基于ATmega128和μC／OS-II的在线钠离子分析仪的设

摘要：阐述了一种智能在线钠离子分析仪的软硬件设计。采用灵敏度高、稳定性强的电化学传感器。硬件应用低功耗、高性能的微控制器及外围器件，软件采用μC／OS－II操作系统。整个系统具有精度高、检测速度快、功耗低、稳定性强，操作界面友好等优点。
关键词：钠离子分析仪；ATmega128；μC／OS-II；AD7714

1 引言
水和蒸汽是热力系统中的锅炉、汽轮机、过热器等设备的重要工作介质。当火力发电厂正常运行时，热力设备中都有水或蒸汽在流动。水、汽的品质都有规定的指标，一旦水、汽品质的指标超标，就会加速热力设备的腐蚀、结垢和积盐。当水汽中携带一些含钠的杂质时，将会导致汽轮机金属材料的点蚀、应力腐蚀或腐蚀疲劳，这些腐蚀通常会造成重大的经济损失。严重时甚至造成重大事故。钠离子含量是发电厂水汽品质的重要指标之一。因此，为防止结垢、结盐，减缓系统中金属部件的腐蚀。保证系统的安全经济运行，必须对电厂水汽系统中钠离子含量进行严格监测和控制。

2 测量原理
钠离子的测量是基于电化学中的电位分析法，由测量电极和参比电极及待测溶液构成原电池。测量电极是对钠离子具有选择性的玻璃电极，参比电极的电位保持恒定。当测量电极与参比电极同时浸入溶液后，即组成测量电池对，图1给出测量电池的示意图。其中钠测量电极的电位随溶液中钠离子的浓度符合能斯特方程式：

式中：E为钠电极电位；E0为钠电极的理论等电位点电位；R为气体常数，R=8.317 J／(mol．K)，T为溶液的绝对温度，T=273+t，K；F为法拉第常数，F=9.649×104 C/mol；C为钠离子的浓度，ppb;f为钠离子活度系数，对于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由钠离子选择性电极、参比电极以及待测溶液构成测量电池，通过一个高阻抗的毫伏计对被测溶液进行精确的电位测量，从而可直接测定溶液中钠离子的含量。

3 水路设计
对钠有选择性的玻璃电极对氢离子的响应比对钠离子响应还敏感，所以氢离子是钠测量时主要的干扰源，要用碱性试剂加以抑制。在对Na+的测量过程中需要合适的水路设计，对水样进行恒流，碱化。水路设计及工作过程如图2所示。

在正常测量时，样水从进口经三通电磁阀进人恒流杯，过多的样水从溢流口流出，由于负压原理，样水在T形块带动碱化气进入测量杯，水气混合后，PH值达到要求，流经测量电极和参比电极经出水口排出。当标定时，电磁阀进行切换，校准用标准溶液经电磁阀进入恒流杯，样水经卸压阀流出。该水路设计削弱了H+和流速造成的误差，提高了测量精度。

4 硬件电路设计
在线钠离子分析仪的硬件电路设计是以8位的微控制器ATmega128为核心，其总体的设计框图如图3所示。主要包括电源、信号调理电路、A／D转换、微控制器、扩展存储器、人机接口6个部分。

电极输出的是一个近似直流的电压信号，经放大处理后，进行A/D转换，将数字信号输入微控制器进行分析处理，然后存储和显示数据，并通过串口把数据传输给控制室。
4．1 微控制器
这里选用高性能8位单片机ATmega128。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，可广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。
ATmega128特点：内嵌128 KB的Flash程序存储器，擦写方便，便于产品的调试、开发、更新；内嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存储器寻址空间；具有PWM功能的定时器／计数器(T／C)；具有片内振荡器的可编程看门狗定时器：SPI串行端口；与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口(同时还可用于片上调试)；低电压供电、宽工作电压范围：2.7～5.5 V；抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计的工作量和硬件的使用量；工作温度范围符合工业级要求，达到-55℃～+125℃。基于ATmega128的诸多特点．因此这里选用ATmega128单片机作为在线钠离子分析仪的核心控制器。
4．2 A／D转换器
A／D转换器采用TI公司的AD7714。AD7714是适用于低频测量应用的完整模拟前端。器件直接从传感器接受低电平信号并输出串行数字。它使用∑-△转换技术以实现高达24位的无误码性能。输人信号加至专有的基于模拟调制器，具有可编程增益的前端。调制器的输出由片内数字滤波器处理。通过片内控制寄存器可对此数字滤波器编程，允许调整滤波器的截止频率和稳定时间。AD7714具有3个差分模拟输入(它也可配置为5个准差分模拟输入)以及差分基准输入，分别对温度信号和钠离子浓度信号采样。
4．3 存储部分
由于系统移植了μC/OS-II操作系统，各个任务均需要分配独立的堆栈空间，总线上扩展32 K字节的随机存储器KM62256。KM62256是8位数据宽度32 K字节的随机存储器，具有低功耗、速度快等优点。同时还扩展了64 KB字节的E2pROM AT24C512，用来存储电路校准数据和实时测量数据，并可存储一个月的历史数据，绘制历史曲线，详细反映水质变化过程和趋势，有利于发现和解决问题。
4．4 人机接口
采用TFT3224真彩液晶显示器，支持256色显示，带有触摸屏功能，改变了以往单一颜色显示、按键操作的风格。触摸屏接口器件选用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取样模数转换器。此外测量值经串口远程传输到控制室。