基于ATmega128和μC/OS-II的在線鈉離子分析儀的

????? 1 引言

　　水和蒸汽是熱力系統(tǒng)中的鍋爐、汽輪機、過熱器等設(shè)備的重要工作介質(zhì)。當(dāng)火力發(fā)電廠正常運行時，熱力設(shè)備中都有水或蒸汽在流動。水、汽的品質(zhì)都有規(guī)定的指標(biāo)，一旦水、汽品質(zhì)的指標(biāo)超標(biāo)，就會加速熱力設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和積鹽。當(dāng)水汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時，將會導(dǎo)致汽輪機金屬材料的點蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕通常會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。嚴(yán)重時甚至造成重大事故。鈉離子含量是發(fā)電廠水汽品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。因此，為防止結(jié)垢、結(jié)鹽，減緩系統(tǒng)中金屬部件的腐蝕。保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運行，必須對電廠水汽系統(tǒng)中鈉離子含量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測和控制。

　　2 測量原理

　　鈉離子的測量是基于電化學(xué)中的電位分析法，由測量電極和參比電極及待測溶液構(gòu)成原電池。測量電極是對鈉離子具有選擇性的玻璃電極，參比電極的電位保持恒定。當(dāng)測量電極與參比電極同時浸入溶液后，即組成測量電池對，圖1給出測量電池的示意圖。其中鈉測量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：

　　式中：E為鈉電極電位；E0為鈉電極的理論等電位點電位；R為氣體常數(shù)，R=8.317 J／(mol．K)，T為溶液的絕對溫度，T=273+t，K；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=9.649×104 C/mol；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數(shù)，對于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測溶液構(gòu)成測量電池，通過一個高阻抗的毫伏計對被測溶液進(jìn)行精確的電位測量，從而可直接測定溶液中鈉離子的含量。

　　3 水路設(shè)計

　　對鈉有選擇性的玻璃電極對氫離子的響應(yīng)比對鈉離子響應(yīng)還敏感，所以氫離子是鈉測量時主要的干擾源，要用堿性試劑加以抑制。在對Na+的測量過程中需要合適的水路設(shè)計，對水樣進(jìn)行恒流，堿化。水路設(shè)計及工作過程如圖2所示。

　　在正常測量時，樣水從進(jìn)口經(jīng)三通電磁閥進(jìn)人恒流杯，過多的樣水從溢流口流出，由于負(fù)壓原理，樣水在T形塊帶動堿化氣進(jìn)入測量杯，水氣混合后，PH值達(dá)到要求，流經(jīng)測量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。當(dāng)標(biāo)定時，電磁閥進(jìn)行切換，校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)電磁閥進(jìn)入恒流杯，樣水經(jīng)卸壓閥流出。該水路設(shè)計削弱了H+和流速造成的誤差，提高了測量精度。

　　4 硬件電路設(shè)計

　　在線鈉離子分析儀的硬件電路設(shè)計是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計框圖如圖3所示。主要包括電源、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換、微控制器、擴(kuò)展存儲器、人機接口6個部分。

　　電極輸出的是一個近似直流的電壓信號，經(jīng)放大處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號輸入微控制器進(jìn)行分析處理，然后存儲和顯示數(shù)據(jù)，并通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給控制室。

　　4．1 微控制器

　　這里選用高性能8位單片機ATmega128。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，可廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。

　　ATmega128特點：內(nèi)嵌128 KB的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、更新；內(nèi)嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存儲器尋址空間；具有PWM功能的定時器／計數(shù)器(T／C)；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(同時還可用于片上調(diào)試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設(shè)計的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級要求，達(dá)到-55℃～+125℃。基于ATmega128的諸多特點．因此這里選用ATmega128單片機作為在線鈉離子分析儀的核心控制器。

　　4．2 A／D轉(zhuǎn)換器

　　A／D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的AD7714。AD7714是適用于低頻測量應(yīng)用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數(shù)字。它使用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)以實現(xiàn)高達(dá)24位的無誤碼性能。輸人信號加至專有的基于模擬調(diào)制器，具有可編程增益的前端。調(diào)制器的輸出由片內(nèi)數(shù)字濾波器處理。通過片內(nèi)控制寄存器可對此數(shù)字濾波器編程，允許調(diào)整濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時間。AD7714具有3個差分模擬輸入(它也可配置為5個準(zhǔn)差分模擬輸入)以及差分基準(zhǔn)輸入，分別對溫度信號和鈉離子濃度信號采樣。

　　4．3 存儲部分

　　由于系統(tǒng)移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，各個任務(wù)均需要分配獨立的堆?？臻g，總線上擴(kuò)展32 K字節(jié)的隨機存儲器KM62256。KM62256是8位數(shù)據(jù)寬度32 K字節(jié)的隨機存儲器，具有低功耗、速度快等優(yōu)點。同時還擴(kuò)展了64 KB字節(jié)的E2pROM AT24C512，用來存儲電路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實時測量數(shù)據(jù)，并可存儲一個月的歷史數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線，詳細(xì)反映水質(zhì)變化過程和趨勢，有利于發(fā)現(xiàn)和解決問題。

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　　4．4 人機接口

　　采用TFT3224真彩液晶顯示器，支持256色顯示，帶有觸摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風(fēng)格。觸摸屏接口器件選用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外測量值經(jīng)串口遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂剖摇?/font>