納米碳粉制備過程中電解液溫度信號檢測系統(tǒng)設計

高虹

（貴州理工學院,貴陽550023）

1 引言

納米科技是在20世紀90年代初逐步發(fā)展起來前沿、交叉性新興學科領域，是21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一。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，廣泛應用于軍事、航天、航空、醫(yī)學、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)的關鍵材料之一,因此，納米碳粉的生產(chǎn)技術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、團聚問題十分嚴重，成為其制備和應用的最大難點等等[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系。本文根據(jù)電化學原理，設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)溫度采集裝置設計

由電化學原理，設計并制造出了納米碳粉的電解槽。并在槽風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)設計

3.1 系統(tǒng)組成

設計多點溫度采集及無線發(fā)射系統(tǒng)組成如下圖1所示。

圖1 多點溫度采集及無線發(fā)射系統(tǒng)組成

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。隨著半導體技術的發(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構比較簡單,其輸出形式為電壓輸出或電流輸出,在構成數(shù)字溫度測控系統(tǒng)時需要A/D轉換,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,對應的可分辨溫度分別為0.5℃ ,0.25℃,0.125℃和0.062 5℃ ,測溫結果的數(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，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)能設計更方便[7-8]。

4 硬件電路設計

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、開關電路、復位電路等構成，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所示為主要結構部分。

5 系統(tǒng)程序設計

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)送程序將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端。程序設計流程如圖3所示。

6 結語

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)納米碳制備電化學原理，設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)。

圖2 硬件系統(tǒng)電路圖

圖3 程序設計流程圖