（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的水分测定电子天平研究.pdf

基于d s p 的水分测定电子天甲研究 摘要 物质的水分含量是决定其物理、化学和生物特性的重要指标，水分含量的准 确测定具有重要的社会意义与经济价值。在水分检测领域，测量准确性和测量速 度之间的矛盾一直没有解决。 针对这一现状，本文提出了一种将红外干燥箱和电子天平相结合，利用d s p 作为信息处理单元的水分测定仪：给出了仪器结构和d s p 系统的硬件电路设计； 研究通过对加热元件的功率控制实现干燥箱的温度控制，采用智能复合控制策略 对干燥箱的温度进行实时控制，干燥箱的温度达到1 0 5 的时间可由单纯p i d 控 制的2 分钟减少到1 分钟，且控制精度高。仿真实验表明，这种新型水分测定仪 可望解决传统烘干失重法测量时间长、操作繁琐等问题。 全文分为如下几个部分： 第1 章介绍了水分检测的意义，简要地回顾了现有的水分测定电子天平的研 究现状，阐述了本文设计的基于d s p 的新型水分测定电子天平的目的和意义。 第2 章首先介绍了水分测定电子天平的质量称量原理和水分测定原理；然后， 选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型号的d s p 作为信息处理单元，简要介绍了微处理器的功 能，并给出了水分测定电子天平的总体设计及其信息处理单元电路设计；最后， 说明了水分测定电子天平的性能指标。 第3 章首先根据红外干燥箱的特点设计了其测控系统，可实现对红外干燥箱 的温度测量与控制；然后给出了温度控制的方法，针对时间最优控制、p i d 控制 和模糊控制各自的特点，设计了一种基于时间最优模糊p i d 控制方法。仿真实验 表明，该智能复合控制方法能够很好的解决红外干燥箱温度控制响应滞后的问题。 第4 章首先介绍了d s p 系统的开发工具；然后在前面介绍的硬件基础上，给 出了相应的软件设计。 第5 章阐述了误差分析与仪器的抗干扰设计。 最后，在结论部分，回顾了本文的工作，说明了本文的创新和不足之处，探 讨了水分测定电子天平的发展方向。 关键词：水分测定；电子天平；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ：红外加热；温度控制 a b s t r a c t m o i s t u r ei ns u b s t a n c ei so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n ei t s p h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i cc h a r a c t e r i th a st h ei m p o r t a n ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n d t h ee c o n o m i cv a l u et od e t e r m i n a t i o nt h em o i s t u r ei ns u b s t a n c ea c c u r a t e l y i nt h e m o i s t u r et e s t i n gf i e l d ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e na c c u r a c ya n ds p e e dh a sn o tb e e n s o l v e d i nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，i nt h i sp a p e r ，an e wm o i s t u r ea n a l y z e rw h i c h c o m b i n e si n f r a r e dd r y i n go v e na n de l e c t r o n i cb a l a n c ei sp r o p o s e dt a k e sd s pa st h e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gu n i t i tp r e s e n t st h ei n s t r u m e n ts t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e m i ta c t u a l i z e st h et e m p e r a t u r er e a lt i m ec o n t r o li nt h ed r y i n g e q u i p m e n tt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ep o w e ro ft h eh e a t e re l e m e n ta n dt a k i n ga nc o m p l e x c o n t r o lm e t h o d t h et i m et h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h ed y i n go v e na c h i e v e s10 5 c a n r e d u c eo n em i n u t ef r o mt o wm i n u t e st h r o u g ho n l yp i dc o n t r 0 1 a n di th a sah i g h p r e c i s i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ti s s h o w nt h a ti ti se x p e c t e dt os o l v et h ep r o b l e m s s u c ha sal o n gt i m ed r y i n ga n dt h ef u s s yo p e r a t i o nd u r i n gt h et r a d i t i o n a ll o s so n d r y i n g t h ep a p e rc o n s i s t so ff o l l o w i n g5c h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eg r e a ts i g n i f i c a n c eo fm o i s t u r ed e t e r m i n a t i o n ， a n dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ec u r r e n tm o i s t u r ea n a l y z e ri sr e v i e w e db r i e f l y t h ei n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h en e wm o i s t u r e a n a l y z e rb a s e d o nd s pa r e e x p a t i a t e d i nt h es e c o n d c h a p t e r ，f i r s t l y ，t h ew e i g h i n gp r i n c i p l e a n dt h em o i s t u r e d e t e r m i n a t i o n p r i n c i p l e o ft h em o i s t u r e a n a l y z e r a r ei n t r o d u c e d t h e n ，d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sc h o s e na st h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gu n i t ，t h em o i s t u r ea n a l y z e r s y s t e ma n di t s i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gu n i tc i r c u i ta r ed e s i g n e d ；f i n a l l y ，t h e p e r f o r m a n c ei n d e x e so f t h em o i s t u r ea n a l y z e ri se x p l a i n e d i nt h et h i r dc h a p t e r , t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da c c o r d i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n f r a r e dd r y i n gi n s t r m n e n t ，c a nr e a l i z et h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ft h ei n f r a r e dd r y i n gi n s t r u m e n t t h e n ，i nv i e wo ft h e r e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i co ft h et i m eo p t i m i z a t i o nc o n t r o l ，t h e p i dc o n t r o la n dt h e f u z z yc o n t r o l ，ak i n do fc o n t r o lm e t h o db a s e do nc o m p l e xi sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h em e t h o dc a ns o l v et h et i m el a go ft h ec o n t r o lr e s p o n s ei n 1 1 i t h ei n f r a r e dd r y i n gi n s t r u m e n t i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，b a s e do nt h eh a r d w a r eo ft h e i n s t r u m e n t a t i o n ，t h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ed e s i g ni sp r o d u c e d i nt h ef i f t hc h a p t e r ，t h ee r r o ra n a l y s i sa n dt h ei n s t r u m e n ta n t i - j a m m i n gd e s i g n a r ee l a b o r a t e d f i n a l l y ，i nt h ec o n c l u s i o n ，t h ei n n o v a t i o n sa n ds h o r t a g e so ft h ep a p e ra r e g e n e r a l i z e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h em o i s t u r ea n a l y z e ri sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：m o i s t u r ec o n t e n t ；e l e c t r o n i cb a l a n c e ；d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；i n f r a r e d d r y i n g ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 量、蕊。日期：加6 年r 月bi l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 主1 蕊 膨别彩 口 日期：力彩年t 月肜日 日期：0 u 。b 年r 月，6 日 硕士学位论文 第1 章绪论 水分存在于任何物质中。物质的水分含量是决定其物理、化学和生物特性的 重要参数，因此水分检测越来越引起生产、加工、运输、储藏和消费等各个环节 的重视，成为科研与生产过程中的重要法定计量参数。但由于物质中水分分布复 杂，影响因素多，很难实现准确、快速测量。传统的水分检测方法由于操作较繁 琐、分析时间较长、灵敏度较低和环境湿度干扰大等原因，使得水分检测仪不能 得到广泛的应用。本文采用d s p 作为信息处理单元，设计了一种基于d s p 的水 分测定电子天平。 1 1 水分检测的意义 随着科学研究的发展和生产技术的进步物质中的水分含量的定量分析已经 被列为各类物质理化分析的基本参数之一，作为各类物质的一项重要质量指标。 同时根据不同待检品中的水分含量提出了测定水分的不同要求。水分测定可应用 于工业生产的控制分析，也可应用于工农产品的质量鉴定f 卜3 1 。 不同行业对水分测定有着各自不同的要求和意义。 水分测定在农业中的用途十分广泛。粮食在储藏过程中。若水分含量增加， 其酶活力上升，呼吸作用增强，储藏稳定性随之减弱，当水分增加到一定程度时， 粮食开始发芽。这主要是由粮食中的游离水造成的，只有粮食的含水量下降到结 合水的范围内，粮食籽粒才能处于休眠状态，生命活动减到最低限度。在粮食加 工过程中，要求粮食的含水量适宜，过高过低都会影响粮食的物理性质和工艺品 质，对加工不利。例如制米，若粮食水分过高，稻粒硬度低，容易碾碎，碎米增 多，出米率降低；若粮食水分过低，稻粒硬度高，也容易产生碎米，降低出米率。 因此，水分含量的高低直接影响粮食的加工过程卜q 。 水分测定也同样广泛应用于医药行业。在药品的生产过程中，水分含量是一 个重要的控制指标。因为水分含量的高低不仅会影响到药品质量，还会影晌药品 的使用期限，所以在药品生产的质量控制中，要严格控制和检测药品中的水分含 量。 在化工、木材、医药、造纸、建筑材料、石油工业、冶炼、陶瓷、食品、烟 草、茶叶、饲料、棉花等行业，水分是决定产品质量和工艺的基本参数，水分含 量的准确测定是产品质量的重要保证。 水分检测具有十分重要的意义： ( 1 ) 为安全储藏提供保障。水分含量是安全储藏的关键指标。如前所述，粮 基于d s p 的水分测定电子天平研究 食水分既不能过高，也不能过低，过高( 超过安全水分) 不仅浪费运力和仓容， 还促使粮食生命活动旺盛，容易引起粮食发热、霉变、生虫和其它生化变化，以 致引起粮坏。粮食水分过低，一是破坏有机质，二是损坏干物质减少重量。据国 家粮食储备局公布，我国粮食年产量达4 5 0 0 亿公斤以上，在收购、储藏、运输、 销售等过程中，因水分含量过高造成的损失高于5 ，折合人民币1 0 0 亿元以上， 损失惊人。 ( 2 ) 为生产加工和科学实验提供依据。水分含量是加工工艺选择和技术参数 配备的重要依据，粮食、食品、医药、化工、陶瓷、纺织、造纸等诸多行业与科 研机构，都要根据原料的水分含量选择加工与实验配方，确定加工与实验过程， 确保加工质量和实验的准确性。 ( 3 ) 确保食用品质。物质的水分含量直接影响食用感觉。以大米为例，实验 表明，用水分含量为1 4 左右的大米蒸煮的米饭食用口感最佳。 ( 4 ) 节约运输成本。物质在运输过程中，若含水量过高的话，就将耗费巨大 的财力在水的运输上。以我国目前的生产力水平来看，运输物资每增加1 的水 分，就不得不多花费几十亿元人民币。 ( 5 ) 确保食品安全，保障消费者权益。仅以窗品为例，使用b a i d u 中文援索 引擎，对关键字“注水肉”的搜索结果就有3 8 3 0 0 多条，触目惊心。我国城乡居 民每年至少食用4 0 0 0 万吨家畜禽鲜肉，其中至少1 为注水肉，消费者购买注水 猪肉，在身体健康受到侵害的同时，每年购买的“水”量在2 万吨以上，由此每 年造成的经济损失在1 亿元人民币以上【7 引。 ( 6 ) 为贸易谈判提供依据。水分含量还是粮食、茶叶、油品、苎麻、木材、 矿石、海产品等有关物资以质论价的重要依据。 可见，水分检测对国民经济建设有着积极的社会意义和巨大的经济价值。 1 2 水分测定电子天平研究现状 水分测定电子天平的测量机理基于传统烘干失重法，它是随着红外辐射加热 技术和电子天平技术的进步而发展起来的。 利用红外辐射敏感物质对红外线存在吸收峰的特性可加速物质的干燥。红外 辐射早在1 9 世纪初就被发现，之后又发现了远红外辐射。从2 0 世纪5 0 年代开始， 红外加热技术便得到迅速了发展。2 0 世纪7 0 年代，日本研究人员提出了“匹配 吸收加热的干燥理论”，随之红外加热技术才广泛应用于工农业生产。之后十多年 内，红外辐射技术的优越性愈来愈被人们认识，对红外辐射技术的机理与各种物 质加热干燥的复杂关系，都处于探索提高阶段。2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代末， 红外辐射技术才真正得到广泛应用 9 1 。 红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波【1 0 ，1 1 】，具有电磁波的性质， 硕士学位论文 如波动性、粒子性。既可在真空中传播，又可在介质中传播，具有直射、折射、 反射、干涉、衍射等物理现象。可见光的波长范围约为0 3 8 0 7 5 , u r n ，红外线的波 长为0 7 6 1 0 0 0 u m ，波长大于1 0 0 0 h m 的为微波和无线电波。为了应用方便，把红 外线按波长划分为近红外线、中红外线、远红外线。国际照明委员会根据照明需 要和石英玻璃仅能透过波长3 j m 以下的红外线的原则，把波长0 7 6 1 4 9 m 的红外 线称为近红外线，1 4 - 3 t a m 的称为中红外线，3 - 1 0 0 0 # m 的称为远红外线。绝大多 数被加热烘烤的高分子、有机物等材料对3 2 5 u m 范围的波有较强的吸收能力。 由于微波加热难以控制，而且成本较高，本文采用红外辐射对被测物品进行 加热。 电子天平技术的发展，是新型传感器技术与计算机技术发展的结果。电子天 平通常采用电磁力平衡原理，在称量物体质量时，通过检测磁场中流过线圈电流 强度的变化，得到被测物体的质量。相对于机械天平，电子天平体积小，不存在 读数误差，操作简单，无须阻尼机构，称量速度远远快于机械天平和光学天平， 而且还可以实现许多机械天平、光学天平无法实现的智能功能，例如自动校正、 去皮、量程自动转换、故障报警、数据存储和通信等【1 2 ，”】。 将红外加热干燥箱与电子天平结合，可简化烘干失重法测量水分的步骤，提 高测量速度。2 0 世纪8 0 年代，出现了最初的水分测定电子天平。如日本k e t t 制作所研制的f d 6 2 0 水分测定电子天平l l ”。我国在8 0 年代也研究出类似产品， 如湖南仪器仪表总厂的s c t - 3 水分测定天平、z s t - l 水分测定电子天平及上海和 平仪表厂的m y - i 型水分测定电子天平等。利用红外辐射加热被测试样，结合电 子天平，使测量时间由过去的2 4 小时缩短到l 3 小时( 测量时间与被测物质 结构有关) 。水分测定电子天平的出现，是对传统烘干失重法的重大改进，它拥有 与标准烘干失重法相同的测量精度，可作为仲裁依据。但此阶段的水分测定电子 天平还只是红外干燥箱和电子天平的简单结合，虽然简化了操作步骤，但没有从 根本上改变烘干失重法测量时间过长的问题。 2 0 世纪末，国外逐渐出现了智能水分测定电子天平，它不但将红外干燥箱与 电子天平结合一体，而且利用电子天平中的计算机系统控制红外干燥箱，使整个 测量过程智能化。由于影响水分测定电子天平测量速度的主要因素还是被测样品 的烘干速度，为加速测量，也出现了一些新的样品烘干方法，如微波加热、卤素 红外加热、混合加热等烘干加热方法，从而使水分测定速度更快，操作更简便l ”1 。 国外生产水分测定电子天平的公司主要有：瑞士梅特勒托利多公司 ( m e t t l e r t o l e d o ) 、p r e c i s a 公司；德国塞多利斯( s a r t o r i u s ) 公司；美国o h a u s 公司、a r i z o n a 科学仪器公司、a & dw e i g h i n g 公司、a d a m 公司等。各公司代表 产品如表1 1 所示。 表1 1国内外现有的水分测定电子天平产品 生产公司型号加热方式 瑞士梅特勒托利多公司 h r 一7 3 、h g - 5 3 、h b 一4 3 卤素灯加热 ( m e t t l e rt o l e d o ) l j 1 6 红外辐射加热 m a 3 0 陶瓷红外暗场加热 德国塞多利斯公司( s a r t o r i o s ) m a 一5 0 、m a 1 0 0 陶瓷红外卤素灯加热 m m a 3 0 微波加热 美国o h a u s 公司 m b 一3 5 、m b 4 5 卤素灯加热 美国a r i z o n a 科学仪器公司m a x 10 0 、m a x - 2 0 0 0 红外灯加热 美国a & dw e i g h i n g 公司 a d 4 7 0 0 系列 陶瓷红外暗场加热 ( 4 7 1 3 4 7 1 5 ) 瑞士p r e e i s a 公司 h a 一6 0 、h a - 3 0 0 红外灯加热 日本k e t t 研究所 f d 2 4 0 红外灯加热 美国a d a r a 公司 a m b - 5 0 、a m b - 1 1 0 双卤素灯加热 上海天平仪器厂 d h s l 6 a 、d h $ 2 0 1 远红外辐射加热 采用智能水分测定电子天平测量样品水分含量，操作过程简便，只需将被测 样品放在秤盘上，再经过简单设定，即可在较短时间内得出样品水分含量。由于 新的烘干方法的采用，并结合计算机系统对测量过程的智能控制，水分测量速度 得到进一步提高。下面以德国s a r t o r i u s 公司生产的系列水分测定仪为例，说明其 产品特点和性能【l “。 德国s a r t o r i u s 公司系列水分测定仪己历经几代产品，型号从m a 3 0 、m a 4 5 到m a 5 0 ( m a l 0 0 ) ，精度已经达到o i m g ( m a l 0 0 ) ，而且功能日益强大，外观 设计更趋新颖、合理。其中m a l 0 0 以其更加实用的功能，便捷的操作，小巧轻 便的结构迅速占领了一些市场。其产 品性能如下： 小巧、紧凑的设计 量程4 5 9 1 4 5 9 ，精度l m g 加热范围从4 0 到2 3 0 操作模式与m a 3 0 相同 采用红外线加热源，确保加 热样品快速均匀 传感器采用技术领先、结实 耐用的m o n o l i t h i c 超级 单体传感器，保证测量结果图1 i 赛多利斯m a l 0 0 水分测定仪 硕士学位论文 的准确、快速、可靠 可选择3 种终点判断方式( 全自动、半自动、定时) 操作简单、易学 符合g l p 要求的打印输出格式 国内生产远红外水分测定仪的厂家有上海精密科学仪器有限公司等为数不多 的企业。但是与国外品牌相比，无论从产品性能指标、功能以及外观设计等方面 都具有很大的差距。 1 3 课题的提出及意义 基于d s p 的快速水分烘干电子天平主要应用领域是粮食水分测定。因此设计 要符合国家对粮食检测中规定的水分测定的标准，同时希望能够适用于其它行业。 目前粮食行业水分测定标准方法( 仲裁依据) 是烘干失重法，即1 0 5 恒重 法和1 3 0 1 2 定温定时烘干法，将重量为的试样按规定时间和温度烘干，完全失 水后的试样质量既，则含水率 m ：w o - w l o ( f o ( i i ) 甄 该方法直接测出水分蒸发量，称直接法，又称经典法。这种方法需要使用分 析天平和电干燥箱，操作繁琐，而且由于电干燥箱的温度波动较大，容易损坏样 品。烘干后的试样在从干燥箱取出进行称重的过程中，会迅速吸收空气中的水分， 带来操作误差。 为此，作者在传统水分测定仪的基础上，研制了红外干燥水分测定仪。将红 外干燥箱和电子天平有机结合。红外辐射烘干法的干燥机理仍基于经典法，经典 法用电阻式干燥箱，试样中水分的蒸发主要靠热传导，失水速度慢，测量效率低， 两红外法、微波法的加热方式可直接从物质内部加热，大大缩短了烘干时间，而 且还具有清洁、无附件、安装方便等优点。但是由于微波加热方式一般功率较大， 难以控制，而且可能导致辐射泄漏，因此本文设计的水分快速测定电子天平采用 了红外辐射加热方式加速样品烘干。 用经典法测定水分时，物质失水速度慢、测量效率低的原因主要是，为了使 干燥箱的温度稳定在1 0 5 而不产生很大的超调，通常都是用传统的p i d 控制方 法，而这种方法在快速响应和控制精度上不能兼顾。借鉴工业计算机控制系统中 的复合控制方法能满足干燥箱温度快速达到设定值的要求，但是这些方法的实现 通常都需要采用高性能的微处理器，并且采用高性能的微处理器还可以运用相应 的预估算法，进一步提高测量速度。 目前，国内应用的水分仪大都是采用单片机作为处理器。普通单片机的指令 周期内的取指、译码、执行等操作不能同步进行，因而不能提高信息处理速度， 基于d s p 的水分测定电子天平研究 达到快速测定水分含量的要求。 d s p 作为一种高速专用数字信号处理器已得到了广泛的应用。 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 是美国t i 公司推出的1 6 位定点数字信号处器t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 中 的一员。处理能力可达3 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在一个周期内完成。这 种处理能力可适用执行复杂算法，例如适应控制、卷积、相关、f f t 等。片内自 带a d c 模块。使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片构成的测量系统，具有扩充的外围电路 少、控制电路简单、控制手段灵活、易调试和易维护等很多特点。 本课题所设计的水分仪针对快速准确测定水分含量的需要而研制的，选用高 速专用数字信号处理器d s p 作为微处理器，具有体积小、功耗小、使用方便、实 时处理迅速、处理数据量大、处理精度高、性能价格比高等优点。因此，综合上 述因素本课题选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心芯片研制水分仪。 1 4 本文主要工作与创新 1 4 1 本文的主要工作 作者所在单位研究开发了插杆式粮食水分快速测定仪、肉类水分快速测定仪、 粮食烘干塔水分在线检测系统等系列水分检测设备，产生了较大的社会影响。作 者在此基础上，分析了传统测定方法特点、适用范围及存在的不足，探讨了水分 检测技术的发展方向，设计一种基于d s p 的水分测定电子天平。 第1 章绪论。在这一章中介绍了水分检测的意义，简要地回顾了现有的水 分测定电子天平的研究现状，阐述了本文设计的基于d s p 的水分测定电子天平的 目的和意义。 第2 章水分测定电子天平的构成。首先介绍了水分测定电子天平的质量称 量原理和水分测定原理；然后，选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型号的d s p 作为信息处理 单元，简要介绍了微处理器的功能，并给出了水分测定电子天平的总体设计及其 信息处理单元电路设计；最后，说明了水分测定电子天平的性能指标。 第3 章基于d s p 的红外干燥箱温度控制。首先根据红外干燥箱的特点设计 了其测控系统，可实现对红外干燥箱的温度测量与控制；然后给出了温度控制的 方法，针对时间最优控制、p i d 控制和模糊控制各自的特点，设计了一种基于时 间最优模糊p i d 控制方法。仿真实验表明，基于对闯最优模糊p i d 控制方法能够 很好的满足红外干燥箱的大时滞的控制要求。 第4 章水分测定电子天平的软件设计。首先介绍了d s p 系统的开发工具； 然后在前面介绍的硬件基础上，给出了相应的软件设计。 第5 章温度测控误差分析与仪器的抗干扰设计。 最后，在结论部分，回顾了本文的工作，说明了本文的创新和不足之处，探 蜿士学位论文 = = = = = = = = = ! = = = = = = = ! = = = = = = ! = = = = = = = ! = = = = = = ! = = = = = = = ：= = = = = = ：= = 讨了水分测定电子天平的发展方向。 1 4 2 本文的创新 ( 1 ) 研究了一种基于d s p 的水分测定电子天平，完成了仪器的信息处理单 元设计。仪器以高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为信息处理核心，实现水分测 定仪的测量、控制信息处理。 ( 2 ) 建立了水分测定电子天平干燥箱温度的智能复合温度控制方法。这种 基于d s p 脉冲宽度调制( p w m ) 的时间最优模糊p i d 控制方法，加快了红外干 燥箱温度的上升速度，减小了系统的超调，提高了控制精度。 第2 章水分测定电子天平的构成 本文设计的水分测定电子天平系统以d s p 为信息处理单元，将电子天平与红 外干燥箱融为一体。该红外水分测定仪可分微处理模块设计、电子天平称重系统、 红外加热箱温度控制系统。 2 1 水分测定电子天平的工作原理 水分测定仪由红外干燥箱、精密电子天平、d s p 微处理器以及外围电路组成。 如图2 1 所示，将待测样品放入红外干燥箱的样品盘中，称重传感器将待测样品 的重量信号转换为电信号送入信号调理电路；同时放入加热舱中的温度传感器检 测加热舱的实时温度，微处理器得到该实际温度值后，输出温度控制信号使其工 作在恒温状态。微处理器接收外围键盘的输入命令执行不同的操作，将分析后的 数据送给液晶显示器。 d 蔓三碧刊委卜 d s p 囤2 1 水分测定电子天平结构囤 2 1 - 1 质量称置原理 水分测定电子天平质量称量范围0 2 0 0 9 ，其中0 3 0 9 量程内，感量为 o 0 0 1 9 ，允许误差为o 0 0 2 9 ，量程大于3 0 9 ，感量为o 0 1 9 ，允许误差为0 0 2 9 。 质量称量原理如下：秤盘加载前，电磁力平衡传感器处于初始平衡状态，拉 簧的拉力与秤盘、立柱、动圈、遮光片等可动部分的重力相当，发光二极管d 1 的发光被遮光片完全挡住，硅光电池d 2 的输出电压为0 。秤盘加载后，被称质量 为m 的样品重量g 使电磁力平衡传感器的可动部分带动遮光片发生位移，遮光片 的位移使硅光电池d 2 接收到d l 的发光，从而产生一个电压输出信号，该电压信 号经p i d 调节，产生一个逐渐增大的电流五流经动圈。载流动圈在永磁体的磁场 硕士学位论文 作用下产生向上的反馈作用力e ，使电磁力平衡传感器的可动部分向上移动。由 于p i d 积分环节的存在，流经动圈的电流厶逐渐增大，力r 也逐渐增大直至可动 部分回到初始平衡的位置，光敏电池d 2 的输出电压为0 。此时 e = 毗t ( 2 1 ) 而 f = b l i = m g ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 有 m ：土皿，：k ( 2 3 ) g 式中，曰为永磁体气隙中的磁感应强度；l 为动圈的导线长度；g 为重力加速度； k 为b 、上、g 决定的常数。 式( 2 3 ) 即为水分测定电子天平质量称量的数学模型【1 7 】。 2 1 2 水分测定原理 红外干燥箱的发热元件为红外辐射器件，干燥箱温度可设定范围为5 0 1 5 0 ( 2 。 为提高烘干速度，在烘干前，首先应对大样进行分样( 碎化、研磨、均分) 处理， 再称取一定量( 5 2 0 9 ) 的试样，将试样均匀平铺在称量盘内，以便水分受热蒸 发。盛有试样的称量盘置于秤盘上后，关上红外干燥箱，通过键盘设置烘干温度， 即可对红外发热元件通电加热。 红外干燥箱内的温度恒定后，电子天平每隔6 s 自动称取一次被测样品的质量， 并显示失水过程中的被测样品质量和失水百分量。水分测定电子天平可以设定多 种工作模式：常规模式、定温定时模式、预估模式等六种模式。在常规模式下， 如果连续3 0 m i n 内测量结果的分散性s o 0 0 2 9 ，即认为达到恒重状态，此时发热元 件断电，停止对试样的烘干，电子天平显示试样烘干后的质量和水分百分比含量； 在定温定时模式下，样品根据设定的温度加热，电子天平每隔6 s 自动称取一次被 测样品的质量，所定时间一到，输出样品的质量阮及水分含量m ；在预估模式 下，d s p 根据试样的失水规律，对实测样品的水分含量进行处理，预估完全失水 后的试样质量耽( 或样品最终水分含量肌) 。 若待测样品烘干前质量为，则试样的水分百分比含量为 m ：坠= 鉴1 0 0 。, 4( 2 4 ) 式( 2 4 ) 即为水分测定电子天平的水分测定数学模型【1 8 1 。 水分快速测定电子天平的水分测定原理与标准烘干失重法一致，测量精度优 于o 2 ，水分测量结果可作为仲裁依据。 2 2 水分测定电子天平的总体设计 水分测定电子天平的设计可分为微处理器模块设计、电子天平设计、红外干 燥箱温度控制系统设计和通信接口设计，其电气原理图详见附录b 。 2 2 1 信息处理模块设计 对于仪器仪表设计者来说，微处理器、外围接口器件、以及高性能的模拟电 路都是必不可少的硬件系统组成部分。对于开发者来说，每种产品的开发都需要 从设计微处理器系统入手，选择一款适合产品应用的c p u 系统。另一方面，随着 现代电子技术的飞速发展，高性能、高集成度的芯片层出不穷，从大规模集成电 路到f p g a c p l d 、从s o c 至u 数模大规模混合集成电路，各种应用的元器件应有尽 有。因此能否选择一款性价比高、功能齐全、性能稳定的通用c p u 系统组成微处 理器模块的核- l , c p u ，是长期以来工程师梦寐以求的产品。我们从众多的c p u 产 品中选择了美国德州仪器公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为信息处理单元。 2 2 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 d s p 芯片集成高速乘法器、具有多组内部总线，能够进行快速乘法和快速加 法运算，具有体积小、功耗小、使用方便、实时处理迅速、处理数据量大、处理 精度高、性能价格比高等优点。d s p 之所以有上述优点，是因为d s p 内部采用了 以下5 种技术【1 9 也1 1 。 ( 1 ) 哈佛( h a r v a r d ) 结构体系或增强型哈佛结构体系。采用程序总线、数 据总线分别独立并具有多条总线的哈佛结构。程序存储器和数据存储器是两个相 互独立的存储器，每个存储器独立编址，用独立的程序总线、数据总线或多条总 线分别进行访阀。这种内部总线并行技术，即相互独立的总线允许在一个指令周 期内同时进行程序读出( 来自程序存储器) 和数据存取( 来自数据存储器) 而互 不干扰。 增强型哈佛结构的程序存储器和数据存储器之间可以进行数据的传送，从而 更有效提高效率。 ( 2 ) 采用流水线技术。计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、译码、 访问操作数、执行等几个步骤，需要若干个机器周期才能完成。d s p 的流水线结 构是指它的这几个阶段在执行过程中是重叠的：第一条指令取指后译码时，第二 条指令取指；第一条指令访问数据时，第二条指令译码，第三条指令取指，即在 任意给定的周期内，可能有l 4 条不同的指令是激活的，每一条指令都处于不同 的阶段，如图2 2 所示。这样，尽管每一条指令的执行时间仍然是几个机器周期， 但由于指令的流水作业，使得每条指令基本上都是单周期指令。衡量d s p 的速度 也经常以单周期指令时间为标准，其倒数就是m i p s ( 兆条指令秒) 。 硕士学位论文 l 取指令指令译码取操作数指令执行 取指令 指令译码取操作数指令执行 取指令指令译码 取操作数指令执行 图2 2i ) s p 指令流水线 ( 3 ) 硬件乘法器。在d s p 中备有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器( 乘法器 和累加器) ，取两个操作数到乘法器中进行乘法运算，并将乘积加到累加器中， 这些操作可在单个周期内完成。 ( 4 ) 多处理器。d s p 内部一般都包括多个处理单元，如硬件乘法器( m u l ) 、 累加器( a c c ) 、算术逻辑单元( a l u ) 、辅助算术单元( a r a u ) 。同时在d s p 内部还综合地集成有适用于高速信号处理的许多功能，包括因频繁使用而部分硬 件化的特殊功能、单独的d m a 总线和d m a 控制器、大容量存储器、模，数与数模 转换器、高速串并行端口等。它们都可以在单周期内执行完各自的任务。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令。在d s p 的指令系统中，有许多功能是多功能指令，即 一条指令可以完成几种不同的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。 水分快速测定电子天平系统中，d s p 系统既要实时控制红外加热箱的温度， 保证样品正常干燥，并采集大量电子天平测量数据。在预估工作模式下，还需对 高精度采集数据实时处理，通过预估算法快速预估被测样品最终水分含量值。因 此，要求d s p 系统有较强的信息处理能力和数据存储能力。 水分测定仪以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为信息处理核心。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司推出的极有代表性的高性能芯片，它既具有一般d s p 芯片的高速运算和 信号处理能力，又和单片机一样在片内集成了丰富的外设，特别适用于数字控制 系统。 美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 公司是全球d s p 研发和生产的领先者。 自1 9 8 2 年推出第一块d s p 芯片以来，到2 0 世纪9 0 年代中期，t i 先后推出了c 1 0 、 c 2 0 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 及c 8 0 等6 代t m s 3 2 0 系列的d s p 产品。紧接着又推出了c 2 0 0 0 系列、c 5 0 0 0 系列和c 6 0 0 0 系列三大主流产品。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是目前c 2 0 0 0 系列 中应用最为广泛的d s p 芯片之一，它有如下特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短至l j 2 5 n s ，大大提高了控制器的实时控 制能力。 ( 2 ) 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了和t m s 3 2 0 系歹 j d s p 代码兼容。 ( 3 ) 片内有高达3 2 k 的f l a s h 程序存储器，5 4 4 字的双r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 基于d s p 的水分测定电子天平研究 ( 4 ) 两个时间管理器e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和 非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的 p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元：片内光电编码 器接口电路；1 6 路通道a d 转换器。 ( 5 ) 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器 空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个时间管理器来触 发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 ( 8 ) 具有控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块、串行通信接口( s c i ) 模块、 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块、基于锁相环的时钟发生器，另外还有高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 和5 个外部中断( 两个电机驱 动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 ( 9 ) 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模 式。 2 2 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的存储器分配 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的存储器空间分配如图2 3 所示0 6 1 。 l f 2 4 0 7 a 的片内r a m 包括两种：片内双口5 4 4 字r a m ( d a r a m ) 和2 k 片内单口程序数据r a m ( s a r a m ) 。 所谓d a r a m 是双口随机读写存储器的简称，在单个机器周期内可以被访问 两次。这5 4 4 字被分成3 块：b 0 、b 1 和b 2 ，主要用来存放数据，但