论文部分内容阅读
【摘 要】纳米技术是21世纪的关键高新技术之一，为了在线检测电解槽内电解液温度对纳米碳微颗粒团聚的影响，论文根据纳米碳粉制备过程中电解原理，设计了电解槽内温度检测装置，以AT89S52单片机为主控制器，采用6个DS18B20单总线型数字温度传感器采集不同电解槽的温度信号，通过无线发射模块nRF24L01芯片将信号发射出去，实现了多点温度信号采集与无线发射，为纳米碳制备中电解槽内温度时时在线测量提供参考依据。
【Abstract】Nano technology is one of the key technologies in twenty-first century. In order to detect the influence of electrolyte temperature on the agglomeration of nano carbon particles on-line， the temperature detection device in the electrolytic cell is designed according to the principle of electrolysis in the preparation process of nano carbon powder. The temperature detection device is based on the AT89S52 MCU as the main controller， uses 6 DS18B20 single bus digital temperature sensors to collect temperature signals from different electrolysis cells， sends out the signal through the wireless transmission module nRF24L01 chip. It can achieve the multi point temperature signal acquisition and wireless transmission， and it can provide reference for on-line measurement of temperature in electrolysis cell during the preparation of carbon nanoscale.
【关键词】纳米碳粉；电解；温度测量；数据采集；无线发射
【Keywords】nano carbon； electrolysis； temperature measurement； data acquisition， wireless transmission
【中图分类号】TP212 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0141-03
1 引言
纳米科技是在20世纪90年代初逐步发展起来前沿、交叉性新兴学科领域，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。纳米石墨碳素材料是一种非金属矿体超细微粉体材料，由于它具有非常优越的性能，广泛应用于军事、航天、航空、医学、农业、发热材料开发、润滑油、燃油、蓄电池业、电子等行业[1]，比如，可用于电池行业的添加剂，提高寿命[2]，用于润滑油添加剂，增加润滑性能，提高改动机等机械装备的使用寿命等，已成为许多行业的关键材料之一，因此，纳米碳粉的生产技术也已成为热门研究课题。
目前，常用电解法来制备纳米碳粉，一方面，产量较低，另一方面，由于石墨碳素材料尺寸达到纳米范围时，尤其是小于30nm以后，它具有强烈的吸附性和选择性，纳米石墨碳素材料的分散、团聚问题十分严重，成为其制备和应用的最大难点等等[3]。另外，在制备过程中，电解槽的温度对纳米碳粉的团聚性、生产率、质量有着至关重要的影响，为了研究并解决上述这些问题，必须掌握在纳米碳制备过程中纳米碳颗粒与电解液温度的关系。本文根据电化学原理，设计了电解槽温度检测装置，分别在不同的电解槽内或一个电解槽内布置一个或多个温度传感器，通过温度传感器来采集电解过程中电解液温度信号，采集的温度信号通过模数转换，然后通过无线发射系统发射出去，完成电解液温度信号的采集与无线发射然后通过显示系统时时显示出来。
2 电解槽内温度采集装置设计
由电化学原理，设计并制造出了纳米碳粉的电解槽。并在槽风布置了多点温度采集装置。电解槽内电解液温度通过热传递传到温度传感器的触点上，然后通过信号线传递到温度信号采集与发射系统中，再经过模数转换，通过发射装置将数字信号发射出去。
3 多点温度采集及无线发射系统设计
3.1 系统组成
设计多点温度采集及无线发射系统组成如下图1所示。
3.2 集成温度传感器选择[4-5]
常用的测温元件主要有：热敏电阻、热电偶、温敏二极管和集成温度传感器等。随着半导体技术的发展，各种集成温度传感器相继问世，如AD590、TCN75、DS1731、AN6701、TC77、DS18B20等。集成温度传感器具有灵敏度高、稳定性好、体积小、线性度较好、反应速度较快、使用方便等优点，但大多数早期的集成温度传感器的结构比较简单， 其输出形式为电压输出或电流输出，在构成数字温度测控系统时需要A/D 转换，以产生数字信号。虽然也有个别的输出为数字量，如TC77 等，但它要求微处理器具备SPI 接口。对于没有SPI 接口的微处理器，虽然可通过软件模拟SPI接口，但编程较复杂。
DS18B20 单线数字温度传感器是新一代温度传感器， 它具有微型化、低功耗， 与其他温度传感器相比， 具有以下特性： 供电电源为3. 0～ 5. 5 V；独特的单线接口方式（DS18B20 在与单片机连接时仅需一条I/O 口线即可进行通信）， 支持多点组网功能（可将多个DS18B20 并联在唯一的三线上，实现组网多点测温功能）；温度范围为- 55～ + 125 ℃， 在- 10～ + 85 ℃ 时精度为±0. 5℃， 可编程的分辨率为9～ 12 位， 对应的可分辨温度分别为0. 5 ℃ ， 0. 25 ℃ ，0. 125 ℃ 和0. 062 5 ℃ ， 測温结果的数字信号，以"单线总线"方式传送给微处理器，可实现高精度测温；转换速度快，具有极强的抗干扰纠错能力，电源极性接反时， 芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作[6]。 3.3 主控芯片选择
通过比较，控制器采用Atmel公司的AT89S52单片机。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，内含8k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，亦适于常规编程器，在功能强大的微型计算机的AT89S52单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案 [5-7]。
3.4 无线发射模块选择
无线发射模块采用nRF24L01芯片，它是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，具有自动应答和自动再发射功能，数据传输率为l Mb/s或2Mb/s，与其他nRF24系列射频器件相兼容，供电电压为1.9 V～3.6 V。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便[7-8]。
4 硬件电路设计
该系统以单片机AT89S52为核心，由6个温度传感器DS18B20、一个无线发射模块nRF24L01、开关电路、复位电路等构成，可对多点（本例为6个点，6条生产线）的温度进行采集，并通过无线发射模块nRF24L01发射出去。如图2所示为主要结构部分。
5 系统程序设计
单片机对NRF24L01无线模块以及DS18B20进行初始化之后，从DS18B20读取温度数据。然后，通过调用无线发送程序将温度数据发送给接收端。程序设计流程如图3所示。
6 结语
温度对纳米碳粉制备具有重要作用，为了研究电解槽内电解液的温度对纳米碳质量的影响，本文根据纳米碳制备电化学原理，设计了电解液温度检测装置及多点温度测量与无线发射系统，以AT89S52单片机为主控制器，采用6个DS18B20单总线型数字温度传感器采集不同位置的温度信号，通过无线发射模块nRF24L01芯片将信号发射出去，实现了多点温度信号采集与无线发射，克服了有线信号测量与传输困难与缺点，使多点温度测量装置简单、可靠，成本低廉，为纳米碳制备温度时时在线测量提供参考依据。
【参考文献】
【1】http：//blog.1688.com/article/i29611225.html.
【2】张红润.铅酸蓄电池极板添加剂研究概况[J]. 机电产品开发与创新，2009，22（2）：23-25.
【3】巨新，胡天斗，宫竹芳，等.球磨纳米碳粉的表征和光声光谱[J]. 应用基础与工程科学学报，1996，4（1）：40-44.
【4】贾振国. DS1820及高精度温度测量的实现[J].电子技术应用，2000（1）：58-59.
【5】夏莉英， 陈雁. 基于DS18B20的温度测控系统设计[J].微计算机信息， 2011，27（1）：115-117.
【6】孔庆霞，朱全银.基于DS18B20 的远距离分布式温度数据采集系统[J].电子测量技术，2009，32（4）：154-157.
【7】胡天明， 齐建家. 基于DS18B20 的数字温度计设计及其应用[ J] . 黑龙江工程学院学报， 2008，22（2） ：59- 62.
【8】付浩伟， 向鳳红， 程加堂，等.基于DS18B20 传感器的温度数据采集系统的设计[J] .机械工程与自动化，2007（6）： 30-134.
【Abstract】Nano technology is one of the key technologies in twenty-first century. In order to detect the influence of electrolyte temperature on the agglomeration of nano carbon particles on-line， the temperature detection device in the electrolytic cell is designed according to the principle of electrolysis in the preparation process of nano carbon powder. The temperature detection device is based on the AT89S52 MCU as the main controller， uses 6 DS18B20 single bus digital temperature sensors to collect temperature signals from different electrolysis cells， sends out the signal through the wireless transmission module nRF24L01 chip. It can achieve the multi point temperature signal acquisition and wireless transmission， and it can provide reference for on-line measurement of temperature in electrolysis cell during the preparation of carbon nanoscale.
【关键词】纳米碳粉；电解；温度测量；数据采集；无线发射
【Keywords】nano carbon； electrolysis； temperature measurement； data acquisition， wireless transmission
【中图分类号】TP212 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0141-03
1 引言
纳米科技是在20世纪90年代初逐步发展起来前沿、交叉性新兴学科领域，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。纳米石墨碳素材料是一种非金属矿体超细微粉体材料，由于它具有非常优越的性能，广泛应用于军事、航天、航空、医学、农业、发热材料开发、润滑油、燃油、蓄电池业、电子等行业[1]，比如，可用于电池行业的添加剂，提高寿命[2]，用于润滑油添加剂，增加润滑性能，提高改动机等机械装备的使用寿命等，已成为许多行业的关键材料之一，因此，纳米碳粉的生产技术也已成为热门研究课题。
目前，常用电解法来制备纳米碳粉，一方面，产量较低，另一方面，由于石墨碳素材料尺寸达到纳米范围时，尤其是小于30nm以后，它具有强烈的吸附性和选择性，纳米石墨碳素材料的分散、团聚问题十分严重，成为其制备和应用的最大难点等等[3]。另外，在制备过程中，电解槽的温度对纳米碳粉的团聚性、生产率、质量有着至关重要的影响，为了研究并解决上述这些问题，必须掌握在纳米碳制备过程中纳米碳颗粒与电解液温度的关系。本文根据电化学原理，设计了电解槽温度检测装置，分别在不同的电解槽内或一个电解槽内布置一个或多个温度传感器，通过温度传感器来采集电解过程中电解液温度信号，采集的温度信号通过模数转换，然后通过无线发射系统发射出去，完成电解液温度信号的采集与无线发射然后通过显示系统时时显示出来。
2 电解槽内温度采集装置设计
由电化学原理，设计并制造出了纳米碳粉的电解槽。并在槽风布置了多点温度采集装置。电解槽内电解液温度通过热传递传到温度传感器的触点上，然后通过信号线传递到温度信号采集与发射系统中，再经过模数转换，通过发射装置将数字信号发射出去。
3 多点温度采集及无线发射系统设计
3.1 系统组成
设计多点温度采集及无线发射系统组成如下图1所示。
3.2 集成温度传感器选择[4-5]
常用的测温元件主要有：热敏电阻、热电偶、温敏二极管和集成温度传感器等。随着半导体技术的发展，各种集成温度传感器相继问世，如AD590、TCN75、DS1731、AN6701、TC77、DS18B20等。集成温度传感器具有灵敏度高、稳定性好、体积小、线性度较好、反应速度较快、使用方便等优点，但大多数早期的集成温度传感器的结构比较简单， 其输出形式为电压输出或电流输出，在构成数字温度测控系统时需要A/D 转换，以产生数字信号。虽然也有个别的输出为数字量，如TC77 等，但它要求微处理器具备SPI 接口。对于没有SPI 接口的微处理器，虽然可通过软件模拟SPI接口，但编程较复杂。
DS18B20 单线数字温度传感器是新一代温度传感器， 它具有微型化、低功耗， 与其他温度传感器相比， 具有以下特性： 供电电源为3. 0～ 5. 5 V；独特的单线接口方式（DS18B20 在与单片机连接时仅需一条I/O 口线即可进行通信）， 支持多点组网功能（可将多个DS18B20 并联在唯一的三线上，实现组网多点测温功能）；温度范围为- 55～ + 125 ℃， 在- 10～ + 85 ℃ 时精度为±0. 5℃， 可编程的分辨率为9～ 12 位， 对应的可分辨温度分别为0. 5 ℃ ， 0. 25 ℃ ，0. 125 ℃ 和0. 062 5 ℃ ， 測温结果的数字信号，以"单线总线"方式传送给微处理器，可实现高精度测温；转换速度快，具有极强的抗干扰纠错能力，电源极性接反时， 芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作[6]。 3.3 主控芯片选择
通过比较，控制器采用Atmel公司的AT89S52单片机。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，内含8k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，亦适于常规编程器，在功能强大的微型计算机的AT89S52单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案 [5-7]。
3.4 无线发射模块选择
无线发射模块采用nRF24L01芯片，它是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，具有自动应答和自动再发射功能，数据传输率为l Mb/s或2Mb/s，与其他nRF24系列射频器件相兼容，供电电压为1.9 V～3.6 V。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便[7-8]。
4 硬件电路设计
该系统以单片机AT89S52为核心，由6个温度传感器DS18B20、一个无线发射模块nRF24L01、开关电路、复位电路等构成，可对多点（本例为6个点，6条生产线）的温度进行采集，并通过无线发射模块nRF24L01发射出去。如图2所示为主要结构部分。
5 系统程序设计
单片机对NRF24L01无线模块以及DS18B20进行初始化之后，从DS18B20读取温度数据。然后，通过调用无线发送程序将温度数据发送给接收端。程序设计流程如图3所示。
6 结语
温度对纳米碳粉制备具有重要作用，为了研究电解槽内电解液的温度对纳米碳质量的影响，本文根据纳米碳制备电化学原理，设计了电解液温度检测装置及多点温度测量与无线发射系统，以AT89S52单片机为主控制器，采用6个DS18B20单总线型数字温度传感器采集不同位置的温度信号，通过无线发射模块nRF24L01芯片将信号发射出去，实现了多点温度信号采集与无线发射，克服了有线信号测量与传输困难与缺点，使多点温度测量装置简单、可靠，成本低廉，为纳米碳制备温度时时在线测量提供参考依据。
【参考文献】
【1】http：//blog.1688.com/article/i29611225.html.
【2】张红润.铅酸蓄电池极板添加剂研究概况[J]. 机电产品开发与创新，2009，22（2）：23-25.
【3】巨新，胡天斗，宫竹芳，等.球磨纳米碳粉的表征和光声光谱[J]. 应用基础与工程科学学报，1996，4（1）：40-44.
【4】贾振国. DS1820及高精度温度测量的实现[J].电子技术应用，2000（1）：58-59.
【5】夏莉英， 陈雁. 基于DS18B20的温度测控系统设计[J].微计算机信息， 2011，27（1）：115-117.
【6】孔庆霞，朱全银.基于DS18B20 的远距离分布式温度数据采集系统[J].电子测量技术，2009，32（4）：154-157.
【7】胡天明， 齐建家. 基于DS18B20 的数字温度计设计及其应用[ J] . 黑龙江工程学院学报， 2008，22（2） ：59- 62.
【8】付浩伟， 向鳳红， 程加堂，等.基于DS18B20 传感器的温度数据采集系统的设计[J] .机械工程与自动化，2007（6）： 30-134.