基于ARM的嵌入式高精度测硫仪的设计

郭一兵，何梅生，邓小星，王 潋，黄海滨

1.湖南师范大学 树达学院，湖南长沙 410006

2.湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南长沙 410006

3.三一重工股份有限公司智能研究院，湖南长沙， 410100

4.增城市东方职业技术学校，广东增城 511316

0 引言

目前，随着人们对大气污染问题的重视，石油、煤矿等开采于经营企业、环境保护部门及煤炭消费者更加重视硫的含量。传统的测硫仪虽然价格便宜，但是大多是基于PLC或8位单片机，很难同时满足高精度、快速、智能等需求。

当前，主要有四种硫含量分析的方法：艾氏卡重量法、高温燃烧中和法、库仑滴定法和红外检测法。艾氏卡重量法分析结果准确度高、重现性好，但操作程序复杂、耗能大；高温燃烧中和法的分析结果误差较大、实验周期也较长；红外检测法的测定快速，但开发和生产成本非常高；库仑滴定法[1]分析结果精度高，分析时间短，适合于日常分析。因此，本文EHP-ISA采用的就是库仑滴定法。

这里以碘为滴定试剂，煤样在1150℃的高温下，煤中硫会转化为SO2和SO3气体；将燃烧后的气体全部导入电解池，SO2与水反应生成H2SO3，然后又被电解碘氧化成H2SO4。仪器采用双铂电极指示终点。根据电解碘的过程中消耗的电量可以计算出煤中硫的含量：

式中：Q为电解碘消耗的电量，mc；ms为试样的质量，mg。

1 EHP-ISA硬件系统设计

EHP-ISA硬件系统由嵌入式处理器、高精度和高速数据采集模块、电解电流控制模块、炉温控制模块和通信模块等构成（如图1）。

嵌入式处理器STM32F103ZE负责采集温度信号和向上位机实时发送数据，并在随机的显示屏上显示相关信息。同时，其也接受来自上位机或触摸屏上发出的控制命令，完成对炉温的温度调节以及搅拌器、气泵、风扇、步进机的控制。

EHP-ISA与上位机之间通过RS232串口实现实时通信，上位机发送控制命令，EHP-ISA接收后完成相应的控制。当然，EHP-ISA也可以不与上位机连接，独立工作。独立工作时，操作人员可以通过随机的触摸显示屏上的操作引导完成测量。

1.1 数据采集模块

在智能控制器中，需要完成采集电解池电极电压、输出到电解池的电流、高温炉中热电偶传感器输出信号和AD590的输出信号4路信号。为了保证高精度及高效性和减小体积，EHP-ISA中采用了ADS1242串行A/D转换器。ADS1242是一款24位串行A/D转换器，提供高达24位无丢失码性能和21位的有效分辨率 ，有兼容SPI的串行接口。

ADS1242内含有4通道模拟开关和采样保持电路，可以将上面所述的四种信号转换成数字信号，传送给STM32F103ZE处理器做相应的处理。

电解池中的电解电极电压是个幅值很小的信号，一般在20mV～200mV之间，因此在传送到ADS1242进行模数转换之前得放大该信号。

EHP-ISA中采用了AD620作为放大器来放大该信号，AD620是一款低成本、高精度、低功耗放大器，增益范围为1～10000。电解电极电压经AD620放大30倍后，与电解池隔离，再传送到ADS1242模数转换器。

热电偶传感器的输出信号也十分微弱，仍然先用AD620将其放大（400倍），后进行模数转换。通常，高温炉的要保持在1 150℃，以供煤样完全燃烧。

1.2 炉温控制模块

在煤样燃烧的过程中要求燃烧炉的温度稳定在1 150℃，精度要较高且波动不能太大，国家标准是波动不能超过5℃。因此要求测硫仪能够精确的测量和控制炉温。

EHP-ISA采用热电偶，并用AD590测量冷端环境温度，实现对热电偶传感器的冷端补偿[3]。AD590测出温度T L后，将其转换成冷端电势EL；将热电偶的输出电势ER和冷端电势EL相加，得到电势E = EL + ER ；计算电势E，转换成炉温T。

当燃烧炉加热时候——即炉温在1 100℃以内时，以2s为周期，采用70%占空比的PWM信号对燃烧炉进行加热。

当炉温高于1 100℃，对炉温进行PID控制，使炉温保持在1 150℃左右，波动保证在上下4℃以内，这样可以延长硅碳管的寿命，而不至于因频繁的通电和断电而快速老化。

1.3 电解电流控制模块

在库仑滴定法中，硫的含量是对电解电量积分的结果，因此电解电流的精确测量和合理控制将直接影响全硫分析的精确度。

高精度测硫仪的关键因素之一是实时控制和准确的测量电解电流。我们采用模糊控制算法，根据从数据采集模块的指示电极信号控制电解电流。

它们之间有一个直接的比例关系。也就是说，指示电极电压低时，电解电流也低，否则电解电流会很高。在定硫仪中，电解电流是根据电解池中电解电极的电压结果进行控制的。

1.4 通信模块和人机交互接口

为了更方便的操作，EHP-ISA还设计有RS-232通信串口，以及一个用于人机交互的触摸显示屏。通过RS-232串口线，EHP-ISA接受来自本地主机的控制命令，并做出相应的控制；硫分结束后将测试结果发送到本地主机。

此外本地主机端有专门设计的客户端程序，界面简单明了，易学易用。有时候，操作者想要直接在测硫仪上看到分析的结果，以及直接在测硫仪上设置相关的控制系数。

因此EHP-ISA还搭载一个640x480的5寸触摸显示屏（102H * 76V mm2）。

图1 系统结构

2 EHP-ISA软件系统设计

uC/OS-II是一种实时操作系统，该系统的可靠性、实时性以及有效性方面都很好，且开发周期短。EHP-ISA采用uC/OS-II为内核，加载PID控制算法程序，加载触屏显示驱动程序，以及其它基本设备的驱动（图2所示）。

软件系统的主要机制是中断响应、多任务、同步和协调。其他包括LCD显示驱动、触摸屏触摸驱动、A/D转换器驱动、D/A转换器驱动、实时时钟等。

在这一系列的设备驱动的基础上，很多任务就能够完成，如发送数据给上位机、接收来自上位机的数据、显示信息到LCD显示屏上、控制炉温以及控制电解池电流。

图2 软件系统

需要指出的是，通过这触摸屏，EHP-ISA可以脱离上位机独立工作。操作人员在设置 EHP-ISA的工作参数后，启动和结束全硫分析实验。全硫分析过程中，显示屏通过图形动态的显示实验的反馈参数。

全硫分析结束后，在屏幕上显示硫分结果，也可以打印到纸条上。该系统的PC机上位机控制程序采用C++语言编写，Visual C++ 6.0为开发环境，MSComm串口控件处理串口通信模块，具有更好的人机接口。

3 测试和分析

我们采用三份不同硫含量（0.51%、1.83%和4.43%）标准样煤进行了测试，每次全硫分析的煤样取48g～51g，测试分九组，每组3个煤样。

测试结果显示，低、中、高含硫量的极差分别为0.003，0.05和0.09，这远远高于国家标准的要求更好。消耗的分析时间约4分钟～5分钟，也远低于国家标准7分钟的要求。

4 结论

我们设计的EHP-ISA嵌入式高精度测硫仪，使用了ARM核的32位微处理器STM32F103ZE和 uc/OS-II嵌入式实时操作系统。

通过测试，结果表明该测硫仪的各项指标都已达到国家标准。且该仪器人机接口友好，操作简单，性价比高，具有广泛的市场应用前景。

表1 测试结果

[1]雷翠琼.库仑法测定煤中全硫必须重视的问题[J].云南地质，2007：458-460.

[2]陈兵.浅析提高库仑滴定法测定煤中全硫的准确性[J].煤质技术，2010(11).

[3]张全军.库仑法测定煤中全硫的注意事项探讨[J].煤质技术，2007(11).

[4]Jun Wang. Study on ARM-Based Embedded NC System [D].International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence，2009：538-544.