全自动氨氮检测仪研制

论文摘要

氨氮是水质监测评价体系的重要指标之一。氨氮检测仪能够实时、准确、快速地检测分析出水体中的氨氮含量,对控制水体污染、避免由氨氮引起的突发事件发挥着重要作用。本文在对氨氮检测方法,单片机嵌入式应用和总线技术进行深入研究的基础上,借鉴国内外先进的开发技术,研制了一台检测线高,自动化程度高氨氮检测系统。文章阐述了以MCS12XDP512为主控MCU的全自动氨氮检测仪系统的硬件、软件及总线设计思路和实现方法。并对样品自动稀释和自动进样这两个重要模块进行了具体的设计和实现。在对现有液压系统进行研究和分析的基础上,采用蠕动泵和电磁阀实现了本系统的液路控制。仪器的氨氮检测方法选择纳氏试剂光度法,根据朗伯-比尔吸收定律实现了样品浓度的测定。并针对本氨氮检测仪的需要设计了带有恒温控制的蒸馏预处理装置,解决了纳氏试剂光度法只能检测较高纯净度水质的瓶颈。在此基础上还使用了氨气敏电极法实现了系统的高浓度自动稀释功能,使这台全自动氨氮测定仪的检测线达到100mg/L。测量结果可由测定仪存储并通过LCD显示。用户还可通过键盘对仪器进行操作、控制。文中给出了系统研制过程中最为关键的硬件电路图和软件流程图,以及部分程序。本系统在对现场总线和总线协议上进行深入的研究基础上,设计了基于RS-485总线的主从控制系统,并选用了适合本系统的Modbus总线协议,设计实现了全自动氨氮测定仪的Modbus现场总线协议的控制系统,文中对总线接口和协议的实现作了详细的介绍。此外,系统在设计过程中非常注意各种信号,电源波动、元件老化、工作环境变化等各项因素对测量结果的干扰,并采用拟合曲线法对本系统各部分的控制检测数据进行了分析和验证。证实了本系统有高精度、高稳定性的特点,并可完成全过程自动测定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状及成果
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 第二章 系统设计方案
• 2.1 全自动氨氮检测仪设计概述
• 2.2 全自动氨氮检测仪检测方法选择
• 2.2.1 钠氏比色法化学原理
• 2.2.2 氨氮检测仪光电检测原理
• 2.2.3 氨气敏电极法原理[6]
• 2.3 全自动氨氮测定仪功能要求
• 2.3.1 测定仪的技术指标要求
• 2.3.2 测定仪操作与显示要求
• 2.4 全自动氨氮检测仪总体设计方案
• 第三章 RS-485 总线
• 3.1 RS-485 总线接口设计
• 3.1.1 RS-485 总线简介
• 3.1.2 通讯芯片
• 3.2 与PC 机接口转换电路
• 3.2.1 RS-232 与RS-485 总线转换接口
• 3.2.2 USB 与RS-485 总线的转换接口
• 3.3 总线协议
• 3.3.1 Modbus 协议概述
• 3.3.2 Modbus 传输模式
• 3.3.3 RTU 模式消息帧
• 3.3.4 错误检测方法
• 3.4 总线抗干扰及可靠性设计
• 3.4.1 总线布线情况
• 3.4.2 干扰源分析及应对措施
• 第四章 全自动氨氮检测仪硬件系统
• 4.1 硬件设计方案
• 4.1.1 控制芯片MC9512XDP512
• 4.1.2 基本支撑电路
• 4.1.3 A/D 转换电路
• 4.2 温度采集和控制器设计
• 4.2.1 设计方案
• 4.2.2 温度传感器
• 4.2.3 温度变送器
• 4.2.4 温度控制电路
• 4.2.5 试验结果分析
• 4.3 自动标样装置设计
• 4.3.1 设计方案
• 4.3.2 注射泵性能
• 4.3.3 注射泵驱动电路
• 4.3.4 实验结果分析
• 4.4 自动进样装置设计
• 4.4.1 进样器硬件设计
• 4.4.2 步进电机的选型
• 4.4.3 运动控制
• 4.4.4 高浓度自动稀释
• 4.5 其它组成部件
• 4.5.1 蠕动泵
• 4.5.2 电磁阀
• 4.5.3 人-机交互接口设计
• 4.6 硬件抗干扰设计
• 4.6.1 抗电磁干扰措施
• 4.6.2 电源干扰及抗干扰措施
• 4.6.3 过程通道干扰及抗干扰措施
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 软件总体构成
• 5.2 总线主从通信接口及程序设计
• 5.2.1 协议基础
• 5.2.2 基于Modbus 协议的通信程序设计
• 5.2.3 温度变送器讯程序设计
• 5.3 主机程序设计
• 5.3.1 主程序设计
• 5.3.2 中断服务程序
• 5.4 从机程序设计
• 5.4.1 注射泵驱动程序
• 5.4.2 从机中断设计
• 5.4.3 USB 固件程序
• 5.5 软件可靠性设计
• 参考文献
• 附录A
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢