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指导教师：电解槽阳极电压采集系统班级：学生：学号：目录第一部分引言第二部分总体方案第三部分硬件电路设计第四部分程序模块设计第五部分参考文献引言铝电解是在铝电解槽中进行的，电解所用的原料为氧化铝，电解质为熔融的冰晶石，采用碳素阳极。电解作业是在950～980℃下进行的，电解的结果是阴极上得到熔融铝和阳极上析出CO2。由于熔融铝的比重大于电解质（冰晶石熔体），因而沉在电解质下部的碳素阴极上。熔融铝定期用真空抬包从槽中抽吸出来，装有金属铝的抬包运往铸造车间，在那里倒入混合炉，进行成分的调配，或者配制合金，或者经过除气和排杂质等净化作业后进行铸锭。槽内排出的气体，通过槽上捕集系统送往干式清洗器中进行处理，达到环境要求后再排放到大气中去。从整流所供给的直流电流是通过槽上的碳阳极，流经熔融电解质，进入铝液层熔池和炭块阴极的。铝液层熔池同炭块阴极联合组成了阴极，铝液的表面为阴极表面。在铝电解的生产过程中,电解槽是最主要的生产设备,也是铝电解故障预测系统的主要分析和监控的对象。电解槽的槽况正常与否不仅关系到铝电解的经济技术指标,还关系到电解槽的寿命以及铝厂的正常生产。铝电解槽是一个非线性,多耦合,时变和大时滞的工业过程体系。在铝电解过程中,槽况特征复杂多变,故障的种类多且难以检测,有些故障一旦发生了,就会影响整个铝厂的安全生产,造成巨大的经济损失。因此,及时正确的预测出槽故障是铝电解正常生产的一个重要保证。而在生产过程中由于阳极效应,阳极病变会经常造成电解槽故障，通过对阳极电压的监控，可以及时有效的发现由于阳极电压波动而造成的电解故障，通过对阳极电压实时数据，历史数据的查看可以分析查找造成电解故障的原因，基于此设计了本套系统，用于对电解槽阳极电压数据的采集，显示存储。系统中使用COTEX-M3内核STM32低端ARM芯片作为整个系统的主控制芯片，整个系统分为四大模块，采集模块，发送模块，处理模块，显示模块，采集模块主要实现的是对电解槽阳极电压数据的采集，然后把采集到的数据传给主控制芯片做相应的处理，处理后的数据通过串口传输到触摸屏上进行显示。在整个系统中采集和接收采集模块使用的是无线传输，显示部分和主控制芯片通过RS-485进行连接，使用标准的MODBUS通信协议进行数据传输。二、总体方案方案介绍在铝电解的现场电解槽的两边会有许多导杆，导杆连结电解槽的阳极端，在铝电解过程中阳极导杆中会有电流流过，通对电流的判断我们可以知道阳极通过电解质流向阴极的电压是否均匀，从而判断电解质的电解情况，电解现场的环境是复杂多变的常常伴随着强磁场，会干扰电子设备的运行，为了避免干扰带来的数据采集误差，系统从两个方面着手解决，在对硬件电路进行设计时，考虑电路的抗磁干扰，在对元器件进行选择时，选择一些精度比较高的元器件，在软件方面对采集到的数据进行误差判断处理。由于流过导杆的电流是非常微弱的，在对其进行模数转换时很容易造成误差，这里我们对其进行了放大处理，使模数转换的精度更高。由于采集到的电流信号是模拟量，芯片不能够处理模拟量，这里还需要将将采集到的电压信号经过运放放大输出给AD进行模数转换。电解槽的每一根导杆对应一组数据，我们在电解槽的每一根导杆上安装一个采集模块和无线发送模块，采集到的数据经过无线发送模块，发送给主控制室的无线接收模块，从采集模块到无限发送模块之间的数据传输我们主要使用I2C总线协议，从无线发送模块到无限接收模块我们主要使用的Zigbee通信协议，接收模块接收到数据以后通过485串口出给主控制器，主控制器对采集到的所有数据进行处理，将其打包成帧的格式，然后使用标准的工业通信协议modbus进行通信。上位机触摸屏作为主站，主控作为从站，触摸屏系统每隔一段时间会发送命令给从站，向从站索要数据，当从站接到到命令就会把打包好的一帧数据通过串口按照标准的modbus通信协议进行数据传输，触摸屏收到数据以后会把数据按照一定的顺序填入触摸屏的不同通道中进行显示，到此就完成了数据的采集，处理，显示整个过程。总体方案系统结构框图三、硬件电路设计1、处理芯片的选择2、A/D及运放3、串口通信/Modbus通信协议4、CAN总线5、Zigbee/RF4CE技术6、上位机7、电路图主控制芯片采用ARM公司授权生产的COTEX-M3内核低端ARM芯片，ARM公司主要致力于处理器内核研究,公司本身不生产芯片，只设计内核，目前ARM体系结构的处理器内核有：ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI、ARM11以及Cortex等。Cortex系列内核可分为：A系列、R系列和M系列，其中A系列是针对可以运行复杂操作系统（Linux、WindowsCE、Symbian等）的处理器；R系列是针对处理实时性要求较高的处理器（汽车电子、网络、影像系统）；M系列又叫微控制器，对开发费用敏感，对性能要求较高的场合，本系统采用的主要是M系列的控制器，Cortex-M系列目前的产品有M0、M1、M3，其中M1用在FPGA中。Cortex-M系列对微控制器和低成本应用提供优化，具有低成本、低功耗和高性能的特点，能够满足微控制器设计师进行创新设计的需求。其中，ARMCortex-M3处理器的性能是ARM7的两倍，而功耗却只有ARM7的1/3，适用于众多高性能、极其低成本需求的嵌入式应用，如微控制器、汽车系统、大型家用电器、网络装置等，ARMCortex-M3提供了32位微控制器市场前所未有的优势。Cortex-M3内核，内部的数据路径为32位，寄存器为32位，存储器接口也是32位。Cortex-M3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问分开进行。Cortex-M3还提供一个可选的MPU，对存储器进行保护，而且在需要的情况下也可以使用外部的cache。另外在Cortex-M3中，存储器支持小端模式和大端存储格式。Cortex-M3内部还附赠了很多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等。哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。芯片性能强大在相同的主频下能够处理更多的任务，并且还具有低电压和节能的优点，2.0V到3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池。有一个电池工作模式专用引脚Vbat，有四种低功耗模式，可将电流消耗降至两微安，启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。实时性强能够快速的响应中断，低成本的解决方案，提供了比单片机更丰富的标准外设，包括10个定时器、两个12位1-Msample/s模数转换器(交错模式下2Msample/s)、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。新产品外设共有12条DMA通道，还有一个CRC计算单元，像其它STM32微控制器一样，支持96位唯一标识码。三、硬件电路设计处理芯片的选择主控制芯片采用ARM公司授权生产的COTEX-M3内核低端ARM芯片，ARM公司主要致力于处理器内核研究,公司本身不生产芯片，只设计内核，目前ARM体系结构的处理器内核有：ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI、ARM11以及Cortex等。Cortex系列内核可分为：A系列、R系列和M系列，其中A系列是针对可以运行复杂操作系统（Linux、WindowsCE、Symbian等）的处理器；R系列是针对处理实时性要求较高的处理器（汽车电子、网络、影像系统）；M系列又叫微控制器，对开发费用敏感，对性能要求较高的场合，本系统采用的主要是M系列的控制器，Cortex-M系列目前的产品有M0、M1、M3，其中M1用在FPGA中。Cortex-M系列对微控制器和低成本应用提供优化，具有低成本、低功耗和高性能的特点，能够满足微控制器设计师进行创新设计的需求。其中，ARMCortex-M3处理器的性能是ARM7的两倍，而功耗却只有ARM7的1/3，适用于众多高性能、极其低成本需求的嵌入式应用，如微控制器、汽车系统、大型家用电器、网络装置等，ARMCortex-M3提供了32位微控制器市场前所未有的优势。Cortex-M3内核，内部的数据路径为32位，寄存器为32位，存储器接口也是32位。Cortex-M3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问分开进行。Cortex-M3还提供一个可选的MPU，对存储器进行保护，而且在需要的情况下也可以使用外部的cache。另外在Cortex-M3中，存储器支持小端模式和大端存储格式。Cortex-M3内部还附赠了很多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等。哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。芯片性能强大在相同的主频下能够处理更多的任务，并且还具有低电压和节能的优点，2.0V到3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池。有一个电池工作模式专用引脚Vbat，有四种低功耗模式，可将电流消耗降至两微安，启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。实时性强能够快速的响应中断，低成本的解决方案，提供了比单片机更丰富的标准外设，包括10个定时器、两个12位1-Msample/s模数转换器(交错模式下2Msample/s)、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。新产品外设共有12条DMA通道，还有一个CRC计算单元，像其它STM32微控制器一样，支持96位唯一标识码。三、硬件电路设计A/D及运放A/D及运放主控制芯片采用ARM公司授权生产的COTEX-M3内核低端ARM芯片，ARM公司主要致力于处理器内核研究,公司本身不生产芯片，只设计内核，目前ARM体系结构的处理器内核有：ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI、ARM11以及Cortex等。Cortex系列内核可分为：A系列、R系列和M系列，其中A系列是针对可以运行复杂操作系统（Linux、WindowsCE、Symbian等）的处理器；R系列是针对处理实时性要求较高的处理器（汽车电子、网络、影像系统）；M系列又叫微控制器，对开发费用敏感，对性能要求较高的场合，本系统采用的主要是M系列的控制器，Cortex-M系列目前的产品有M0、M1、M3，其中M1用在FPGA中。Cortex-M系列对微控制器和低成本应用提供优化，具有低成本、低功耗和高性能的特点，能够满足微控制器设计师进行创新设计的需求。其中，ARMCortex-M3处理器的性能是ARM7的两倍，而功耗却只有ARM7的1/3，适用于众多高性能、极其低成本需求的嵌入式应用，如微控制器、汽车系统、大型家用电器、网络装置等，ARMCortex-M3提供了32位微控制器市场前所未有的优势。Cortex-M3内核，内部的数据路径为32位，寄存器为32位，存储器接口也是32位。Cortex-M3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问分开进行。Cortex-M3还提供一个可选的MPU，对存储器进行保护，而且在需要的情况下也可以使用外部的cache。另外在Cortex-M3中，存储器支持小端模式和大端存储格式。Cortex-M3内部还附赠了很多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等。哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。芯片性能强大在相同的主频下能够处理更多的任务，并且还具有低电压和节能的优点，2.0V到3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池。有一个电池工作模式专用引脚Vbat，有四种低功耗模式，可将电流消耗降至两微安，启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。实时性强能够快速的响应中断，低成本的解决方案，提供了比单片机更丰富的标准外设，包括10个定时器、两个12位1-Msample/s模数转换器(交错模式下2Msample/s)、两个1