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智能化和微型化恒电位仪设计

添加时间:2019/08/06
本文从实际工程运用出发,对恒电位仪在电化学测量的重要作用作了介绍,设计了一种基于AVR单片机的三电极电化学传感器恒电位仪。该系统以AVR单片机ATmega 16为整个系统的控制核心,充分利用其强大高速的处理能力。
  以下为本篇论文正文:

摘要

  恒电位仪是电化学测试中的重要仪器,用它可以控制电极电位为设定值,以达到恒电位极化的目的。恒电位仪从整体分析说是一个负反馈放大——输出系统,与待测电极构成闭环调节,通过测量参比电极与工作电极的电位差,作为取样信号与控制信号进行比较,实现控制并调节极化电流输出,使参比电极与工作电极的电位差得以保持在设定的控制电位上。恒电位仪的出现,不但解决了电化学研究过程中因反应造成外部激励信号值偏离的问题,而且加快了电化学检测与分析领域的多元化发展。因此,恒电位仪在电化学检测系统构成中具有至关重要的地位。

  实际工程应用恒电位仪存在体积庞大、结构复杂、精度低、恒电势控制差等缺点,限制了它的应用范围。近年来随着电子技术的发展,特别是嵌入式系统、单片机技术应用的深入和发展,腐蚀检测技术可以说是电化学领域与电子领域的交汇所形成的一门新的学科。本文从实际工程运用出发,结合现代电子技术,研究和设计了一种基于 AVR 单片机的智能化和微型化的恒电位仪,这将使恒电位仪精度更高,稳定性能更好,同时满足现场检测的需求。本文主要完成的工作有:

  1、 结合现代集成电子电路技术,提出来基于集成运算放大器的微型恒电位仪设计方案,该方案采用集成运放OP27放为核心器件,利用其高输入阻抗、高开环放大倍数、低失调电压等特点,有效的控制了恒电位仪的误差,最后设计其硬件电路。

  2、 根据三电极电化学传感器的恒电位仪工作的基本原理,提出了基于AVR单片机的智能化恒电位装置的整体设计方案并进行实现。该装置采用高精度的D/A转换芯片DAC8831和A/D转换芯片ADA7705,以AVR单片机ATmega 16为整个系统的控制核心,充分利用其强大高速的处理能力,能够实现恒电位仪的恒电位设定功能和极化电流参数的测量功能。

  3、 采用低耦合高内聚的设计思想,在ICCAVR开发平台上设计了各个功能模块的软件程序;并利用ISP串行下载完成了整机的调试。

  4、 最后介绍了GPRS无线通信技术,并将其引入系统,实现系统的远程控制。同时它与RS-485通信方式结合,面对不同环境下的监控上位机,可以选择性地进行数据传输,让整个系统的通信更加灵活。

  在实验室对本系统进行了调试,通过数据分析,本文所设计的恒电位仪实现了恒电位的功能,能够测量极化电流参数,设定电压值与实测电压值的最大误差为3mV;极化电流采样值与实测电流值最大误差为0.3uA;检测精度达到预期要求。整个数据传输网络通信正常,系统达到设计要求。

  关键字:腐蚀检测;恒电位仪;AVR单片机;RS-485;GPRS;

Abstract

  Potentiostat is an important instrument in the electrochemical tests, it can control the electrode potential in order to achieve the purpose of potentiostatic polarization.

  Potentiostat overall analysis is that a negative feedback amplifier - output system, closed loop regulation with the test electrodes, by measuring the potential difference between the reference electrode and the working electrode ,which as a sampling signal is compared with the control signal to achieve control and regulation polarization current output, so that the potential difference between the reference electrode and the working electrode was maintained at the set of control potential. The appearance of Potentiostat, not only solved the electrochemical reaction caused by the external excitation signal in the process of research value deviation, and accelerated the electrochemical detection and analysis of persification. Therefore, Potentiostat has important position in the electrochemical detection system.

  Practical application potentiostat exist bulky, complex structure, low accuracy, poor control of constant electric potential drawbacks, limiting its scope of application.

  With the development of electronic technology, especially for embedded systems, in-depth application and development of chip technology, corrosion detection technology can be said to be the intersection of the field of electrochemistry and electronic fields formed a new discipline. From the practical engineering application, combined with modern electronic technology, the paper research and design of a microcontroller based on the AVR and intelligent miniaturized potentiostat, which will potentiostat higher precision, better performance and stability, while meeting site detection needs. In this paper, the completion of the work:

  1. Combined with the integrated circuit technology, the paper designed a standard single-ended potentiostat circuit based on the integrated operationalamplifier. The program uses an integrated operational amplifier OP27 amp as the core device, with its high input impedance, high open- loop amplification, low offset voltage characteristics, to effective control of the potentiostat error. Finally,the design of its hardware circuit.

  2. According to the three electrode electrochemical sensor of potentiostat work basic principle, based on AVR single chip microcomputer is proposed overall design scheme of intelligent constant potential device and implement. The device adopts the high-precision D/A conversion chip ADA7705 DAC8831 and A/D conversion chip, the AVR microcontroller ATmega 16 as the control core of the whole system, take full advantage of its powerful high-speed processing capability, can achieve the function of potentiostat potentiostatic set and the polarization current parameter measurement function.

  3. On the ICCAVR development platform designed each functional module of the software; And use the ISP serial download completed the debugging of the machine.

  4. Finally introduced the GPRS wireless communication technology, and into the system, to realize the remote control system. At the same time, it combines with the RS - 485 communication mode, in the face of different environment monitoring PC, can optionally for data transmission, the communication of the whole system more flexible.

  This system has been debugging in the laboratory.Through the data analysis, the range of allowable error in, accurate data communication, system meet the design requirements.

  Key words: Corrosion inspection;Potentiostat;AVR microcontrolle r; RS – 485; GPRS;

  金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称,包括纯金属、金属间化合物、合金和特种金属材料等。由于金属材料具有很多良好性质,像耐压性、高强度、导电导热等特性,金属材料得到广泛应用。

  现在,各种各样的金属材料已经运用到我们生活的方方面面,下至一个小小的螺丝钉,上至太空飞船都离不开金属材料。然而金属材料在实际应用中常常面临一个难题,那就是腐蚀问题,而且非常多的设备因为腐蚀而损坏,不能继续使用,导致浪费。根据国内外相关资料统计,每年全球因腐蚀而损失的金属材料约占当年金属产量的 25%-35%,超过 1 亿吨,它不仅浪费了金属资源,增加了投资,更重要的是,会造成生产停顿、物料流失和环境污染,甚至引起火灾、爆炸、人身伤亡等灾难性事故[1]。因此,重视金属材料防腐蚀问题是非常重要的,它能够明显的提升经济效益,促进新技术的发展。

  从腐蚀的定义及分类,我们知道的腐蚀主要是化学过程,也就是金属单质被被氧化形成化合物,根据不同的腐蚀机理,我们把腐蚀过程分为化学机理和电化学机理[2]。若金属原子是直接与反应物发生化学反应,则称为化学腐蚀。化学腐蚀过程中金属的氧化和氧化剂的还原一起进行,电子在参与化学反应的物质中直接转移,没有在时间或空间上分开。常见的化学腐蚀有在高温情况下,金属与空气中的活性气体发生化学反应。

  电化学腐蚀是金属和电解质组成两个电极,构成腐蚀原电池,是金属腐蚀中最常见的一种腐蚀现象。例如在潮湿的环境下,钢铁所发生的腐蚀。电化学腐蚀与纯化学腐蚀的主要区别是:化学腐蚀是金属原子直接与反应物发生化学反应,腐蚀过程中的氧化反应和还原反应是同时进行的;而电化学腐蚀过程中的氧化反应和还原反应是分开进行的,在反应中,金属原子失去电子的氧化反应称为阳极反应,介质中的去极化剂获得电子被还原的反应称为阴极反应。图 1-1 即是铁的电化学腐蚀模型。

  在电化学腐蚀的测量方法中,稳态测量是最常用的方法,它主要用来测量腐蚀金属电极的电位 E 和与连接腐蚀金属电极的外线路中的电流的关系,也就是测量测量腐蚀金属电极的 E-I 曲线[3]。现在,稳态测量主要采用控制电流测量和控制电位测量两种方式进行。控制电流测量的方法一般是逐个控制工作电极的外侧电流为不同的电流密度值,分别测量工作电极于各个外侧电流密度下的稳定值。

  控制电位的测量方法是控制被测量的工作的电位于不同的数值,测量外侧电路中相应于所控制的电位下的流过被测电极的电流密度。然而控制电位测量方法一般比控制电流测量方法好,这是因为一方面电极电位 E 对于所控制的电流密度值 I不是一一对应的单值函数,例如,如果所测工作电极在介质中能够处于活性区阳极溶解状态和从活性区转变为钝化的状态,就可能有三个电位值对应于同一个电流密度值,另外,若工作电极是腐蚀金属电极,而扩散过程对腐蚀过程的阴极反应速度的影响很大时,由于不知道扩散电流密度的具体数值,控制电流的测量也比较困难;另一方面,外测电流密度 I 变化范围很大,而且不同测量体系的极化电流的数值范围也有很大差别,这不适合通用测量。因此控制电位的测量方法在实验室条件下更容易实现。

  电位扫描法:控制工作电极的电位不间断的按一定速度改变,记录相应的流过工作电极的外侧电流密度的变化曲线。为了测得“稳态”的 E-I 曲线,电位扫描的速度不宜过快。但若电位扫描的速度过低,则为测得整条 E-I 曲线所需要的时间太长,从测量开始到测量结束工作低级的表面状态变化可能很大。一般采用 20-60 mV/min的电位扫描速度进行测量,可以认为是稳态测量。

  在控制电位的测量方法中,最核心的器件就是恒电位仪。恒电位仪整体来说是一个负反馈放大——输出系统,工作电极与辅助电极构成闭环调节,通过测量参比电极与工作电极的电位差作为取样信号与控制信号进行比较,实现控制并调节极化电流输出,使测量参比电极与工作电极的电位差得以保持在设定的控制电位上。

  本课题研究的目的和意义:实验室用于材料电化学性能测试的恒电位仪具有精度高,功能强等特点,但由于其体积较大,不适合实际工程应用。而现有实际工程应用的恒电位仪测量精度较低,恒电位控制误差较大,而且采用手动调节,操作不方便,智能化程度较低,无法满足现场电化学测试的需求。针对上述问题,本文从实际工程运用出发,结合现代电子技术,设计、研制了一种基于AVR单片机的智能化和微型化的恒电位仪,满足现场检测的需求。该系统以AVR单片机ATmega 16为整个系统的控制核心,充分利用其强大高速的处理能力,结合外围功能电路,通过硬件、软件的合理设计,实现了恒电位仪的恒电位的功能和极化电流参数的测量功能,并且通过RS-485总线连接到网络中,实现数字化远距离数据传输,而且系统还引入GPRS无线通信技术,实现系统的远程智能化控制。本系统可用于海洋平台、港工码头、跨海大桥等金属结构的现场腐蚀检测,目前虽然处于尝试阶段,但其智能化和微型化等特点值得应用。随着我国海洋事业的不断发展,未来对海洋检测设备的要求也会越来越高,智能化恒电位仪具有广阔的应用前景,对今后的海洋资源的开发有着深远的意义影响。

智能化和微型化恒电位仪设计:

ICCAVR运行界面图
ICCAVR运行界面图

系统整体构架图
系统整体构架图

AT Mega16的管脚图
AT Mega16的管脚图

±15V电源电路原理图
±15V电源电路原理图

+5V电源电路原理图
+5V电源电路原理图

G6H-2-5VDC 继电器内部结构图
G6H-2-5VDC 继电器内部结构图

继电器控制电路原理图
继电器控制电路原理图

DAC8831引脚排列图
DAC8831引脚排列图

目 录

  1 绪论
    1.1 腐蚀原理与电化学检测方法
    1.2 本课题研究的目的与意义
    1.3 本论文的主要研究内容及结构安排
  2 恒电位仪设计
    2.1 恒电位仪结构与工作原理
    2.2 恒电位仪研究现状与发展
    2.3 微型恒电位仪设计
    2.4 本章小结
  3 基于 AVR 单片机的控制系统设计
    3.1 单片机概述
    3.2 系统整体架构
    3.3 ATmega16 微控制器
    3.4 电源模块
    3.5 继电器模块
    3.6 SPI 通信接口与 D/A 、A/D 模块
      3.6.1 SPI 通信接口
      3.6.2 基准电压源模块
      3.6.3 D/A 转换模块
      3.6.4 A/D 转换模块
    3.7 通信模块
    3.8 本章小结
  4 Modbus 通信协议
    4.1 Modbus 协议传输模式
    4.2 Modbus 协议消息帧
    4.3 本章小结
  5 系统的软件设计
    5.1 软件设计方法
    5.2 主程序设计
    5.3 功能模块设计
      5.3.1 继电器控制模块
      5.3.2 D/A 电位设定模块
      5.3.3 A/D 数据采集模块
      5.3.4 通信模块
    5.4 本章小结
  6 GPRS 无线通信扩展模块
    6.1 GPRS 无线通信技术介绍
    6.2 H7710 GPRS DTU 无线通信模块
    6.3 本章小结
  7 总结
    7.1 系统调试与结果
    7.2 总结与展望
  参考文献
  致谢
  个人简历
  发表的学术论文

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