单片机和μC/OS-II的在线钠离子分析仪设计中的应用

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。水汽系统基本原理都是利用热能加热水，使之持续产生蒸汽，推动汽轮机转动，从而发电。之后蒸汽在冷却室重新还原成水，并回流到水箱中，以实现循环使用。 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。

2 测量原理

仪器采用一支钠离子复合电极，对溶液中钠离子进行测量，浸入溶液中的钠玻璃电极的电极电位随着溶液中钠离子含量变化而改变，并遵循能期特公式。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。图2为水路的设计图。

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，流经测量电极和参比电极经出水口排出。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。

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。

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

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；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。

4.2 A／D转换器

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。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。

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。

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。

5 软件设计

8位单片机为核心的测控系统程序一般采用前后台方式编写，后台运行一个大的无限循环，前台为多个中断，在这种方式中，中断服务程序提供的信息一直要等到后台程序运行到处理该信息时才能得到处理。

5.1 嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ

使用μC／OS设计软件系统首先要实现μC／OS在硬件应用平台上的移植，主要就是完成对OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM等多个与处理器相关文件的改写，在μC／OS的官方网站有在数十种处理器上移植成功的范例。每个任务都是相对独立的子模块，有唯一的优先级和自己的堆栈空间。每个任务处于以下5种状态的一种：休眠态、就绪态、运行态、挂起态及被中断态。各个任务间根据信号量、消息邮箱、队列等通信方式传递信息。

5.2 任务划分

基于μC／OS-II编写应用程序主要的工作是划分任务和分配优先级及任务之间信息的传递。设计中，将整个系统划分为：①数据处理与显示；②菜单显示任务；③串口通信任务。A／D中断：AD7714的定时中断；触摸屏中断：点击触摸屏触发外部中断。软件设计如图4所示。

在AD7714的A／D定时中断服务中发送消息，数据处理及显示任务接收到消息后，把消息中的A／D数据经过公式推导，转换成相应的钠含量并显示。

6 结语

系统创新性在于将高性能微处理器MEGA128和新器件AD7714首次应用于水质监测信号采集。现在突出了节能减排的口号，所以这个系统具备了电路简洁可靠，功耗低、可靠性高的优点，软件实时性好，便于扩展功能。将此分析仪与进口仪表进行对照实验，数据如表1所示。

由表1数据可知，该分析仪的测量精度接近进口仪表。对于国家要求的质量，这个系统都比较吻合，各项指标都符合国家的标准，这就实现了这个系统可以用于实践当中，并且发挥重要的作用。可以用于水质钠离子含量的连续检测。