單片機(jī)和μC/OS-II的在線鈉離子分析儀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1 引言

水和蒸汽是熱力系統(tǒng)中的鍋爐、汽輪機(jī)、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(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。 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(huì)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(shí)，將會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)金屬材料的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞。

2 測(cè)量原理

儀器采用一支鈉離子復(fù)合電極，對(duì)溶液中鈉離子進(jìn)行測(cè)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(dāng)測(cè)量電極與參比電極同時(shí)浸入溶液后，即組成測(cè)量電池對(duì)，圖1給出測(cè)量電池的示意圖。其中鈉測(cè)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(diǎn)電位；R為氣體常數(shù)，R=8.317 J／（mol.K），T為溶液的絕對(duì)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(duì)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(cè)溶液構(gòu)成測(cè)量電池，通過一個(gè)高阻抗的毫伏計(jì)對(duì)被測(cè)溶液進(jìn)行精確的電位測(cè)量，從而可直接測(cè)定溶液中鈉離子的含量。

3 水路設(shè)計(jì)

對(duì)鈉有選擇性的玻璃電極對(duì)氫離子的響應(yīng)比對(duì)鈉離子響應(yīng)還敏感，所以氫離子是鈉測(cè)量時(shí)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(jì)圖。

在正常測(cè)量時(shí)，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(dòng)堿化氣進(jìn)入測(cè)量杯，流經(jīng)測(cè)量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。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。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

在線鈉離子分析儀的硬件電路設(shè)計(jì)是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

電極輸出的是一個(gè)近似直流的電壓信號(hào)，經(jīng)放大處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)輸入微控制器進(jìn)行分析處理，然后存儲(chǔ)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(diǎn)：內(nèi)嵌128 KB的Flash程序存儲(chǔ)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(chǔ)器尋址空間；具有PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器（T／C）；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)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(qiáng)，可降低一般8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)要求，達(dá)到-55℃～+125℃。基于ATmega128的諸多特點(diǎn)。

4.2 A／D轉(zhuǎn)換器

AD7714是適用于低頻測(cè)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(hào)并輸出串行數(shù)字。它使用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的無誤碼性能。通過片內(nèi)控制寄存器可對(duì)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(shí)間。

4.3 存儲(chǔ)部分

由于系統(tǒng)移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，各個(gè)任務(wù)均需要分配獨(dú)立的堆棧空間，總線上擴(kuò)展32 K字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器KM62256。KM62256是8位數(shù)據(jù)寬度32 K字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，具有低功耗、速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還擴(kuò)展了64 KB字節(jié)的E2pROM AT24C512，用來存儲(chǔ)電路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，并可存儲(chǔ)一個(gè)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(shì)。

4.4 人機(jī)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。

5 軟件設(shè)計(jì)

8位單片機(jī)為核心的測(cè)控系統(tǒng)程序一般采用前后臺(tái)方式編寫，后臺(tái)運(yùn)行一個(gè)大的無限循環(huán)，前臺(tái)為多個(gè)中斷，在這種方式中，中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺(tái)程序運(yùn)行到處理該信息時(shí)才能得到處理。

5.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ

使用μC／OS設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)μC／OS在硬件應(yīng)用平臺(tái)上的移植，主要就是完成對(duì)OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM等多個(gè)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(gè)任務(wù)都是相對(duì)獨(dú)立的子模塊，有唯一的優(yōu)先級(jí)和自己的堆?？臻g。每個(gè)任務(wù)處于以下5種狀態(tài)的一種：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)及被中斷態(tài)。各個(gè)任務(wù)間根據(jù)信號(hào)量、消息郵箱、隊(duì)列等通信方式傳遞信息。

5.2 任務(wù)劃分

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

在AD7714的A／D定時(shí)中斷服務(wù)中發(fā)送消息，數(shù)據(jù)處理及顯示任務(wù)接收到消息后，把消息中的A／D數(shù)據(jù)經(jīng)過公式推導(dǎo)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集?，F(xiàn)在突出了節(jié)能減排的口號(hào)，所以這個(gè)系統(tǒng)具備了電路簡(jiǎn)潔可靠，功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，軟件實(shí)時(shí)性好，便于擴(kuò)展功能。將此分析儀與進(jìn)口儀表進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，該分析儀的測(cè)量精度接近進(jìn)口儀表。對(duì)于國(guó)家要求的質(zhì)量，這個(gè)系統(tǒng)都比較吻合，各項(xiàng)指標(biāo)都符合國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，這就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)系統(tǒng)可以用于實(shí)踐當(dāng)中，并且發(fā)揮重要的作用。可以用于水質(zhì)鈉離子含量的連續(xù)檢測(cè)。