摘 要： 針對膜制氮系統設計了一套氮氣濃度的在線監測與控制系統，包括硬件設計、選型和軟件設計。該系統通過測得所制氮氣中主要雜質氧氣的濃度間接測得氮氣濃度,利用氧氣傳感器將氧氣濃度轉變成電流信號，信號經調理后送至MSP430G2533單片機處理。單片機的輸出一方面用于控制電磁閥和調節閥，另一方面用于LED現場顯示，從而達到實時監測與控制的目的。系統具有鍵盤輸入及氮氣濃度顯示功能,可以實現遠程監測與自動控制。實驗表明,系統所制氮氣純度可達95%以上。該設計成本低，操作方便，運行穩定，性能可靠，精度較高。

關鍵詞： 濃度; 監測; 控制

       隨著生活水平的日益提高，人們對賴以生存的食品質量要求也與日俱增，希望每天的食品都是新鮮可口的。在食品包裝袋中充入氮氣，隔絕食品、水果等與空氣的直接接觸，防止了因大氣與各種包裝食品直接接觸而引起食品的氧化、褪色、腐敗以及各種霉菌、細菌對食品的侵害，從而保證了包裝食品的新鮮度，延長了包裝食品的存放周期。此法由于氮氣的特殊物理性質有別于化學性的防腐處理，所以不會留下任何殘留物。這么好的包裝效果以及因此而產生的經濟效益已得到了食品生產商和使用者的認可。而保質期的長短與氮氣的濃度息息相關，這就要求在制氮過程中做好氮氣濃度的實時檢測。隨著生活水平的提高，氮氣的用途會更加廣泛，對其濃度的要求也會越來越高。

       目前，工業制氮系統大多采用PLC進行監控，成本較高,體積大。鑒于這種情況，本文在此基礎上，針對膜制氮系統，通過分析其原理、工藝流程，以低功耗、低成本、性能高為目的，設計了一套氮氣濃度的在線監測與控制系統。該系統利用單片機、氧氣傳感器、電磁閥等設備實現其功能，不僅價格低廉，功耗極低，而且操作簡單，控制靈活，可靠性高，大大約了成本。

       1 硬件系統設計

       1.1 膜制氮系統原理

　     膜制氮工藝流程如圖1所示，該制氮系統以空氣為原料。首先將空氣用空氣壓縮機進行壓縮，為后續設備提供氣源；再經過空氣預處理裝置將壓縮空氣進行干燥和凈化處理，此過程包括除水、吸附除油、過濾顆粒和空氣溫度調節，為膜組提供清潔的空氣；然后進入膜分離器，也是膜分離制氮的中心環節，利用金屬膜或有機膜對混合氣體的不同成分具有選擇性滲透和擴散的特性來達到分離氣體的目的。經過處理的壓縮空氣進入膜分離器后被分為富氧空氣和氮氣，合格的氮氣經過增壓，即可投入使用[1]。

       1.2 氮氣濃度監控系統設計

       由于空氣的主要成分是氮氣(78%)和氧氣(21%)，因此，通過檢測經過膜分離器分離出的氮氣中氧氣的濃度，即可間接地測量出所制取的氮氣的濃度，從而判斷其是否合格。

　     氮氣濃度的監控系統如圖2所示。氧氣傳感器輸出的信號經過轉換、濾波處理后送至單片機處理；單片機將處理結果一方面用于顯示，另一方面用來控制調節閥的開度和控制閥的開閉。圖中的控制閥包括氮氣放空閥和氮氣輸氣閥，調節閥用來控制膜分離過程中的壓差，如果氮氣濃度低于設定值，輸氣閥關閉，放空閥打開，調節閥增大開度，提高氮氣濃度。另外，本系統還具有鍵盤輸入和現場顯示功能，可以設定氮氣濃度的下限值及實時顯示氮氣的濃度。

       1.3 硬件選型

       1.3.1 單片機

       本系統選擇TI公司的MSP430G2533單片機，它不僅具有超低功耗、高集成度、高性價比的優點，更重要的是，其內部集成了10位的ADC，該模塊內部是一個SAR型的AD內核,可以在片內產生參考電壓，并且具有數據傳輸控制器。本系統為了使測量結果更加準確，設置ADC10的轉換模式為單通道重復采樣，多次采樣后取平均值[2]。

       1.3.2 氧氣傳感器

       氧氣傳感器采用ZOY系列氧化鋯探頭，該型傳感器根據電化學原電池的原理工作,利用待測氣體在原電池中陰極上的電化學還原和陽極的氧化過程產生電流,并且待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比。這樣，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度，廣泛適合工業、礦下及環保中氧氣濃度的檢測[3]。

　     本系統選擇量程為0~5%的探頭，其雙路隔離輸出為4~20 mADC，基本誤差小于±3％，其輸入-輸出呈線性關系:

　     Y=320X+0.4      (1)

式中,Y為輸出電流(mA)，X為氧氣濃度(%)。

       1.3.3 鍵盤

　　   由于本系統控制命令較少，故選擇獨立式按鍵，電路圖如圖3所示。UP鍵可以向上調節輸入值，DOWN鍵可以向下調節輸入值，同時這兩個鍵還具有選擇設置對象的功能；OK鍵為主菜單鍵，同時具有確認功能；CANCEL鍵具有取消當前值與返回主菜單的功能。

       1.3.4 顯示器

       由于本系統只要求顯示器顯示數值，為節約成本，選用LED作為顯示器件。另外，為便于遠程監測與控制，也可將結果送至PC進行顯示。

       1.3.5 電磁閥

       輸氣閥、放空閥選用德國寶得(BURKER)的產品，可以輸出其閥門的開關狀態，其輸入電壓為24 Ｖ，用于氮氣純度控制。

　    調節閥采用智能電動調節閥實現，選擇上海永鵬電動調節閥，其智能控制器是電動執行機構的位置控制單元，可實現現場及遠程控制電動執行調節閥的開關及開度。由遠程儀表或計算機控制時，可用其輸出信號(4~20 mA)實現，定位精度＜1％,并且可手動與自動操作。選擇輸入為0~5 V型電磁閥，用于控制系統壓力，調節氮氣濃度。

       1.3.6 D/A轉換模塊

       D/A模塊選擇TI的TLV5616芯片，它是一款12 bit電壓輸出數/模轉換器,電壓輸出范圍是參考電壓的2倍。在參考電壓設置為2.5 V時，其輸出范圍為0~5 V，可以直接供給調節閥。

       1.4 電路設計

       1.4.1 信號處理電路

　     信號處理電路如圖4所示,其作用是將氧氣傳感器輸出的4~20 mA信號轉換為0~3.3 V, 供單片機處理。第一級用采樣電阻獲得電壓, 再放大4.12 5倍;第二級與0.825 V做減法,得到0~3.3 V電壓可供單片機的A/D模塊。

       1.4.2 驅動電路

       驅動電路如圖5所示，其作用是用單片機的輸出信號來驅動控制閥(即輸氣閥和放空閥)的動作。圖中J1為電磁閥。

       2 軟件系統設計

       2.1 系統軟件設計流程圖

　     系統軟件設計流程圖如圖6所示。本軟件流程圖設計簡易,方便且易于操作，主要完成信號輸入、信號處理、鍵盤輸入、輸出顯示及輸出控制等功能。另外，軟件中加入了PID調節程序，減小了系統的誤差，提高了整個系統的精度[4]。

       2.2 PID子程序流程圖

       2.2.1 PID算法

       常規的PID算法的基本原理如圖7所示。 

       模擬PID控制器的規律為:

       駐u(k)=Kp[e(t)+e(t)dt+

       TD]+u0          (2)

       其中Kp為比例系數，T1是積分項的比例常數，TD是微分項的比例常數，u0為控制常量。

　     PID控制算法分為位置式和增量式兩種。位置式算法每次輸出與整個過去狀態有關，算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累計誤差;而增量式中只須計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，當存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。另外，由于單片機控制是一種采樣控制,它只能根據采樣時刻的偏差值計算被控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量，進行連續控制，并且單片機處理數據的量有限。綜合考慮，系統采用增量式PID控制[5]，其算法為：

       u(k)=Kp(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)  (3)

       其中ek為本次采樣誤差，ek-1為上次采樣誤差，ek-2為上上次采樣誤差。

       2.2.2 PID程序路程圖

       PID控制子程序流程圖如圖8所示。其中參數A=Kp+KD+KI，B=Kp+2KD，C=KD。

       本文主要介紹了在膜制氮過程中氮氣濃度的在線監測與控制系統的設計，包括硬件及軟件的設計。該系統具有實時監測與實時控制功能，體積小，低功耗，價格低廉，同時可以實時顯示氮氣濃度。在膜制氮系統中，使用該監測與控制系統將使氮氣的制取更加便利，同時提高了整套設備的精度，節省了大量的人力物力，大大降低了成本。

參考文獻

[1] 馮永和.膜制氮裝置的應用[J].大氮肥，2010，33(3):214-216.

[2] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 陳倫瓊.氧氣濃度檢測儀在高壓開關站中的應用[J].制造業自動化，2012，34(24):61-62.

[4] 謝小芳，黃俊，譚成宇.基于RFID的電力溫度監控系統的軟件分析與設計[J].電子技術應用，2013，39(1):23-26.

[5] 李曉光，王秀，李民贊.基于單片機PID和PWM液體流量控制系統的研究[J].微計算機信息，2008，24(5):69-71.