基于ARM的炼胶釜数据采集器的设计

        胶粘剂是生产竹胶合板的重要材料，我国南方许多中小竹胶合板企业自行生产胶粘剂。

       胶粘剂的生产过程属聚合反应，采用控制反应釜内反应物温度的方法来进行生产，而现在都是通过人工凭借温度计进行控制，生产现场没有预警措施，这样产品质量很不稳定，并且生产工人的安全也得不到保障。这些企业急需要既经济又可靠的控制器，但聚合反应机理非常复杂，影响温度的因素也很多，需要分析大量的数据，为此我们开发了以LPC2132为控制核心的数据采集器。

        1系统分析

        根据工艺要求，反应在反应釜内进行，反应物是通过电子称计量后由真空泵打入反应釜内，整个生产包括升温阶段和恒温阶段，温度始终按给定的温度曲线变化。当需要升温时，在炼胶釜夹层内通入蒸汽，从而使得炼胶釜内温度升高；反之通人冷却水，使得炼胶釜内温度降低，因此，我们对原来的反应釜做了一些改造，设置了两个连续可调阀门分别来手动控制蒸汽和冷却水的流量。温度受诸多因素的影响，反应在不同的阶段会产生不同的中间产物，其中pH值反映了化学反应的程度，我们主要对反应釜内的温度、环境温度和pH值几个参数进行了检测，并设置了相应的传感器和变送器。

       2硬件结构

       系统以PHILIPS公司的LPC2132为控制核心芯片，他具有64 kB片内FLASH，16 kB片内RAM，1个8路10位A／D转换器，2个32位定时器／计数器(带4路捕获和4路比较通道)，PWM单元(6路输出)。实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗，因此没有设置专门的时钟芯片，系统整体电路结构如图1所示，包括复位电路，JTAG调试接口，键盘液晶，环境温度，釜温、pH值的检测，通过JTAG接口既可以下载程序，又可以调试程序。

       2．1 温度检测

       2．1．1 反应釜内温度检测

       温度检测电路由K型(镍铬一镍硅)热电偶和数字转换芯片MAX6675组成，如图2所示。K型热电偶的测温范围为－200～1 300℃，MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A／D转换器及SPI接口的热电偶放大器与数字转换器。

       2．1．2 环境温度的检测

       采用DS18B20数字集成温度传感器来检测环境温度，DS18B20检测的温度范围为－55～125℃。

       2．2 pH值检测

       pH值检测采用成熟的工业级产品pH计，由pH发送器、高阻转换器，当被测物质pH值发生变化时，由电极偶产生的对应毫伏信号输入到转换器，经高阻放大器放大后再转换成4～20 mA直流信号输出，而LPC2132的内部有10位A／D转换，输入电压的范围是0～3 V，因此需要一个I／V变换电路，电路如图3所示，RCV420是精密电流环接收器芯片，他包含一个高级运算放大器，一个片内精密电阻网络和一个精密10 V电压基准，其总转换精度为0．1％，共模抑制比CMR达86 dB，共模输入范围达士40 V，具有很高的性能价格比，电路中将4～20 mA输入信号转换成为0～3 V输出信号。

       2．3 电源和复位电路

       220 V交流电经变压、整流、滤波、稳压几个环节输出5 V直流电源，再经SPXlll7M－3．3将5 V电源稳压至3．3 V给系统芯片供电。

       由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求，复位电路使用带I2C存储器的电源监控芯片CATl025JI30，提高了系统的可靠性。

       2．4键盘和显示电路 

       键盘采用HD7279键盘显示专用芯片进行键盘的设计。HD7279是一个具有串行接口的可连接多达64个键的键盘矩阵，内部含有去抖动电路。当有键盘按下时，键值自动保存在寄存器中，通过读取该寄存器，就可获得键盘键号，避免了传统的键盘扫描、计算键值等软件设计，方便程序编写。HD7279与LPC2132的连接极其简单，只要把下述4根线：CS，CLK，DATA和KEY连接到LPC2132的GPIO即可。

       显示电路由SMG12864ZK图形点阵显示液晶模块组成，见图4，J9跳线选择串／并行工作方式，该液晶模块自带字库，主要用来实时显示时间、报警参数(上、下限报警值)，pH值、环境温度、釜内温度、设定温度和升温速率。

       2．5 SD卡读写接口电路

       为了保存大量的数据我们采用了大容量的闪存卡SD卡，他是一种大容量、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡。采用LPC2132系列微控器制的SPI接口访问SD卡，硬件接口电路如图5所示。
       2．6报警接口电路

       当釜内的温度和升温速率越限时必须报警，提示操作工人注意。我们采用LPC2132的脉宽调制PWM控制蜂鸣器发出报警声。

       2．7 串行接口电路

       采用RS 485总线标准的MAX485芯片，在工业控制中抗干扰能力强，并能实现远距离传输。

       3软件设计

       3．1主程序实现

       软件系统采用前后台轮循调度的方式，软件设计基于嵌入式C语言，采用自顶向下的逐步细化的结构化模块设计方法。LPC2132程序在编译中将启动代码嵌入到芯片中，他可以实现向量表的定义、堆栈的初始化，中断系统初始化、I／O初始化、外围初始化、地址重映射等操作。系统启动后转入用户的主程序，并执行用户的初始化程序，包括引脚配置初始化、SPI初始化、SD卡自动检测、UART初始化、A／D初始化、定时器初始化、中断初始化、键盘液晶初始化等，然后进入主画面显示，等待按键，若为功能键，则进入键处理程序并显示对应的子画面。主程序框图如图6所示。

       3．2 SD卡读写模块的实现

       系统中应用SD卡来存取大量的实验数据，在应用中可以将SD卡中的数据通过串口发送至上位机，也可以将SD卡取下通过读卡器将数据转存到电脑中。

       为了提高开发效率，我们采用了ZLG／FS，他是面向嵌入式系统的与FATl2，FATl6和FAT32高度兼容的小型文件系统，SD卡在该系统上使用前先在PC机上格式化成FAT文件格式，ZLG／FS提供了相应的文件操作的API函数，应用程序调用他们对文件和目录进行相应的操作。数据在SD卡上以文件的形式存放，数据的格式由如下定义的结构所示。

 
       3．3其他软件模块

       胶粘剂生产开始后，按键启动进入温度，pH采样程序，在LPC2132内部RAM开辟缓冲区存放实时数据，有关数据在液晶屏上显示出来，同时启动了报警处理模块。

       参数设置模块可以设置时钟、设置温度曲线、设置报警上下限等。

文件系统查询模块可以对文件及目录进行查询、数据的上传等。

       系统测试模块可以对检测电路、键盘显示、SD卡进行自检。

       4 结 语

       该数据采集系统以LPC2132为控制核心，同时使用集成度高、功能全的芯片作为外围扩展，使得整个系统体积小、结构紧凑、工作稳定、抗干扰能力强、数据存储容量大、操作简便，为现场生产人工控制和掌握胶粘剂生产过程的反应机理提供了依据。

本文关键字：数据采集器  ARM单片机，单片机-工控设备 - ARM单片机