基于AVR单片机的智能恒电位仪的设计与实现

摘要

恒电位仪是电化学测试中的重要仪器,用它可以控制电极电位为设定值,以达到恒电位极化的目的。恒电位仪从整体分析说是一个负反馈放大——输出系统,与待测电极构成闭环调节,通过测量参比电极与工作电极的电位差,作为取样信号与控制信号进行比较,实现控制并调节极化电流输出,使参比电极与工作电极的电位差得以保持在设定的控制电位上。恒电位仪的出现,不但解决了电化学研究过程中因反应造成外部激励信号值偏离的问题,而且加快了电化学检测与分析领域的多元化发展。因此,恒电位仪在电化学检测系统构成中具有至关重要的地位。
　　实际工程应用恒电位仪存在体积庞大、结构复杂、精度低、恒电势控制差等缺点,限制了它的应用范围。近年来随着电子技术的发展,特别是嵌入式系统、单片机技术应用的深入和发展,腐蚀检测技术可以说是电化学领域与电子领域的交汇所形成的一门新的学科。本文从实际工程运用出发,结合现代电子技术,研究和设计了一种基于AVR单片机的智能化和微型化的恒电位仪,这将使恒电位仪精度更高,稳定性能更好,同时满足现场检测的需求。本文主要完成的工作有:
　　1、结合现代集成电子电路技术,提出来基于集成运算放大器的微型恒电位仪设计方案,该方案采用集成运放OP27放为核心器件,利用其高输入阻抗、高开环放大倍数、低失调电压等特点,有效的控制了恒电位仪的误差,最后设计其硬件电路。
　　2、根据三电极电化学传感器的恒电位仪工作的基本原理,提出了基于AVR单片机的智能化恒电位装置的整体设计方案并进行实现。该装置采用高精度的D/A转换芯片DAC8831和A/D转换芯片ADA7705,以AVR单片机ATmega16为整个系统的控制核心,充分利用其强大高速的处理能力,能够实现恒电位仪的恒电位设定功能和极化电流参数的测量功能。
　　3、采用低耦合高内聚的设计思想,在ICCAVR开发平台上设计了各个功能模块的软件程序;并利用ISP串行下载完成了整机的调试。
　　4、最后介绍了GPRS无线通信技术,并将其引入系统,实现系统的远程控制。同时它与RS-485通信方式结合,面对不同环境下的监控上位机,可以选择性地进行数据传输,让整个系统的通信更加灵活。
　　在实验室对本系统进行了调试,通过数据分析,本文所设计的恒电位仪实现了恒电位的功能,能够测量极化电流参数,设定电压值与实测电压值的最大误差为3mV;极化电流采样值与实测电流值最大误差为0.3uA;检测精度达到预期要求。整个数据传输网络通信正常,系统达到设计要求。

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1绪论

1 .1腐蚀原理与电化学检测方法

1 .2 本课题研究的目的与意义

1 .3 本论文的主要研究内容及结构安排

2 恒电位仪设计

2 .1 恒电位仪结构与工作原理

2 .2 恒电位仪研究现状与发展

2 .3 微型恒电位仪设计

2 .4 本章小结

3基于AVR单片机的控制系统设计

3 .1单片机概述

3 .2系统整体架构

3.3 ATmega16微控制器

3 .4 电源模块

3 .5 继电器模块

3 .6 SPI通信接口与D/A 、A/D模块

3 .7 通信模块

3 .8 本章小结

4 Modbus通信协议

4.1 Modbus协议传输模式

4.2 Modbus协议消息帧

4 .3 本章小结

5 系统的软件设计

5 .1 软件设计方法

5 .2 主程序设计

5 .3 功能模块设计

5 .4 本章小结

6 GPRS无线通信扩展模块

6.1 GPRS无线通信技术介绍

6.2 H7710 GPRS DTU无线通信模块

6 .3 本章小结

7 总结

7 .1 系统调试与结果

7 .2 总结与展望

参考文献

致谢

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