納米碳粉制備過程中電解液溫度信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

高虹

【摘 要】納米技術(shù)是21世紀(jì)的關(guān)鍵高新技術(shù)之一，為了在線檢測電解槽內(nèi)電解液溫度對納米碳微顆粒團聚的影響，論文根據(jù)納米碳粉制備過程中電解原理，設(shè)計了電解槽內(nèi)溫度檢測裝置，以AT89S52單片機為主控制器，采用6個DS18B20單總線型數(shù)字溫度傳感器采集不同電解槽的溫度信號，通過無線發(fā)射模塊nRF24L01芯片將信號發(fā)射出去，實現(xiàn)了多點溫度信號采集與無線發(fā)射，為納米碳制備中電解槽內(nèi)溫度時時在線測量提供參考依據(jù)。

【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.

【關(guān)鍵詞】納米碳粉；電解；溫度測量；數(shù)據(jù)采集；無線發(fā)射

【Keywords】nano carbon； electrolysis； temperature measurement； data acquisition， wireless transmission

【中圖分類號】TP212 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0141-03

1 引言

納米科技是在20世紀(jì)90年代初逐步發(fā)展起來前沿、交叉性新興學(xué)科領(lǐng)域，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。納米石墨碳素材料是一種非金屬礦體超細微粉體材料，由于它具有非常優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于軍事、航天、航空、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、發(fā)熱材料開發(fā)、潤滑油、燃油、蓄電池業(yè)、電子等行業(yè)[1]，比如，可用于電池行業(yè)的添加劑，提高壽命[2]，用于潤滑油添加劑，增加潤滑性能，提高改動機等機械裝備的使用壽命等，已成為許多行業(yè)的關(guān)鍵材料之一，因此，納米碳粉的生產(chǎn)技術(shù)也已成為熱門研究課題。

目前，常用電解法來制備納米碳粉，一方面，產(chǎn)量較低，另一方面，由于石墨碳素材料尺寸達到納米范圍時，尤其是小于30nm以后，它具有強烈的吸附性和選擇性，納米石墨碳素材料的分散、團聚問題十分嚴(yán)重，成為其制備和應(yīng)用的最大難點等等[3]。另外，在制備過程中，電解槽的溫度對納米碳粉的團聚性、生產(chǎn)率、質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，為了研究并解決上述這些問題，必須掌握在納米碳制備過程中納米碳顆粒與電解液溫度的關(guān)系。本文根據(jù)電化學(xué)原理，設(shè)計了電解槽溫度檢測裝置，分別在不同的電解槽內(nèi)或一個電解槽內(nèi)布置一個或多個溫度傳感器，通過溫度傳感器來采集電解過程中電解液溫度信號，采集的溫度信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過無線發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出去，完成電解液溫度信號的采集與無線發(fā)射然后通過顯示系統(tǒng)時時顯示出來。

2 電解槽內(nèi)溫度采集裝置設(shè)計

由電化學(xué)原理，設(shè)計并制造出了納米碳粉的電解槽。并在槽風(fēng)布置了多點溫度采集裝置。電解槽內(nèi)電解液溫度通過熱傳遞傳到溫度傳感器的觸點上，然后通過信號線傳遞到溫度信號采集與發(fā)射系統(tǒng)中，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過發(fā)射裝置將數(shù)字信號發(fā)射出去。

3 多點溫度采集及無線發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

設(shè)計多點溫度采集及無線發(fā)射系統(tǒng)組成如下圖1所示。

3.2 集成溫度傳感器選擇[4-5]

常用的測溫元件主要有：熱敏電阻、熱電偶、溫敏二極管和集成溫度傳感器等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種集成溫度傳感器相繼問世，如AD590、TCN75、DS1731、AN6701、TC77、DS18B20等。集成溫度傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、線性度較好、反應(yīng)速度較快、使用方便等優(yōu)點，但大多數(shù)早期的集成溫度傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單， 其輸出形式為電壓輸出或電流輸出，在構(gòu)成數(shù)字溫度測控系統(tǒng)時需要A/D 轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生數(shù)字信號。雖然也有個別的輸出為數(shù)字量，如TC77 等，但它要求微處理器具備SPI 接口。對于沒有SPI 接口的微處理器，雖然可通過軟件模擬SPI接口，但編程較復(fù)雜。

DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器是新一代溫度傳感器， 它具有微型化、低功耗， 與其他溫度傳感器相比， 具有以下特性： 供電電源為3. 0～ 5. 5 V；獨特的單線接口方式（DS18B20 在與單片機連接時僅需一條I/O 口線即可進行通信）， 支持多點組網(wǎng)功能（可將多個DS18B20 并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫功能）；溫度范圍為- 55～ + 125 ℃， 在- 10～ + 85 ℃ 時精度為±0. 5℃， 可編程的分辨率為9～ 12 位， 對應(yīng)的可分辨溫度分別為0. 5 ℃ ， 0. 25 ℃ ，0. 125 ℃ 和0. 062 5 ℃ ， 測溫結(jié)果的數(shù)字信號，以"單線總線"方式傳送給微處理器，可實現(xiàn)高精度測溫；轉(zhuǎn)換速度快，具有極強的抗干擾糾錯能力，電源極性接反時， 芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作[6]。

3.3 主控芯片選擇

通過比較，控制器采用Atmel公司的AT89S52單片機。AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，內(nèi)含8k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，亦適于常規(guī)編程器，在功能強大的微型計算機的AT89S52單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 [5-7]。

3.4 無線發(fā)射模塊選擇

無線發(fā)射模塊采用nRF24L01芯片，它是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能，數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s，與其他nRF24系列射頻器件相兼容，供電電壓為1.9 V～3.6 V。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA；接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便[7-8]。

4 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)以單片機AT89S52為核心，由6個溫度傳感器DS18B20、一個無線發(fā)射模塊nRF24L01、開關(guān)電路、復(fù)位電路等構(gòu)成，可對多點（本例為6個點，6條生產(chǎn)線）的溫度進行采集，并通過無線發(fā)射模塊nRF24L01發(fā)射出去。如圖2所示為主要結(jié)構(gòu)部分。

5 系統(tǒng)程序設(shè)計

單片機對NRF24L01無線模塊以及DS18B20進行初始化之后，從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)。然后，通過調(diào)用無線發(fā)送程序?qū)囟葦?shù)據(jù)發(fā)送給接收端。程序設(shè)計流程如圖3所示。

6 結(jié)語

溫度對納米碳粉制備具有重要作用，為了研究電解槽內(nèi)電解液的溫度對納米碳質(zhì)量的影響，本文根據(jù)納米碳制備電化學(xué)原理，設(shè)計了電解液溫度檢測裝置及多點溫度測量與無線發(fā)射系統(tǒng)，以AT89S52單片機為主控制器，采用6個DS18B20單總線型數(shù)字溫度傳感器采集不同位置的溫度信號，通過無線發(fā)射模塊nRF24L01芯片將信號發(fā)射出去，實現(xiàn)了多點溫度信號采集與無線發(fā)射，克服了有線信號測量與傳輸困難與缺點，使多點溫度測量裝置簡單、可靠，成本低廉，為納米碳制備溫度時時在線測量提供參考依據(jù)。

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