基于ARM的煤质工业分析仪的设计

　　1　煤的工业分析原理

　　根据国家标准,全自动工业分析仪的工作原理采用热重分析法,将加热设备与称量用的电子天平结合在一起,在特定的气氛条件、规定的温度、规定的时间内对受热过程中的试样予以称重,以此计算出试样的水分、灰分及挥发分等工业分析指标。

　　1.1　水分和灰分的测定

　　将质量为m的煤样置于105℃恒温干燥炉内,通入干燥氮气,恒温约60min,测量煤样质量的损失Δm,则煤中水分的质量分数M_ad为:

　　然后关闭氮气,打开氧气,使炉温升至500℃,恒温约30min(如果选择快速法,可不恒温),然后继续加热到815℃恒温约60min,根据煤样灼烧后残留物的质量m1,计算出灰分的质量分数A_ad为:

　　1.2　挥发分的测定

　　将高温炉加热到900℃后,将质量为m的煤样密封送入炉内灼烧约7min,根据灼烧后残留物的质量m2和水分含量Mad,计算出挥发分的质量分数V_ad为:

　　2　仪器的硬件设计

　　采用LPC2210设计的新型煤质工业分析仪硬件构成框图如图1所示。

　　MCU作为煤质分析仪的主控芯片,采用32位ARM7微处理器LPC2210,通过UART1与电子天平通讯得到有关质量数据,通过UART0,经485接口电路实现与PC机的通讯,可构成更完善的系统或扩展成自动测控网络;在高温炉和低温炉中分别放置K型热电偶,通过MAX6675温度检测模块实现温度数据的采集及冷端补偿,该芯片内带12位ADC和SPI接口,因此,温度数据可通过SPI传送到LPC2210进行处理,用模糊算法获得PWM输出控制信号,驱动带有光电隔离和过零触发方式的固态继电器控制加热装置模块实现恒温控制。由于LPC2210带2路SPI和多路PWM接口,这样就减少了由于微处理器资源不足而需外扩或用软件模拟的麻烦,其稳定性也相对要高;系统中还采用了一片xilinx的CPLD芯片xc9572x,l用来扩展I/O口以及作为外围芯片片选信号,可通过编程实现各种组合逻辑,减少其他相关硬件,并可以提高系统的驱动能力和抗干扰能力;送取样机械手的控制采用电机并配合光电位置检测电路实现,其中上下位置由两个带减速装置的小交流电机完成,抓样、送样、放样由步进电机实现;采用自备电池、晶体实时时钟芯片(RTC)DS12887和AT24C256记录测试数据和时间,用于建立一定数量的历史记录, AT24C256还用于分区存放系统参数和各种整定值。

　　3　软件设计

　　仪器软件包括工业分析流程和通讯规约两部分。

　　3.1　工业分析流程

　　(1)工业分析流程及其功能

　　根据热重分析原理,仪器通过工业分析流程自动完成煤质的水分、灰分和挥发分的测试。仪器的工作过程如下:首先仪器开机自检,机构部分复位,并根据提示可以修改测试条件及整定参数,如加热时间、修正系数、平行样编号和测试内容等;然后根据提示放坩埚,称量后提示放煤样称量,机械手将其送入相应的高温炉或低温炉中,依次共可以放置18个样品,放样完成后,仪器进入全自动测试模式,通过精确控制加热炉的温度,使之恒温,水分、灰分、挥发分试验根据相应国标上的测试条件加热后,机械手将样品送至冷却盘冷却,之后再送到天平称量;最后系统自动计算煤样的测试结果,并保存,输出打印结果。系统的工业分析流程图如图2所示。