納米碳粉制備過程中電解液溫度信號檢測系統設計

高虹

（貴州理工學院,貴陽550023）

1 引言

納米科技是在20世紀90年代初逐步發展起來前沿、交叉性新興學科領域，是21世紀最具發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，由于它具有非常優越的性能，廣泛應用于軍事、航天、航空、醫學、農業、發熱材料開發、潤滑油、燃油、蓄電池業、電子等行業[1]，比如，可用于電池行業的添加劑，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，已成為許多行業的關鍵材料之一,因此，納米碳粉的生產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、生產率、質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或一個電解槽內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轉換，然后通過無線發射系統發射出去，完成電解液溫度信號的采集與無線發射然后通過顯示系統時時顯示出來。

2 電解槽內溫度采集裝置設計

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射系統中，再經過模數轉換，通過發射裝置將數字信號發射出去。

3 多點溫度采集及無線發射系統設計

3.1 系統組成

設計多點溫度采集及無線發射系統組成如下圖1所示。

圖1 多點溫度采集及無線發射系統組成

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、穩定性好、體積小、線性度較好、反應速度較快、使用方便等優點,但大多數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,在構成數字溫度測控系統時需要A/D轉換,以產生數字信號。雖然也有個別的輸出為數字量,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）,支持多點組網功能（可將多個DS18B20并聯在唯一的三線上,實現組網多點測溫功能）；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℃ ,測溫結果的數字信號,以"單線總線"方式傳送給微處理器,可實現高精度測溫；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和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案[5-7]。

3.4 無線發射模塊選擇

無線發射模塊采用nRF24L01芯片，它是一款新型單片射頻收發器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，具有自動應答和自動再發射功能，數據傳輸率為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。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,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)使節能設計更方便[7-8]。

4 硬件電路設計

該系統以單片機AT89S52為核心,由6個溫度傳感器DS18B20、一個無線發射模塊nRF24L01、開關電路、復位電路等構成，可對多點（本例為6個點，6條生產線）的溫度進行采集，并通過無線發射模塊nRF24L01發射出去。如圖2所示為主要結構部分。

5 系統程序設計

單片機對NRF24L01無線模塊以及DS18B20進行初始化之后，從DS18B20讀取溫度數據。然后，通過調用無線發送程序將溫度數據發送給接收端。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，為了研究電解槽內電解液的溫度對納米碳質量的影響，本文根據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射系統，以AT89S52單片機為主控制器，采用6個DS18B20單總線型數字溫度傳感器采集不同位置的溫度信號，通過無線發射模塊nRF24L01芯片將信號發射出去，實現了多點溫度信號采集與無線發射，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。

圖2 硬件系統電路圖

圖3 程序設計流程圖