺设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长,对正在迅速扩大的网络需求形成了严重的瓶颈阻塞。
无线局域网就是解决有线网络以上问题而出现的。
而传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求,结合我们了解ZigBee协议的优势性。
第一:
采用该技术的设备可以工作在2.4G免费频段上;
第二:
它的功耗达到了最低的限度,基于ZigBee的设备能用单个电池运行长达5年的时间;
第三:
基于ZigBee协议组建的网络具有极大的可伸缩性,采用星型拓扑结构网络的主设备可以支持4万多个节点。
第四:
解决有线网络造成的严重瓶颈。
随着ZigBee无线传感器网络技术的广泛应用,如何通过现有网络基础设施对其进行远程管理、控制感测环境中的各种传感装置,逐渐成为该领域的重要研究课题。
通过最终的讨论我们决顶申请“智能无线仪表的研究与工业污水监测系统的简单构建”,讨论后我们目标的高度的定为基于冶金行业这一高耗能、高污染的工业环境,以工业污水处理系统为背景,针对污水处理中的实际问题,以ZIGBEE通信协议为依托,攻克无线技术应用于工业监控系统的技术难点,建立一套低成本、低能耗、高可靠的实时无线网络监控系统。
在我国,环境污染的防范和治理已经成为国民经济发展不可忽视的重要环节,全球变暖问题的压力日益增大,节能减排将是环境保护和治理的有力举措。
我国的“十一五”规划纲要提出2006-2010年期间单位GDP能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。
但我国现有节能减排技术相对落后,最新统计数字表明,2008年中国单位GDP能耗仅下降3%,而化学需氧量和二氧化硫排放量仍在增长,没有实现2008年初确定的单位国内生产总值能耗降低4%左右、主要污染物排放总量减少2%的目标,因此节能减排的形势十分严峻,亟需建立较为完善的环境监控系统,然而工业环境相对复杂,有些区域不易研究人员经常进行取样工作,而布线又需要较大的资金开销。
因此迫切需要无线智能仪表的研发。
本项目针对污水处理系统,将开发出有关电导率,PH值,溶解氧等智能仪表,并最终组网,实现工业污水的实时监测。
这一项目的实现,将为我国环境治理及污染防范、监管等方面的措施带来革命性的改善。
对无线网络在工业场合的应用有较大的引导启蒙作用。
目前,国内工业无线监控系统方面的研究大多停留在理论和实验研究阶段,国外也尚未见大规模的工业示范应用。
工业无线监控系统领域的研究目前还比较薄弱,特别是工业现场环境恶劣,需要对工业专用无线网络作深入的研究。
工业无线监控系统的建立对于未来我国在各大中型工业企业实现节能、安全、环保生产意义重大。
在我国,无线通信在工业测控系统中的应用已经引起多所科研院所的高度重视。
其中,沈阳自动化所成功进入美国SP100标准委员会,参与工业无线标准SP100的制定工作,为我国拥有自主知识产权无线工业通信标准的制定做出了很大的贡献。
另外,浙江大学和国内几所高校也已走在相关研究的前列,初步形成特定技术标准的提案。
目前,我国在无线传感器网络方面取得的成果仅限于理论性研究和原理性阐述,缺乏与具体工业对象和环境的融合,虽然验证性产品的开发工作已经启动,但是离投放到市场的要求尚有距离。
在中国市场,无线级工业设备的应用普及还需要一段时间,但我们也要看到,国内外已经有好多的公司,研究机构都瞄准着这块广阔的市场,蓄势待发。
中国的无线网络市场还未成熟,本土公司去做的话,虽说有一些技术上的优势但不一定能马上找到实际应用项目。
公司一定会以营利为第一目标,所以很多只是做技术积累,暂时没有也不会全力投入。
我们可以抓住这个机会先入一步,立足于实际,着手于基础,从无线智能仪表做起,推动工业级无线网络的普及。
本项目意在建立一套低成本、低能耗、高可靠的无线传感器网络监测系统。
它涉及的内容有个两方面:
一、传感器信号的处理与准确读取。
二、无线节点间的可靠通信。
其中,传感器信号的处理与准确读取包括阻抗匹配、滤波、放大、A/D转换等环节,对于这些环节我们要整体考虑,各个击破。
以实现信号的有效提取。
对于无线节点间的通信,我们将采取由简到难步步为营的策略,从简单的点到点通信着手,然后再引入ZIGBEE协议,实现基本的组网,最后再加入有效地安全机制,确保实现可靠通信。
首先设计有效的传感器信号处理电路,利用示波器进行调试检测,并最终实现单片机对传感器信号的准确读取。
接下来调试基于CC2430的无线节点,实现基本的点对点通信。
然后调试液晶屏,用无线单片机读取传感器信号并通过液晶屏实现显示,制作完成无线智能仪表样品。
下一步我们将深入学习ZIGBEE,实现无线节点间的组网。
这是整个项目的关键,我们将投入较大的经历与时间,尽可能详尽的去了解学习,深入理解各个通信安全机制,大胆创新实践,优化程序结构,优化通信机制,让整个网络具有较好的稳定性,并寻找最佳方案以保障通信安全稳定,最终将各个模块整合调试完成整个系统。
时间:
2009年10月24——2009年10月31
[注:
后面日志时间冲突,是因为不同小组成员的日志。
]
本三周研究主要内容:
对智能仪表进行了解和学习,了解智能仪表的历史背景和未来发展趋势,了解学习智能仪表的工作原理、功能、结构、技术特性。
就其读数据的电化学原理深入学习。
对普通实用仪表的数据读取原理及补偿方式方法进行研究性学习。
实验、调研的过程(包括实验步骤、调研内容、原始数据等)
首先学习翻阅了清华大学出版社出版的《传感技术与实验》、中国电力出版社出版的《传感器设计与应用实例》、电子工业出版社出版的《智能传感器系统设计与应用》。
了解智能传感器系统的基本概念和构成。
学习了上海科蓝仪表科技有限公司生产的DOG-2028BW型测氧仪,PHG-606型ph计和cc602电导率仪的工作原理、功能、结构、技术特性。
用万用表测量不同情况下的数据返回电压值,做数据统计,画出简单仪表电路图。
结构:
仪表由电子单元(二次表)和电极(一次表)两部分组成。
工业PH电极采用环形聚四氟乙烯液接界、凝胶电解质以及特种玻璃敏感膜。
凝胶电解质盐桥可有效防止电极中毒,如S2-、CN-离子。
采用抗污的环形聚四乙烯液接界,不易阻塞,可长期在线检测。
经进一步手工测试,电极内阻低、响应快,稳定性好。
pH仪表工作原理:
电子单元由信号测量、运算、显示、网络通讯及面板指令等组成。
pH和温度的变送阻抗变换,将pH变为459.16mV/pH(25℃)低阻信号;
将NTC变换为电压信号。
仪表与pH电极配套,实现对溶液酸碱度的pH值监测,传感器是由pH玻璃电极和甘汞(或Ag/AgCl)参比电极组成的电池,依据能斯特方程产生与溶液pH值相关的电位差:
Ex=Eo+SpH
该电位差经具有高输入阻抗的前置放大级放大,热敏元件送出对应温度的信号,两信号被放大后经A/D转换,通过I/O接口芯片,经单片微处理器运算后在显示屏上显示。
进一步实验,在常温T=25℃时,经过测量返回电压mV数与标称pH对应关系。
为后续单片机实现信号读取的电压补偿之用。
工业电导率仪工作原理:
为避免电极极化,仪表产生高稳定度的正弦波信号加在电极上,流过电极的电流与被测溶液的电导率成正比,仪表将电流由高阻抗运算放大器转化为电压信号后,经程控信号放大、相敏检波和滤波后得到反映电导率的电位信号;
微处理器通过开关切换,对温度信号和电导率信号交替采样,经过运算和温度补偿后,得到被测溶液在25℃时的电导率值和当时的温度值。
温度补偿原理:
电解质溶液电导率受到温度变化的影响,需要进行温度补偿。
一般来说,弱的水溶液的温度系数为2.00%℃,浓度越大,温度系数越小。
对较低浓度(1μS·
cm-1)溶液的温度系数不采用2.00%℃,而由用户设置,范围为0.00~9.99%。
进一步实验,在常温T=25℃时,电极常数K=0.01,温度系数T=0.00%基准温度25℃。
溶氧仪工作原理:
氧电极以铂金(Pt)坐阴极,Ag/AgCl作阳极,电解液为0.1M氯化钾(KCl),用硅橡胶渗透膜作透气膜。
测量时,在阳极和阴极间加0.68V的极化电压,氧通过渗透膜在阴极消耗,透过膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比,因而电极间的极限扩散电流与水中溶解氧浓度成正比,仪表检测此电流并经运算变换成氧浓度。
同时热敏电阻检测溶液的温度,并对氧浓度进行温度补偿。
电极上的电极反应为:
阴极(Pt)O2+2H2O+4e=4OH-
阳极(Ag)4Ag+4Cl-=4AgCl+4e
实验收获或思考内容:
学会了智能仪表的工作原理、功能、结构、技术特性。
明白读数据的电化学原理。
学会了通过实用仪表的数据误差,数据读取原理,补偿方式方法。
思考:
怎样实现对电子单元的校验?
拆下仪表与电导电极的连接线,在对应热敏电阻(Temp)的两端3脚、4脚和电极两端1脚、2脚分别接上电阻箱,进行模拟校验判别。
先将仪表的温度系数设为0.00%,按下式换算
电导率的准确值:
S=106×
K/R
式中:
S__电导率值,单位:
μS·
cm-1
K__电极常数,单位:
R__电阻箱值,单位:
Ω
用电阻箱输入10KΩ电阻,仪表电极常数设为0.1cm-1,则理论电导值
0.1/10000=10μS·
仪表示值与10μS·
cm-1之差,应小于或等于基本误差。
用温度系数热敏电阻,采用两线制进行温度测量和补偿。
对于水中在不同温度下的饱和溶氧量?
经学习查找资料在不同大气压下,可按下列计算溶解氧含量。
AS=A•P/101325
AS——大气压力在P(Pa)时的溶解度;
A——在101325(Pa)大气压力下的溶解度;
P——压力,Pa。
项目小组与指导老师讨论内容:
1、在数据读取回来之后,怎样对数据进行数据补偿还需进一步研究学习。
2、需要进一步了解怎样实现数据显示。
3、学习了解电气连接。
指导老师建议:
需进一步加深学习,c51单片机的编程学习,实现液晶屏的数据显示和控制界面按键的控制。
构想主菜单,参数菜单,控制菜单界面。
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