1 引 言
ADμC812是由美国AD(Analog Device)公司推出的高性能微转换器。它将12位高性能的自校准8通道的模/数转换器(ADC)、双数/模转换器(DAC)和8位可编程微控制器(MCU)集成在一个芯片上,构成了一个完整的12位数据采集系统。此外,该芯片还带有加密功能的8 kb闪速/电擦除程序存储器、640 b的闪速/电擦除数据存储器、256b的数据SRAM。片内微控制器具有支持看门狗定时器、电源监控和ADC的DMA功能。32条可编程I/O口、I2C兼容口、SPI和标准的异步串行(UART)接口,可满足多处理器通讯和扩展输入/输出的需要。控制转换器的静态CPU标准、等待和掉电模式等特性,可用于低功耗的应用场合。ADμC812的应用开发比较方便,可通过编程器,也可以通过PC机的串行口直接加载程序对芯片编程。
相比于国内外已研制出的不同类型和不同档次的智能酸度计,我们采用ADμC812研制开发的新型智能酸度计具有以下特点:
(1)可实时监测多份水样的pH值,氧化还原电位和温度等参数,并对pH值进行自动温度补偿。
(2)具有自动存贮当前时刻所测pH值数据功能,可在掉电情况下,保证多年所测的pH值数据不丢失。
(3)从软件上实现酸度计的多点定位,斜率调节和等电势调节。
(4)具有pH值上、下限设置,故障检测,超限自动报警功能。
(5)具有4~20 mA或0~10 mA的标准信号输出和报警接点开关信号输出。
(6)具有时间显示和时间接点信号输出功能;具有历史纪录管理功能。
(7)菜单选择、操作向导采用图形液晶显示,方便直观。
(8)可通过RS232/RS485实现与计算机数据通信和传输,具有在线调试和下载功能,对软件系统修改、升级和对系统功能扩展很容易。
2 智能酸度计的测量原理
该新型智能酸度计的传感器选用复合pH电极(由pH信号电极和参比电极组成),其电位是pH的函数,关系式符合能斯特(Nernst)方程,即:
因此,要测量溶液中的酸度(pH值),只要测定复合pH电极的信号电极和参比电极的电位差E,便可以相应地计算出溶液的酸度。由于pH电极内阻一般很高(103~109Ω),要求采用高输入 阻抗的测量电路。此外,电极电位E会随待测溶液温度而改变,故此,必须有精确的温度补偿电路,才能保证仪表的测量精度。
3 系统硬件电路的设计
3.1 总体电路
如图1所示,该智能酸度计的系统控制电路是以ADμC812为核心进行扩展的,扩展电路由pH值测量电路,温度测量电路,32 kb外部数据存储器的扩展电路,打印、显示电路,键控、中断电路,V/I转换电路,数据传输电路和串行下载电路等组成。
3.2 pH值测量电路
从复合pH电极的信号电极和参比电极两端输出的信号为电压,由式(1)可知,在一定的温度下,只要知道了电压值,即可求出溶液的pH值,pH值的测量实际上就是电压信号的测量,由于复合pH电极内阻很高,故测量电路的关键是实现高阻抗的输入。如图2所示,我们使用了双高阻输入方式,前级采用同相放大器,可获得1012Ω的高输入阻抗,后级采用差动放大器可获得较高的共模抑制比,增强电路的抗干扰能力。根据实际的测量要求,我们选用了TLC4502高性能运算放大器,并在电路中加了一个减法器对电极过来的负电压进行了处理,将输入的电压信号放大到ADμC812的A/D转换器模拟输入范围0~VREF引脚电压内。
3.3 温度测量电路
如前所述,温度的变化直接影响pH值测量的准确度。而以往的酸度计在温度测量电路中,一般采用铂电阻作为温度传感器,但铂电阻本身是非线性的。此外,由于引线电阻的存在,在通用的三线制测量中,一般的线性校正方法在理论上都存在测量误差,使最终的校正精度受到一定的影响。因此,我们决定选用美国DALLAS半导体公司生产的一线式数字温度计芯片S18B20,它具有体积小、测量精度高、无需A/D转换、直接输出数字信号、并可由用户设置温度报警界限等特点。分辨率为9~12位(包括一位符号位),并可由编程决定具体的位数。在-10~+85℃范围内,具有±0.5℃的精度,经过特殊的处理可使其达到0.01℃的分辨率,完全能满足高精度的pH测量要求。
此外,如图3所示,利用DS18B20设计的温度测量电路,只需一根I/O数据线即可实现供电与数据传输的功能,因此其扩展十分方便。
3.4 A/D转换电路
ADμC812包含了5μs、8通道、12位、单电源A/D转换器,由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成,可保证±1LSB的差分非线性和±1/2LSB的积分非线性。在上电时由工厂编程的校准系数自动下载到ADC,以确保最佳的ADC性能。ADμC812的ADC有3种工作模式:第一,用软件或通过把转换信号加至外部引脚23(P3.5/T1/CONVST)可以启动单步或连续转换模式;第二,用定时器2来产生用于A/D转换的重复触发信号;第三,DMA工作模式。我们在设计时,配置ADC工作于DMA模式,使ADC连续转换并把采样值捕获到RAM空间,而不需要来自MCU核的任何干预,这种自动捕获功能也可以扩展到32 kb的外部数据存储器空间,实现快速A/D转换。此外,考虑到P1口的模拟输入端可以引入8路模拟信号,每份水样的pH准确测量需输入1路pH信 号、1路温度信号。因此,除去DS18B20温度计芯片组所共同占用的一根I/O数据线外,本智能酸度计可以同时在线测量7份水样。
3.5 外部RAM的扩展电路
在智能酸度计的设计中,考虑到需保存大量的测量数据,我们选用了ST公司的M24256(EEP-ROM)作为32 kb的RAM外部扩展。M24256接口采用I2C总线结构,可进行10万次的数据擦写,可保证40年的数据不丢失,并具有写保护引脚,可编程块锁定功能。如图4所示,由于ADμC812支持两线串行接口模式,与I2C标准兼容。因此,可以不必通过扩展I/O口来外扩数据存储器。
3.6 键盘与打印机接口电路
与其它的单片机一样,ADμC812也有4个通用数据端口(P0~P3)与外部器件交换数据,除了用作I/O之外,某些端口还能实现外部存储器操作。另外一些端口则与器件上外围设备其它功能多路复用。在设计键盘与显示电路时,我们注意到ADμC812的P2是双向端口,包含输入缓冲器、输出锁存器和输出驱动器。通过与P2口相应的端口SFR,可将P2口的各端口引脚独立地配置为数字输出或数字输入,以及对它们进行读、写访问。因此我们选用P2.0~P2.2作为输出口,接键盘列线,选用P2.3~P2.5作为输入口,接键盘的3根行线。这样便构成了一个完整的3×3的键 盘接口电路。
目前,许多进口分析仪测量和结果打印不能同步进行(如美国康龄公司生产的DJS9002分析仪),这样降低了测量速度。为此我们选用TPμP-16针式微型打印机进行中断打印,打印结果和酸度测量可以同时进行,提高了测量速度。在线路上,打印机的ACK端和ADμC812的P3.2口相连,进行中断访问。
3.7 图形液晶显示电路
为了使人机接口方便直观,显示电路中采用了香港精电公司的点阵图形方式的液晶显示模块MGLS240128T。该LCD内置了T6963C控制器,可以与单片机方便接口。T6963C控制器具有独特的硬件初始值设置功能,显示驱动所需的参数如占空比系数,驱动传输的字节数/行及字符的字体选择等均由引脚电平设置。这样T6963C的初始化在上电复位时就已经基本设置完毕,软件设计上就可以全部专注于显示画面的设计上。该LCD可以以图形、字符及图形字符合成的方式进行显示,还可以实现字符方式下的特征显示(如反显、闪烁)和屏幕拷贝功能。此外,通过内部的CGRAM可以自建汉字库,并提供菜单操作方式。接口电路见图5。
3.8 其它电路
ADμC812的DAC为12位电压输出型D/A,在电路上,我们通过AD694实现V/I转换,从而得到4~20mA的标准电流信号,来驱动执行机构。为了提高整个系统的可靠性,我们选用X1202实 现时钟/日历、双报警以及上电复位/低电平复位输出功能。此外,P3.5、三极管及继电器构成了开关量信号的输出电路,可用于上、下限报警输出。如图6所示,我们利用SN65LBC176与P3.0、P3.1构成的与系统主机通讯的RS485接口电路,可实现一台主机对多个酸度计的在线监测。此外,ADμC812内部有8 kb的FLASH存储器,具有在线编程的功能。把ADμC812的PSEN脚通过外部电阻(1 kΩ)接到地,上电时芯片将自动进入串行编程状态。通过PC的串口(UART)使用ADI公司提供的下载工具(Download.exe)就可以对芯片编程。因此,为了在线仿真、调试的方便,我们专门设计了烧写电路(如图7所示)。
4 智能酸度计的软件系统
4.1 软件开发工具
德国Keil公司推出了基于Windows环境的C51开发平台,提供了从编译器、调试器、实时操作系统到集成的开发环境,全面支持8051、251、166等单片机主流产品及其众多的派生系列。我们编程时使用的便是最新的V6.20C版本的KeilC51编译器。整个程序编译完成后,便可通过AD公司提供的ADμC812的开发工具包QuickStart开发系统与ADμC812的串行接口通信,直接对系统进行调试,并在调试完成后将调试好的程序下载到ADμC812中。
4.2 程序功能简介
程序设计中采用模块化结构,把主程序作为智能酸度计工作的主干线,处理程序作为子程序。主程序框图如图8所示,其中键盘监控程序见图9。处理程序部分包括对多路pH测量信号和温度测量信号的采集子程序、模数转换子程序、数字滤波子程序、pH值计算子程序、自动温度补偿子程序、多点定位子程序、等电势调节子程序、斜率调节子程序、上下限报警处理子程序、微机通讯子程序、历史记录管理子程序以及输出打印子程序。此外,系统程序还包括中断服务子程序和时钟管理子程序。
5 结束语
基于ADμC812所研制的新型智能酸度计结构轻便小巧,操作简单。仪表部分采用微处理器控制,自动化程度高(量程:0~14.00pH;分辨率:0.005pH;精度:0.01pH),符合IP65的防水设计,适合各种工业过程酸度的检测工作。测量数据经温度校正后会自动存储,可以利用菜单随时调用,即使在掉电状态也不会丢失。
此外,由于此仪表的系统设计电路具有一定的通用性,只需在传感器信号的处理电路部分稍加改造,并根据待测物质的不同,向芯片中写入不同的系统软件,便可以很便捷地改造为其它化学组分的智能分析仪。因此,基于ADμC812的智能仪表,开发周期可以大大缩短,并可增加系统的维护性和扩充性,借助于高级语言又可开发出某些基于单片机难以实现的功能,如数据网络传输、PID、趋势分析等,提高了仪表的性价比。
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