恒電位儀自動(dòng)測量的設(shè)計(jì)

摘 要： 采用了以MSP430單片機(jī)作為核心控制模塊的方法，在恒電位儀手動(dòng)測量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測量和數(shù)據(jù)采集、接收及存儲(chǔ)的目的。使得系統(tǒng)具備了小型、快速、低功耗等特點(diǎn)，方案設(shè)計(jì)中詳細(xì)介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和軟硬件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)測量得到與腐蝕深度的相關(guān)電壓、電流數(shù)據(jù)，同時(shí)指出了在實(shí)際應(yīng)用中的方法以及改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞： 三電極體系； MSP430； FLASH； 自動(dòng)測量

中圖分類號(hào)： TN06?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）11?0092?03

0 引 言

金屬腐蝕檢測技術(shù)主要通過三電極電化學(xué)傳感器來實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)在工作電極和參比電極間加控制電壓，使工作電極表面產(chǎn)生電流信號(hào)，該電流信號(hào)與被測物質(zhì)濃度具有一定的關(guān)系，分析該電流信號(hào)就可以算出被測物的度。實(shí)際進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，需要在工作電極和參比電極間加一個(gè)恒定電位，以維持傳感器的電化學(xué)穩(wěn)定性，使其能穩(wěn)定地輸出模擬信號(hào)[1]。

目前國內(nèi)使用的恒電位儀主要是磁放大式和晶閘管式的恒電位儀，主要缺點(diǎn)是空載電流大，功率因數(shù)低，能耗高，可靠性差，而且工作電流過大時(shí)主變壓器便會(huì)出現(xiàn)較大的震動(dòng)噪音，最主要的缺點(diǎn)是不能夠自動(dòng)測量。針對(duì)水下器械不宜經(jīng)常拆卸，儀器在水下檢測不易手動(dòng)測量的情況，從實(shí)踐的角度提出了一種實(shí)施自動(dòng)測量新型恒電位儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)水下腐蝕情況自動(dòng)及時(shí)檢測，以便能夠確切了解水下機(jī)械的被腐蝕狀況從而能因材施教的研究防腐蝕。新型恒電位儀與普通恒電位儀相比，具有重量輕、噪音小和成本低、實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)檢測和控制、檢測顯示方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

三電極作為傳感器，控制電路用單片機(jī)做控制器對(duì)電路實(shí)現(xiàn)整體的控制以及數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)。在傳感器采集到模擬信號(hào)后，將采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)MSP430，經(jīng)過MSP430的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字進(jìn)行格式化處理后，按分類存入設(shè)定的數(shù)據(jù)區(qū)以供發(fā)送時(shí)取用，單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外擴(kuò)FLASH中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，并便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及提取。采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)檢測和控制，檢測顯示方便， 功能完善，且便于實(shí)現(xiàn)恒電位儀的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

恒電位儀是各種三電極式電化學(xué)傳感器的接口，將外部激勵(lì)信號(hào)近乎準(zhǔn)確地施加于傳感器上，驅(qū)動(dòng)樣品溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使電化學(xué)體系的研究電極與參比電極之間的電位保持某一恒定值，并對(duì)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)做相應(yīng)的預(yù)處理（信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、濾波）。由測量電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。

由于信號(hào)采集端在野外工作，所以選用器件均是低功耗的，在實(shí)際工作中最好用電池供電。

選用的單片機(jī)可以直接利用P口的輸入輸出寄存器，直接對(duì)外進(jìn)行通信。檢測電路的輸出電壓必須通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用于本裝置的溫度顯示，并上傳給計(jì)算機(jī)供控制算法作為得到控制量的依據(jù)。MSP430F149芯片具有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器有8個(gè)通道，分辨率為12位，帶有采樣保持功能，采樣時(shí)將電壓、電流信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的電壓信號(hào)即可。當(dāng)不需要A/D采樣的時(shí)候，相關(guān)控制位置位，ADC12進(jìn)入低功耗狀態(tài)，這樣就大大降低了功耗[2]。由于本實(shí)驗(yàn)室裝置不需要過于高速的連續(xù)采樣，因此在這里把A/D采樣的模式設(shè)定為單通道單次采樣模式，由定時(shí)器 B每隔100 ms 觸發(fā)1次，即由定時(shí)器B的中斷服務(wù)程序來完成A/D采樣的處理過程[3]。為了滿足控制要求，提高分辨率，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣。時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。

三電極可看作是傳感器，能夠?qū)Ⅲw系中變化的模擬信號(hào)采集到恒電位儀中，在此將參比電極相對(duì)于工作電極的電壓經(jīng)功率放大器后作為一路信號(hào)輸出，然后在單片機(jī)控制下模擬開關(guān)接通體系中的輔助電極，給定電壓這一變化會(huì)經(jīng)過樣品溶液促使這種變化加到工作電極上使其極化深度改變，從而改變參比電極相對(duì)于工作電極電壓，使其等于給定電壓，達(dá)到恒電位儀工作要求[4]。

其中運(yùn)用了電流-電壓轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器、功率放大器、電位測量放大器等[5]。在恒電位儀工作時(shí)，研究電機(jī)通過電流-電壓轉(zhuǎn)換器接到虛地，研究電極的電位維持地電位趨近于零。參比電極相對(duì)于研究電極的電位加到主放大器上的反相輸入端，直流給定電壓信號(hào)加到同相輸入端，兩者電位差值通過下一級(jí)放大器加到輔助電極上，當(dāng)兩者的電位不相等時(shí)，通過改變輸出的電流信號(hào)使電極電位恒定[6]。并且通過電解池的極化電流通過電阻變成電壓信號(hào)，變化后的電壓信號(hào)通過單片機(jī)進(jìn)行測量，將所測量的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后可以直接通過232輸出測量的數(shù)據(jù)。

電流-電壓轉(zhuǎn)換器的主要作用是通過它來維持研究電極電位虛地，并提供電解池電流通路，產(chǎn)生比例于電解池電流的電壓信號(hào)，該信號(hào)會(huì)經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換以備今后的實(shí)數(shù)補(bǔ)償用。電壓跟隨器應(yīng)盡量靠近參比電極，從而改善儀器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[5]。功率放大器采用高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器，可以保證較好的高頻特性，此模塊是儀器電路的關(guān)鍵原件，對(duì)保證儀器的技術(shù)指標(biāo)起決定性作用。電位測量放大器主要是將測量到的電壓信號(hào)經(jīng)過一定比例的放大以便使單片機(jī)能夠讀取到準(zhǔn)確的數(shù)值，從而達(dá)到測量更加準(zhǔn)確的目的。恒電位儀原理圖如圖2所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的是適用于MSP430系列的C語言開發(fā)語言，這種C語言與標(biāo)準(zhǔn)的C語言兼容度很高。開發(fā)平臺(tái)使用的是IAR公司專為MSP430系列提供的集成調(diào)試環(huán)境Embed Workbench和C語言調(diào)試器C?SPY[2]。

軟件流程圖如圖3所示。

4 測試結(jié)果

測試過程包括：單片機(jī)對(duì)表時(shí)，保證實(shí)時(shí)監(jiān)測三電極傳感器；采集間隔的設(shè)定，保證每采集一組數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令并等待，得到每組數(shù)據(jù)包括采集這組數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間、電壓和電流的值，通過計(jì)算得到極化曲線從而可知金屬的腐蝕深度；數(shù)據(jù)保存，便于以后數(shù)據(jù)的查詢和比對(duì)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外擴(kuò)FLASH中。

恒電位儀電路實(shí)驗(yàn)測量兩組數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)以上8點(diǎn)測量所得的兩組數(shù)據(jù)可以繪制出極化曲線，并以此來觀察金屬的腐蝕深度。

5 結(jié) 論

本文旨在實(shí)驗(yàn)室采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量腐蝕的效果，控制模塊采用了比較常用的MSP430F149，終端利用PC控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)并顯示起到數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)命令作用。如果想測量多處，不妨采取增加路由器建成無線網(wǎng)絡(luò)，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測更大范圍的地址信息。

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