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                        智能化和微型化恒電位儀設計

                        添加時間:2019/08/06 來源:中國海洋大學 作者:鄭耀漢
                        本文從實際工程運用出發,對恒電位儀在電化學測量的重要作用作了介紹,設計了一種基于AVR單片機的三電極電化學傳感器恒電位儀。該系統以AVR單片機ATmega 16為整個系統的控制核心,充分利用其強大高速的處理能力。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          恒電位儀是電化學測試中的重要儀器,用它可以控制電極電位為設定值,以達到恒電位極化的目的。恒電位儀從整體分析說是一個負反饋放大——輸出系統,與待測電極構成閉環調節,通過測量參比電極與工作電極的電位差,作為取樣信號與控制信號進行比較,實現控制并調節極化電流輸出,使參比電極與工作電極的電位差得以保持在設定的控制電位上。恒電位儀的出現,不但解決了電化學研究過程中因反應造成外部激勵信號值偏離的問題,而且加快了電化學檢測與分析領域的多元化發展。因此,恒電位儀在電化學檢測系統構成中具有至關重要的地位。

                          實際工程應用恒電位儀存在體積龐大、結構復雜、精度低、恒電勢控制差等缺點,限制了它的應用范圍。近年來隨著電子技術的發展,特別是嵌入式系統、單片機技術應用的深入和發展,腐蝕檢測技術可以說是電化學領域與電子領域的交匯所形成的一門新的學科。本文從實際工程運用出發,結合現代電子技術,研究和設計了一種基于 AVR 單片機的智能化和微型化的恒電位儀,這將使恒電位儀精度更高,穩定性能更好,同時滿足現場檢測的需求。本文主要完成的工作有:

                          1、 結合現代集成電子電路技術,提出來基于集成運算放大器的微型恒電位儀設計方案,該方案采用集成運放OP27放為核心器件,利用其高輸入阻抗、高開環放大倍數、低失調電壓等特點,有效的控制了恒電位儀的誤差,最后設計其硬件電路。

                          2、 根據三電極電化學傳感器的恒電位儀工作的基本原理,提出了基于AVR單片機的智能化恒電位裝置的整體設計方案并進行實現。該裝置采用高精度的D/A轉換芯片DAC8831和A/D轉換芯片ADA7705,以AVR單片機ATmega 16為整個系統的控制核心,充分利用其強大高速的處理能力,能夠實現恒電位儀的恒電位設定功能和極化電流參數的測量功能。

                          3、 采用低耦合高內聚的設計思想,在ICCAVR開發平臺上設計了各個功能模塊的軟件程序;并利用ISP串行下載完成了整機的調試。

                          4、 最后介紹了GPRS無線通信技術,并將其引入系統,實現系統的遠程控制。同時它與RS-485通信方式結合,面對不同環境下的監控上位機,可以選擇性地進行數據傳輸,讓整個系統的通信更加靈活。

                          在實驗室對本系統進行了調試,通過數據分析,本文所設計的恒電位儀實現了恒電位的功能,能夠測量極化電流參數,設定電壓值與實測電壓值的最大誤差為3mV;極化電流采樣值與實測電流值最大誤差為0.3uA;檢測精度達到預期要求。整個數據傳輸網絡通信正常,系統達到設計要求。

                          關鍵字:腐蝕檢測;恒電位儀;AVR單片機;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;

                          金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱,包括純金屬、金屬間化合物、合金和特種金屬材料等。由于金屬材料具有很多良好性質,像耐壓性、高強度、導電導熱等特性,金屬材料得到廣泛應用。

                          現在,各種各樣的金屬材料已經運用到我們生活的方方面面,下至一個小小的螺絲釘,上至太空飛船都離不開金屬材料。然而金屬材料在實際應用中常常面臨一個難題,那就是腐蝕問題,而且非常多的設備因為腐蝕而損壞,不能繼續使用,導致浪費。根據國內外相關資料統計,每年全球因腐蝕而損失的金屬材料約占當年金屬產量的 25%-35%,超過 1 億噸,它不僅浪費了金屬資源,增加了投資,更重要的是,會造成生產停頓、物料流失和環境污染,甚至引起火災、爆炸、人身傷亡等災難性事故[1]。因此,重視金屬材料防腐蝕問題是非常重要的,它能夠明顯的提升經濟效益,促進新技術的發展。

                          從腐蝕的定義及分類,我們知道的腐蝕主要是化學過程,也就是金屬單質被被氧化形成化合物,根據不同的腐蝕機理,我們把腐蝕過程分為化學機理和電化學機理[2]。若金屬原子是直接與反應物發生化學反應,則稱為化學腐蝕;瘜W腐蝕過程中金屬的氧化和氧化劑的還原一起進行,電子在參與化學反應的物質中直接轉移,沒有在時間或空間上分開。常見的化學腐蝕有在高溫情況下,金屬與空氣中的活性氣體發生化學反應。

                          電化學腐蝕是金屬和電解質組成兩個電極,構成腐蝕原電池,是金屬腐蝕中最常見的一種腐蝕現象。例如在潮濕的環境下,鋼鐵所發生的腐蝕。電化學腐蝕與純化學腐蝕的主要區別是:化學腐蝕是金屬原子直接與反應物發生化學反應,腐蝕過程中的氧化反應和還原反應是同時進行的;而電化學腐蝕過程中的氧化反應和還原反應是分開進行的,在反應中,金屬原子失去電子的氧化反應稱為陽極反應,介質中的去極化劑獲得電子被還原的反應稱為陰極反應。圖 1-1 即是鐵的電化學腐蝕模型。

                          在電化學腐蝕的測量方法中,穩態測量是最常用的方法,它主要用來測量腐蝕金屬電極的電位 E 和與連接腐蝕金屬電極的外線路中的電流的關系,也就是測量測量腐蝕金屬電極的 E-I 曲線[3],F在,穩態測量主要采用控制電流測量和控制電位測量兩種方式進行?刂齐娏鳒y量的方法一般是逐個控制工作電極的外側電流為不同的電流密度值,分別測量工作電極于各個外側電流密度下的穩定值。

                          控制電位的測量方法是控制被測量的工作的電位于不同的數值,測量外側電路中相應于所控制的電位下的流過被測電極的電流密度。然而控制電位測量方法一般比控制電流測量方法好,這是因為一方面電極電位 E 對于所控制的電流密度值 I不是一一對應的單值函數,例如,如果所測工作電極在介質中能夠處于活性區陽極溶解狀態和從活性區轉變為鈍化的狀態,就可能有三個電位值對應于同一個電流密度值,另外,若工作電極是腐蝕金屬電極,而擴散過程對腐蝕過程的陰極反應速度的影響很大時,由于不知道擴散電流密度的具體數值,控制電流的測量也比較困難;另一方面,外測電流密度 I 變化范圍很大,而且不同測量體系的極化電流的數值范圍也有很大差別,這不適合通用測量。因此控制電位的測量方法在實驗室條件下更容易實現。

                          電位掃描法:控制工作電極的電位不間斷的按一定速度改變,記錄相應的流過工作電極的外側電流密度的變化曲線。為了測得“穩態”的 E-I 曲線,電位掃描的速度不宜過快。但若電位掃描的速度過低,則為測得整條 E-I 曲線所需要的時間太長,從測量開始到測量結束工作低級的表面狀態變化可能很大。一般采用 20-60 mV/min的電位掃描速度進行測量,可以認為是穩態測量。

                          在控制電位的測量方法中,最核心的器件就是恒電位儀。恒電位儀整體來說是一個負反饋放大——輸出系統,工作電極與輔助電極構成閉環調節,通過測量參比電極與工作電極的電位差作為取樣信號與控制信號進行比較,實現控制并調節極化電流輸出,使測量參比電極與工作電極的電位差得以保持在設定的控制電位上。

                          本課題研究的目的和意義:實驗室用于材料電化學性能測試的恒電位儀具有精度高,功能強等特點,但由于其體積較大,不適合實際工程應用。而現有實際工程應用的恒電位儀測量精度較低,恒電位控制誤差較大,而且采用手動調節,操作不方便,智能化程度較低,無法滿足現場電化學測試的需求。針對上述問題,本文從實際工程運用出發,結合現代電子技術,設計、研制了一種基于AVR單片機的智能化和微型化的恒電位儀,滿足現場檢測的需求。該系統以AVR單片機ATmega 16為整個系統的控制核心,充分利用其強大高速的處理能力,結合外圍功能電路,通過硬件、軟件的合理設計,實現了恒電位儀的恒電位的功能和極化電流參數的測量功能,并且通過RS-485總線連接到網絡中,實現數字化遠距離數據傳輸,而且系統還引入GPRS無線通信技術,實現系統的遠程智能化控制。本系統可用于海洋平臺、港工碼頭、跨海大橋等金屬結構的現場腐蝕檢測,目前雖然處于嘗試階段,但其智能化和微型化等特點值得應用。隨著我國海洋事業的不斷發展,未來對海洋檢測設備的要求也會越來越高,智能化恒電位儀具有廣闊的應用前景,對今后的海洋資源的開發有著深遠的意義影響。

                        智能化和微型化恒電位儀設計:

                        ICCAVR運行界面圖
                        ICCAVR運行界面圖

                        系統整體構架圖
                        系統整體構架圖

                        AT Mega16的管腳圖
                        AT Mega16的管腳圖

                        ±15V電源電路原理圖
                        ±15V電源電路原理圖

                        +5V電源電路原理圖
                        +5V電源電路原理圖

                        G6H-2-5VDC 繼電器內部結構圖
                        G6H-2-5VDC 繼電器內部結構圖

                        繼電器控制電路原理圖
                        繼電器控制電路原理圖

                        DAC8831引腳排列圖
                        DAC8831引腳排列圖

                        目 錄

                          1 緒論
                            1.1 腐蝕原理與電化學檢測方法
                            1.2 本課題研究的目的與意義
                            1.3 本論文的主要研究內容及結構安排
                          2 恒電位儀設計
                            2.1 恒電位儀結構與工作原理
                            2.2 恒電位儀研究現狀與發展
                            2.3 微型恒電位儀設計
                            2.4 本章小結
                          3 基于 AVR 單片機的控制系統設計
                            3.1 單片機概述
                            3.2 系統整體架構
                            3.3 ATmega16 微控制器
                            3.4 電源模塊
                            3.5 繼電器模塊
                            3.6 SPI 通信接口與 D/A 、A/D 模塊
                              3.6.1 SPI 通信接口
                              3.6.2 基準電壓源模塊
                              3.6.3 D/A 轉換模塊
                              3.6.4 A/D 轉換模塊
                            3.7 通信模塊
                            3.8 本章小結
                          4 Modbus 通信協議
                            4.1 Modbus 協議傳輸模式
                            4.2 Modbus 協議消息幀
                            4.3 本章小結
                          5 系統的軟件設計
                            5.1 軟件設計方法
                            5.2 主程序設計
                            5.3 功能模塊設計
                              5.3.1 繼電器控制模塊
                              5.3.2 D/A 電位設定模塊
                              5.3.3 A/D 數據采集模塊
                              5.3.4 通信模塊
                            5.4 本章小結
                          6 GPRS 無線通信擴展模塊
                            6.1 GPRS 無線通信技術介紹
                            6.2 H7710 GPRS DTU 無線通信模塊
                            6.3 本章小結
                          7 總結
                            7.1 系統調試與結果
                            7.2 總結與展望
                          參考文獻
                          致謝
                          個人簡歷
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