基于單片機的便攜式電解質(zhì)分析儀的設(shè)計

　　這里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28單片機為核心器件設(shè)計的由電池供電的便攜式電解質(zhì)分析儀，可以滿足野外使用需求。

　　1 XMEGA簡介

　　XMEGA是8位AVR微處理器的強勁性能升級版本。XMEGA采用第二代picoPower技術(shù)，是唯一真正使用1．6 V工作電壓的閃存微控制器。該器件功耗超低，并具有快速12位模擬功能、1個DMA控制器、1個創(chuàng)新的事件系統(tǒng)，以及1個AES加密引擎，全部都無需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統(tǒng)性能。XMEGAl28微控制器的閃存容量為128 Kb，采用100引腳的貼片封裝，工作電壓為1．6～3．6 V，32 MHz頻率下處理性能可達到32 MI／s。

　　由于XMEGAl28的內(nèi)部豐富的資源和強勁的性能。使其非常適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。該便攜式電解質(zhì)分析儀采用XMEGAl28作為核心微處理器，使得整個系統(tǒng)外圍器件大大減少，在降低成本的同時又提高了系統(tǒng)安全性、可靠性。XMEGAl28較大的程序存儲空間能夠滿足電解質(zhì)分析儀的大量軟件代碼的存放。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　該系統(tǒng)是以ATxmegal28Al微處理器為核心，外圍連接有顯示、按鍵、打印機、傳感器放大盒、電源、通訊等模塊，其硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　顯示部分采用320x240通用的LCD，直接由ATxmega128Al總線驅(qū)動，為用戶提供更多直觀信息，也使操作更方便。嵌入式微型打印機采用迅普公司的微型熱敏打印機，便于野外現(xiàn)場輸出文檔型資料，也直接由ATxmegal28A1的總線驅(qū)動。

　　2．1 傳感器調(diào)理放大電路

　　該分析儀的樣品液經(jīng)高分子膜傳感器測量后得到的電信號的幅度很小，在-250～250 mV之間，無法直接進行A／D轉(zhuǎn)換。因此，需要對這些模擬信號進行調(diào)理放大處理。在電路的設(shè)計上，為了與離子選擇電極的高內(nèi)阻相匹配，采用CA3140集成運算放大器作為一級放大，二級放大采用高精度低漂移的HAl7741運算放大器。

　　如圖2所示，采用3個運算放大器組成的測量放大電路，前段有2個高輸入阻抗的CA3140構(gòu)成差動輸入。后端的HAl7741實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。為了保證放大器的精度，負反饋電阻選擇高精度低溫漂的精密電阻，且電路閉環(huán)增益不太大。同時為防止電路板表面的漏電流，對電路板進行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環(huán)境下工作，對電路板還進行了防潮處理和電子屏蔽。

　　電極信號有鉀、鈉、氯、鈣和pH共5路，分別經(jīng)各自的放大電路后連接到ATxmegal28A1微處理器的A／D模塊端口。

　　2．2 鍵盤接口

　　為便于用戶使用，該系統(tǒng)共36個按鍵，其中有26個英文字母按鍵、4個快速功能按鍵、4個方向按鍵以及確定和取消按鍵，這些按鍵制作成6x6的薄膜開關(guān)按鍵。所有按鍵均有CH452器件控制，這樣可降低主處理器的工作負擔，大大簡化了軟件編寫程序。CH452內(nèi)置64鍵鍵盤控制器，基于8x8矩陣鍵盤掃描；內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻；內(nèi)置去抖動電路；鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出；提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放；支持按鍵喚醒，處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452可以被部分按鍵喚醒。