采用C8051F060的水質(zhì)重金屬在線監(jiān)測儀的研制

　　引言

　　隨著工業(yè)的發(fā)展，重金屬對水質(zhì)的污染越來越嚴(yán)重，微量的重金屬就可以使人體產(chǎn)生中毒和其它危害癥狀，實(shí)時在線監(jiān)測水質(zhì)重金屬的含量成為當(dāng)務(wù)之急。光譜、質(zhì)譜、中子活化、分光光度等幾種方法在連續(xù)監(jiān)測及現(xiàn)場測定方面受到很大限制，電化學(xué)伏安法^[1]得到的是直接可以測量的電信號，儀器設(shè)備簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動化。以電化學(xué)分析方法作為測試方法，開發(fā)研制低成本、高精度、實(shí)時在線連續(xù)監(jiān)測的儀器是環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。

　　水質(zhì)重金屬監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)及工作原理

　　水質(zhì)重金屬自動監(jiān)測儀包括簡單信號發(fā)生器、恒電位儀^[2]、弱電流采集處理部分、三電極體系、單片機(jī)系統(tǒng)及外擴(kuò)部分、泵閥的控制部分、上位機(jī)及人機(jī)界面，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該檢測儀中的函數(shù)信號發(fā)生器輸出的電壓通過恒電位儀加載到三電極系統(tǒng)，使工作電極(WE)的電壓精確保持在需要的電壓上，采集對電極(CE)與工作電極(WE)回路產(chǎn)生的微弱電流信號，并記錄過程中的伏安曲線，并通過上下位機(jī)記錄存儲處理數(shù)據(jù)。根據(jù)電化學(xué)溶出伏安法，曲線中峰電流的大小在一定條件下與被測離子的濃度成正比，峰電位與被測離子的種類特性有關(guān)，從而定性定量地分析出重金屬離子的種類和濃度^[3]。

　　監(jiān)測儀的硬件設(shè)計

　　MCU控制器選型

　　C8051F060是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片^[4]，具有59個數(shù)字I/O引腳，高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容內(nèi)核(25MIPS)，64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4K字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64KB地址空間的外部存儲器，硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBUS/IIC和兩個UART串行接口，控制器局域網(wǎng)(CAN2.0B)控制器，5個通用的16位定時器，20個中斷源，片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。此單片機(jī)處理速度快、片內(nèi)資源豐富、外擴(kuò)能力強(qiáng)，能夠充分滿足重金屬監(jiān)測儀的硬件需要，相比于普通8位單片機(jī)既節(jié)約了成本有提高了檢測儀的性能。

　　簡單函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

　　函數(shù)信號發(fā)生器有幾種實(shí)現(xiàn)方法，可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，但是功能較少，精度不高，調(diào)節(jié)方式不夠靈活，也可以利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片^[5]的函數(shù)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生任意波形，但成本較高。

　　為了給恒電位儀提供多種類、易實(shí)現(xiàn)的電壓信號，設(shè)計了一種簡單可行、精度高、成本低的簡單函數(shù)信號發(fā)生器。該系統(tǒng)利用C8051F060單片機(jī)的I/O口模擬SPI通信口來控制16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8831^[6]，DAC根據(jù)預(yù)先輸入的D/A控制字將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，結(jié)合外部運(yùn)放可以實(shí)現(xiàn)單極性(0～VREF)和雙極性(-VREF～+VREF)兩種輸出模式，恒電位儀中使用有正負(fù)兩種極性的電壓，故采用雙極性輸出。