自動變換量程的電化學儀設計

于航 朱紀軍

（東南大學生物科學與醫學工程學院，南京 210096）

電化學是研究電能與化學能之間相互轉換及轉換過程中有關現象的學科，將三電極傳感器與電解池之間的氧化還原反應以電流的形式進行衡量。自電解和庫倫分析被提出以來，電化學形成了許多適用于不同場合的測量方法，可分為：伏安法、脈沖極譜法、計時電量法等幾個大類，每一類方法有根據施加于三電極傳感器電勢不同而分為多種不同的實驗方法。PC微機的迅速普及使得由電極、電化學測試儀、上位機構成的電化學分析體系已廣泛應用于醫學分析、環境監測、科學研究等領域。國內普遍使用的電化學儀為美國CH Instrument(上海辰華)公司的產品，價格適中且測量精度較高。但是CH Instrument的產品工作過程中不能能變換，這也就意味著操作人員須預先知道本次實驗的大致測量范圍進行量程的設定，量程選擇過小則不能得到超出量程部分的測量值，實驗結果不正確不得不重做，量程選擇過大則會影響實驗結果的精確性。為了解決這一問題，本文提出了一種結構簡單、低成本且能夠自動變換量程的電化學儀原理樣機設計方案。

1 系統總體設計

1.1 三電極體系

電化學反應通過對電極施加電勢，測定通過電極的反應電流，需要一個電極體系，通常采用三電極體系。相應三個電極為：工作電極、輔助電極和參比電極。工作電極又稱研究電極，所研究的反應在該電極上發生；輔助電極又稱對電極，該電極與工作電極組成回路，導通工作電極，以保證反應在工作電極上發生。參比電極用來測量工作電極電位，是一個已知電勢大小且接近理想不易極化的電極，參比電極基本沒有電流通過。

1.2 系統總體結構

電化學儀采用德州儀器公司生產的TMS320F28335處理器作為控制核心，自帶8路12位ADC模塊(模數轉換)、串行通信接口及串行外設接口，其總體設計如圖1所示，電化學儀微控制對三電極傳感器施加電勢產生化學反應并將反應電流讀入微控制器，上位機與電化學儀通過串行通信實現數據的交互。

圖1 電化學儀總體設計

2 硬件電路設計

2.1 恒電位儀電路及I/V轉換電路設計

恒電位儀是電化學工作站的重要組成部分，它的作用是調整流經工作電極的電流使工作電極的電位恒定，不受電化學反應的影響。恒電位儀的制作是否精良，直接影響電化學儀的性能。利用運算放大器即可設計一個簡單的恒電位儀。A/D轉換的輸入為電壓，因此須將電化學實驗的反應電流轉換為電壓才能夠進行測量工作，可采用電流反饋法，反應電流 Iin流過反饋電阻R，運算放大器的輸出電壓，由于A/D轉換的電壓范圍為0~3V，因此不同的反饋電阻值對應了不同的量程。利用多路轉換器，在實驗過程中根據電流的變化切換反饋電阻達到變換量程的目的,恒電位儀與I/V轉換電路如圖2所示。

圖2 恒電位儀與I/V轉換電路原理圖

2.2 波形發生電路設計

電化學實驗需要在工作電極上施加一定的電壓，不同的電化學方法所施加的電壓波形有所不同，利用微控制器設設計波形并通過D/A轉換輸出其電壓可方便的得到各種形式的波形。本文采用12位分辨率，可選1.024V或2.048V內置參考電位的DAC芯片TLV5638，通過串行外設接口與控制核心相連實現電壓輸出功能。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件負責在實驗過程中控制電化學儀，接收上位機給出的實驗開始的指令及實驗參數，根據實驗參數設定相關外設的參數進而開始進行電化學實驗，實驗數據通過串口傳送至上位機。

下位機軟件主要包括串口通信、A/D轉換、CPU定時器及串行外設接口四部分。串口通信負責接收上位機發送的指令及實驗參數并將實驗數據發送至上位機，操作人員隨時可能通過上位機發送實驗開始、暫停或停止的指令，故接收工作應采用中斷的方式，發送實驗數據的工作可在A/D轉換完成后采用查詢方式進行。

反應電流通過I/V轉換電路變為電壓，不同的反饋電阻對應不同的量程。TMS320F28335的A/D轉換模塊電壓輸入范圍為0~3v，實驗過程中自動變換量程使得經I/V轉換的電壓始終保持在這個范圍。A/D轉換中斷處理函數中，對所得實驗數據進行判定，數據將要超出A/D轉換的測量范圍時，切換I/V轉換的多路開關選擇一個更大的量程。TMS320F28335的A/D轉換模塊數字范為0~4095，為了避免超過3V的電壓以4095的數字量讀入，應對數據判定留有一定的余量。實驗數據要經過串口傳送至上位機，由于傳送的數據位電壓值，上位機需要根據電壓及當前量程的反饋電阻計算出反應電流。I/V轉換采用的是4路轉換器，即有4個不同的量程，用4位2進制數00~11進行標記，將其與12為A/D轉換結果組成為一個14位的數據進行傳輸。上位機接收到實驗數據后即可拆分為電壓值和當前所用電阻的標記。下位機軟件流程如圖4所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用VS2008集成開發環境，利用MFC類庫進行設計，主要包括數據通信及繪制試驗曲線兩部分。

繪圖模塊要在屏幕上繪制顯示背景，并將實驗數據根據顯示背景上的坐標軸折算到相應位置繪出。根據不同的實驗方法，背景坐標軸的橫坐標可為掃描電勢或時間，縱坐標為反應電流。數據通信模塊采用CSerial串口類實現的發送和接收工作，將接收到的數據拆分為12位A/D轉換數字量及3位反饋電阻標記，根據數字量所對應的電壓與電位調整太高的電位之差與標記對應的電阻值計算出反應電流，將當前反應電流與繪圖背景所能顯示的最大值作比較，若反應電流即將超過最大值，則須增大繪圖背景并進行數據重繪工作。

圖4 下位機軟件流程

4 功能測試

電化學儀的I/V轉換電路使用4路轉換器，A/D模塊的電壓輸入，由公式計算得出測量的實際電壓范圍為-3~3V,I/V轉換電路的反饋電阻為2k、20k、30K、40K、50K，實際電阻值與標定存在誤差，在上位機的程序設計中要進行修正,反饋電阻與量程的對應關系如表1所示：

反饋電阻(KΩ) 量程（μA）2±150 20 ±15 30 ±10 40 ±7.5

采用循環伏安法，實驗參數為：電壓掃描范圍-0.05v~0.5v，掃描速率0.1v/s，實驗結果如圖5所示。實驗結果表明，實驗過程中反饋電阻根據需要由40KΩ跳變至2KΩ，儀器工作正常，且上位機根據實驗結果重繪了顯示背景及數據，達到了自動變換量程的目的。

圖5 循環伏安法上位機結果

5 結論

本文所給出的電化學儀設計方案可根據實驗過程中的反應電流大小自動調整量程，結構簡單、價格低廉。利用TMS320F28335的12位A/D模塊與多路轉換器最多可實現16個量程，可根據實際需要規劃量程范圍。上微機軟件除了實現數據傳輸及繪圖，還可加入數據處理及實驗分析進一步完善功能，從而成為一套完備的電化學測量裝置。

[1] F.Anson，電化學和電分析化學[M].黃尉曾，編譯.北京：北京大學出版社，1983:7-52

[2] 張微微，CMCVs-HM重金屬分析儀的研制與實驗研究[D].南京：東南大學，2011

[3] 陳昌國，劉渝萍，吳守國.國內電化學分析測試儀器發展現狀[J].現代科學儀器，2004,27(3):8-11.

[4] 胡會利，李寧,電化學測量[M].北京：國防工業出版社,2007:47-59

[5] Texas Instrument.TMS320F2833x 數據手冊[EB/OL].[2012-01-31].http://www.ti.com/cn/lit/gpn/tms320f28335

[6] 劉永輝.電化學測試技術[M].北京：北京航空學院出版社，1987:311-316

[7] 姜智能，電化學分析測試儀設計研究[D].南京：南京理工大學，2009

[8] Texas Instrument.TLV5638 Data Manual[EB/OL].[2004-01-16].http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/lit/getliterature.tsp genericPartNumber=tlv5638&fileTy pleType=pdf