（电路与系统专业论文）乳化液介质浓度光学实时监测系统设计.pdf

论文题目：论文题目： 乳化液介质浓度光学实时监测系统设计乳化液介质浓度光学实时监测系统设计 作者姓名：作者姓名： 张维华张维华 入学时间：入学时间： 2010 年年 9 月月 专业名称：专业名称： 电路与系统电路与系统 研究方向：研究方向： 嵌入式嵌入式系统系统及应用及应用 指导教师：指导教师： 闫相宏闫相宏 职职 称：称： 副教授副教授 论文提交日期：论文提交日期： 2012 年年 4 月月 论文答辩日期：论文答辩日期： 2012 年年 6 月月 授予学位日期：授予学位日期： 2012 年年 6 月月 emulsion medium concentration of optical real-time monitoring system design a dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of master of philosophy from shandong university of science and technology by zhang weihua supervisor: associate professor yan xianghong college of information science and engineering apr 2012 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要摘要 乳化液作为采煤工作面液压支架和液压支柱的传动介质，是液压系统的血液。不仅 起到动力传递的作用，而且有润滑、冷却、防腐、防锈的作用。其浓度的高低严重影响 了液压支架和支柱的工作寿命和生产成本，使得煤矿生产存在着安全隐患。随着科学技 术的发展，人们对乳化液浓度和质量的要求越来越高，而传统的检测手段有精度低、需 要人工取样、数据不能实时显示，随时存储等缺点，这就需要设计一套完整的系统来满 足人们的需求。在此背景下，本课题设计了“乳化液介质浓度光学实时监测系统设计” 。 ccd 图像处理技术在当今社会已经非常成熟，市面上已经有多款高精度，高稳定性 的图像传感器，可以把光信号转换成电信号，经过放大滤波等信号处理之后，就可以送 到单片机对图像信息进行综合分析计算。本课题采用的便是光学检测系统。分站应用全 反射原理，可以将 ccd 采集的图像信息经过计算得到乳化液浓度。因为乳化液浓度受温 度影响较大， 单片机将同时采集到的温度信息进行温度补偿， 得到准确的乳化液浓度值。 分站将这些信息传输给主站，进行综合分析、存储、显示、报警，同时主站也提供对历 史信息的打印功能。主站也可以与上位机进行通信，这样人们在井上通过电脑就可以观 察到井下乳化液的状态，并随时控制，使其在最佳状态。 关键字关键字：乳化液浓度监测 光学监测 光电转换 ccd 山东科技大学硕士学位论文 摘要 abstract the transmission medium of the emulsion as the coalface hydraulic support and hydraulic prop is the blood of the hydraulic system. not only play the role of power transmission, and lubrication, cooling, corrosion, rust. the concentration of a serious impact on the level of the hydraulic support and pillar of his working life and cost of production, coal production there are security risks. emulsion concentration and quality with the development of science and technology, people are getting higher and higher, the traditional detection methods have low accuracy, the need for manual sampling, the data can not be real-time display, at any time, storage and other shortcomings, which need to design a complete system to meet the needs of people. in this context, the subject of design emulsion media real-time monitoring of the concentration of optical system design. ccd image processing technology in todays society has been very mature, the market has a variety of high-precision, high stability of the image sensor, optical signals are converted into electrical signals, after amplification of the signal processing of filtering, it can be sent to the microcontroller the image data were analyzed calculation. this topic is optical detection system. sub-station application of total internal reflection, image information collected by the ccd can be calculated emulsion concentration. because the concentration of the emulsion is affected by temperature, the microcontroller will be collected at the same time temperature information for the temperature compensation, the exact concentration of the emulsion. sub-station will transmit this information to the master, a comprehensive analysis, storage, display, alarm, while the master also provides the print history information. the master can also communicate with the host computer, so that people in inoue, through the computer can observe the status of the underground emulsion, and to keep control to make it in the best condition. keywords: emulsion concentration monitoring、 optical monitoring、 photoelectric conversion、 ccd 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 1 绪论绪论 . 1 1 1.1 课题的来源和问题的提出 . 1 1.2 乳化液浓度检测方法的现状和发展趋势 . 1 1.3 乳化液浓度检测系统的功能 . 3 1.4 论文组织结构安排 . 3 2 2 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 . 5 5 2.1 ccd 光学反馈原理 . 5 2.2 乳化液配比箱内部原理 . 9 2.3 乳化液介质浓度光学实时监测系统的总体方案设计 . 11 3 3 乳化液介质浓度光学实时监测系统硬件详细设乳化液介质浓度光学实时监测系统硬件详细设计计. 1212 3.1 硬件原理框图 . 12 3.2 单片机的选择 . 13 3.3 光源的选择 . 16 3.4 ccd 检测转换电路 . 17 3.5 通信接口电路设计 . 21 3.6 按键及显示及报警电路设计 . 26 3.7 打印机的选择 . 28 3.8 温度补偿电路设计 . 31 4 4 乳化液介质浓度光学实时监测系统软件详细设乳化液介质浓度光学实时监测系统软件详细设计计. 3434 山东科技大学硕士学位论文 目录 4.1 系统流程图 . 34 4.2 信息采集驱动程序 . 36 4.3 通信程序设计 . 38 4.4 温度采集程序流程 . 42 4.5 打印机程序设计 . 44 4.6 按键及显示程序设计 . 45 4.7 软件抗干扰措施 . 46 5 5 乳化液介质浓度光学实时监测系统调试乳化液介质浓度光学实时监测系统调试 . 4848 5.1 检测系统的标定 . 48 5.2 系统调试 . 48 6 6 结论结论 . 5050 致谢致谢 . 5151 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 . 5252 主要参考文献主要参考文献 . 5353 山东科技大学硕士学位论文 目录 contents 1 introduction 1 1.1 the source of topics and problems 1 1.2 the status and trend of the method of measuring density of emulsion 1 1.3 function of measuring density of emulsion 3 1.4 the structure organization of the paper 3 2 principles and overall program design of optical measuring density of emulsion5 2.1 ccd optical feedback principle5 2.2 emulsion ratio box internals 9 2.3 the overall program design of optical real-time measuring density of emulsion11 3 hardware detailed design of optical real-time measuring density of emulsion12 3.1 hardware functional block diagram12 3.2 mcu selection13 3.3 light source selectio16 3.4 the ccd measuring conversion circuit17 3.5 design of communication interface circuit21 3.6 design of keys and display and alarm circuit 26 3.7 printer selection 28 3.8 design of temperature compensation circuit 31 4 software detailed design of optical real-time measuring density of emulsion34 4.1 flow chart34 4.2 program of information collection drive36 4.3 program of communications39 4.4 program of temperature collection drive42 4.5 program of printer45 4.6 program of keys and display46 4.7 anti-jamming measures based on software47 5 debugging of optical real-time measuring density of emulsion49 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.1 the calibration of measuring system49 5.2 debugging of measuring system49 6 conclusion51 thanks52 main work achievement of the author during working on master paper53 main reference documents54 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的来源和问题的提出课题的来源和问题的提出 液压支柱及液压支架都是采煤工艺的主要装备，乳化液作为液压传动或冷却润滑的 工作介质在煤矿生产中发挥十分重要的作用1。乳化液被称为煤矿支护设备的血液，其 浓度直接影响到液压支架和支柱的工作寿命和成本2。如果乳化液的浓度太低，将会是 液压元件受到腐蚀，会影响抗硬水能力、防锈效果和润滑性3；甚至导致液压支架失去 支承能力而引起重大的恶性事故4。如果乳化液浓度太高会增加生产成本、降低消泡能 力并且增大对橡胶密封材料的溶胀性。 煤矿安全规程 规定乳化液的浓度应严格控制在 3% 5%5。 乳化液通常是指 2 种互不相溶的液体（如水和乳化油）6，其中一种以小液滴形式 均匀分散在另一种液体中。 当油分散在水中时， 油为内相， 水为外相， 叫做水包油型 （o/w 型)；反之亦然，叫做油包水型（w/o 型） 。油包水型（w/o 型）含油量一般在 60%左右， 其润滑性好，但稳定性差；水包油型（o/w 型)含油量一般在 510%，非常经济，但润 滑性差。我国煤矿液压支架的液压系统采用水包油型乳化液7。 乳化液的浓度严重影响着生产和成本8，据资料统计，液压系统的故障大约有 70%80%是由于介质质量的劣化和不洁净造成的。因而对乳化液质量的可靠保证显得尤 为重要，检测乳化液浓度成为乳化液生产中必不可少的环节。乳化液的浓度在线实时检 测，不仅可以及时反映实时情况，更为乳化液的补料控制提供及时正确的反馈信息9。 随着科学技术的发展，人们对乳化液的配制越来越关注，对它的配比质量也提出了 越来越高的要求。开发研制乳化液浓度实时检测系统，不仅能够实现浓度的实时检测， 降低劳动强度和生产成本，又有利于乳化液自动配比、浓度准确、消除安全隐患，提高 煤矿的生产效率和效益，符合现代化矿井建设的需求，具有一定的推广价值和意义。 1.2 乳化液浓度检测方法的现状和发展趋势乳化液浓度检测方法的现状和发展趋势 目前，我国大多数煤矿对矿用乳化液浓度的检测手段还比较落后，还是采用传统的 检测手段，主要包括：破乳法、光透法、超声波检测法和折光仪检测法。 1.2.1 破乳法破乳法 破乳法是在乳化液样品中加入破乳剂10，将乳化状的油水混合液中的油和水分离开 来，从而得到乳化液中油和水的比例值11。这种检测手段属于离线进行，需人工取样目 测读数，精度较低，取样后等待检验的时间比较长，故这种检测手段不能及时反映乳化 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 液浓度的实时状态。 1.2.2 光透法光透法 水中含油浓度不同时溶液颜色的深浅将导致透过溶液的光出现强弱不同12。因此， 可以通过检测透过溶液的光的强弱来求得溶液的浓度13。对于某种固定的溶液，当入射 光波长一定时，只要测出吸光度，即可测出该溶液的浓度；当入射光强度恒定时，只要 测出透射光强度亦可唯一确定溶液的浓度。但是散射光强与油份浓度只在一定的范围内 成线性关系，浓度传感器的量程受到了一定的限制不利于产品化的实现。 1.2.3 超声波检测法超声波检测法 超声波检测乳化液浓度包括衰减法和声速法14。超声衰减法是利用超声波在介质中 传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱。但超声波衰减法在测量液体浓度时非 线性因素太强，测试误差较大，同时信号重复性也不太好。超声波声速法是利用了超声 波在不同浓度的乳化液中有不同传播速度这一原理。超声波声速法测量精度较高，信号 稳定，重复性良好，比较适合乳化液浓度的在线检测15。但其声速和浓度的对应关系受 温度的影响很大， 因而对测温精度要求很高， 而且在全部的声程上乳化液的状态较复杂， 对测量精度影响较大。 1.2.4 折光仪检测法折光仪检测法 折光法的基本原理是：光从一种介质进人到另一种介质时在界面上会发生折射，而 且溶液的浓度不同，在介质中传播速度不同，折射率也就不同。煤矿上用来检测乳化液 浓度最常用是折光糖量计，属于便携式浓度计，它是基于含糖溶液的折射率正比于浓度 的原理设计的。然而这种检测手段都需要人工取样、目测读数、测量精度不高、而且不 能在线监测乳化液浓度的变化。在传统折光仪的基础上，本文介绍一种能够实时在线检 测乳化液浓度的系统。该系统以单片机为检测系统的核心，主要采用激光器、棱镜、线 阵 ccd 等光学元件以及测量杯、微型水泵等构成检测系统。 总的说来，传统检测乳化液浓度的手段是相当落后的。一方面，它需要人工取样和 目测读数，导致乳化液浓度检测的精度较差；另一方面，等待检测的时间较长，不能实 时对乳化液浓度进行检测。因此，传统的检测手段在很大程度上已经不能满足实际生产 的需要。 在传统折光仪检测法的基础上，本课题介绍一种能够实时在线检测乳化液浓度的系 统。 该系统以单片机为检测系统的核心，主要采用激光器、棱镜、线阵 ccd 等光学元 件进行检测，用温度传感器检测温度进行温度补偿，又结合存储、显示、报警、通信等 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 功能构成检测系统。 1.3 乳化液浓度检测系统的功能乳化液浓度检测系统的功能 煤矿安全规程规定乳化液的浓度必须保持在既定工况的最佳值，必须对乳化液 的配制浓度和实际使用浓度进行严格检验，保证其浓度在合理范围内。为了实现矿用乳 化液浓度的在线检测，以及对检测数据的异地显示和管理，设计了乳化液介质浓度光学 实时监测系统5。根据采煤工艺和煤矿安全的要求，光学检测是检测精度较高的一种检 测方法。再利用 rs485 串口总线进行远距离数据传输，本次设计包括系统的硬件电路设 计和上、下位机软件设计，实现了如下功能： 1利用全反射原理，得出图像和乳化液浓度的关系，再通过图像传感器，完成光电 转换，准确测量计算乳化液浓度值，实现对乳化液浓度实时监测；重点设计了 ccd 检 测转换电路。 2通过温度传感器，对乳化液温度实时监测，对乳化液浓度进行温度补偿，提高乳 化液浓度测量的准确性； 3井下设置分站，测量显示乳化液浓度值，超出设定范围时声光报警； 4井上计算机动态显示每个分站的监测参数，超出设定范围时报警； 5每个分站对乳化液浓度值、温度值自动记录存储； 6每个分站对乳化液浓度值连续监测曲线显示，分析； 7分站可以对乳化液浓度值、温度值的历史数据查询及报表输出； 1.4 论文组织结构安排论文组织结构安排 本文主要分为六章，具体内容安排如下： 第一章、介绍了乳化液浓度在煤矿生产中的重要作用，阐述了国内外对于乳化液浓 度监测方法的研究，分析了各个监测方法的优缺点，介绍了本文采用光学监测的方法监 测乳化液浓度。 第二章、详细介绍了光学监测乳化液浓度系统的总体设计。介绍了光全反射原理、 通过折射率计算乳化液浓度的方法、乳化液配比内部原理结构和监测系统的总体方案设 计。 第三章、具体介绍了乳化液介质浓度光学实时监测系统的硬件实现。包括对于单片 机的选择、光源的选择、光电转换的原理电路、通信电路的设计、温度补偿电路的设计、 打印机选择等。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 第四章、采用模块化的思想，具体介绍了乳化液介质浓度光学实时监测系统的软件 实现。从总的流程图的表述，到每个模块的软件实现，包括光电信息采集驱动程序、温 度信息采集程序、通信程序、打印机程序等。 第五章、简单介绍了乳化液介质浓度光学实时监测系统的调试方法和步骤。 第六章、对全文进行了总结，介绍了整个系统的功能。 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 5 2 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 乳化液介质浓度光学实时监测系统的设计是为了实现矿用乳化液浓度的在线监测， 以便将检测结果即时传递给上位机，从而实现乳化液浓度的实时在线监测，对于提高液 压系统的工作寿命以及提高工作面成套设备运转的可靠性具有重要意义， 是一种新型的、 数字式的乳化液浓度检测系统。本装置逻辑上分为硬件和软件设计两部分。硬件部分是 以单片机为核心的测试系统，采用模块化的设计思想和方法，从硬件电路设计与调试安 装、软件编制、抗干扰设计、总体调试和参数校正等方面人手，由浅人深，循序渐进地 进行设计和研究。软件设计主要是使用 keil 开发的单片机程序。 2.1 ccd 光学反馈原理光学反馈原理 光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象 叫光的折射16。 光从介质 1 射入介质 2 发生折射时， 入射角 i 与折射角 的正弦之比 n21 叫做介质 2 相对介质 1 的折射率，即“相对折射率” ，如图 2.1（a） 。公式为： 1 2 sin sin 21 n ni n （2.1） 当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值 时，折射角将达到 90，这时在光疏介质中将不出现折射光线，如图 2.1（b） 。若入射 角进一步增大，则入射光将全部被反射回光密介质，不再存在折射现象，在两种介质的 交界面上将发生全反射现象。如图 2.1（c） ，这就是全反射，这个数值为临界角。 图 2.1 光的折射和全反射 fig. 2.1 light refraction and total internal reflection 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 6 临界角的公式为： 1 2 90sin sin sin sin n n o 1 2 s i n n n （2.2） 则sin 12 nn 为介质 2 的临界角。 临界角的大小为： 1 2 arcsin n n 。容易看出当 n2 发生变化时， c 将发生变化。 我国 煤矿安全规程 规定乳化液的浓度为 3%5%(质量分数)， 其颗粒粒度为 95。 为此，本系统中采用氦氖激光作为检测光源，这样在很大程度上保证了乳化液相对于检 测光来说是一种透光溶液，乳化液折射率与体积浓度的关系满足对数混合法17，即 2 21 2 1 21 1 lglglgn vv v n vv v n （2.3） 式中， v1、 v2 分别为混合前溶质和溶剂的体积； n1、 n2 分别为溶质和溶剂的折射率； n 为混合液的折射率。在溶剂体积 v2 不变的前提下，根据公式（1）可得到折射率 n 和 溶液的质量百分比浓度 c 之间的函数关系式： )lnln(ln)( lnln 21212 221 nnn nn c （2.4） 如果测得溶液的折射率，根据式（2）就可以计算得出溶液的质量百分比浓度，这为 溶液浓度的测量提供了一种有效的测量方法18。 本课题使用光学检测的方法实时检测乳化液浓度19。是使用光学传感器来测量乳化 液的折射率，从而计算出乳化液的浓度。所用到的原理是光源照射到乳化液表面时，发 生全反射时，我们测量它的临界角。本课题使用等边梯形棱镜为光密介质，被测量的乳 化液为光疏介质。如图 2.2 所示，光线从光源（l）发出，从棱镜（p）向乳化液（s）入 射，棱镜的两个侧面（m）像是弯曲光线的镜子，使得光线在照射到棱镜和乳化液的分 界面是拥有不同的角度。而入射角度都是在临界角附近。所有的光线在反射区域形成一 个光斑（abc） ，c 的位置就是临界角光线的位置。在（a）部分的光线在入射过程中， 入射角大于临界角发生了全反射，在（b）部分的光线在入射过程中，入射角小于临界 角，即发生了反射，也发生了折射。而且折射光强比入射光强更大，所以（b）区的图 像相对来说会比较暗。这样，就在反射区域形成了一个包含两部分的光斑：亮线区（a） 和黑暗区（b） 。亮暗分界线的位置（c）便对应了临界角的值8。我们就可以用这种方 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 7 式计算出乳化液的折射率了。 图 2.2 光的全反射和部分折射 fig. 2.2 total reflection and partial refraction of light 折射率会随着乳化液浓度和温度的变化而发生变化20。当乳化液浓度发生变化的时 候，一般情况下，浓度增加，折射率也会相应的增加；浓度减小，折射率也会相应的减 小。较高温度下的折射率也会小于较低温度下的折射率。如图 2.3 所示，我们可以看出 乳化液浓度变化与反射区光斑亮暗分界线位置的变化的对应关系。我们可以通过测量分 界线位置的变化来测量乳化液折射率的变化，从而计算出乳化液浓度的变化。在不同的 乳化液浓度的情况下，乳化液的折射率随温度的变化量也不同，一般测量温度每增加(减 少)1，乳化液的折射率就减少(增加)3.5*10-4 5.5*10-4，为方便计算，一般以 4*10-4计 算。从而我们得出这样的经验公式： （2.5） 式中 t 为规定温度，t 为实验温度。 根据上面的公式，可以根据在某一温度下的折射率计算出 20时的折射率。这样把 20定义为规定温度。因此，系统还使用了温度传感器实时测量乳化液的温度，与同时 测量的乳化液的浓度进行相应的数据处理和计算，完成对于因温度变化而对乳化液浓度 测量误差的计算补偿。 乳化液的颜色、气泡和不溶性微粒都不会影响反射区光斑亮暗分界线（c）的位置。 通常，大气压的变化对折光率的影响并不显著，一般只在要求较精密时才加以考虑。 )(104 4 ttnn t d t d 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 8 低浓度 高浓度 图 2.3 不同浓度下的光斑图像 fig. 2.3 different concentrations of the spot image ccd（charge-coupled device 电荷耦合元件）可以称为 ccd 图像传感器21。ccd 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。ccd 上植入的微小光敏物质称作 像素（pixel） 。一块 ccd 上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。ccd 的 作用就像胶片一样， 但它是把图像像素转换成数字信号。 ccd 上有许多排列整齐的电容， 能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带 的电荷转给它相邻的电容22。如图 2.4 所示。 图 2.4 光学图像检测 fig. 2.4 optical image detection 其显著特点是：1、体积小重量轻；2、功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能 稳定，寿命长；3、灵敏度高，噪声低，动态范围大；4、响应速度快，有自扫描功能， 图像畸变小，无残像；5、应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精 确，商品化生产成本低。 本次设计使用ccd图像传感器可以直接将光学信号转换为模拟电流信号的特性23， 将反射区域的亮暗分界线的位置通过 ccd 传感器转换成电流信号，电流信号经过放大 和模数转换，输入单片机，实现图像的获取、存储、传输、处理、复现，并计算得到折 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 9 射率。再和温度传感器检测的温度信号进行进一步的处理，得出更加精确的乳化液折射 率，然后显示和传输这些数据。 综上，我们可以得出系统检测原理的框图24如图 2.5 所示为： 乳化液浓度变化折射率变化全反射临界角变化 亮暗分界线移动亮区像元数变化单片机处理 图 2.5 ccd 检测系统原理框图 fig. 2.5 ccd detection system block diagram 乳化液监测模块具体设计如图 2.6 所示。 图 2.6 乳化液检测设备横截面示意图 fig. 2.6 emulsion testing equipment cross-sectional schematic 测量棱镜（a）与安装探头尖端的表面平齐，直接和乳化液接触。棱镜（a）和所有 其他的光学元件是通过弹簧（d）和对棱镜的垫片（b） ，固定在坚实的核心模块（c） 上。光源（l）是一个氦氖激光器，接收器是一个 ccd 元件（e） 。电子元件是用热隔离 （k）和散热片（g）进行过热保护。传感器处理器（h）接收 ccd 元素（e）和温度探 头（f）原始数据，然后计算出折射率和过程温度 t，并将这些数据传输到主站。 2.2 乳化液配比箱内部原理乳化液配比箱内部原理 乳化液配比箱是由乳化油箱，配比装置，乳化液箱，以及电控部分组成。电控部分 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 10 以单片机为控制核心，流量计和浓度传感器作为反馈装置26。如图 2.7 所示。 1 配比齿轮泵 2 液控单向阀 3 涡轮流量计 4 防爆电磁阀 5 电控水阀 6 电磁流量计 7 紊流乳化器 8 浓度传感器 9、10 液位传感器 图 2.7 乳化液配比箱内部原理图 fig. 2.7 the ratio tank of the emulsion internal schematic 当乳化液箱的液位达到最低位时27，液位传感器 10 把配比信号传送给单片机控制 系统，控制系统接收信号，对信号进行处理后对水路电动球阀 5、防爆电磁阀 4 及配比 装置的电机发出开启信号28。乳化油经配比齿轮泵 1，液控单向阀 2 和防爆电磁阀与来 自水管路的矿井静压水在紊流乳化器 7 的入口处混合，经紊流乳化器使水和乳化油得到 充分混合，配制出均匀稳定的乳化液送至乳化液箱29。乳化液箱的浓度传感器 8 对乳化 液进行浓度检测。由于静压水比较稳定，因此一旦浓度出现问题时，单片机优先对水路 进行检查，当电磁流量计 6 显示值波动比较大时系统自动停止配比工作；当电磁流量计 显示值正常时，再对油路涡轮流量计 3 显示值进行检查来调整浓度。当浓度高于设定值 时，浓度传感器把信号传给单片机控制系统，控制系统接受信号，对信号进行处理后优 先检查水路，水路正常则对变频器发出信号，减小频率，降低电机转速来调节齿轮泵的 流量，使涡轮流计量的显示值降低；当浓度低于设定值时，增大频率，增大电机转速来 调节齿轮泵的流量，如此调整，直至系统浓度回复正常。乳化液箱的液位达到最高位时， 液位传感器 10 把信号传送给单片机控制系统， 控制系统接受信号， 对信号处理后对水路 电动球阀、防爆电磁阀及配比装置的电机发出停止信号，系统配比工作结束。 紊流乳化器在乳化液自动配比系统中是关键的元件30。乳化液配制质量的好坏很大 山东科技大学硕士学位论文 光学检测乳化液浓度的原理和总体方案设计 11 程度上由乳化器来决定的31。它主要由多块多孔阻尼板构成。乳化油和清水流过乳化器 中的阻尼板时，紊流加剧，形成各种不同尺度的漩涡，伴随着漩涡的强烈脉动，乳化油 和水向各个方向扩散、混掺和传输，在强漩流作用下聚集在一起的大滴乳化油被击碎形 成小滴乳化油均匀地分散在水中，最终形成均匀的乳化液。 2.3 乳化液介质浓度光学实时监测系统的总体方案设计乳化液介质浓度光学实时监测系统的总体方案设计 本次设计中，我们使用一台主站和几台分站。主站主要接收分站传输来的乳化液浓 度信息、温度信息、故障信息，并对这些信息进行操作管理，储存到存储器中，然后将 信息实时的显示出来，同时提供对历史信息的打印功能，并完成与上位机实时的通信功 能。分站主要为传感器提供驱动脉冲，控制传感器，采集图像信息，然后经过相应的数 据处理，得到乳化液浓度和温度，进行声光报警，然后将信息传输给主站。上位机软件 可以实时监测每个分站的信息和实现对分站的控制。总体结构如图 2.8 所示。 主站 分站1分站2分站3分站6 pc机 can总线 rs485 图 2.8 乳化液介质监测系统总体结构 fig. 2.8 overall structure of the emulsion media monitoring system 系统达到的要求： 1、 图像传感器和温度传感器检测之后， 经单片机计算可是实现对于乳化液浓度的实 时精确检测，精确到小数点后一位，收到干扰因素影响较小，在 0.1%范围以内。 2、完成可靠稳定的通信传输，在非强干扰信号的干扰下，保证传输的准确性。有自 己的容错机制，当传输的信号受到干扰时，能分辨，并再次传输。 3、主站分站独立工作，对于乳化液浓度值显示功能，并在超出范围时报警，对于至 少一个月的历史信息的储存和输出功能。 山东科技大学硕士学位论文 乳化液介质浓度光学实时监测系统硬件详细设计 12 3 乳化液介质浓度光学实时监测系统乳化液介质浓度光学实时监测系统硬件详细设计硬件详细设计 对于乳化液介质浓度实时监测系统的设计，必须要搭建稳定可靠的硬件平台，硬件 平台是否完善直接影响了系统的功能的实现和稳定性，也会影响软件编程的难易度和可 靠性。所以电路的设计是非常重要的。 3.1 硬件原理框图硬件原理框图 分站主要完成对光学信号和温度信号的采集，并把信号传输给主站。分站的主要模 块有：主控单片机模块、激光光源模块、ccd 光电转换模块、can 通信模块、温度采 集模块、lcd 液晶显示模块、声音报警模块、电源模块等。模块之间的关系如图 3.1 所 示。传感器采用高精确的图像传感器，采用低功耗 lcd 显示和防爆外壳设计。 c8051f340 单片机 led灯显示 lcd液晶显示 声音报警 ccd信息检测 can通信 温度信息采集 电源晶振、复位 光源 水油泵启停 图 3.1 分站的硬件框图 fig. 3.1 the hardware block diagram of the sub-station 主站主要完成对系统的控制功能，包括对分站进行控制，接受每个分站传输的乳化 液浓度和温度信息，对历史信息存储，并相应上位机的要求，与上位机通信。主站的主 要模块有：主控单片机模块、按键控制模块、can 通信模块、存储模块、液晶显示模块、 声音报警模块、打印机模块、485 通信模块、电源模块等。模块之间关系如图 3.2 所示。 存储模块采用 eeprom 存储， 掉电后不会丢失数据。 通信采用 can 总线， 一种高性能、 高可靠性、易开发、低成本的现场总线。 山东科技大学硕士学位论文 乳化液介质浓度光学实时监测系统硬件详细设计 13 c8051f340 单片机 led灯显示 lcd液晶显示 声音报警 按键选择控制 can通信 eeprom存储 电源 晶振、复位 打印机 pc机 通信 图 3.2 主站的硬件框图 fig. 3.2 the hardware block diagram of the master station 3.2 单片机的选择单片机的选择 本课题选取单片机作为控制芯片，首先要先考虑单片机型号的选择，然后就是对外 围芯片的确定。在单片机市场上，51 单片机以其设置简单、工业稳定性和成本低被比较 广泛应用在实现简单的智能控制系统中。本设计需要处理的数据量比较大，对实时性和 精度要求比较高，需要的引脚数大于 40 个，所以低档的单片机不能满足要求，而高档的 单片机内部存储器容量大，功能多，引脚多。 本设计选用 c8051f 系列的单片机，这是一种高性能的单片机。具有片内上电复位、 vdd 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的 c8051f340 器件是真正能独 立工作的片上系统。flash 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存 储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一 个或所有外设以节省功耗。 片内 si