基于ZigBee技术铝电解车间多参数检测系统设计与实现

论文摘要

电解生产铝的工艺过程耗电量大,如何减低电耗是目前铝厂提高经济效益的关键。槽温、初晶温度、铝水平和电解质水平作为工业铝电解生产中重要的技术参数,对有效地提高电流效率,降低铝厂能耗有着重要影响。在实际生产中,铝厂工人需要在现场检测生产情况,生产管理人员通过远程监控铝电解槽状况。而现场布线实现远程传输对于铝厂实际情况来说不太方便,无线技术相对具有一定的优势。具有低功耗、自组织网络、实现无线通信特点的铝厂电解车间参数检测系统,能很大程度地提高铝电解生产自动化水平。考虑到上述问题,本文设计并实现了一套基于ZigBee技术的铝电解车间多参数检测系统。其主要内容与研究成果如下：(1)针对电解车间参数检测技术的实际应用要求,对系统进行了总体规划,设计了一套基于ZigBee技术的铝电解车间多参数检测系统,并以低功耗、工作要求和系统抗干扰性能为设计指标,对系统各模块主要器件进行了精心的选型。(2)详细介绍以Atmegal28单片机为核心现场采集模块。现场采集模块负责电解车间的槽温、初晶温度、铝水平和电解质水平参数的检测,详细叙述了多参数采集原理和具体设计实现。(3)介绍了ZigBee模块和远程通信模块。叙述了ZigBee模块在电解车间无线网络的构建和参数绑定传输的实现；详细阐述了远程通信模块设计,实现了ZigBee和工业控制总线之间协议的转换,实现了控制中心对电解车间多参数的监控。(4)搭建了ZigBee组网实验平台,进行了ZigBee组网实验；考虑电解车间环境因素对无线网络的影响,对电解车间ZigBee网络的质量进行测试,实验结果表明,电解车间ZigBee网络通信链路具有一定的保障。本文设计的铝电解车间多参数检测系统具有检测数据准确、数据传输稳定可靠、具有一定的抗干扰能力、网络灵活、成本低等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、目的和意义
• 1.2 研究背景和现状
• 1.3 本文的主要研究内容和结构
• 第2章 系统概述及整体方案设计
• 2.1 电解车间参数检测技术概述
• 2.1.1 铝电解原理与工艺简介
• 2.1.2 电解车间参数检测原理
• 2.2 ZigBee通信技术概述
• 2.2.1 ZigBee技术与相关概念
• 2.2.2 ZigBee体系结构
• 2.3 系统的总体设计
• 2.3.1 电解车间多参数检测系统结构设计
• 2.3.2 系统的主要功能
• 2.3.3 系统的方案设计
• 2.4 主要器件的选型
• 2.4.1 微处理器的选取
• 2.4.2 无线方案的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 现场采集模块设计与实现
• 3.1 外围电路设计
• 3.2 槽温采集模块设计与实现
• 3.2.1 高温传感器和测温原理
• 3.2.2 槽温度信号调理电路
• 3.2.3 槽温采集模块程序流程
• 3.3 初晶温度采集模块设计与实现
• 3.3.1 球形探头和初晶温度测量原理
• 3.3.2 初晶温度信号调理电路
• 3.3.3 初晶温度信号采集程序流程
• 3.4 两水平测量模块设计与实现
• 3.4.1 位移传感器和水平测量原理
• 3.4.2 两水平信号调理电路设计
• 3.4.3 两水平采集模块程序设计
• 3.5 按键、显示、电源设计
• 3.5.1 键盘矩阵设计
• 3.5.2 液晶显示设计
• 3.5.3 电源设计
• 3.6 无线接口设计
• 3.7 现场采集模块抗干扰措施
• 3.8 本章小结
• 第4章 通信模块设计与实现
• 4.1 无线ZigBee模块硬件设计和功放控制
• 4.1.1 ZigBee模块硬件设计
• 4.1.2 ZigBee模块输出功率控制
• 4.2 ZigBee开发平台的构建
• 4.2.1 开发环境的介绍
• 4.2.2 Z-stack协议栈软件概述
• 4.3 ZigBee网络建立
• 4.3.1 网络的构建
• 4.3.2 设备加入网络
• 4.3.3 分布式网络地址分配和寻址
• 4.4 ZigBee通信服务实现
• 4.4.1 模块间的绑定
• 4.4.2 通信应用服务框架
• 4.4.3 模块发送数据的实现
• 4.4.4 模块接收数据的实现
• 4.5 远程通信模块设计与实现
• 4.5.1 通信控制芯片SJA1000
• 4.5.2 通信接口芯片PCA82C250
• 4.5.3 通信模块电路设计
• 4.5.4 总线接口驱动程序设计
• 4.5.5 BasicCAN模式的通信协议定义
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统测试与结果分析
• 5.1 测试平台
• 5.2 ZigBee网络测试
• 5.2.1 ZigBee模块调试步骤
• 5.2.2 ZigBee组网功能测试
• 5.2.3 ZigBee通信质量测试
• 5.2.4 ZigBee通信出现的一些问题
• 5.3 电解车间实验数据分析
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读学位期间参加的科研项目