《单片机在电解铝集散控制系统中的应用本科.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机在电解铝集散控制系统中的应用本科.doc（41页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、广西大学本科毕业论文 单片机在电解铝集散控制系统中的应用第一章 绪论11本文研究的意义随着科学技术的发展，利用单片机构成系统控制过程生产的理念已逐步渗透到各行各业。尤其在工业控制方面,更彰显出单片机控制系统比传统的人工手动控制的优越之处:不仅方便易用、减轻了工作人员的工作量，最主要的是节省了时间，提高了工作效率，从而提高企业经济效益和人民生活水平。我国铝产量居国内有色金属之首。国际上自六十年代后电解铝产量就超过铜的产量，铝现在成为有色金属生产、消费的主流，是需求量紧次于钢铁的第二大金属材料。铝具有重量轻、耐腐蚀、易导电、易延伸、外行美观等优点，广泛应用于包装、建筑、运输、电气和其他铝制品行业。
2、过去消费集中在军工、航天航空、电力、机械等领域，现在正在向建筑、交通运输及包装行业转移，铝的应用越来越广泛。但是，由于铝的化学性质活泼,自然界中只有铝的化合物,纯净的金属铝只能从铝的化合物中提取。有些铝的化合物就成为炼铝的主要原料。通过人们的实践，炼铝的方法从最初的化学法发展到目前广泛的冰晶石氧化铝融盐电解法。从目前到今后几年，电解铝的化合物得到金属铝的生产方式将成为普遍采用的方式。同时西方国家对铝的需求量将高于产量，如我国周边国家和地区一直靠进口铝来满足其需求，这样，未来几年，世界铝价将持续上扬。当前，我国经济高速增长率。而且，我国拉动内需，加强基础设施建设，增加对能源、交通、水利及公用设施
3、的投资力度，必将增加对重要基础原材料铝的需求。从世界范围看，我国电解铝人均消费量远低于美国、日本等经济大国，市场潜力巨大。随着我国西部大开发战略的实施及消费结构的改变，我国的铝消费仍处于高速增长阶段，所有这些，给我国电解铝工业的发展提供了良好的机遇，市场发展前景非常广阔。而针对铝电解业这样一个近几年迅猛发展的行业，研究如何采用单片机控制来实现行业整体水平的突飞猛进，有巨大的发展潜力。12铝电解行业综述121铝电解企业生产工艺流程一般来说，大型的铝电解企业的生产流程分为三个部分：1、铝土矿的获得在采矿厂采矿，就可以得到最初的原料含泥铝土矿，含泥铝土矿经过洗矿、被碎、筛分、配矿后就可得到铝土矿。这
4、一生产过程已经实现机械自动化。2、氧化铝的生产铝土矿和石灰（通常生产中采用石灰石与焦碳混合煅烧得到石灰）、液体碱（NaOH）的混合成分经过原料磨匀后高压溶出，经过稀释和沉降分离、过滤、晶体分离后，得到氢氧化铝浆液，从而得到氢氧化铝，氢氧化铝陪烧后就得到氧化铝。3、电解铝生产出锭铝铝电解槽中注入氧化铝、冰晶石、氟化铝、氟化钙的混合融盐溶液，通上直流电，经过电解分离得到铝液，铝液再经过铸造就得到铝锭。电解铝的整个过程看似简单，实际上铝电解的整个过程是一个非线性、多变量耦合、时变、和大时滞的工业过程体系，其自身内部复杂的物理化学变化、各种外界条件以及作业的干扰决定了电解铝运行过程中众多参数和变量的模
5、糊不确定性和不可连续测定性。同时工作的上百台铝电解槽更是一个复杂、庞大的系统，生产过程中随时可能有异常情况出现，使电解槽保持在连续稳定的生产状态下是保证生产效率的前提。而且，电解液具有很强的腐蚀性，且处于高温、强磁场等动态状况下，给生产的过程监控和现场实时数据的读取造成很大难度。因此，对铝电解的自动控制和数据的采集仍是如今的企业和各大科研院所关系的问题。122我国电解铝行业的特点及发展状况1、行业特点中国的原铝产量快速提升，并且已经连续六年成为世界上最大的原铝生产国。2001年中国原铝的产量首次达到世界第一。此后这几年中国原铝的产量几乎是按照每年增加100万吨的速度递增。如下图所示：图1-1
6、铝的常量年递增情况即使电解铝行业的一些企业已经采用了节能、环保的措施，也不可否认电解铝生产高能耗、有一定的污染、且资源依赖性强。但是，也应辨证地看待产业的发展。铝作为性能优异的金属结构材料和功能材料，具有节能、储能、减重、易回收等特性，其广泛应用是社会进步和经济发展的重要标志。同时，电解铝工业的整体水平的提升对整个社会能源利用效率的提高、对实现电网安全运行的作用是显而易见的。当然，铝工业对区域经济发展的贡献也是明显的。中国铝工业开始走向资源节约、环境清洁、循环利用的可持续发展道路。因此，铝工业是一个令人亲善的行业，是一个可以不断的改善生活质量和环境质量的行业。2、发展状况（1）行业利润下降近年
7、来，我国铝电解工业发展速度惊人。产能达到第一个100万吨用10年时间，第二个100万吨用了5年时间，第三个100万吨用了3年时间，而第四个、五个100万吨仅用了1年时间。在行业高速发展的背后，一些产业结构性的矛盾和问题开始显现。尤其是2004年以来，电解铝行业作为国家宏观调控的主要对象，经历了投资的急刹车。而能源、资源、运输的全面吃紧，导致行业生产成本徒增，利润大幅缩水。(2)环保措施加强我国电解铝行业环境污染问题得到明显改善。(3)整体水平提升 13铝电解控制系统国内外研究现状综述131国外对铝电解控制系统的研究现状美国铝业公司ALCOA采用惰性等阳极工艺技术，已于2001年初用于电解铝生产
8、线这一技术可使每磅原铝节省生产成本0.060.11美元。通过采用该项新技术（Geoffrey P. Beame,1999），未来新建的电解铝厂的投资也会节省25%30%。法国的彼施涅公司(PECHINEY)的AP50铝冶炼技术。该项新技术采用500kA电解槽，是过去10年里该公司在法国St-Jear-de-mouyienne 电解铝厂的3个样板槽开发出来的一项新技术,第一个Ap50电解槽在2004年初投产，电流效率95%96%，该项技术使生产成本降低10%，投资成本没吨电解铝为3400美元，比AP18技术节省投资成本1100美元，建设周期从30个月减少到26个月。132我国对铝电解控制系统的研
9、究现状我国电解铝工业自建国以来经理了50多年的发展，已逐步有电解铝的纯进口国变为世界第一大产铝国。但是，由于我国铝工业产业结构不合理，氧化铝供应严重不足，这就对铝电解技术提出了更高的要求，我国铝电解技术自70年代末引进160KA中间下料预焙槽技术后，揭开了我国现代铝电解技术发展的序幕。1995年青海铝业有限公司同中南工业大学合作共同承担了该项课题，成功地实现了“四低一高”（低分子比、低电解温度、低氧化铝浓度、低阳极效应系数、高极距）的工艺技术条件，控制精度达到：氧化铝浓度波动偏差2（wt）%；正常槽温波动范围+-30C；阳极效应预报成功率85%以上。系统运行可靠，故障停机检修率小于0.5次每年
10、。97年10月通过了国家经贸委鉴定，认为该项技术达到了国际先进水平。SY300（300kA）预焙阳极铝电解槽研制过程中，充分吸收了国内外大型预焙槽的最新成果，精心优化了电解槽的结构尺寸、母线设计、内衬设计及槽壳设计。采用先进的槽上部结构和点式下料装置，实践证明，电解槽运行平稳，侧部炉帮稳固而坚实，整个阴极底部平稳、干净、主要技术指标达到或超过设计值，整流效率97.65%,平均电流效率93.76%,直流电耗为13544kWh/t.Al，达到国际先进水平。SY300铝电解槽技术的主要内容及特点：一是采用窄加工面，大加工面300 mm，小加工面420 mm的槽结构尺寸；二是良好的热平衡；三是优异的磁
11、流体稳定性；四是较少的材料用量；五是采用整体提升机构；六是采用双阳极六爪结构。专家评定该工程投资省（吨铝投资7250元），工期短（一年建成），经济效益好（年销售收入28亿元，利税3亿元，出口创汇8000万美元），具有显著的经济效益和社会效益。该项技术已在河南豫港龙泉铝业有限公司、万基铝业有限公司、山东南山集团铝厂、山西关铝股份有限公司、东方希望铝业有限公司、中铝股份公司山西分公司、宁夏中宁秦毅实业有限公司、内蒙霍煤鸿骏铝业有限公司等10项工程上应用。 第二章 电解铝工艺2.1铝电解原理铝是兼备多种优良特性的轻金属，被广泛应用于电气、交通运输、建筑、轻工、冶金以及军工等行业，成为关系到一个国家经
12、济命脉的工业原材料之一。由于铝的化学性质活泼，在自然界中从未发现游离态的铝，而只有氧化态的铝的化合物，铝土矿是现代铝工业上的主要炼铝原料，铝的丰度仅次于氧和硅。铝第一次被提取至今还不到二百年，准确地说，铝的问世应是1825年，至今虽然为时不长，但铝冶金发展较快。1886年美国霍尔(Hall)和法国埃鲁特(Heroult)申请了冰晶石氧化铝熔盐电解法专利，开创了电解法炼铝阶段。电解法炼铝工艺分为两大组成部分:原料(包括氧化铝、冰晶石、氟化盐及炭素材料)的生产和金属铝的电解生产。电解是指借直流电的作用，在阴阳极两极上实现电化学反应的过程。也就是说当直流电通过电解质时，电解质的某种成份在电极上分离出
13、来，这种现象称为电解。更简单地说电解是由化合物经电离放电到变成原子的过程。 根据法拉第定律指出,对任何物质,通过96485库仑(即26.8安培时)应析出一克当量 (即8.9938克),那么通过1安培时,应析出0.3356克铝)。因此，铝的电化学当量是在电解质通过1安培时电量时,理论上应析出0.3356克铝。 在铝电解生产中用法拉第定律计算理论产量时，其公式如下： （2-1）M-理论产铝量（克）K-铝的电化学当量（克/安培时）I-通过的电流（安培）T-通过的时间（小时） 铝电解生产的电流效率是指铝电解过程中，原铝实际产量与原铝理论析出量的百分比（%）。用公式表示为： 电流效率= （2-2）M1铝
14、实际产量由于铝电解过程中，在两极上发生二次反应、铝的溶解损失、钠离子的析出、炭化铝的生成、电流的损失和电流的空耗、及其它机械损失等负影响，实际上在阴极上所得到金属铝的数量远低于理论上应得到的数量，因此电流效率应小于100%，而一般在8695%之间。 铝电解生产所需的大宗原材料大致可分为三大类：a.原料氧化铝b.熔剂氟化盐（包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化钙、氟化镁、氟化锂等）c.阳极材料阳极糊或预焙炭块 氧化铝是铝电解生产过程的主要原料，其熔点很高（2050），不易直接熔化提炼铝。但是，固体氧化铝可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中，形成均匀熔体，并且此溶体具有良好的导电性，这使得铝的电解
15、冶炼能在低于氧化铝熔点较多的条件得以实现。固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极上得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为： 溶解的氧化铝液态铝(阴极)+气态物质(阳极)。生产一吨金属铝，理论上需要氧化铝1889kg,但实际上则需19251940kg。 铝的工业生产全部采用碳阳极，随着电解过程的进行，碳阳极参与电化学反应，生成碳的化合物-二氧化碳（CO2）反应式为： 2Al2O3(固) 2Al3(络合物)3O2（络合物） 阴极：Al3+(络合物)+3e Al（液） 阳极：O2（络合状）2eO（原子） 2O（原子）+C CO2（气）如图2-1下图所示,
16、电解池装置化学反应图,通电后,电子从外电源负极经阴极进入电解池,使阴极上电子过剩；电子从阳极离开，流回外电源正极，使阳极上电子缺少。铝离子趋向阴极，在阴极上获得电子，发生还原反应析出。氧离子趋向阳极，在阳极失去电子，与碳棒结合生成CO2气体。 图2-1 电解池装置化学反应图 上述反应过程是当前铝工业生产的基本原理。随着反应不断进行，电解质熔体中氧化铝，固体碳阳极不断被消耗掉，因此，生产中需不断向电解质熔体中添加氧化铝和补充碳阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在原理上不消耗，但在高温熔融状态下会发生挥发物损失和其他机械损失，因此，电解过程中也需作一定的补充。除此之外，还需反应过程中供给大量的直流电
17、（约为1300015000kWh/tAl）以推动反应向生成铝的方向进行。 世界铝电解工业的技术及装备水平目前已在槽容量、自动控制和环保方面取得很大的发展。近些年来，由于计算机技术发展，使槽的设计更加合理和大型化。预焙槽和大电流容量槽开始广泛使用，在同等规模下减少了槽数量，降低了投资和成本，提高了生产率，取得了良好的技术和经济指标。2.2铝电解槽参数检则技术由于铝的生产最主要的阶段是在电解槽中完成，因此对铝电解槽的生产管理和生产操作就成为重要的工作之一。在铝厂中，电解槽排成长行，称之为槽系列。最初电解槽是纵向排列的，随着工业和科学技术的发展现代电解槽通常是横向排列，其目的是为减轻不良的磁场影响。
18、理想的铝电解槽应该控制在最佳的恒定运行状态M。铝电解槽是一个多变量耦合、时变和大滞后的工业过程对象，其自身内部复杂的物理化学过程和各种外界条件和作业的干扰，形成了复杂多变的槽况特征，这给生产操作带来了很多难题。因此对于电解槽的控制就显得尤为重要。电解槽运行的完善控制意味着极距、电解质温度和电解质的组成有恒定不变的最佳值。电解槽运行过程中众多的参数和变量的不确定性和不可连续测定性，造成了生产过程的难以控制。因此，研究一种对于电压的连续测量,电流的连续测量和槽温度的连续测量系统就显得尤为重要。铝电解槽发展过程自1888年冰晶石氧化铝熔盐电解炼铝方法用于工业生产以来，电解槽便是电解炼铝的核心设备。一
19、百余年来，铝电解的生产技术有了巨大的发展，电解槽的结构和容量也有重大变化。冰晶石氧化铝熔融盐电解法炼铝是在反应容器铝电解槽内进行的。该法的基本原理就是:在铝电解槽中，采用以冰晶石为主体的熔融电解质作溶剂，以氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，以铝液作为阴极，通入强大的直流电流后，在9500C9700C下，在两极(阳极和阴极)上发生电化学反应，在阳极上得到汽态物质，在阴极上得到液态铝。2.2.1槽电压检测铝电解槽正常工作时槽电压是4.2V左右直流电压，铝电解生产过程的特点是低电压、大电流。因此采样电路应有以下特点:要求A/D转换器精度要高；另一方面，当发生阳极效应时，槽电压又可高达数十伏，甚至更高
20、。所以采样电路设计要对A/D转换器输入通道进行限幅保护，使其既能检测正常槽电压信号，又能检测出阳极效应并报警，槽电压信号为双端输入，非共地。槽电压控制的基本原理是由槽电压和电流的测量计算出的电解槽准电阻与设定的槽电阻相比较来控制和调节极距。槽极距控制的原理如下图：图2-2 槽极距控制的原理2.2.2槽电流检测铝电解槽正常工作时槽电流高达150kA左右直流。电流这么大,因此采样检测电路应有以下特点: 铝电解的电流效率的连续测量对于实时监控铝电解槽的运行情况，对其运行状况进行综合分析，并加以控制从而使电解槽各项指标达到最佳值，具有重要意义。2.2.3槽温度检测热电偶测量91V主要是用在高温测量中，
21、而铝电解槽中电解质的温度属于高温，热电偶由两种不同金属结合而成，它受热时会产生微小的电压，电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料，铁，康铜(J型)、C-康铜(T型)和镍铬一镍硅(K 型)热电偶是最常用的三种。本系统测量槽温度选用的传感器是K型热电偶，由热电偶原理表达式: （2-3）式中 ， E(T,0)为标准工作条件下(工作端温度为T，冷端温度为00C)热电偶两端输出电势;E(T,To)为实际工作时热电偶两端的电势，只有在热电偶冷端温度To=O0C时，才能得到被测温度的真实值;E(To,O)为冷端补偿电势。热电偶的热电势E(T,To)是工作温度T与冷端温度To两个参数的函数，不同的被测温度对应
22、不同的热电势输出;然而当工作端温度T不变，冷端温度To发生变化时，同样可引起热电偶两端输出电势的变化。造成测量结果的不准确，通常，热电偶的冷端温度To在负几十度到正几十度之间波动。电解槽温度是电解铝生产中的重要工艺参数，槽子的运行状态，直接在温度上得到反应，而病槽效应等异常，也都与温度有关，同时，为了提高电解槽运行的效率也必须得到温度信号。槽温控制的常规实现方法是控制阳极极距将槽电阻维持在设定值范围内。由于极距和电解质温度并无确定的对应关系，这种控制方法无法维持最佳的极距和热平衡。因此，在常规的控制方法下，当电解槽状态或运行条件发生变化时，往往需要手动辅助调节或人工调整设定值，而当供电不正常或
23、电解槽出现病态时，则只能依靠手动调节。第三章 系统的总体设计 3.1项目要求铝电解槽是铝电解生产过程中的重要环节，仅仅通过工人的经验判断电解槽运行过程中众多参数情况，难免会出现误差，而由于它是一个多变量藕合，时变和大滞后的工业过程对象，一旦发现判断错误则以后难以纠正，使生产受到严重影响。本项目要求通过各种测量电路对铝电解槽槽电压、槽电流和槽温度的现场检测，以得到系统运行的实时参数，并将这些参数送入主控单元进行计算处理，然后由主控单元发出控制信号并利用移相触发电路控制晶闸管的导通角，以达到控制这些参数的目的，从而达到铝电解工艺的稳定运行。总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然
24、后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的整体方案。3.2 单片机选型及简介单片机以其超小型化、高可靠性和高性价比的特点，广泛应用于各个领域，使传统的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史上一个新的里程碑，在此系统中我们选用AVR系列单片机。3.2.1 AVR单片机的特点和分类AVR单片机是一种高速单片机，其机器周期等于时钟周期，绝大部分指令为单周期指令。以16MHz工作的AVR 单片机其速度可以达到16MIPS。主要有TINY、AT90和ATmega三大系列。Atmega8有28PIN的ATmega8, ATmega8 和AT90S4433 的管脚兼容程序，ROM 空间为8KB，片内带AD
25、。 ATmega16的选用由于数据采集单元安装在铝厂现场，属于常年免维护产品，而且考虑到以后要把系统改进成便捷式仪表更方便使用，因此其抗强干扰性和低功耗特性就显得十分重要。3.2.2 所选用的单片机的特性1、ATmega8的特性ATmega8是一款基于AVR MSC、低功耗CMOS的8位单片机，由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能。其主要特点有：高性能、低功率的8位AVR微控制器，先进的RISC精简指令集结构；片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器；丰富强大的外部接口性能；特殊的微控制器性能；支持可在线编程（ISP），只需要一
26、根下载线就可以进行单片机系统的设计开发；具有512字节的断电信息保留EEPROM和1KB的SRAM；同时具有AD转换的PC0-PC5引脚，可实现模数转换；具有可反复擦写1000次8KB的FLASH存储器，容量适中；I/O口具有较强的驱动能力。2、ATmega16的特性ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash；512字节EEPROM；1K字节SRAM；32个
27、通用I/O口线；32个通用工作寄存器；用于边界扫描的JTAG接口；支持片内调试与编程；三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)；片内/外中断；可编程串行USART；有起始条件检测器的通用串行接口；8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC；具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；一个SPI串行端口；工作于空闲模式时CPU 停止工作；而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠
28、状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作等。ATmega16与Atmega8的引脚图如下： 图3-1Atmega8的引脚图 图3-2ATmega16的引脚图3.3系统构成根据铝厂的实际情况和一些实际调研，提出了铝电解槽多参数检测系统的设计方案，分析了其系统构成、工作原理。系统由两部分组成:现场检测终端、远程服务器端。单片机主要是应用在现场检测终端
29、，所以本论文只是对现场检测端做了一些研究。槽温度检测单元的任务是把热电偶信号放大，滤波，A/D采样，转换;槽电压检测单元是把槽电压经过电阻分压得到单片机允许进入的电压范围，设置阳极效应保护和报警装置；槽电流检测单元是把槽电流经过电流互感器分流，二次电流经过射随，运放等运算，得到单片机允许进入的电压信号，设置阳极效应保护和报警装置系统选用ATMEL公司的ATmega8L和ATmega16L芯片做核心处理器。现场检测终端将采集的信号经A/D转换并处理，在现场可以按键显示，并且可以进行控制，同时通过无线数传模块把槽温度、槽电压的检测数据发送出去。整个系统包含数据采集模块，信号调理模块，数据存储模块，
30、LCD显示模块，无线通信模块，按键处理模块，串行通信模块等。整个系统正常的通讯是整个铝电解槽多参数检测系统中的关键环节，它的可靠性直接关系到整个系统工作可靠性和监测功能。根据铝厂参数检测的不同用途，通信系统可以采用不同的通信方式和不同的物理硬件以选择合适的通信协议。从通信方式来说，无线通讯可以采用无线模块相连，有线通讯可以采用RS-232串口通讯，通信协议对于通信系统的传输性能影响较大，自定义可靠的协议是提高通信性能的有效方式。铝电解槽多参数检测系统是在恶劣的环境下工作的，必须借助抗干扰能力强的无线电通信手段来提高信息传输的可靠性。无线收发设备是系统的关键设备，合理选择无线收发设备，对于提高系
31、统的整体操纵性能及可靠性和经济性具有极其重要的意义。3.4系统实现的主要功能系统采用近几年来成熟的各项无线通信技术、微控制技术和功能模块化、结构化技术来构造基本的系统功能，使该系统易于维护和改进调整。系统的主要功能:(1)现场检测槽电压信号；槽温度信号；槽电流信号；(2)有按键、显示、阳极效应报警等功能；(3)根据现场电压、电流、温度信号与理想数据比较进行调整控制；(4)现场检测端利用无线收发模块发送信号的16进制编码至远程服务器端，传输距离达几十米；(5)远程服务器端接收现场检测端传送过来的信号的16进制数；(6)远程服务器端还可以通过串口与PC机通信；(7)在PC机上通过铝电解槽多参数检测
32、上位机软件来监测现场参数情况，在PC机上存储、显示。3.5系统方案设计系统现场检测终端主要完成铝电解槽槽电压、槽电流、槽温度的检测、按键显示和通过调整晶闸管触发导通角来实现对电压、电流、温度的控制。系统的两片单片机的作用各不相同：其中，ATmega16L为主单片机，主要功能是处理信号采集、（I/O）输入输出、A/D转换、按键、显示等；ATmega8L单片机,主要是控制晶闸管的导通脚，它们之间通过串行通信。总体框图如图3-3所示:图3-3电解槽多参数检测控制系统图数据采集以ATmega16L为核心。总体方案如下:铝电解槽多参数检测系统现场检测端信号调理部分的硬件系统框图如图3-4所示：图3-4现
33、场检测端信号调理部分图然后单片机把这些数据进行相应的处理，将计算出的电压值、电流值和温度值送LED显示，并把检测到的数据发送出去。铝电解槽多参数检测系统远程服务器端硬件系统的基本组成是:以单片机为核心，通过ATmega16L单片机与无线收发模块相连，用于接收现场检测端发送过来的数据和信息，ATmega16L单片机的一个串口与PC机串口相连用于完成数据的上传。该系统硬件开发采用Protel99se应用软件制作印制电路板。系统的软件设计主要分两部分:下位机软件和上位机监测软件部分。本系统软件开发采用AtmanAvr编制，并借助广州天河双龙电子有限公司的MCU下载程序，将编制的程序下载到单片机中。下
34、位机软件开发全部采用AtmanAvr编制，下位机软件主要包括两部分:铝电解槽多参数检测系统现场检测端软件的总体方案:系统上电初始化之后，然后进入等待循环，打开传感器、放大器电源，开始测量，进行A/D转换，然后进行数据处理和计算，根据计算结果进行控制和执行，最后将结果送显示器显示，无线接收/发送，整个过程结束后，开始下一个循环，系统就这样周而复始地运作。第四章 铝电解控制系统的硬件实现该系统是以ATmega8L和ATmega16L为核心的铝电解槽多参数监测系统，采用了一般检测系统所具有的普遍结构。在系统原理框图中，按照技术方案总体设计的思想，分别对各部分进行元件选取、设计，最终再把各部分统一起来
35、进行整体设计、调试。整个铝电解槽多参数检测系统现场检测部分硬件除传感器之外，主要由信号采集与调理电路、控制电路、LED显示电路、单片机复位电路等电路组成。41信号采集与调理电路4.1.1 频率采集1频率采集电路如前电压的采集中所讲，在交流采集中，影响采集精度最重要的因素就是是否为等间隔采样。在本设计中，为了实现电压等间隔采样，每次采样的时间间隔将直接取决于采集到的周期。因此，周期和频率的准确采集，可以提高交流采样的精度。在本设计中，使用AVR单片机的一个外部中断及一个定时器来实现频率的测量。首先把从外部电网采集到的电压正弦波信号转换为方波信号，如图41所示为波形转换原理图： 图41 波形转换电
36、路图其具体的做法为：将输入的交流电压信号整理为方波并进一步整形为TTL电平后，将其接入到AVR单片机的一个外部中断引脚。TTL电平的上升沿触发定时器开始计时，直至下一个上升沿的到来，读定时器的值，从而计算出一个周期的时间，进而计算出电网频率。图42 频率的计算将待测电压方波信号输入芯片的外部中断接口，采用上升沿触发，启动定时器计算出相邻2个上升沿的时间T，具体实现波形如图42。那么频率则为。2频率采集的软件设计在本设计中，频率采集流程图如图43所示：图43 频率采集子程序流程图412相位角的检测相位检测电路原理如图44所示。图44 相位角检测电路交流电压和电流信号经过运放，分别整形为方波，经过
37、光电隔离并去掉负半波后，再经过施密特触发器整形为TTL电平的波形。获得了电压和电流信号转换来的TTL信号。这样电压和电流的方波信号接入单片机就可利用中断求得相位差。根据图45可知，当时，潮流方向正常；当时，潮流方向为异常。在本文中，利用AVR单片机的硬件特性，通过一次采集获得电网频率及相位角（功率因数角），并可判断电压和电流在时间上的超前滞后关系，仅占用单片机的一个外部中断和一个定时器/计数器，实现起来较为方便。在本采集方法中，关键部分是利用AVR单片机的输入捕获引脚。该引脚的功能是捕捉边沿信号，能记录当前定时器/计数器1的值被传到输入捕捉寄存器保存下来。当该引脚边沿触发时，可以将当时的定时器
38、/计数器1的值放入寄存器。整形后的电压信号输入AVR的外部中断引脚，上升沿触发中断。单片机接收到上升沿触发中断后，将定时器/计数器1清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期。其倒数即为频率。整形后的电流信号输入AVR的输入捕获引脚，通过单片机内部的寄存器读取。只要测得电网电压和电流的过零时间差，即可求得相位角，并推断出电压和电流之间的时间关系。其过程可由图45表示：图45 相位角采集及判断如图4-5所示，使用本方法可以在一个周期内采集到电网的频率、相位角，并判断出电压和电流在时间上的关系不仅减小了硬件的开销（仅使用一个外部中断和一个引脚），同时避免了对单片机引入过多中
39、断，使程序的跳转更加清晰。相角差的方向的鉴别可以通过判断得到。把电网电压的上升沿作为起始点，取电流的上升沿信号，通过观察这个上升沿的位置就可得出电流是超前还是落后，如果电流的上升沿落在电压方波的范围内，则电流相角滞后；如果落在电压方波的范围之外，则电流相角超前。413槽电压检测与信号调理电路由于正常槽电压是4.2V左右，阳极效应时电压可达几十伏，而Atmega16L单片机所允许的输入电压是2.7-5.5V，电压互感器如下图所示： 图4-6 电压互感器电压必须进行信号调理和必要的限幅保护，以适合Atmega16L单片机A/D转换器的输入范围，信号调理电路如图4-7所示。图4-7 槽电压信号调理电
40、路信号调理的最佳状态是调整到与A/D转换器的输入范围相匹配，这时系统的精度最高，否则，如果放大器的输出范围大于A/D转换器的输入，就会使系统的测量范围减小，如果放大器的输出范围小于A/D转换器的输入，则会使系统测量精度降低。但是考虑到元件的温漂和时漂等因素造成的变化，应该给这些变化留有一定的空间，使系统有更好的适应性。对于槽电压检测部分电路的设计来说，由于铝电解槽可能会出现阳极效应，电压会骤然升高，为保证不损坏单片机这里采用了D7, D8双重保护，由于Atmega16L单片机A/D转换输入电压范围是2.7-5.5V所以D7选用3.6V稳压管用来稳压，Rll是其限流电阻，按经验值选取阻值为1k;
41、 D8是二极管钳位。图中电压分压部分在调试时采用外接电位器进行调整，使得R12和R9的阻值之和在10k左右，得出电压的分压系数。C17用来做简单滤波。414槽电流检测与信号调理电路由于正常槽电流达到150kA,如此大的电流必须经过电流互感器感应出二次电流,电流互感器如下图4-8,电流互感器的分流原理如下:一次侧线圈只有一匝,二次侧线圈有N匝。 图4-8 电流互感器根据公式 (4-1)则 假设 , 则 而功率P则为： P=电流信号调理图如下图4-9所示：图4-9 电流信号调理图415全波精密整流电路通过全波精密整流电路将负半周翻转。进行交流采集还可以将正弦波的负半波翻转，以获得单片机能接收的信号
42、。其原理图如图410所示：图410 电压精密整流电路同时，需将输入信号 经过零比较器来判断交流电参数的相位，当比较器输出为“1”时，为正；当比较器输出为“0”时，为负，这样可以保证经过采样后的参数计算不失真。经过对图4-7的电路分析，可以得到： （4-1）由此可以看到经过精密整流电路后，经过调整的交流电压、电流变成A/D转换可以接受的单向脉动电，且幅值为正。这种方法的电压波形转换过程如图411所示。图411 电压波形调整图这样避免了由于增加直流分量而引起的对AD转换精度的影响，提高测量精度，但是从波形上无法分辨哪个半波为原波形的正半周，要加上判断电压方向的电路结合起来测量。416槽温度检测部分
43、信号调理电路由于测量铝电解槽铝电解质溶液属于高温测量，故感温元件选用用于测量高温的K型热电偶，K 型热电偶的测量范围是负700C -13700C，对应的电动势范围是负6.458mV-54.886mV。热电偶检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于热电偶的输出电压非常小，只有mV级，因此必须进行信号调理，以适合单片机的A/D转换器的输入范围，才能进行A/D转换。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，由单片机进行数据处理并送相应的显示缓存。同槽电压测量一样，信号调理的最佳状态是调整到放大器的输出与A/D转换器的输入范围相匹配，这时系统的精度最高。通常采用测量放大器来放大信号，因为它可以除去热电偶
44、连线里的共模噪声。系统选用一种通用的仪用放大器INA114，它尺寸小、精度高、价格低廉、可用于电桥、热电偶、数据采集等。INAI14 只需一个外部电阻R4就可以设置1至10000之间的任意增益值，由公式(4-2)可得其增益值: Gain=1+50K/R4 (4-2)本系统中R4阻值选择是62062，则增益是81.6。热电偶输出的是模拟信号，通过仪用放大电路将微弱的电信号放大为A/D转换器所需求的输入电压，放大电路如图4-12所示。图4-12热电偶信号放大电路电路如图4-11所示，在本系统温度检测的场合，传感器信号不仅微弱，而且包含工频、静电和电磁藕合等共模干扰，对此类信号的放大需要放大电路有很
45、高的共模抑制比，以及高增益、低噪声和高输入阻抗，为了保证精度和简化电路，本系统采用了高精度集成运放组成的二阶有源低通滤波电路，并对集成电路的电源进行简单滤波，以保证电源的稳定性。42控制电路421移相触发电路在电解铝电解过程中，电流和电压是影响电解效率的两个致关重要的因素，移相触发电路是电解铝工艺参数控制的核心，我们实验电路版的移相触发电路如下图，通过移相触发电路控制晶闸管的导通脚，来调整电压电流值，从而达到自动控制槽电压和槽电流的目的。图4-13 移相触发电路422三相半控桥电路该系统的电压电流调节部分即为主控制部分，是由晶闸管和二极管组成的三相半控桥，上图的移相触发电路的目的就是将晶闸管导
46、通脚控制到理想的角度，其触发电路接入下图三相半桥的晶闸管的门极，控制晶闸管的通断，系统运行参数信号（既电压与电流值，经过信号调理后都是电压信号）经过这一回路整流后被控制到理想的范围。三相半桥电路如图4-14 所示，整形后的电压信号输入AVR。图4-14 三相半桥电路因为电解槽的电流达到150kA那么大，所以三相半桥电路每相只用一个晶闸管是远远不够的，假设晶闸管允通过1000A电流，则每相至少要150个晶闸管并联，A相晶闸管并联电路如下图：图4-15 晶闸管并联电路4.3 LED显示模块本装置的显示模块使用数码管进行显示，采用动态扫描方式。在短时间内逐个扫描数码管，使目测起来数码管总是为点亮状态。该方式的功耗较之静态扫描要小。由于一个数码管组需要8个段码以及4个位码总共12个引脚进行控制。如果直接与单片机连接，要占用12个管脚，造成引脚资源的浪费，并且单片机的驱动能力也有限。所以本装置使用2个8位移位寄存器74HC595组成的串连转换为并联的电路来驱动2个4位8段数码管组，其电路图如图416所示。