自動(dòng)變換量程的電化學(xué)儀設(shè)計(jì)

于航 朱紀(jì)軍

（東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，南京 210096）

電化學(xué)是研究電能與化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換過(guò)程中有關(guān)現(xiàn)象的學(xué)科，將三電極傳感器與電解池之間的氧化還原反應(yīng)以電流的形式進(jìn)行衡量。自電解和庫(kù)倫分析被提出以來(lái)，電化學(xué)形成了許多適用于不同場(chǎng)合的測(cè)量方法，可分為：伏安法、脈沖極譜法、計(jì)時(shí)電量法等幾個(gè)大類(lèi)，每一類(lèi)方法有根據(jù)施加于三電極傳感器電勢(shì)不同而分為多種不同的實(shí)驗(yàn)方法。PC微機(jī)的迅速普及使得由電極、電化學(xué)測(cè)試儀、上位機(jī)構(gòu)成的電化學(xué)分析體系已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)普遍使用的電化學(xué)儀為美國(guó)CH Instrument(上海辰華)公司的產(chǎn)品，價(jià)格適中且測(cè)量精度較高。但是CH Instrument的產(chǎn)品工作過(guò)程中不能能變換，這也就意味著操作人員須預(yù)先知道本次實(shí)驗(yàn)的大致測(cè)量范圍進(jìn)行量程的設(shè)定，量程選擇過(guò)小則不能得到超出量程部分的測(cè)量值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確不得不重做，量程選擇過(guò)大則會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本且能夠自動(dòng)變換量程的電化學(xué)儀原理樣機(jī)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 三電極體系

電化學(xué)反應(yīng)通過(guò)對(duì)電極施加電勢(shì)，測(cè)定通過(guò)電極的反應(yīng)電流，需要一個(gè)電極體系，通常采用三電極體系。相應(yīng)三個(gè)電極為：工作電極、輔助電極和參比電極。工作電極又稱(chēng)研究電極，所研究的反應(yīng)在該電極上發(fā)生；輔助電極又稱(chēng)對(duì)電極，該電極與工作電極組成回路，導(dǎo)通工作電極，以保證反應(yīng)在工作電極上發(fā)生。參比電極用來(lái)測(cè)量工作電極電位，是一個(gè)已知電勢(shì)大小且接近理想不易極化的電極，參比電極基本沒(méi)有電流通過(guò)。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電化學(xué)儀采用德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F28335處理器作為控制核心，自帶8路12位ADC模塊(模數(shù)轉(zhuǎn)換)、串行通信接口及串行外設(shè)接口，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示，電化學(xué)儀微控制對(duì)三電極傳感器施加電勢(shì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并將反應(yīng)電流讀入微控制器，上位機(jī)與電化學(xué)儀通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

圖1 電化學(xué)儀總體設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 恒電位儀電路及I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

恒電位儀是電化學(xué)工作站的重要組成部分，它的作用是調(diào)整流經(jīng)工作電極的電流使工作電極的電位恒定，不受電化學(xué)反應(yīng)的影響。恒電位儀的制作是否精良，直接影響電化學(xué)儀的性能。利用運(yùn)算放大器即可設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的恒電位儀。A/D轉(zhuǎn)換的輸入為電壓，因此須將電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為電壓才能夠進(jìn)行測(cè)量工作，可采用電流反饋法，反應(yīng)電流 Iin流過(guò)反饋電阻R，運(yùn)算放大器的輸出電壓，由于A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍為0~3V，因此不同的反饋電阻值對(duì)應(yīng)了不同的量程。利用多路轉(zhuǎn)換器，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)電流的變化切換反饋電阻達(dá)到變換量程的目的,恒電位儀與I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 恒電位儀與I/V轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 波形發(fā)生電路設(shè)計(jì)

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要在工作電極上施加一定的電壓，不同的電化學(xué)方法所施加的電壓波形有所不同，利用微控制器設(shè)設(shè)計(jì)波形并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出其電壓可方便的得到各種形式的波形。本文采用12位分辨率，可選1.024V或2.048V內(nèi)置參考電位的DAC芯片TLV5638，通過(guò)串行外設(shè)接口與控制核心相連實(shí)現(xiàn)電壓輸出功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制電化學(xué)儀，接收上位機(jī)給出的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的指令及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定相關(guān)外設(shè)的參數(shù)進(jìn)而開(kāi)始進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送至上位機(jī)。

下位機(jī)軟件主要包括串口通信、A/D轉(zhuǎn)換、CPU定時(shí)器及串行外設(shè)接口四部分。串口通信負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的指令及實(shí)驗(yàn)參數(shù)并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，操作人員隨時(shí)可能通過(guò)上位機(jī)發(fā)送實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、暫?；蛲Ｖ沟闹噶睿式邮展ぷ鲬?yīng)采用中斷的方式，發(fā)送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作可在A/D轉(zhuǎn)換完成后采用查詢(xún)方式進(jìn)行。

反應(yīng)電流通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷?，不同的反饋電阻?duì)應(yīng)不同的量程。TMS320F28335的A/D轉(zhuǎn)換模塊電壓輸入范圍為0~3v，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)變換量程使得經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換的電壓始終保持在這個(gè)范圍。A/D轉(zhuǎn)換中斷處理函數(shù)中，對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，數(shù)據(jù)將要超出A/D轉(zhuǎn)換的測(cè)量范圍時(shí)，切換I/V轉(zhuǎn)換的多路開(kāi)關(guān)選擇一個(gè)更大的量程。TMS320F28335的A/D轉(zhuǎn)換模塊數(shù)字范為0~4095，為了避免超過(guò)3V的電壓以4095的數(shù)字量讀入，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)判定留有一定的余量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)串口傳送至上位機(jī)，由于傳送的數(shù)據(jù)位電壓值，上位機(jī)需要根據(jù)電壓及當(dāng)前量程的反饋電阻計(jì)算出反應(yīng)電流。I/V轉(zhuǎn)換采用的是4路轉(zhuǎn)換器，即有4個(gè)不同的量程，用4位2進(jìn)制數(shù)00~11進(jìn)行標(biāo)記，將其與12為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果組成為一個(gè)14位的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。上位機(jī)接收到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后即可拆分為電壓值和當(dāng)前所用電阻的標(biāo)記。下位機(jī)軟件流程如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VS2008集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用MFC類(lèi)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)通信及繪制試驗(yàn)曲線(xiàn)兩部分。

繪圖模塊要在屏幕上繪制顯示背景，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)顯示背景上的坐標(biāo)軸折算到相應(yīng)位置繪出。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)方法，背景坐標(biāo)軸的橫坐標(biāo)可為掃描電勢(shì)或時(shí)間，縱坐標(biāo)為反應(yīng)電流。數(shù)據(jù)通信模塊采用CSerial串口類(lèi)實(shí)現(xiàn)的發(fā)送和接收工作，將接收到的數(shù)據(jù)拆分為12位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量及3位反饋電阻標(biāo)記，根據(jù)數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的電壓與電位調(diào)整太高的電位之差與標(biāo)記對(duì)應(yīng)的電阻值計(jì)算出反應(yīng)電流，將當(dāng)前反應(yīng)電流與繪圖背景所能顯示的最大值作比較，若反應(yīng)電流即將超過(guò)最大值，則須增大繪圖背景并進(jìn)行數(shù)據(jù)重繪工作。

圖4 下位機(jī)軟件流程

4 功能測(cè)試

電化學(xué)儀的I/V轉(zhuǎn)換電路使用4路轉(zhuǎn)換器，A/D模塊的電壓輸入，由公式計(jì)算得出測(cè)量的實(shí)際電壓范圍為-3~3V,I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻為2k、20k、30K、40K、50K，實(shí)際電阻值與標(biāo)定存在誤差，在上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)中要進(jìn)行修正,反饋電阻與量程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

反饋電阻(KΩ) 量程（μA）2±150 20 ±15 30 ±10 40 ±7.5

采用循環(huán)伏安法，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：電壓掃描范圍-0.05v~0.5v，掃描速率0.1v/s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反饋電阻根據(jù)需要由40KΩ跳變至2KΩ，儀器工作正常，且上位機(jī)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果重繪了顯示背景及數(shù)據(jù)，達(dá)到了自動(dòng)變換量程的目的。

圖5 循環(huán)伏安法上位機(jī)結(jié)果

5 結(jié)論

本文所給出的電化學(xué)儀設(shè)計(jì)方案可根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的反應(yīng)電流大小自動(dòng)調(diào)整量程，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。利用TMS320F28335的12位A/D模塊與多路轉(zhuǎn)換器最多可實(shí)現(xiàn)16個(gè)量程，可根據(jù)實(shí)際需要規(guī)劃量程范圍。上微機(jī)軟件除了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及繪圖，還可加入數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)一步完善功能，從而成為一套完備的電化學(xué)測(cè)量裝置。

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