單片機和μC/OS-II的在線鈉離子分析儀設(shè)計中的應用

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)。水汽系統(tǒng)基本原理都是利用熱能加熱水，使之持續(xù)產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪機轉(zhuǎn)動，從而發(fā)電。之后蒸汽在冷卻室重新還原成水，并回流到水箱中，以實現(xiàn)循環(huán)使用。 水、汽的品質(zhì)都有規(guī)定的指標，一旦水、汽品質(zhì)的指標超標，就會加速熱力設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和積鹽。當水汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時，將會導致汽輪機金屬材料的點蝕、應力腐蝕或腐蝕疲勞。

2 測量原理

儀器采用一支鈉離子復合電極，對溶液中鈉離子進行測量，浸入溶液中的鈉玻璃電極的電極電位隨著溶液中鈉離子含量變化而改變，并遵循能期特公式。當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比對鈉離子響應還敏感，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。圖2為水路的設(shè)計圖。

在正常測量時，樣水從進口經(jīng)三通電磁閥進人恒流杯，過多的樣水從溢流口流出，由于負壓原理，樣水在T形塊帶動堿化氣進入測量杯，流經(jīng)測量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。電磁閥進行切換，校準用標準溶液經(jīng)電磁閥進入恒流杯，樣水經(jīng)卸壓閥流出。

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。

電極輸出的是一個近似直流的電壓信號，經(jīng)放大處理后，進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號輸入微控制器進行分析處理，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

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；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，達到-55℃～+125℃?；贏Tmega128的諸多特點。

4.2 A／D轉(zhuǎn)換器

AD7714是適用于低頻測量應用的完整模擬前端。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24位的無誤碼性能。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。

4.3 存儲部分

由于系統(tǒng)移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，各個任務均需要分配獨立的堆棧空間，總線上擴展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。同時還擴展了64 KB字節(jié)的E2pROM AT24C512，用來存儲電路校準數(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，詳細反映水質(zhì)變化過程和趨勢。

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。

5 軟件設(shè)計

8位單片機為核心的測控系統(tǒng)程序一般采用前后臺方式編寫，后臺運行一個大的無限循環(huán)，前臺為多個中斷，在這種方式中，中斷服務程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到處理該信息時才能得到處理。

5.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ

使用μC／OS設(shè)計軟件系統(tǒng)首先要實現(xiàn)μC／OS在硬件應用平臺上的移植，主要就是完成對OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM等多個與處理器相關(guān)文件的改寫，在μC／OS的官方網(wǎng)站有在數(shù)十種處理器上移植成功的范例。每個任務都是相對獨立的子模塊，有唯一的優(yōu)先級和自己的堆棧空間。每個任務處于以下5種狀態(tài)的一種：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)及被中斷態(tài)。各個任務間根據(jù)信號量、消息郵箱、隊列等通信方式傳遞信息。

5.2 任務劃分

基于μC／OS-II編寫應用程序主要的工作是劃分任務和分配優(yōu)先級及任務之間信息的傳遞。設(shè)計中，將整個系統(tǒng)劃分為：①數(shù)據(jù)處理與顯示；②菜單顯示任務；③串口通信任務。A／D中斷：AD7714的定時中斷；觸摸屏中斷：點擊觸摸屏觸發(fā)外部中斷。軟件設(shè)計如圖4所示。

在AD7714的A／D定時中斷服務中發(fā)送消息，數(shù)據(jù)處理及顯示任務接收到消息后，把消息中的A／D數(shù)據(jù)經(jīng)過公式推導，轉(zhuǎn)換成相應的鈉含量并顯示。

6 結(jié)語

系統(tǒng)創(chuàng)新性在于將高性能微處理器MEGA128和新器件AD7714首次應用于水質(zhì)監(jiān)測信號采集?，F(xiàn)在突出了節(jié)能減排的口號，所以這個系統(tǒng)具備了電路簡潔可靠，功耗低、可靠性高的優(yōu)點，軟件實時性好，便于擴展功能。將此分析儀與進口儀表進行對照實驗，數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，該分析儀的測量精度接近進口儀表。對于國家要求的質(zhì)量，這個系統(tǒng)都比較吻合，各項指標都符合國家的標準，這就實現(xiàn)了這個系統(tǒng)可以用于實踐當中，并且發(fā)揮重要的作用?？梢杂糜谒|(zhì)鈉離子含量的連續(xù)檢測。