（测试计量技术及仪器专业论文）基于atmega128的双通道智能在线溶解氧分析.pdf

郑州大学研究生毕业论文 摘要 摘要 近年来，随着科学技术的不断发展，越来越多的人开始意识到监测水中溶解 氧的必要性和重要性。尤其是在大中型发电厂、水处理厂、油田及环保等单位， 为确保水质，保证设备长期正常运行，必须严格监测和控制所用水中的溶解氧含 量。 本论文介绍的基于a t m e g a l 2 8 单片机的双通道智能在线溶解氧分析仪。吸 取国内外同类产品的优点，以分析化学中常用的电化学分析方法为理论基础和指 导思想，结合现代微电子技术而开发的在线式智能分析仪表。在化学方面以分析 化学中常用的电化学分析方法一极普法为基础，采用模拟电厂水路的实验方法 来搭建分析仪表实验所需要的化学平台。在电子技术方面以a t m e g a l 2 8 微控制 器为控制中心，以模块化电路设计方式为基础，实现了仪表的高精度、高稳定性 的测量要求，整体设计实现了智能化程度高，操作简单方便等特点。 目前基本完成设计任务，测量范围是：0 o 一2 0 o p p m ，精度是：0 1 p p b ，适 用温度范围：o 6 0 。在实验室中连续工作一个月相当稳定。经过模拟调试 和现场调试，通过与国家标准和进口仪表的比对，该表已经符合国家标准，测量 精度已接近进口仪表。可以作为在线式仪表用于水质溶氧值的连续检测。 关键字：溶解氧；极谱式；电化学；a t m e g a l 2 8 郑州大学研究生毕业论文 a b s t l a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t hs c i e n c et e c h n i c a ld e v e l o pc o n t i n u o u s l y , m o r ea n d m o r ep e r s o n ss t a r tt ob ea w a g eo f t om o n i t o rt h en e c e s s i t ya n dt h ei m p o r t a n c eo f t h e d i s s o l v e do x y g e ni nt h ew a t e r i nt h eu n i t s ，s u c ha sb i ga n dm e d i u m s i z e dp o w e rp l a n t , t h ew a t e rp r o c e s s i n gf a c t o r y , o i l - f i e l da n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 。e t e p a r t i c u l a r l y ， i no r d e rt oi n s u r et h ef l u i dm a t t e r , g u a r a n t e et h a tt h ee q u i p m e n t sc i r c u l a t e sn o r m a l l y o v e ral o n gp e r i o do f t i m e ，m u s tm o n i t o ra n dc o n t r o lt h ed i s s o l v e do x y g e ni nt h e w a t e ru s e ds t r i c t l y t h i st h e s i si si n t r o d u e t i v et od u a ld i s s o l v e do x y g e na n a l y s i si n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h eo n - l i n et y p eo f t h ei n t e l l i g e n c eo f a m a c h i n eo f a t m e g a l 2 8 a b s o r b t h ea d v a n t a g eo f t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lo f t h es a m ek i n dp r o d u c t , w i t ht h e c o n l m o n e l e c t r i c i t yc h e m i s t r ya n a l y t i c a lm e t h o di nt h ea n a l y s i sc h e m i s t r ya st h e t h e o r i e sf o u n d a t i o na n dt h el e a d i n gt h o u g h t , c o m b i n em o d e r nm i c t o - e l e c l r o n i c s t e c h n i q u eb u tt h eo n - l i n et y p ei n t e l l i g e n c eo f t h ed e v e l o p m e n t sa n a l y s i sa p p e a r a n c e i nt h ec h e m i s t r ya s p e c t ，w ou s e da n a l y a c a im e t h o d - t h ep o l a r o g r a p h yi n e l e c t r o c h e m i s t r yf o rf o u n d a t i o n ，a d o p tt h ee x p e r i m e n tm e t h o do f i m i t a t et h ep o w e r s t a t i o nw a t e rr o a dt ob u i l dt h ec h e m i s t r yt e r r a c et h a tt h ea n a l y t i c a ia p p e a r a n c e e x p e r i m e n tn e e d t a k et i n yc o n t r o l l e r o f a t m e g a l 2 8a st h ec o n t r o lc e n t r ea tt h e e l e c t r o n i c st e c h n i q u ea s p e c t , w i t ht h em o l dp i e c et u r n st h ee l e c t r i cc i r c u i td e s i g n m e t h o df o rf o u n d a t i o n , c a r r i e do u tt h ed i a g r a p ho f t h eh i g ha c c u r a c y , h i g hs t a b i l i t yo f t h ea p p e a r a n c er e q u e s t , t h eo v e r a l ld e s i g nc a r r i e so u tt h ei n t e l l i g e n c et ot u r nt h e d e g r e eh i 曲，o p e r a t et h es i m p l ec o n v e n i e n c ee t c c h a r a c t e r i s t i c s s u b s t a n t i a l l yc o m p l e t e dt h ed e s i g nm i s s i o nc u r r e n t l y , m e a s u r es c o p ei s ：o 0 2 0 0 p p m ，a c c u r a c y i s ：0 1p p b ，a p p l y t h e t e m p e r a t u r es c o p e ：o 一6 0 i n t h e l a b o r a t o r y c o n t i n u o u s l yw o r k am o n t hi sv e r ys t a b l e h a sb e e ni m i t a t e dt oa d j u s t e dt ot r ya n d a d j u s tt ot r yo nt h es c e n e , p a s sw i t ht h en a t i o ns t a n d a r da n dt h er a t i ot h a ti m p o r tt h e a p p e a r a n c et o ，t h a tw a t c hh a sa l r e a d ym a t c h e dt h en a t i o ns t a n d a r d ，m e a s u r et h e a c c u r a c yt oh a v ea l r e a d yn e a rt oi m p o r tt h ea p p e a r a n c e c a nb et h eo n - l i n et y p e a p p e a r a n c et ou s e df o rc o n t i n u o u se x a m i n a t i o nt h a tt h ef l u i dm a t t e rd i s s o l v e st h e o x y g e nv a l u e k e y w o r d s ：d i s s o l v e d ，o x y g e n , p o l a r o g r a p h i c ，e l e c t r o c h e m i s t r y , a t m e g a l 2 8 郑州大学研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 近年来，随着科学技术的不断发展，越来越多的人开始意识到监测水中溶解 氧的必要性和重要性。尤其是在大中型发电厂、水处理厂、油田及环保等单位， 为确保水质，保证设备长期正常运行，必须严格监测和控制所用水中的溶解氧含 量。 1 2 课题提出的目的及意义 供热设备的材质大多数为普通碳钢，极易被水中的氧气腐蚀，由于供热系统 有一定的温度更加剧了腐蚀的速度，所以说水中的溶解氧是造成供热管道、供热 设备漏泄的主要原因，对供热的安全运行产生极大的危胁。 热力设备的金属经常与水接触，当水中含中酸性物质，特别当溶氧超标时便 会引起金属腐蚀，腐蚀不仅会缩短设备的使用寿命，而且腐蚀产物会转入水中， 使水中杂质增多。这些杂质会促进炉管的结垢过程，生成的垢又可加剧炉管的腐 蚀( 垢下腐蚀) ，形成恶性循环，对热力设备的健康构成极大危害。 监督给水中氧含量是检查除氧效果的手段，控制溶解氧含量的目的是防止给 水系统及省煤器等部位发生氧的腐蚀，并把腐蚀产物带入炉内，形成铁垢给锅炉 安全运行带来危害。热网循环硬度 1 0 0 i im o l l 才能保证不易结垢，但自来水硬 度一般超过4 5 0 u m o l l 。热网补水规定补水中氧含量不能高于l o o p p b ，但自来 水中溶解氧含量严重超过此标准，根据有关数据分析，超标达6 0 多倍。按照平 均每天补水1 2 0 0 t 计算，由于水中溶解的氧气在正常供热温度下极易与金属发生 氧化反应，每天系统大约损失铁4 8 k g ，大约每天产生铁的氧化物6 9 k g ，铁的氧 化物在氧气充足条件下呈棕红色，在氧气不足的情况下进一步与铁反应生成黑色 氧化物， 沉积在一次网管路、除污器、换热器管壁。管道中结垢的主要成份为 氧化铁，这样运行的直接后果是影响了供热质量、经济性及安全性。 某热网于1 9 9 1 年投入运行，采用热电联产间接供热方式。到1 9 9 8 年底，总 第1 页 郑州大学研究生毕业论文 第一章绪论 供热面积达到4 5 0 万平方米，换热站达到2 6 3 个，原设计二级网补水为采用自 来水，定压方式为定压罐控制。为了提高热网的运行效率及使用寿命，1 9 9 8 年 一级管网开始采用热电厂的软化除氧水，在2 0 0 0 年试验的基础上，2 0 0 1 年l o 月起在全部二级网上开始采用了热电厂的软化除氧水，取得了很好的效果。 现以常见的4 x 3 0 0 m w 火电厂为例作分析。 当凝汽器为直流冷却时，所需水量为1 3 2 0 0 0 t h ，亦即3 6 7 m 3 s 。水通过凝汽 器后吸取热量，水温升高5 8 c ，但是水质无任何改变。当环境生态对温度敏 感时，要考虑其热污染问题。升高水温常使水中溶解氧含量降低，微生物增加快。 由于自然条件限制，难以满足这样大的取水量，而且直流冷却对封闭水域有 热污染与生态影响，所以大容量电厂基本都是循环冷却。当采取循环冷却时，按 “九五”初期较好水平，循环水浓缩倍率平均约2 倍，其平均新鲜水用量为3 1 6 8 t h ， 夏季最大为4 2 2 4 t h 。而实际的平均循环水的新鲜水用量为4 2 2 4 t h ，夏季最大新 鲜水用量达5 6 7 6 佃。 1 3 课题的主要工作 本课题的主要任务就是采用现代电子技术把样水中含有的微量溶解氧精确 地测量出来，进行各种补偿措施之后，最后在屏幕上显示出来。以备后期处理。 测量水中的溶解氧含量受大气压、温度、流量和电极结构等因素的影响。所 以工作量很大。 1 4 课题的难点 难点在于测量的精度上，由于测量的最小分辨率大约是空气中的九万分之 一，所以在对电极输出信号的处理方面是个极大的挑战。 第2 页 郑州大学研究生毕业论文第二章溶解氧分析仪的设计原理 第二章溶解氧分析仪的设计原理 2 1 分析检测对象和主要任务 本设计主要用于发电厂、水处理厂、油田及环保等单位，为确保水质，保证 设备长期正常运行，用来严格地监测和控制所用水中的溶解氧含量。电厂用水中 的溶解氧含量一般在1 0 0 0p p b 以下，样水温度一般在2 0 1 2 以上。所以要求测 量仪表的精确度和稳定性非常高。 曲于测量仪表要求的精确度和稳定性非常高。所以本设计要用于发电厂样水 的溶解氧检测，必须把精度控制在0 1 p p b 。这要求从流通池开始，到电路的设 计都必须严格控制。还要把其他相关因素也考虑在内，比如样水的温度、流量等 参数。 2 2 所依据的理论依据及传感器的选择 2 2 1 理论依据 测量水中溶解氧含量的仪表属于电流式分析仪器，电流式分析仪韵传感器能 够把被分析物质浓度的变化转换成电流信号的变化。按工作原理的不同，又可分 为原电池式和极普式。本设计是基于极普式工作原理的仪表。 在极普型电流传感器的阴、阳电极问施加从小到大的电压时，由于溶液中某 种被分析物质的存在，测量输出电流可以得到如图2 - i 所示的极谱图。 第3 页 郑州大学研究生毕业论文第二章溶解氧分析仪的设计原理 图2 - 1 菜被测物质极谱图 由上图可知，当电压小于u o 时，极限扩散电流i “o ，随着电压u 增高，i 按指数函数规律上升，直至u u ，i 趋于稳定值i o ，且i o 与被测物质的浓度成 正比。i o 2 对应的电压u 。2 称为半波电位，其值仅与被测物属性有关，可作为 定性分析的依据。 当溶液中存在多种物质时，各物质对总极限扩散电流都有贡献，当要用极谱 法在线连续测量溶液中某物质时，例如溶解氧浓度时，就会受到某些物质的干扰， 所以必须用有选择性的膜将样品液与电极室隔离。 2 2 2 传感器原理 根据极谱原理，传感器制成一个特殊的电解池。其参比电极( 阳极) 采用表 面积为6 4 c m 2 的银电极，而测量电极( 阴极) 采用表面积仅为0 8 c d 的金电极。 金电极为极化电极，银电极为去极化电极，支持浓度为0 7 1 i i l 0 1 l 的k c l 电解 液。实验表明，当电解池的外加电压在某一恒定值时，电解液中的溶解氧产生的 电解电流具有极限扩散电流的特征，即电流的大小与电解池的工作电压无关，得 到氧的极谱曲线如图2 - 2 所示， 第4 页 郑州大学研究生毕业论文第二章溶解氧分析仪的设计原理 图2 3 溶解氧浓度不变时的，一f 曲线 2 3 测量电路的设计思路 本设计以低功耗8 位控制器a t m e g a l 2 8 为核心，电极放在专用的流通池中， 流通池中样水的流量由流量计控制在电极正常工作所需要的范围之内，测量信号 通过专用信号线输入仪表中。首先通过模拟电路把微弱的电流信号转换为电压信 号，经过滤波电路除去杂波后，送入模数转换电路，转换为数字信号后送入微处 理器中，再进行温度、流量、盐度和大气压等补偿措施之后，把最终的数据显示 第5 页 郑州大学研究生毕业论文 第二章溶解氧分析仪的设计原理 在显示屏上，并在适当的时候采取相应的后期处理措施。 显示和控制方面采用带触摸功能的3 2 0 x 2 4 0 的彩色液晶显示屏，输出方面 设计有继电器输出和4 - - 2 0 m a 输出，通信方面有4 8 5 串口通信、红外通信和u s b 通信。 2 4 主要工作 2 4 i 熟悉传感器的性能 do 一25 电解型溶解氧电极是专门设计为可耐l30 度蒸汽灭菌，自压力 平衡式溶解氧电极，可用于液体或气体中溶解氧分压的测量，此电极最适用于大 中型微生物培养反应器或管道中流体的溶解氧水平的在线检测。此外还可用于环 境监测、废水处理和养殖业中溶解氧水平的在线测量。 do 一25 电解型溶解氧电极结构见图2 4 。 图2 4do 一25 电解型溶解氧电极结构示意图 测量时，溶解于电极端头外部被测介质中的氧传递至电极透氧膜外表面，经 由透氧膜和内电解质溶液膜中扩散，最后到达电极阴极表面，在适宜的极化电压 下发生电化学反应，并产生电极响应电流。电极响应电流与被测介质中溶解氧水 平成正比。理论上电极响应式为； i - - a p 。e ( 书 式中：i 为电极稳态响应电流； 第6 页 郑州大学研究生毕业论文第二章溶解氧分析仪的设计原理 p o ，为被测介质中氧分压； t 为透氧膜工作温度： a 和a 为与电极材料和结构有关的两个常数。 电极技术指标 电极主体材料：不锈钢 透氧膜：氟塑料硅橡胶不锈钢丝网复合膜 阴极：直径0 5 毫米铂金丝 阳极：直径0 3 毫米银丝 内电解液：氯化物溶液 在空气中响应电流：约6 0 纳安培 在氮气中响应电流：小于百分之一空气中响应电流 电极响应时间：约6 0 秒( 上行，9 0 响应) 电极响应稳定性：在恒温的恒定氧分压环境中，响应电流每周漂移小于3 电极响应温度系数：3 左右( 室温下) 电极插入部直径：25 毫米 电极插入部长度：90 毫米 do 一25 电解型溶解氧电极尾部有个五芯( 改进型为四芯) 的信号接插端 口，内有依次编号为1 至5 号信号端予，每个信号端子与电极内部元件联接如图 2 6 所示。 第7 页 郑州大学研究生毕业论文 第二章溶解氧分析仪的设计原理 图2 - 5 do 一25 溶解氧电极在管道式流通池中安装示意图 图2 - 6 d o 25 型溶解氧电极接线示意图 2 4 2 设计相应的信号处理电路 传感器输出的电流信号是纳安级，在空气中的响应电流约是6 0 纳安培。所 以，前期信号的抗干扰和有效信号放大是模拟电路要就解决的主要问题。 前级放大电路采用军工级的放大芯片，有源滤波j 签片也采用高性能的运算放 第8 页 郑州大学研究生毕业论文第二章溶解氧分析仪的设计原理 大器，前级滤波电容采用漏电容极低的云母电容。 2 4 3 设计主题控制电路 主体电路采用模块化设计( 如图2 7 ) 。这样设计方便各个功能模块电路部分 的屏蔽和调试，另外，方便功能模块的自由选择。电源板独立设计可以减少电源 对其它电路的干扰，输出板独立设计可以作为可选择的电路功能模块部分，这样 可以节省成本。输入板设计为双通道，可以一表作两表用，节省使用成本。 2 4 4 应用程序的编写 图2 - 7 硬件结构图 由于应用程序的代码工作量比较大，所以我们采用模块化的结构思想，各个 部分按功能分为相对独立的模块，这样便于多人协同工作，同时也便于以后的升 级处理。 应用程序的主要任务量是菜单模块部分的编写，难点是调试程序的算法处理 部分。 2 。4 。5 溶解氧测量系统的标定与使用 溶解氧电极和二次仪表构成了溶解氧测量系统，溶解氧测量系统在头次使用 前，或经历了长期使用后应加以标定。溶解氧电极的标定方法应该以溶解氧仪表 使用说明书中有关内容为准。但是作为一般的标定原则，这里仍把普通适用的标 定方法介绍如下； 灵敏度标定：将电极测量部位置于已知溶解氧水平的某气体中( 例如空气) 或被该气体饱和的溶液中( 例如空气饱和的水溶液) ，等电极响应稳定后，调节 第9 页 郑卅l 大学研究生毕业论文第二章溶解氧分析仪的设计原理 仪表的灵敏度( 或斜率) ，使仪表指示为该标定介质中溶解氧值( 标定溶解氧值 与选用的溶解氧水平表示方法有关) 。标定好后把电极插入被测介质中即可投入 使用。 零点检查：多次测量使用后( 例如两个月的使用后) ，应当检查溶解氧电极 的零点，检查零点方法如下：先标定斜率，然后将电极测量部位插入纯氮气中或 新配制的5 亚硫酸钠溶液中，等电极响应稳定后，其显示为零最好，但显示小 于大气中响应的i 也属正常。 2 5 测量电路的精度分析 传感器输出的是纳安级电流。第一级放大电路采用的放大芯片的最大的偏置 电流是7 5 f a ，最大的偏置电压是5 0 0 l lv ，最大温漂是5 pv ，所以符合要求。 后期的滤波电路所用芯片是o p 0 7 ，它的最大的偏置电流是1 8 n a ，最大的偏置电 压是1 5 0 pv ，最大温漂是0 5 i iv ，也符合要求。 第1 0 页 郑州大学研究生毕业论文 第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 3 1 整体硬件设计方案 智能在线溶氧仪的设计以低功耗8 位控制器a t m e g a l 2 8 为核心，其总体的设 计框图如图4 所示。可分为八个部分：微控制器、氧传感器、温度传感器、信号 处理及a d 转换、键盘显示电路、标准电流输出电路、报警及控制电路和通信接 口电路等。 图3 一l 总体设计框图 氧传感器是电流式传感器，输出的信号是纳安级电流信号，首先必须经过电 流放大处理，然后再采用有源滤波电路除去信号中的含有的杂波信号。在进行模 数转换前还需要把信号转换到模数芯片所能接受的电压范围之内。温度传感器接 受恒定的电流后输出的模拟电压信号，经过电压转换处理后，进行a d 转换，并 将转换后的数字信号输入微控制器进行分析处理。 微处理器对接受的数字信号进行温度、流量、大气压和湿度等因素的补偿之 后得出准确的溶解氧含量，然后再进行存储和显示。 智能在线溶解氧分析仪的硬件设计是基于低功耗的a t m e g a l 2 8 单片机，不仅 可以用来控制其本身的低功耗工作模式，并且可以通过编程控制外围器件的低功 耗工作方式，节约能量。并且多采用高精度、高性能的芯片，实现了整体设计的 精度高、功耗低、稳定性好等特性。 3 2 主控制电路的设计 第1 i 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 主控制电路主要以a t m e g a l 2 8 单片机为中心，加上辅助电路构成。 w p ￥m n 图3 - 2 硬件电路图 a t m e g a l 2 8 为基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器。由于其先进 的指令集以及单周期指令执行时间，a t m e g a l 2 8 的数据吞吐率高达lm i p s m h z ， 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 辅助电路有以m a x 7 0 8 为核心的复位电路，以6 2 2 5 6 为核心外扩的r a m 存储 器，以7 4 l s 2 4 4 为核心的总线驱动电路，还有下载程序用的j t a g 接口电路等。 第1 2 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 嘲 r x d 0 ( p o i ) r e 0 ( t x o o t p t x ) p e ( x c k 0 n n o ) p e 2 ( o c 3 n a i n t lp e 3 ( o c 3 b i n t 4 r e 4 ( o c 3 c i n t 5 ) p e 5 ( t 3 一n t 6 ) r e 6 0 c p m n t np e 7 辐s p b o ( s c i ( i p b l ( m o s t ) p b 2 l m i s o ) p b 3 ( o c o ) p b 4 ( o c l p b 6 ( o c l 8 ip b 6 图3 - 3a t m e g a l 的引脚图 p a 3 f c o ) p a t ( d 4 ) p a $ c d s ) p a 8f a d s ) p a 7 碱0 7 ) p 整( l e p c 7 ( a t 勖 p c $ ( a t 舢 p c 6 ( 3 p c ( a 1 a p t x ( a i ) p c 2 l 1 0 p c i f a 9 ) p c o ( a 8 ) p g ! ( r d ) p ( 戳河两 a t m e g a l 2 8 具有如下特点：1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有在写的 过程中还可以读的能力，即r 聊) 、4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的s r a m 、5 3 个通 用t o 口线、3 2 个通用工作寄存器，实时时钟r t c 、4 个灵活的具有比较模式和 p w m 功能的定时器计数器( t c ) 、两个u s a r t 、面向字节的两线接口t w i 、8 通 道l o 位a d c ( 具有可选的可编程增益) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时 器、s p i 串行端口、与i e e e1 1 4 9 1 规范兼容的j t a g 测试接口( 此接口同时还 可以用于片上调试) ，以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时c p u 停 止工作，而s r a m 、t c 、s p i 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡 器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一 第1 3 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其 他部分则处于睡眠状态；a b e 噪声抑制模式时c p u 和所有的i o 模块停止运 行，而异步定时器和a d c 继续工作，以减少a b e 转换时的开关噪声；s t a n d b y 模 式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启 动能力；扩展s t a n d b y 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以 a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的。片内i s pf l a s h 可以通过s p i 接口、 通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序 到应用f l a s h 存储器。在更新应用f l a s h 存储器时引导f l a s h 区的程序继续运行， 实现r w 操作。通过将8 位r i s ec p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯 片内，a t m e g a l 2 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。 引脚说明： v c e 数字电路的电源。 g n d 地。 端口a ( p a 7 p a o ) 端口a 为8 位双向i o 口，并具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端 口a 为三态。端口a 也可以用傲其他不同的特殊功能： 端口b ( p b 7 p b o ) 端口b 为8 位双向i o 口，并具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端 口b 为三态。端口b 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口e ( p c 7 p c o ) 端口c 为8 位双向i o 口，并具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端 口c 为三态。 端口c 也可以用做其他不同的特殊功能。在h t m e g a l 0 3 兼容模式下，端口 c 只能作为输出，而且在复位发生时不是三态。 端口d ( p 0 7 p d o ) 端口d 为8 位双向i 0 口，并具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 第1 4 页 郑州大学研究生毕业论文 第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端 口d 为三态。端口d 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口e ( p e t p e o ) 端口e 为8 位双向i o 口，并具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端 口e 为三态。 端口e 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口f ( p f 7 p f o ) 端口f 为a d c 的模拟输入引脚。如果不作为a d c 的模 拟输入，端口f 可以作为8 位双向i o 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其 输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若 内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口f 为 三态。如果使能了j t a g 接口，则复位发生时引脚p f 7 ( t d i ) 、p f 5 ( t m s ) 和p f 4 ( t c k ) 的上拉电阻使能。端口f 也可以作为j t a g 接口。在a t m e g a l 0 3 兼容模式下， 端口f 只能作为输入引脚。 端口g ( p g 4 p g o ) 端口g 为5 位双向i o 口，并具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端 口g 为三态。端口g 也可以用做其他不同的特殊功能。在a t m e g a l 0 3 兼容模式 下，端口g 只能作为外部存储器的所存信号以及3 2k h z 振荡器的输入，并且在 复位时这些引脚韧始化为p g o = l ，p g i = l 以及p g 2 = 0 。p g 3 和p g 4 是振 荡器引脚。 r e s e t 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此 时间的脉冲不能保证可靠复位。 x t a l i 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。 x t a l 2 反向振荡器放大器的输出。 a v c ca v c c 为端口f 以及a d c 转换器的电源，需要与v c c 相连接，即使没有 使用a d c 也应该如此。使用a d c 时应该通过一个低通滤波器与v c c 连接。 a r e fa r e f 为a d c 的模拟基准输入引脚。 p e np e n 是s p i 串行下载的使能引脚。在上电复位时保持p e n 为低电平将使 第1 5 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 器件进入s p i 串行下载模式。在正常工作过程中p e n 引脚没有其他功能。 时钟晶振采用外部中频8 m ，复位电路主要有l l a x 7 0 8 构成，由6 2 2 5 6 外扩3 2 k 的r a m ，编程接口采用j e t g 方式，另外还引出地址总线和数据总线，一路串行 接口，一路1 2 c 接口，作为整个系统的总线系统。 3 3 控制和显示电路的设计 3 3 1 控制电路 控制电路采用由a d s 7 8 4 3 组成的触摸屏控制电路组成。 图3 - 4 触摸屏接口电路图 a d s 7 8 4 3 是t i 公司生产的4 线电阻触摸屏转换接口芯片。它是一款具有同 步串行接口的1 2 位取样模数转换器。在1 2 5 k h z 吞吐速率和2 7 v 电压下的功 耗为7 5 0 i iw 。而在关闭模式下的功耗仅为0 5p 霄。因此，a d s 7 8 4 3 以其低功耗 和高速率等特性，被广泛应用在采用电池供电的小型手持设备上。a d s 7 8 4 3 采用 s s o p 一1 6 引脚封装形式，温度范围是4 0 + 8 5 。a d s 7 8 4 3 具有两个辅助 输入( i n 3 、i n 4 ) ，可设置为8 位或1 2 位模式。其外部连接电路如图3 - 5 所 示，该电路的工作电压v c c 在2 7 5 2 5 v 之白j ，基准电压v r e f 介于l v + v c c 。该电路的基准电压确定了转换器的输入范围，输出数据中每个数字位代表 的模拟电压等于基准电压除以4 0 9 6 。平均基准输入电流由a d s 7 8 4 3 的转换率来 确定。 第1 6 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的碗件电路设计 1 p p 1 0 9 p 。 愀噬 辑蛄藿入 率2 转羲时钟 片连 ：嚣萎精管，转攮扶寿广- 二苕 行t 鼍出1 1 1 咖t a 圈3 _ 5a d $ 7 8 4 3 的连接关系 以下是a d s 7 8 4 3 的主要引脚功能： x + 、y + 、x - 、y - ：转换器模拟输入端，实际上是一个4 通道多路器： d c l k ：外部时钟输入引脚： c s ：片选端： d i n ：串行输入，其控制数据通过该引脚输入： d 叫t ：串行数据输出，用于输出转换后的触摸位置数据，最大数为二进制的 4 0 9 5 ： i n 3 、i n 4 ：辅助输入引脚： p e n i r q ：p e n 中断引脚，可用于在触摸显示屏后引发一个中断。 a d s 7 8 4 3 是一款连续近似记录( s a r ) 的a d 转换器。可通过连结触摸屏x + 将触摸信号输入到a d 转换器，同时打开y + 和y 一驱动，然后数字化x + 的电 压，从而得到当前y 位置的测量结果。同理也可得到x 方向的坐标。a d s 7 8 4 3 有 差分( d i f f e r e n t i a l ) 和单端( s i n g l e e n d e dm o d e ) 两种工作模式。这两种模 式对转换后的精度和可靠性有一些影响。如果将a d 转换器配置为读绝对电压 单端模式) 方式，那么驱动( d r i v e r ) 电压的下降将导致转换输入数据的错误。 而如果配置为差分模式，则可以避免上述错误。当触摸屏被按下时，有两种情况 可影响接触点的电压：一种是当触摸到显示屏时，会导致触摸屏外层振动；另一 种是触摸屏顶层和低层之问的寄生电容引起的电流振荡以及在a d s 7 8 4 3 输入引 脚上引起的电压振荡。这两种情况都可导致触摸屏上的电压发生振荡以及增加 第1 7 页 喋嚣篇嚣 一曩i 懈轩p卜卜啡m 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 d c 值稳定的时间。在单端模式中，一旦在触摸屏上检测到一次触摸事件，电路 系统将发送一串控制字节给a d s 7 8 4 3 ，并要求它进行一次转换。然后a d s 7 8 4 3 将 在获取周期的起始点通过内部f e t 开关给面板提供电压，而这将导致触摸点电 压的升高。正如上面所介绍的，上升的电压在最终稳定之前会振荡一段时间。当 获取周期结束后，所有的f e t 开关关闭，a d 转换器进入转换周期。如果在转 换周期期间，没有发出下一个控制字节，a d s 7 8 4 3 将进入低功耗模式并等待下 一条指令。由于面板上分布有大量电容，特别是滤波噪音，因此，应该注意设置好 对应于x 坐标或y 坐标上的电压。 在单端模式中，输入电压必须在d a t a l nw o r d 的最后三个时钟周期期间设置。 否则将产生错误。除了内部f e t 开关从获取周期开始到转换周期结束期间一直保 持打开状态以外，差分模式的操作类似于单端模式。加在面板上的电压将成为 a d 转换器的基准电压，提供一个度量比操作。这意味着如果加在面板上的电 压发生变化( 由于电源、驱动电阻、温度或触摸屏电阻等原因) ，a d 转换器的 度量比操作将对这种变化进行补偿。如果在当前转换周期发向a d s 7 8 4 3 的下一 个控制字节所选择的通道与前一个控制字节相同，那么在当前转换完成后开关 仍然不会关闭。在这两种模式中，a d s 7 8 4 3 只有3 个时钟周期可以从触摸屏上 获取( 取样) 输入模拟电压，因此，为了a d s 7 8 4 3 可以获取正确的电压，输入电压 必须在3 个时钟周期的时间范围内设置好。打开驱动将引起触摸屏的电压快速 升高到最终值。为了得到j 下确的转换数据，获取必须在触摸屏完全设置好时完 成。获取的方式有两种：一种是采用单端模式，即采用相对较慢的时钟扩展获取时 间( 三个时钟周期) ：二是采用差分模式，即用相对较快的时钟在第一个转换周 期内设置电压，在第二个转换周期获取准确电压。该方式的两个控制字节相同。 且内部x y 开关在首次转换后不会关闭。由于首次转换期间电压还不稳定。因 此应当丢弃首次转换的结果。使用第二种方式的另一个优点是功耗低。因为在全 部转换后，a d s 7 8 4 3 会进入低功耗模式来等待下一次取样周期：对于慢时钟，下 一次取样可能在当前转换结束后立即迸入取样周期，而没有时间进入低功耗模 式。实际在单端模式下不能使用快速时钟。差分模式还具有以下两个优点：第一 个优点是能够在不扩展转换器获取时间的条件下用很长的设置时自j 处理触摸屏， 即触摸屏电压可以有足够的时间稳定下来。第二个优点是a d s 7 8 4 3 通过快速时 第1 8 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 钟可以进入低功耗模式，从而可以节约电池能量。因此，通常建议使用差分模式 p e n 中断引脚的使用：p e n 中断引脚的主要作用是让设计者可以完全控制 a d s 7 8 4 3 的低功耗操作模式。图2 所示是其模式操作连接示意图。图中，i o l 和i 0 2 是引自e p 7 2 1 2 的通用目的输入输出口。当电源加入系统且转换器被 设置( p d l ，p d 0 = o o ) 之后，器件进入低功耗模式。两当未触摸面板时，a d s 7 8 4 3 内部的二极管没有偏压，因此没有电流流过( 忽略漏流) ：当触摸面板时，y 一将提 供一条电流( i ) 通路，这时x + 、x - 和y + 处于高阻状态，电流经过1 0 0 k q 电 阻和中断二极管，p e n i r q 被拉低，从而通过i 0 2 上一个不超过0 6 5 v 的电压 唤醒c p i j ，然后e p 7 2 1 2 再拉低i 0 l 和i 0 2 上的电位，同时对a d s 7 8 4 3 控制寄 存器写一个字节以进行转换初始化。为了转换p e n i r o 二极管上的偏置电压， e p 7 2 1 2 必须拉低i o l 和i 0 2 上的电压。否则，如果在转换期间二极管上有 一个前向偏压，那么附加的电流将引起错误的输入数据。由于x + 输入引脚与p e n 中断输出相连，因此在x + 上的噪声可能引起触摸屏的错误触发。设计时可以在 p e n 中断输出引脚上连结一个r c 滤波器( 可对地连结一个1q 的电阻和一个0 0 1i f 的电容) ，以过滤噪声脉冲并避免错误触发。 3 3 2 显示电路 显示电路由t f t 3 2 2 4 液晶屏通过缓冲器挂在数据总线上。t f t 3 2 2 4 b 是专门针 对分辨率为3 2 0 x 2 4 0 ( 1 ) 的真彩屏( t f t ) 而设计的液晶显示控制模块，能实现 2 5 6 色。提供一个商速的8 位总线接口( i o 命令方式) ，可以直接与m c s s i 、m c s 9 6 、 m c 6 8 、a r m 以及d s p 相连。直接输入x 、y 坐标，无须计算地址。模块集成了双 页显示存储器。提供象素写和行写两种方式，而且写操作时地址自动加1 。无须 初始化，使用方便。特点是：接口电路简单，信号少、编程方便、无须初始化， 用户不须要分析繁琐的l c d 信号、绝无闪烁和雪花点现象、集成度高、更贴身 的技术支持、价格合理等。 第1 9 页 郑州大学研究生毕业论文 第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 d a t a 1 1 璐2 2 4 b - l 真彩l c d c p l j c o n t r o l 3 2 伪吃4 0 圈3 _ 6 显示系统结构框图 坐标与象素映射关系( 2 5 6 色) ：列坐标( x ) 是以字节为单位的，一字节包 含8 位，对应一个象素；因此，列坐标x 取值范围是0 - 3 1 9 。行坐标( y ) 取值 范围是0 - 2 3 9 。象素格式为r 3 g 3 6 2 。 图3 - 7 坐标与象素映射关系 共有4 个寄存器，分别为列地址、行地址、状态控制寄存器、显示数据。 c sa 1 a ow r功能 o0 0 o 列地址寄存器 00 1o行地址寄存器 o1 00控制寄存器 第2 0 页 郑州大学研究生毕业论文第三章溶解氧分析仪的硬件电路设计 l 01 1 o 写显示数据 i - 在进行读写显示数据前必须先指定行列地址。 列地址寄存器( x ) ： x 有效取值范围是从0 - 3 1 9 ，x 的最高位x 8 在控制寄存器里。 行地址寄存