恒电位仪自动测量的设计

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摘 要：采用了以MSP430单片机作为核心控制模块的方法,在恒电位仪手动测量基础上实现了自动测量和数据采集、接收及存储的目的.使得系统具备了小型、快速、低功耗等特点,方案设计中详细介绍了监测系统的设计原理和软硬件设计,并通过实验测量得到与腐蚀深度的相关电压、电流数据,同时指出了在实际应用中的方法以及改进措施.

关 键 词：三电极体系；MSP430；FLASH；自动测量

中图分类号：TN0634文献标识码：A文章编号：1004373X（2013）11009203

0引言

金属腐蚀检测技术主要通过三电极电化学传感器来实现.工作时在工作电极和参比电极间加控制电压,使工作电极表面产生电流信号,该电流信号与被测物质浓度具有一定的关系,分析该电流信号就可以算出被测物的度.实际进行信号处理时,需要在工作电极和参比电极间加一个恒定电位,以维持传感器的电化学稳定性,使其能稳定地输出模拟信号[1].

目前国内使用的恒电位仪主要是磁放大式和晶闸管式的恒电位仪,主要缺点是空载电流大,功率因数低,能耗高,可靠性差,而且工作电流过大时主变压器便会出现较大的震动噪音,最主要的缺点是不能够自动测量.针对水下器械不宜经常拆卸,仪器在水下检测不易手动测量的情况,从实践的角度提出了一种实施自动测量新型恒电位仪的设计与实现方法,对水下腐蚀情况自动及时检测,以便能够确切了解水下机械的被腐蚀状况从而能因材施教的研究防腐蚀.新型恒电位仪与普通恒电位仪相比,具有重量轻、噪音小和成本低、实现参数的自动检测和控制、检测显示方便等优点.

1总体设计

三电极作为传感器,控制电路用单片机做控制器对电路实现整体的控制以及数据的采集、存储.在传感器采集到模拟信号后,将采集到的数据送入单片机MSP430,经过MSP430的A/D转换器转换成数字量送入单片机系统,对数字进行格式化处理后,按分类存入设定的数据区以供发送时取用,单片机内部A/D转化后将数据存储到外扩FLASH中,数据存储在系统断电后数据不会丢失,并便于数据的存储及提取.采用单片机系统实现参数的自动检测和控制,检测显示方便,功能完善,且便于实现恒电位仪的远程监控.

总体设计框架图如图1所示.

2硬件电路的设计

恒电位仪是各种三电极式电化学传感器的接口,将外部激励信号近乎准确地施加于传感器上,驱动样品溶液发生电化学反应,使电化学体系的研究电极与参比电极之间的电位保持某一恒定值,并对产生的响应信号做相应的预处理（信号转换、放大、滤波）.由测量电路实现信号的转换和放大.

由于信号采集端在野外工作,所以选用器件均是低功耗的,在实际工作中最好用电池供电.

选用的单片机可以直接利用P口的输入输出寄存器,直接对外进行通信.检测电路的输出电压必须通过A/D转换为数字量,用于本装置的温度显示,并上传给计算机供控制算法作为得到控制量的依据.MSP430F149芯片具有内置的A/D转换器,该转换器有8个通道,分辨率为12位,带有采样保持功能,采样时将电压、电流信号通过信号调理电路转换为0～3.3V的电压信号即可.当不需要A/D采样的时候,相关控制位置位,ADC12进入低功耗状态,这样就大大降低了功耗[2].由于本实验室装置不需要过于高速的连续采样,因此在这里把A/D采样的模式设定为单通道单次采样模式,由定时器B每隔100ms触发1次,即由定时器B的中断服务程序来完成A/D采样的处理过程[3].为了满足控制要求,提高分辨率,对数据进行过采样.时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制.

三电极可看作是传感器,能够将体系化的模拟信号采集到恒电位仪中,在此将参比电极相对于工作电极的电压经功率放大器后作为一路信号输出,然后在单片机控制下模拟开关接通体系中的辅助电极,给定电压这一变化会经过样品溶液促使这种变化加到工作电极上使其极化深度改变,从而改变参比电极相对于工作电极电压,使其等于给定电压,达到恒电位仪工作要求[4].

其中运用了电流-电压转换器、电压跟随器、功率放大器、电位测量放大器等[5].在恒电位仪工作时,研究电机通过电流-电压转换器接到虚地,研究电极的电位维持地电位趋近于零.参比电极相对于研究电极的电位加到主放大器上的反相输入端,直流给定电压信号加到同相输入端,两者电位差值通过下一级放大器加到辅助电极上,当两者的电位不相等时,通过改变输出的电流信号使电极电位恒定[6].并且通过电解池的极化电流通过电阻变成电压信号,变化后的电压信号通过单片机进行测量,将所测量的信号进行存储,然后可以直接通过232输出测量的数据.

电流-电压转换器的主要作用是通过它来维持研究电极电位虚地,并提供电解池电流通路,产生比例于电解池电流的电压信号,该信号会经过数/模转换以备今后的实数补偿用.电压跟随器应尽量靠近参比电极,从而改善仪器的动态响应[5].功率放大器采用高输入阻抗集成运算放大器,可以保证较好的高频特性,此模块是仪器电路的关键原件,对保证仪器的技术指标起决定性作用.电位测量放大器主要是将测量到的电压信号经过一定比例的放大以便使单片机能够读取到准确的数值,从而达到测量更加准确的目的.恒电位仪原理图如图2所示.

3软件系统设计

本设计使用的是适用于MSP430系列的C语言开发语言,这种C语言与标准的C语言兼容度很高.开发平台使用的是IAR公司专为MSP430系列提供的集成调试环境EmbedWorkbench和C语言调试器CSPY[2].

软件流程图如图3所示.

4测试结果

测试过程包括：单片机对表时,保证实时监测三电极传感器；采集间隔的设定,保证每采集一组数据的实时性；发送数据采集命令并等待,得到每组数据包括采集这组数据时对应的时间、电压和电流的值,通过计算得到极化曲线从而可知金属的腐蚀深度；数据保存,便于以后数据的查询和比对,将数据存储到外扩FLASH中.

恒电位仪电路实验测量两组数据见表1.

经以上8点测量所得的两组数据可以绘制出极化曲线,并以此来观察金属的腐蚀深度.

5结论

本文旨在实验室采用单片机实现自动测量腐蚀的效果,控制模块采用了比较常用的MSP430F149,终端利用PC控制多个节点并显示起到数据采集及存储命令作用.如果想测量多处,不妨采取增加路由器建成无线网络,从而可以实时监测更大范围的地址信息.