基于PLC的鱼塘溶解氧检测与控制系统设计

1、盐城工学院本科毕业设计基于PLC的鱼塘溶解氧检测与控制系统设计专业电气工程及其自动化学生姓名唐汇泓班级BMZ电气091学号0961402110指导教师吴冬春完成日期2012年5月26日基于PLC的鱼塘溶解氧检测与控制系统设计摘要：随着我国经济的健康快速发展，带动了我国水产业的步伐。在水产业中氧在水中的含氧量是一重点研究的课题。鱼对水中的含氧量非常敏感，鱼类只有在水中溶氧量达到一定数值后，才能维持其生命活动，且在一定的范围内，其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加，低氧对鱼类的生活及生长十分不利。传统的养殖方式一般是根据经验观察鱼的浮头情况，来判断水中是否缺氧。为了防止泛塘的发

2、生，渔民需花费大量时间、精力观察鱼塘情况。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，本文对鱼塘中溶解氧的检测和控制展开研究工作，提出一种智能化的溶解氧监测控制系统的设计方案，实时检测水中的含氧量和温度，自动启动水产增氧机运行，使鱼塘中水的含氧量和温度的上下限保持在设定范围内，有效地提高了鱼类的安全性，降低了养殖成本。关键词：溶解氧；PLC；变频调速器； PLC-based ponds oxygen detection and control system designAbstract： With healthy and rapid

3、development of China's economy, driving the pace of China's aquaculture. Oxygen in aquaculture oxygen content in the water is a key research topic. Fish, the oxygen content of the water is very sensitive to oxygen in the water fish only reaches a certain value, in order to maintain their lif

4、e activities, and in a certain range, the growth rate and feed efficiency of the water will vary depending dissolved oxygen increased with increasing hypoxia on fish life and growth is very unfavorable. Traditional farming methods are generally based on empirical observation of fish floating head, t

5、o determine whether the water anoxia. In order to prevent the occurrence of the Pan Tong, fishermen need to spend a lot of time, effort, observation pond situation. Reared fish products in order to improve quality and quantity of aquaculture technology to enhance the level of automation, reduce the

6、labor intensity of the fishermen to reduce the cost of aquaculture, fish ponds in this paper, the detection and control of dissolved oxygen to commence the study proposed an intelligent of dissolved oxygen monitoring and control system design, real-time detection of oxygen and water temperature, aqu

7、atic aerator automatically start running, so that the oxygen content of water in ponds and the temperature of the upper and lower limits to keep within a set range, effectively improve the safety of fish, reduce farming costs.Keywords:dissolved oxygen; PLC;inverter;2基于PLC的鱼塘溶解氧检测与控制系统设计1 概 述1.1课题背景水

8、体溶解氧(D0)是鱼类赖以生存和微生物生物处理微生物硝化过程所必须的物质。对于冷水性鱼类的养殖，溶解氧水平一般要求高于5 mg·Ld或是在水体饱和溶解氧的60以上。在养殖过程中，水体溶解氧不断地被消耗：鱼类的生理活动需要氧，每吨鱼每天消耗约3kg氧；生物滤器转化氨氮也需要氧，每吨鱼每天排出lkg氨氮，要消耗457kg氧。当DO<2 mg·L：1时，硝化细菌将失去活性。因此，持续不断的为鱼类和生物滤器提供充足的溶解氧是水体循环处理系统正常运行的必要条件。空气中的氧溶解在水中成为溶解氧。水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。在自然情况下，空气中的含氧量

9、变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。 1.1.1养殖鱼类的溶解氧需求不同的养殖种类有不同的溶解氧需求，要根据养殖的具体情况确定。冷承性鱼类生长快、摄食量大、代谢旺盛、溶解氧消耗比较多。本研究利用虹鳟鱼类作必设计的标准，在正常养殖条件下，虹鳟鱼的体重与耗氧的关系方程为：OfA10eT×Wb式中：Of鱼类呼吸耗氧量，mg·kg-1·h-1 W个体鱼重量，g T养殖水温， A、b、c为耗氧计算系数，取值范围为： 410时：A75;b=0.196；c0.055 1222时：A29;b=0.142；c0.024鱼类的耗氧还和养殖过程的投饵量有关系，

10、有资料表明，虹鳟鱼在规范养殖的条件下，每kg饲料需要250g溶解氧，也可根据投饵量计算其溶解氧需求：Of10.42×k×BW式中：Of鱼类呼吸耗氧量，g·kg-1·h-1 K 投饵系数，鱼体重的% BW鱼体重量。 1.1.2生物硝化处理溶解氧需求在循环养殖程中，鱼类的排泄和残饵需要进行处理，氨氮的处理一般选用生物硝化的办法，生物硝化反应是亚硝化细菌把氨氮氧优为亚硝酸盐、硝化细菌髯把亚硝酸盐转化为硝酸盐的过程，其基本反应为： 55NH4+76O2109HCO3C5H7O2N54NO257H2O10H2CO3 400NO2NH44H2CO3HCO3195O2

11、C6H7O2N3H2O400NO3从以上反应式可得，转化l克氨氮所需的溶解氧约为43克。有关研究表甓，在养殖鱼类的代谢过程中，饲料中的蛋白质有40转化成了氨氮排泄物【341。由此，生物硝化处理所需溶解氧计算为：ON71.7××式中：ON鱼类排泄生物处理的耗氧量，g·kg-1·h-1 投饵系数，鱼体重的% 饲料蛋白含量%3、 养殖过程中溶解氧需求 OOfON O为正常投饵条件下，养殖lkg鱼类所需要的溶解氧，单位g·kg。·h一。4、增氧系统的设计增氧系统的设计主要涉及养殖过程的溶解总需求、系统的增氧方式和增氧效率。系统的溶解氧总需求可

12、计算为：OZk×W f×O1000式中：OZ 系统总溶解氧补充量，kg-1·h-1 W f 养殖鱼类重量，kg K 安全系数，一般为1.21.8。系统采用的增氧方式不同，增氧速度和效率有很大的差别。在利用空气进行气泡充气的工艺中，增氧效率较低，一般为045513(标准状况下)；在利用纯氧增氧的方式中，增氧效率根据不同的混合方式，其效率在氧气剩用率的40-70之间。在空气增氧的条件下，增氧量计算为：纯2亿x N (2一17)式中： rl。为增氧效率，kgkW岫N为空气机的功率，kW。在纯氧增氧的情况下，增氧量计算为：OZo×N式中：o为增氧效率，kgkw&

13、#183;h N为空气机的功率，kw 在纯氧增氧的情况下，增氧量计算为： OZ1.43×o×QO其中：o纯氧的利用率，4070，可根据试验确定； QO纯氧的流量，m3·h-1 1.43氧气在标准条件下的密度，kg·m-31.2水产养殖溶解氧检测与控制系统的研究与发展鱼塘养殖要求水体溶解氧一般应高予5mg·L或是水体饱和溶解氧的60以上，如果使用增氧机不断向水体中充入空气来满足溶解氧的要求，对增氧机控制要求低，琵较容易实现，控制的露的主要是为了节约能耗。如果使焉某个功率的增氧机连续满功率运转时，水体的溶解氧远高于要求，此时就可以对增氧机相应的控制

14、，在保证水体溶解氧要求的基础上能减少电能消耗，节约成本。对增氧机实现控制可以有如下的两种方法：间歇运行原理，即设定一个最低值，比如是5mg·01或是60，水体溶解氧高于此最低德时，增氧机停机；反之，增氧视开枫运行一段固定的时闻。该控制方法是通过控制增氧机运行时间来达到控制目的。规定增氧机开机以后要运行一段露定的时闻是避免增氧机频繁开视。变频调速原理，即通过变频器降低增氧机运行功率。变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备【3仁搬。传感器检测出水体溶解氧值，送至下位机，下位机按照控制算法计算出结果送入变频器，虑变频器根据下位机送来的数

15、据改变频率，以改变增氧机转速。增氧机转速改变了，向水体充入的气体流量就改变，从而达到控制水体溶解氧水平的效果。所使用的控制算法可以是PID算法或模糊控制算法。使用变频器调速控制一大优点是控制过程中只是降低功率，增氧机始终是运转的，这样就避免了增氧机反复启停可能导致的电机使用寿命降低，故障率增加等缺点。本课题对增氧机节能降耗潜力进行初步探讨，所以选择闻歇运行原理来控制。1.3溶解氧检测与控制系统的组成1.4本课题完成的主要任务本课题主要完成了鱼塘溶解氧检测与控制整个系统的硬件电路设计和系统的软件设计。其中硬件电路主要包括：根据系统的功能需求，整个系统由微控制器，传感器电路，信号采集处理电路，LC

16、D显示模块，键盘控制电路，报警电路，电源电路组成。软件部分主要包括：溶解氧检测程序，显示程序，报警程序，这三个主要的软件程序共同作用，对鱼塘的溶解氧指标进行检测，主要工作如下：A分析鱼塘溶解氧检测与控制系统的工作原理。B完成鱼塘溶解氧检测与控制系统的电路设计。C完成鱼塘溶解氧检测与控制系统的软件设计。2. 系统总体设计及方案设计2.1系统总体设计根据课题研究的内容和要求，经分析可知，本系统由以下几个部分组成：微控制器，溶氧传感器电路，温度传感器电路，调整电路，信号处理电路，液晶显示模块，键盘控制电路，报警电路等。图1系统安装图图2系统组成图2.2系统的主要功能1)溶氧度（DO）检测传感器头的自

17、动清洗，或者能提示用户及时清洗传感器头，以确保准确的测量结果；2) 溶氧度测昔值的温度补偿：在不同的温度下溶氧度检测值与实际值将会有偏差，此自动监测系统应能够自动对检测值进行温度补偿作用；3) 使用变频调速来自动调节异步电机的转速，达到控制曝气池所含溶氧量的目的，从而获得最佳的污水处理效果，同时人人：肖约电能损耗降低污水处理成本：4) 能提供报警点输山功能：根据人工设置的报警点，当由于某种因素而使得曝气池溶氧度值过高或者过低时，监控系统能发出报警信号；5) 数据打印输出功能，包括定时打印(具体时间可由人工设定)和实时打印功能；61 数据传输通讯功能，通过RS232或者RS-485方式实现数据远

18、程传输功能，可将数据传送至上位机，或者接受上何机传输的控制指令，进行相应的操作；7) 历史数据存储功能，能根据人J：设置的存储时间间隔，来存储历史数据并提供查询、传送等服务：8）校时功能，能够由人，r或者上位机校准溶解氧自动监测控制系统的系统时间；9) 能设置各种T作参数，用户可以根据具体的丁作需要，设置如PID参数等各种参数：10)提供联机使_j说明，从而用户可以通过触摸屏查看此监控系统的各种功能使用说明。以上各功能由PLC和触摸屏共同编程来实现，其有较高的可靠性，可以用于干扰较大的工业现场，具有良好的实川价值。3.系统的硬件设计与实现3.1系统硬件总体设计 根据课题研究的内容和要求，经分析

19、可知，本系统由以下几个部分组成：微控制器，溶氧传感器电路，温度传感器电路，调整电路，信号处理电路，液晶显示模块，键盘控制电路，报警电路等。3.2 PLC简介及最小系统设计 3.2.1 PLC简介 本文选用三菱FX系列的PLC,FX系列PLC是由三菱公司近几年来推出的高性能小型可编程控制器,具有很高的性价比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。 3.2.2 FX系列PLC型号说明FX系列PLC型号的含义如下：其中系列名称：如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等单元类型：M基本单元 E输入输出混合扩展单元      Ex扩

20、展输入模块      EY扩展输出模块输出方式：R继电器输出 S晶闸管输出     T晶体管输出特殊品种：DDC电源，DC输出 A1AC电源，AC（AC100120V）输入或AC输出模块 H大电流输出扩展模块 V立式端子排的扩展模块 C接插口输入输出方式 F输入滤波时间常数为1ms的扩展模块如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。例如FX2N32MTD表示FX2N系列，32个I/O点基本单位，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输出型。 3.2.3可编程控制器控制系统

21、设计的基本步骤1 系统设计的主要内容（ 1 ）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；（ 2 ）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（ 3 ）选定 PLC 的型号；（ 4 ）编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图；（ 5 ）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；（ 6 ）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；（ 7 ）设计操作台、电气柜及非标准电气元件、部件；（ 8 ）编写设计说明书和使用说明书；根据具体任务，上述内容可适当调整

22、。2 系统设计的基本步骤可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤（ 1 ）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求a 被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。B 控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。（ 2 ）确定 I/O 设备根据被控对象对 PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。（ 3 ）选择合适的 PLC 类型根据已确定的用

23、户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O模块的选择、电源模块的选择等。（ 4 ）分配 I/O 点分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表，或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着就可以进行 PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。（ 5 ）设计应用系统梯形图程序根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计中核心的工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（ 6 ）将程序输入 PLC当使用简易编程器将

24、程序输入 PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC 中去。（ 7 ）进行软件测试程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将 PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。（ 8 ）应用系统整体调试在 PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段

25、调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。（ 9 ）编制技术文件系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。3.3 通信电路的设计3.4信号采集电路的设计信号采集电路由含氧量传感器、温度传感器和A/D 转换器组成。氧探头和温度探头转换的信号较弱，进行A/D 转换前先用仪用放大器进行放大处理。利用ADC0809 转换器的8 通道可实现水中含氧量和温度等多个参数的多路数据采集和转换。为防止输出电压过大损坏A/D 转换器，进行模数转换前应加限幅保护电路，使其输出电压范围在05V 内，电路如图3 所示。图3 中，利用两个二极管D1 和D

26、2 将输入电压幅度限制在0 5V 之间，电容C、电阻R 和外部电路阻抗构成一个低通滤波器，滤除频率较高的干扰信号，提高A/D 转换的可靠性。其中,电容C 的大小根据输入信号的频率来选择，电阻R 限制过压状态下的输入电流的大小。3.4.1 含氧量传感器和温度传感器本系统采用极谱型复膜氧电极， 由铂电极和Ag/AgCl 参比电极组成电极对，电极腔内充有特制的电解液,响应时间为90%（30s）。在两个电极上加上一个固定的极化电压，当电极插入被测样品时，水中溶解氧或气体中的氧透过薄膜，在阴极上将发生还原反应。电极输出的电流与氧的活度（氧分压）成正比。极谱型复膜氧电极的反应分别为阴极：O2+2H2O+2

27、e- H2O2+2OH- (1)H2O2+2e-2OH- (2)阳极：Ag+Cl-AgCl+e- (3)全反应：4Ag+O2+2H2O+4Cl-4AgCl+4OH- (4)采用溶氧变送器对溶氧传感器进行供电和信号变送，其由溶氧传感器、测量放大器和24V 开关电源等组成。它将溶氧传感器产生的电流转换为电压信号并加以放大，输出信号可由数字电压表读数或计算机数据采集。极谱型复膜氧电极有极大的温度系数，而且是非线性的，温度变化对测量的精度有较大的影响。本系统采用铂式热敏电阻测量水中的温度，通过桥式电路将电阻变化转化为电压变化，经运算放大器放大后，进行A/D 转换，最后通过查表获得温度值。考虑温度影响，

28、水中溶解氧的计算O2mg /L )=O2 1+5%(T 1-T 2)(E 2-E 0)/(E 1-E 0) (5)式中 Q2氧饱和水在水温T 1 时的含氧量；E 0电位值，将电极浸入Na2SO3 内读取；E 1电位值，将电极清洗后浸入氧饱和水中测得；T 1测量溶液温度；E 1电位值，电极清洗后在样品溶液测得；T 2溶液温度。3.1.2 A/D 转换器8 位A/D 转换器件ADC0809 为单+5V 供电，输入电压范围0 5V，转换速度100 s，通过其引脚IN0 IN7 可输入8 路模拟电压，由地址线A、B、C的状态决定转换8 路输入中的其中一路。3.5增氧机控制电路增氧机控制电路原理图如图4

29、 所示。增氧机控制电路主要由光电耦合器和可控硅组成。单片机发出控制信号经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后，使得可控硅的触发极处于高电平，可控硅处于导通状态，进而控制增氧机工作。使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。3.6 键盘输入及显示电路、声光报警电路键盘由复位键、模式键、加一键和移位键组成。当系统进入死机状态时，通过复位键使系统恢复工作。通过模式键、加一键和移位键的组合，可设定含氧量和温度的上下限， 为系统控制增氧机的开停、声光报警电路的工作与否提供依据。当信号采集电路采集到的含氧量大于设定值上限时，系统则停止增氧机工作，反之，系统则开启增

30、氧机。当温度信号高于设定值上限或低于设定值下限时，系统则启动声光报警电路。显示电路采用16×2 字符型点矩阵式LCD 模组（简称LCM），用于显示控制器采集水的溶氧量和温度值,以及溶氧量的上下限设定值。利用单片机P1口作为液晶显示器数据输入端口， 输入的数据为ASCII 码。显示模块无需接口电路，直接与单片机相连。3.7增氧机工作状态检测电路增氧机工作状态检测电路如图5 所示。增氧机是本系统的关键控制对象，其工作状态检测电路主要由电流互感器和集成运算放大器组成。利用电磁感应原理，电流互感器检测增氧机中是否有电流流过。电流互感器提供的信号经过两级放大传输后给单片机。第一级运算放大器将电

31、流互感器的电流信号转化成电压信号，第二级放大器对信号进行再次放大。电路可实时监测增氧机的工作状态是否与系统指定的工作状态一致。当增氧机出现故障时，系统及时启动声光报警电路工作。本系统使用瑞士Hamilton公司的溶解氧电极检测鱼塘中水的含氧量，该电极有一个内置的22k的温度补偿电阻，极化和反应时间极短，可以精确地检测到水中的含氧量。温度传感器用数字式温度传感器DS18B20，它是美国DALLAS公司推出的一种可组网数字式温度传感器，采用1Wire总线接口，测温范围为55125，精度可达0067 5，最大转换时间为200 ms3，传感器输出的溶解氧和温度送入一调整电路，调理电路将各种传感器的输出

32、信号调理到适于A D转换的范围（05V），再通过多路A D转换器（TLC2453）转换为数字量，分时传送给单片机。4.软件系统的设计鱼塘溶解氧自动监控系统软件突出简单、稳定的设计原则。简单，是因为渔业养殖人员的整体文化素质较低，因此在操作使用上尽量设计得简单、直接，让渔业养殖人员在操作说明书的指导下能够快速掌握；稳定，是指测量数据的采集、传输、显示、判断等各种环节保持稳定，不出现跳变。鱼塘溶解氧自动监控系统软件采用模块化设计，程序由C语言编写而成，便于今后进一步扩展系统的功能。系统主程序流程图如图3所示。信号采集模块LCD显示模块键盘控制模块时钟日历模块信号输出模块串行通信模块系统软件组成初始

33、化模块开始系统初始化采集传感器数据数据检查A/D转化溶氧量<下限量溶氧量>下限量停止增氧机启动增氧机发送数据YYNN图3系统主程序流程图5。13传感器 温度传感器按传感器予被测介质的接触方式可分为2大类：一类是接触式温度传感器，另一类是非接触式遗度传感器，接触式温度传感器昀测瀣元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的湿度。这种测瀣方法精度毙较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。目前最常用的是辐射热交

34、换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中闻介质的影响，具有较高的精确度；测量范围广。热电偶传感器主要按照热电效应来工作。将两种不同的导体A和B连接起来，组成一个闭合回路，即构成感温元件。当导体A和B的两个接点l和2之阕存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应。热电偶就是利用这一效应进行工作的。热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为t的被测介

35、质中。另一端称为参比端或自由端，放于温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。温度传感器选用Ptl00热电阻和RWB变送器，使用24V直流电源，测量范围为0"100，输出420mA电流。Ptl00是一种正电阻系数金属，温度升高焉电阻值交大。RWB系列热电偶热电阻温度变送器模块是一种现场安装式温度变送单元。它采用二线铡传送方式(电源输入与信号输出为二根公用导线)，输出与被测温度成线性的4-20mA电流信号。变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，也可单独安装于仪表盘内作转换单元。广泛应用

36、于各种工业和科研领域，进行自动化温度检测、变送和控制。本次设计的温度传感器选用衡欣仪表的K型热电偶温度传感器，其型号为AZ87P6，可测量温度：一20+7e；以及R谢8系列温度交送器，可输出4-20mA电流。溶解氧检测仪选用APURE公司的RDl08变送器和汉米尔顿公司的溶解氧传感器。使用24V直流电源供电，测量范网为O，-20ppm，输出4-20mA电流。517变频器的选择变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器VVVFI(variablevoltage&variable frequency inverter)，是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

37、它采用大功率晶体管IGBT作为功率元件，以单片机失核心进行控制，采用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。517变频器的结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，变频器结构如图35所示。图中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制交频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。整流器中间电 路逆变器M控制电路图 变频器结构图(1)整流器整流器与单相或三相交流电源相

38、连接，产生脉动的直流电蕊。(2)中间电路中闻电路有以下三种作用：使脉动的直流电压变得稳定和平滑，供变频器使用。通过开关电源为各个控制电路供电。可以配置滤波或制动装置，以提高变频器性能。(3)逆变器将固定的直流电压变换成可变电压或频率的交流电压。(4)控制电路将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时也接受来自这些设备的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：利耀信号来开关逆变器的半导体器件。提供操作变频器的各种控制信号。监视变频器的工作状态，提供保护功熊。518水泵的选择直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今有了很多年的历史，并已经成为动力机械的主要驱动

39、装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时间内，占整个电力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机(包括异步电动机和同步电动机)，而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。但是众所周知，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：(1)需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；(2)由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；(3)结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：(1)结构坚固，工作可靠，易于维护保养；(2)不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；(3)容

40、易制造出大容量、高转速和高电压的交流流电动机。在本次设计中，选择保定工业水泵公司的IS5032125A。31溶解氧测试仪的设计一、溶解氧测试仪的功能与主要技术指标根据实际需要以及GLl5400型溶解氧传感器的性能参数智能溶解氧测试仪的主要功能与技术指标如下1 溶解氧测量范围：0-4000pprn(mgL)：2， 测量精度： ±01量程：3 灵敏度： ±0 05量程：4 线性度： ±O1量程：5 重复性： 十O05量程；6 温度范围： 050(待测水体温度)、一2070。C(测试仪工作温度)：7 标准信号输出，分为电流方式(4-20mA)和电压方式(05V)的两种模

41、式的信号输出；8 具有显示和键盘操作功能；9 具有时钟日历显示功能：10具有可供扩展的RS485接口；11其它的一些附加功能如指示灯、报警提示等：其中前6项参数主要是由GLl5400型溶解氧传感器的技术规格所决定的，它可以满足极大部分的应用场合。电源模块+5V+12V-12V信号处理电路电源模块GLJ5400DO过滤器MAX4624模拟开关ADCAds1302MCUDAC输出信号处理电路信号采集模块1x7键盘键盘接口键盘模块LCD控制模块显示模块信号输出模块时钟日历RS485发送器时钟看门狗模块串行通讯模块图 溶解氧测试仪总体框图整个SGY00l型溶解氧测试仪可以分为主控制模块、电源模块、信号

42、采集模块、液晶显示模块、键盘模块、信号输出模块、时钟看门狗模块、通讯模块、报警模块等部分组成，下面详细说明它们的设计思想。l、主控制模块溶解氧测试仪是以89C58为中央处理单元，基于GLI 5400型溶解氧传感器构成的。89C58实现对其他数控模块的控制，然后完成诸如ADC、DAC、液晶显示和键盘操作等众多功能。2、电源模块溶解氧测试仪的设计中，89C58的工作电压为5V，对于其它的一些数字器件(液晶等)也工作于+5V电压，所以需要设计获得一个+5V的电源。同时在测试仪输出模块中，需要输出一个标准的4-20mA电流信号，因此需要+12V和12V的一组直流稳压电源供模拟电路部分使用。工业现场通常

43、仅有直流24V和220V交流电源，这两种电源无法直接提供给溶解氧测试仪数字和模拟电路使用，所以应当设计专用的直流电源。实现直流电源的方案很多，常见的有线性电源和开关电源两种。采用高精度的开关电源模块可以很方便的得到所需要的电源，这种方案电路体积小，但是成本较高。而线性电源产生的电压功率较大、纹波小。其不足之处是变压器体积较大。在溶解氧测试仪的设计中，需要三组电源，但是对于电路体积的要求不是很苛刻，所以我们通过变压器降压的方案来实现供电模块。供电部分输入为220V、50Hz交流电，然后经过变压器降压处理，对降压后的交流电压信号进行单相桥式整流，最后通过三端稳压模块将其转换为系统设计所需要的直流电

44、压。3、信号采集模块信号采集模块就是利用相关处理电路和MCU控制器来读取GLI 5400溶解氧传感器的输出信号。根据GLI 5400溶解氧传感器的技术资料，其正常工作的时候需要外界提供一组较精确稳定的+75V和75V供电电压，而且这个供电电压的精度和稳定性将直接影响传感器的输出信号。由于目前较少有现成的芯片能够实现+75V和一75V这样的稳定电压，在本课题的设计中通过REF02来获得一个精密+50V电压参考源。然后经过高精度双通道的高速FET运算放大器OPA2132组成的运算电路来获得士7，5V的电压输出。OPA2132供电电压采用士12V，其输出驱动能力较强(短路电流为士40mA)。完全能满

45、足溶解氧传感器的供电要求。溶解氧传感器能够同时实现溶解氧的检测和温度的检测。对于溶解氧检测部分，其输出信号为毫伏级。经过与GLI公司技术支持部门的Chris McCartney交流得知，GLI 5400型溶解氧传感器每lppm的溶解氧含量大致对应一90mV的电压信号变化(溶解氧传感器电缆中的信号线red与屏蔽线Shield之间电压)。此型号的溶解氧传感器量程为0-40ppm，因此对应电压输出4mH变化范围大约为O3.6v。对于这样一个变化范围的电压信号，可以通过一个离性能运放组成的反相电压跟随器处理后再由一个ADC来读取。溶解氧传感器的测量精度为量程的01(004ppm)，测量灵敏度为量程的0

46、05(002ppm)，分别对应于传感器的输出信号电压36mV和18mV左右。为了尽量减少信号采样过程中可能带来的误差而影响最后的精度，溶解氧测试仪的设计中必须选择一个合适的AD转换器。比较常见半导体公司生产的各种规格的AD转换器芯片，我们选用BB公司性价比较高的16位逐次逼近式ADS8320芯片来完成数据的采集功能。ADS8320在应用中供电电源和参考电源均采用+5V电压值，这样就能实现0-5V范围内的模拟信号数模转换，最小可分辨电压约为5V(2n16)，即76uV，完全能够满足设计需要。根据GEl5400溶解氧传感器的技术规范，其温度测量通过一负温度系数(NTC)阻值为30K Q的热敏电阻来

47、实现的。我仃可以通过相应的转换电路，将电阻值变化转换为对应于O5v之间的电压变化来方便ADC的读取，具体可以采用一个分压电路或者恒流源芯片米完成转换功能。由于在个系统设计中ADC芯片的成本相对较高，所以对于多输入信号采样的情况，一般优先考虑采用多路通道的工作方式来共用ADC转换器，从而降低成本。在溶解氧测试仪设计中，需要采样的信号只有两组(溶解氧值和温度)，所以通过一个模拟多路开关就能实现共用一个ADC来完成采用。在此我们选用MAXIM公司的SPDT模拟开关MAX4624，其连通电阻极低(1欧姆)，开关速度为50ns，可以较好的满足信号采用的要求。这样，通过MCU来控制模拟开关，就能很好的实现

48、了信号的两路采样。由于ADS8320的采样率可以高达100kHz，而且精度较高，所以信号采集过程中引入的误差极小。4、液晶显示模块对于一个智能溶解氧测试仪，测量数据显示是必不可少的一部分。为了使得我们设计的溶解氧测试仪样机不仅可以用于溶解氧自动监控系统中，而且可以应用于单独的溶解氧测试场合；为了提高系统的性价比，选用了128×64的图形点阵液晶屏来实时显示数据。5、键盘模块由于溶解氧测试仪的检测部分采用GLl5400型的溶解氧传感器，其需要进行标定工作，所以需要提供一个人机交互的界面。结合实际需要，这里设计了7个按键，通过IO设备的方式来读取识别，节省了单片机的通用IO口资源。6、信

49、号输出模块为了使溶解氧测试仪能够满足一般的工业应用需求，提高它的适用性，在设计中提供了标准4-,-20mA的电流输出和05V的电压输出。测试仪中有溶解氧值和温度两种信号，因此需要4个通道的输出。我们选用BB公司的4通道12位的DA转换器DAC7615来完成数字量至模拟量的转换。DAC7615的数据输入具有双缓冲的功能，可以用于实现4通道输出的同时更新。在使用中，DAC7615采用单+5V电源供电，参考电源取0V fftl+2，5V，可以输出025V电压信号。对于标准电压信号的输出，通过单片机程序控制DAC的输出电压，然后接一个集成运算放大器就能实现。对于4-,20mA的标准信号输出，可以采用高

50、精度集成运算放大器MAX478和场效应管BSl07组成的电压电流转换电路来实现，也可以通过专用的电压电流转换芯片来完成。由于专用的电流电压转换芯片成本较高，本系统设计中采用第一种方案。7、时钟看门狗模块对于一个以MCU为核心的智能测试系统，CPU的监督管理功能必不可少。考虑到溶解氧测试仪作为一个实时参量的检测仪器，还需要时间日历功能，因此我们选用了XICOR公司的高性价比芯片X1227来完成这些功能。X1227具有CPU监督管理(看门狗WDT电路和电压监测PORLVS)、备份电源自动切换、时钟日历等功能，可以极大地提高溶解氧测试仪的设计完各性。32电源模块设计任何一个应用系统的供电模块是整个设

51、计方案中一个极为重要的环节，供电系统的实现方法、稳定程度和纹波大小将直接系统的测量精度和使用寿命等参数。下面简要介绍对智能溶解氧测试仪中所需要的电源模块设计。一、系统供电电源设计SGYO01型溶解氧测试仪的系统供电电源具体电路图如图3,2所示。供电部分输入为220V、50Hz的交流电，经过变压器、电桥、整流电路输出sGYOOl型溶解氧测试仪工作所需的三种电压：+5V，+12V和，12V。图32中+5V主要供数字电路部分使用(单片机，液晶，键盘，DA转换等使用)，最大输出电流可达500mA：其中±12V电源主要供模拟电路部分使用，包括基准稳压电路、模拟电路、传感器的供电电路等。考虑到市

52、压电网可能有±10波动的影响，变压器线圈采用有交流双路16V抽头和交流9V抽头的定制线圈；这样可以确保在交流供电波动的情况下整个系统仍能稳定的工作。溶解氧测试仪应能满足长期不间断测量工作而且应当能承受可能出现的瞬时电势干扰，为此这里整流电的选用2A、100V标准的圆形电桥。根据整流器数据手册，为了获得电源输出良好的稳定性，三端稳压块输出端跨接10uF钽电容。在电路图相应位置并联二极管1N4001来防Lt设备输入瞬间短路(1N4001可额定耐负压峰值至50V左右)。二、电压基准源为了提高溶解氧测试仪AD转换、DA转换和信号调理等电路的精度，需要选择和设计高精度的基准电压源。1、+5v基

53、准电压源溶解氧测试仪所需要的+5V基准电压源选用BB公N(BURR。BROW)的电压基准源芯片REF02来实现。REF02是一个精确的基准电压源。其温漂被激光调制至在加宽工业环境和军工环境范围内，最人温漂系数小于85ppw4C。REF02能提供稳定的5v基准输出，输出电压的最大误差为±01，其可以在较宽的输入电压范围(8V一40V)内正常工作，所需供电电流仅为1mA，而且它可应用于一40+85这样一个扩展的工业应用温度环境中。根据REF02的虽大负载电流与输入电压曲线图可知当输入电压大于10V的时候REF02最大负载电流可高达30mA(短路保护)。在本溶解氧测试仪应用中，REF02采

54、用+12V供电具体连接电路图如图33所示。在溶解氧测试仪中，REF02输出的基准电压将用于实现传感器供电电压电路，AD转换模块电压基准和供电电源，以及其他一些模拟电路中作为基准+5V来使用。2、+25V电压基准：在DA转换模块电路中，需要使用+25V电压基准。为了确保较高的精度，此处选用了Maxim公司的低温漂、低噪声的电压基准源MAX6325。该芯片供电电压范围为8V-36V，典型温漂系数为05ppm，初始化误差为±O02，其通过应用掩埋齐纳(buriedzener)技术来获得极低的噪声性能。额定负载规范为能保证高达15mA的出电流或入电流。良好的线路调整率、负载调整率和高频时的低

55、输出电阻使得gtAX6325成为高达16位的高分辨率数据转换系统中的理想选择，所以它为DAC7615基准电源的一个理想选择。MAX6325的电路应用连接图如图34所示：MAX6325芯片供电电源的噪声将会影响输出基准电压的噪声，所以图34中用电容C11和C22来降低供电电压+12V的噪声。而输出端连接的C35(22uF钽电容)和C29用来减小输出纹波和由于负载瞬变而带来的电压干扰。三、传感器供电电源设计GLI 5500系列的溶解氧传感器(5540型号)工作时候需要提供±75V大小的电压，根据实际试验测量可得，传感器的信号输出受供电电压高低影响较大。为了提高溶解氧测量的精度以及在长期测

56、量中保持较准确的测量结果，必须设计较为精确稳定的±75V电压。在这部分电路实现中，我们利用REF02提供的+5V基准电压和一个两通道的运算放大器来获得所需要的较为准确稳定的4-75V电压源，具体电路图如图35所示。这里的运算放大器选用BB公司的FET输入运算放大器OPA2132。它的响应速度较快，具有偏置电压低。(小于500pV)、失真率小(低于O00008)、噪声低(小于8aV瓦(1kHz)等特点，是一般应用、音频处理、数据采集和通信应用中的理想选择。OPA2132的供电范围可以为土25v至+18V，工作温度范围为-4085"C。采用DC特性性能较好的OPA2132设计的电压电路将具有较高的精度