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采用C8051F060的水质重金属在线监测仪的研制

作者:谭红涛 方方 顾光明时间:2013-12-26来源:电子产品世界收藏
编者按:针对目前水质重金属实验室检测方法的不足,研制了一款灵敏度高、检出限低、性能稳定的实时自动在线监测仪。该仪器以C8051F060作为下位机主控芯片实现信号发生器、恒电位仪和信号采集处理,以基于WindowsCE的ARM9作为上位机完成泵阀控制和数据处理,以稳定的BDD电极作为工作电极的三电极体系,三大部分共同构成稳定的监测系统。此监测仪在测试不同浓度重金属铅、铬、镍离子溶液时得到了良好的响应。

  引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/203223.htm

  随着工业的发展,重金属对水质的污染越来越严重,微量的重金属就可以使人体产生中毒和其它危害症状,实时在线监测水质重金属的含量成为当务之急。光谱、质谱、中子活化、分光光度等几种方法在连续监测及现场测定方面受到很大限制,电化学伏安法[1]得到的是直接可以测量的电信号,仪器设备简单,易于实现自动化。以电化学分析方法作为测试方法,开发研制低成本、高精度、实时在线连续监测的仪器是环境监测发展的必然趋势。

  水质重金属结构及工作原理

  水质重金属自动包括简单信号发生器、恒电位仪[2]、弱电流采集处理部分、三电极体系、系统及外扩部分、泵阀的控制部分、上位机及人机界面,整体结构图如图1所示。该中的函数信号发生器输出的电压通过恒电位仪加载到三电极系统,使工作电极(WE)的电压精确保持在需要的电压上,采集对电极(CE)与工作电极(WE)回路产生的微弱电流信号,并记录过程中的伏安曲线,并通过上下位机记录存储处理数据。根据电化学溶出伏安法,曲线中峰电流的大小在一定条件下与被测离子的浓度成正比,峰电位与被测离子的种类特性有关,从而定性定量地分析出重金属离子的种类和浓度[3]

  的硬件设计

  控制器选型

  是完全集成的混合信号片上系统型芯片[4],具有59个数字I/O引脚,高速流水线结构的8051兼容内核(25MIPS),64KB可在系统编程的FLASH存储器,4K字节的片内RAM,可寻址64KB地址空间的外部存储器,硬件实现的SPI、SMBUS/IIC和两个UART串行接口,控制器局域网(CAN2.0B)控制器,5个通用的16位定时器,20个中断源,片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。此处理速度快、片内资源丰富、外扩能力强,能够充分满足重金属监测仪的硬件需要,相比于普通8位既节约了成本有提高了的性能。

  简单函数信号发生器的设计

  函数信号发生器有几种实现方法,可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,但是功能较少,精度不高,调节方式不够灵活,也可以利用专用直接数字合成DDS芯片[5]的函数发生器,能够产生任意波形,但成本较高。

  为了给恒电位仪提供多种类、易实现的电压信号,设计了一种简单可行、精度高、成本低的简单函数信号发生器。该系统利用单片机的I/O口模拟SPI通信口来控制16位高精度数模转换芯片DAC8831[6],DAC根据预先输入的D/A控制字将数字信号转换成模拟电压信号,结合外部运放可以实现单极性(0~VREF)和双极性(-VREF~+VREF)两种输出模式,恒电位仪中使用有正负两种极性的电压,故采用双极性输出。

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