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单板计算机控制的方波极谱分析仪

来自:极谱仪

【标    题】:

单板计算机控制的方波极谱分析仪


【作者单位】:

山东济宁东盛电子仪器有限公司


【内容摘要】: 近几年随着计算机硬件价格的不断下降,计算机作为控制单元,已越来越J“泛地应用在各种仪器、仪表中。采用计算机控制的仪器与常规仪器相比,不但各项性能指标都有很大提高,而且还可将数据进行一系列处理,直接输出直观信息,节省了大量劳动力。总之,计算机被应用于仪器、仪表是当前科技发展方向之一。电化学分析中的方波极谱分析仪,以前采用模拟电路产生波形,电解电流经放大后由记录仪输出。由于模拟电路的参数变化范围小,漂移大,数据不能贮存,因此仪器的工作速度慢,重复性差,输出结果还要通过人工计算,滴汞下落时间也要人工观测;另外电容电流的处理也很困难。采用计算机控制后,上述问题基本都可以得到解决。 二、仪 [更多详细]

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近几年随着计算机硬件价格的不断下降,计算机作为控制单元,已越来越J“泛地应用在各种仪器、仪表中。采用计算机控制的仪器与常规仪器相比,不但各项性能指标都有很大提高,而且还可将数据进行一系列处理,直接输出直观信息,节省了大量劳动力。总之,计算机被应用于仪器、仪表是当前科技发展方向之一。电化学分析中的方波极谱分析仪,以前采用模拟电路产生波形,电解电流经放大后由记录仪输出。由于模拟电路的参数变化范围小,漂移大,数据不能贮存,因此仪器的工作速度慢,重复性差,输出结果还要通过人工计算,滴汞下落时间也要人工观测;另外电容电流的处理也很困难。采用计算机控制后,上述问题基本都可以得到解决。

二、仪器工作原理

由一个滴汞电极和一个电解杯组成一个电解系统,当一定幅度的电压加在滴汞电极上,其输入回路会产生电解电流。测量其电解电流,根据电流的大小和加在其上的电压幅度就可以测出溶液中所含物质和浓度。

三、仪器特点

(一)操作方便,可以元分利用计算机的控制功能,操作全部通过键盘进行,当出现错误操作时将有完整的提示信息和报警信号输出。

(二)和常规仪器相比,可变参数多和变化范围大。

(三)有多种工作方式

由于采用计算机统一控制,其D/A转换器输出的扫描电压、幅度、周期、方向和A/D转换器采样的频率、点数以及两者之间严格的时间关系都可由键盘命令任意设定,再配合数据处理的各种方法使可产生几十种工作方式。在常规的方波极谱分析仪中,由于硬件电路的限制,扫描电压与采样频率之间很难在大的变化范围内设定严格的时间关系,因此一般的仪器都固定有一至两种工作方式。

(四)测定样品速度快

在常规方波极谱分析仪上,测定一个样品的极化曲线往往需要许多个滴汞周期,因为在一个周期内只能记录一个数据。而在本仪器中,由于电流值经过A/D转换变成具体数值保存在存贮器中,采样频率又大大高于常规仪器,因此经过数据处理后,在一次滴汞周期内便可得到整个极化曲线。

(五)自动测量滴汞下落时间和周期

在常规仪器上滴汞下落时间是通过人眼观察的,再以计时表记录下落周期。在本仪器中通过计算机测定其自然下落时间并记录其周期,不需要人工观察。

(六)图形输出方便

根据数据大小,能自动将图形放大或缩小到一定比例,并绘出坐标轴、工作参数和日期等。同时通过键盘命令将一族曲线全部绘出,或只绘其中一条。图形比例也可任意放大或缩小。

(七)电容电流影响小

在滴汞电极汞滴与溶液的交界面有一个等效的小电容存在,当电解回路中加上方波电压后,便会产生充电电流,而这个电流将干扰真正的电解电流。因此常规仪器一般将输出在记录仪上的极化曲线采用作图法扣除它的影响。在本仪器中采用计算机控制的固体开关短路充电回路,由于电容电流是在加上方波电压后产生的。因此开始短路时间和短路时间的长短非常重要。它要根据测定不同溶液的要求来调节,而且要保证方波电压、固体开关的通断和采样三者之间严格的时序关系,因此常规仪器很难采用此种方法。在本仪器中各时序关系可由用户自由设定,使电容电流的影响减到最小。

四、仪器的组成

本仪器的硬件结构见图1,它由7个部份组成,其中主控部份为一台z一801型单板计算机。下面分别介绍各个部份的作用。

(一)计算机部份

本仪器由2801型单板机作为主控部分。该单板机内存大、监控程序功能强。与其它单板机相比,它多了两个串行接口:一个接口可外接一台终端显示器,另一个串行口可从其它计算机上装入一个16进制的目标文件。本系统将并行口PIO置成位控方式控制电流放大器,在串行接口510的两个串行通道中,一个连接一台CRT终端用作人机对话,另一通道连接绘图仪作为图形和参数的输出。定时芯片CTC四个通道‘卜的两个通道分别作为产生波形的定时信号和采样间隔的定时信号。

(二)A/D、D/A转换部份

A/D,D/A转换部份由一块入DA1612模数转换板担任。该板是为s一100总线设计的,可直接插入单板机的s一10。总线插座上,不需另加接口。该板A/D,D/A分辨率都为12位。A/D转换最长时间为25us,本机用一路D/A作为波形输出,一路A/D接在电流放大器的输出端上作为输入数据。

(三)电流放大器部份

由于电解电流大小相差悬殊,小的只有10-“人,因此在A/D转换部分前面加了一级由两个运算放大器组成的电流放大器,并采用固体开关切换量程,与波段开关相比,减少了干扰和大量引线,增加了可靠性。本放大器有81档量程,通过键盘命令自由切换。为了减少电容电流的影响,电流放大器采用固体开关切除电容电流。该固体开关的时序由PIOB口控制。

(四)用户与仪器交互部份

本仪器用一台CRT输入参数,通过键盘命令对仪器进行各种操作,并显示一些工作信息。

(五)测量结果输出部份

输出部分由一台sR6602六笔平板绘图仪组成,它连接在单板机的一个串行口上,通过它可绘出任意比例的图形,还可绘出坐标轴和工作参数等。

(六)电源部份

为了使该仪器在工作时电源波动对其影响最小,本仪器各部份都采用单独稳压电源供电,在计算机和电流放大器上采用两级稳压电源供电。

(七)电解系统

它采用常规方波极谱仪的电解系统。

五、控制程序

控制程序是整个仪器的“中枢”。为了精确地进行时序控制,本程序大量采用中断方法。因此,波形与采样频率准确和输入响应快。在程序中除了一些键盘命令外还设置r两个拉制键,控制C和控制Q。当系统由于某种原因产生死锁时或希望中止当前工作时,按下控制C就回到命令级。按下控制Q后就可以和绘图仪进行对话(交互方式),可以从键盘送入绘图指令,任意操纵绘图仪。

一本控袖程序的结构和相互之间的关系见图2。使用汇编语言编写,共4000多条语句,采用模块结构,分为6个大模块。

(一)键盘命令解释模块

本模块对所有输入命令先进行语法检查,然后根据输入命令转入相应的模块进行处理,对于不存在的命令和有语法错误的命令,它还能够显示出完整的错误信息。

(二)工作参数输入模块

由于本仪器要求有多种工作方法,因此输入参数较多,参数之间还有一定的关系,模块较复杂。它对每一个输入参数都进行语法检查,判别是否越界,是否和其它参数相矛盾。为了方便用户对每一参数都有一个完整的提示和限止范围以及上一次该参数在内存中的值,同时不想改变以前的数值,只要按下回车键就可以了。最后本模块还可根据输入参数计算出CTC各个口的控制字、时间常数、各种工作标志和其它一些内部工作信息。

(三)阶梯波、方波生成,数据采集和数据处理模块波形生成和采集数据的频率由CTC定时中断得到。当由工作参数模块计算出的CTC控制字和时间常数送入CTCI为通道l后,CTcl将产生定时中断。CTCI每中断一次在其中断服务程序中就将一个12位的电压值送入一个D/A转换口,并启动CTC3定时,然后返回。D/A口的电压送入电解池后,就会产生电解电流。电解电流经放大后接在一个A/D转换口上,此时CTC3产生中断。它每中断一次就将一个12位的电压值送入内存。当cTC3中断了若干次后一个完整的电流信号就被采集进来了。采集了一定点以后,主程序关闭CTC3,等待CTCI再次中断。由于一单板机内存有限,因此在程序中设置一J一个控制计数。当CTCI中断J’若卜次后就对数据进行压缩处理,然后继续发波形采集数据,直至达到要求为止。

(四)测滴汞周期模块

在极谱分析中,滴汞下落时间的确定一直是比较麻烦的,以致许多极谱分析仪采用机械敲击的方法强迫汞滴下,但这将给测量结果带来不良的影响。本仪器采取汞滴自然滴下和软件控制的方法来确定汞滴下落时间。根据两次汞滴下落时间,计算出滴汞周期,然后将周期的时间数以分秒形式输出到显示终端上。

(五)绘图模块

本模块是6个模块中最大的一个,它分以下几个子模块。

1.设置图形比例子模块

由于数据大小相差悬殊,绘图时可能会出界或图形过小而分辨不清,因此,预先设置了一个适当的比例。本模块的功能是将数据预先处理求出最佳比例,然后将绘图比例指令送绘图仪。

2.绘图曲线模块将处理好的数据转换成ASC!代码,并将其处理成绘曲线指令,然后送绘图仪。

3.绘轴子模块绘出图形的坐标轴及坐标轴参数。

4.绘参数子模块在绘图仪上写出所有输入参数及工作状态。

六、自检模块

开机后自动检验硬件是否完好,若有间题,则显示出错误信息。除了以上6个模块以外,还有初始化和代码转换数值计算等辅助程序。

七、小结

从硬件角度来看,本系统已具备了A/D,D/A转换、位控制方式、程控放大器、绘图仪和显示终端等一系列功能。因此,本系统若应用于其它分析仪器,大部分的硬件都是适合的,只要更换其控制软件。2801型单板机的EPROM都比较大,若把几种控制软件固定在一起,就可以使该机成为一个多功能的电化学分析系统。

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