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采用單板計算機控制的方波極譜分析儀

【標    題】:

采用單板計算機控制的方波極譜分析儀


【作者單位】:

山東濟寧東盛電子儀器有限公司


【內容摘要】:    近幾年隨著計算機硬件價格的不斷下降,極譜儀計算機作為控制單元,已越來越J“泛地應用在各種儀器、儀表中。采用計算機控制的儀器與常規儀器相比,不但各項性能指標都有很大提高,而且還可將數據進行一系列處理,直接輸出直觀信息,節省了大量勞動力。總之,計算機被應用于儀器、儀表是當前科技發展方向之一。電化學分析中的方波極譜分析儀,以前采用模擬電路產生波形,電解電流經放大后由記錄儀輸出。由于模擬電路的參數變化范圍小,漂移大,數據不能貯存,因此儀器的工作速度慢,重復性差,輸出結果還要通過人工計算,滴汞下落時間也要人工觀測;另外電容電流的處理也很困難。采用計算機控制后,上述問 [更多詳細]

微量元素分析儀

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【正文內容】:     近幾年隨著計算機硬件價格的不斷下降,極譜儀計算機作為控制單元,已越來越J“泛地應用在各種儀器、儀表中。采用計算機控制的儀器與常規儀器相比,不但各項性能指標都有很大提高,而且還可將數據進行一系列處理,直接輸出直觀信息,節省了大量勞動力。總之,計算機被應用于儀器、儀表是當前科技發展方向之一。電化學分析中的方波極譜分析儀,以前采用模擬電路產生波形,電解電流經放大后由記錄儀輸出。由于模擬電路的參數變化范圍小,漂移大,數據不能貯存,因此儀器的工作速度慢,重復性差,輸出結果還要通過人工計算,滴汞下落時間也要人工觀測;另外電容電流的處理也很困難。采用計算機控制后,上述問題基本都可以得到解決。
    二、儀器工作原理
    由一個滴汞電極和一個電解杯組成一個電解系統,當一定幅度的電壓加在滴汞電極上,其輸入回路會產生電解電流。測量其電解電流,根據電流的大小和加在其上的電壓幅度就可以測出溶液中所含物質和濃度。
    三、儀器特點
    (一)操作方便,可以元分利用計算機的控制功能,操作全部通過鍵盤進行,當出現錯誤操作時將有完整的提示信息和報警信號輸出。
    (二)和常規儀器相比,可變參數多和變化范圍大。
    (三)有多種工作方式
    由于采用計算機統一控制,其D/A轉換器輸出的掃描電壓、幅度、周期、方向和A/D轉換器采樣的頻率、點數以及兩者之間嚴格的時間關系都可由鍵盤命令任意設定,再配合數據處理的各種方法使可產生幾十種工作方式。在常規的方波極譜分析儀中,由于硬件電路的限制,掃描電壓與采樣頻率之間很難在大的變化范圍內設定嚴格的時間關系,因此一般的儀器都固定有一至兩種工作方式。
    (四)測定樣品速度快
    在常規方波極譜分析儀上,測定一個樣品的極化曲線往往需要許多個滴汞周期,因為在一個周期內只能記錄一個數據。而在本儀器中,由于電流值經過A/D轉換變成具體數值保存在存貯器中,采樣頻率又大大高于常規儀器,因此經過數據處理后,在一次滴汞周期內便可得到整個極化曲線。
    (五)自動測量滴汞下落時間和周期
    在常規儀器上滴汞下落時間是通過人眼觀察的,再以計時表記錄下落周期。在本儀器中通過計算機測定其自然下落時間并記錄其周期,不需要人工觀察。
    (六)圖形輸出方便
    根據數據大小,能自動將圖形放大或縮小到一定比例,并繪出坐標軸、工作參數和日期等。同時通過鍵盤命令將一族曲線全部繪出,或只繪其中一條。圖形比例也可任意放大或縮小。
    (七)電容電流影響小
    在滴汞電極汞滴與溶液的交界面有一個等效的小電容存在,當電解回路中加上方波電壓后,便會產生充電電流,而這個電流將干擾真正的電解電流。因此常規儀器一般將輸出在記錄儀上的極化曲線采用作圖法扣除它的影響。在本儀器中采用計算機控制的固體開關短路充電回路,由于電容電流是在加上方波電壓后產生的。因此開始短路時間和短路時間的長短非常重要。它要根據測定不同溶液的要求來調節,而且要保證方波電壓、固體開關的通斷和采樣三者之間嚴格的時序關系,因此常規儀器很難采用此種方法。在本儀器中各時序關系可由用戶自由設定,使電容電流的影響減到最小。
    四、儀器的組成
    本儀器的硬件結構見圖1,它由7個部份組成,其中主控部份為一臺z一801型單板計算機。下面分別介紹各個部份的作用。
    (一)計算機部份
    本儀器由2801型單板機作為主控部分。該單板機內存大、監控程序功能強。與其它單板機相比,它多了兩個串行接口:一個接口可外接一臺終端顯示器,另一個串行口可從其它計算機上裝入一個16進制的目標文件。本系統將并行口PIO置成位控方式控制電流放大器,在串行接口510的兩個串行通道中,一個連接一臺CRT終端用作人機對話,另一通道連接繪圖儀作為圖形和參數的輸出。定時芯片CTC四個通道‘卜的兩個通道分別作為產生波形的定時信號和采樣間隔的定時信號。
    (二)A/D、D/A轉換部份
    A/D,D/A轉換部份由一塊入DA1612模數轉換板擔任。該板是為s一100總線設計的,可直接插入單板機的s一10。總線插座上,不需另加接口。該板A/D,D/A分辨率都為12位。A/D轉換最長時間為25us,本機用一路D/A作為波形輸出,一路A/D接在電流放大器的輸出端上作為輸入數據。
    (三)電流放大器部份
    由于電解電流大小相差懸殊,小的只有10-“人,因此在A/D轉換部分前面加了一級由兩個運算放大器組成的電流放大器,并采用固體開關切換量程,與波段開關相比,減少了干擾和大量引線,增加了可靠性。本放大器有81檔量程,通過鍵盤命令自由切換。為了減少電容電流的影響,電流放大器采用固體開關切除電容電流。該固體開關的時序由PIOB口控制。
    (四)用戶與儀器交互部份
    本儀器用一臺CRT輸入參數,通過鍵盤命令對儀器進行各種操作,并顯示一些工作信息。
    (五)測量結果輸出部份
    輸出部分由一臺sR6602六筆平板繪圖儀組成,它連接在單板機的一個串行口上,通過它可繪出任意比例的圖形,還可繪出坐標軸和工作參數等。
    (六)電源部份
    為了使該儀器在工作時電源波動對其影響最小,本儀器各部份都采用單獨穩壓電源供電,在計算機和電流放大器上采用兩級穩壓電源供電。
    (七)電解系統
    它采用常規方波極譜儀的電解系統。
    五、控制程序
    控制程序是整個儀器的“中樞”。為了精確地進行時序控制,本程序大量采用中斷方法。因此,波形與采樣頻率準確和輸入響應快。在程序中除了一些鍵盤命令外還設置r兩個拉制鍵,控制C和控制Q。當系統由于某種原因產生死鎖時或希望中止當前工作時,按下控制C就回到命令級。按下控制Q后就可以和繪圖儀進行對話(交互方式),可以從鍵盤送入繪圖指令,任意操縱繪圖儀。
    一本控袖程序的結構和相互之間的關系見圖2。使用匯編語言編寫,共4000多條語句,采用模塊結構,分為6個大模塊。
    (一)鍵盤命令解釋模塊
    本模塊對所有輸入命令先進行語法檢查,然后根據輸入命令轉入相應的模塊進行處理,對于不存在的命令和有語法錯誤的命令,它還能夠顯示出完整的錯誤信息。
    (二)工作參數輸入模塊
    由于本儀器要求有多種工作方法,因此輸入參數較多,參數之間還有一定的關系,模塊較復雜。它對每一個輸入參數都進行語法檢查,判別是否越界,是否和其它參數相矛盾。為了方便用戶對每一參數都有一個完整的提示和限止范圍以及上一次該參數在內存中的值,同時不想改變以前的數值,只要按下回車鍵就可以了。最后本模塊還可根據輸入參數計算出CTC各個口的控制字、時間常數、各種工作標志和其它一些內部工作信息。
   (三)階梯波、方波生成,數據采集和數據處理模塊波形生成和采集數據的頻率由CTC定時中斷得到。當由工作參數模塊計算出的CTC控制字和時間常數送入CTCI為通道l后,CTcl將產生定時中斷。CTCI每中斷一次在其中斷服務程序中就將一個12位的電壓值送入一個D/A轉換口,并啟動CTC3定時,然后返回。D/A口的電壓送入電解池后,就會產生電解電流。電解電流經放大后接在一個A/D轉換口上,此時CTC3產生中斷。它每中斷一次就將一個12位的電壓值送入內存。當cTC3中斷了若干次后一個完整的電流信號就被采集進來了。采集了一定點以后,主程序關閉CTC3,等待CTCI再次中斷。由于一單板機內存有限,因此在程序中設置一J一個控制計數。當CTCI中斷J’若卜次后就對數據進行壓縮處理,然后繼續發波形采集數據,直至達到要求為止。
    (四)測滴汞周期模塊
    在極譜分析中,滴汞下落時間的確定一直是比較麻煩的,以致許多極譜分析儀采用機械敲擊的方法強迫汞滴下,但這將給測量結果帶來不良的影響。本儀器采取汞滴自然滴下和軟件控制的方法來確定汞滴下落時間。根據兩次汞滴下落時間,計算出滴汞周期,然后將周期的時間數以分秒形式輸出到顯示終端上。
    (五)繪圖模塊
    本模塊是6個模塊中最大的一個,它分以下幾個子模塊。
    1.設置圖形比例子模塊
    由于數據大小相差懸殊,繪圖時可能會出界或圖形過小而分辨不清,因此,預先設置了一個適當的比例。本模塊的功能是將數據預先處理求出最佳比例,然后將繪圖比例指令送繪圖儀。
    2.繪圖曲線模塊將處理好的數據轉換成ASC!代碼,并將其處理成繪曲線指令,然后送繪圖儀。
    3.繪軸子模塊繪出圖形的坐標軸及坐標軸參數。
    4.繪參數子模塊在繪圖儀上寫出所有輸入參數及工作狀態。
    六、自檢模塊
    開機后自動檢驗硬件是否完好,若有間題,則顯示出錯誤信息。除了以上6個模塊以外,還有初始化和代碼轉換數值計算等輔助程序。
    七、小結
    從硬件角度來看,本系統已具備了A/D,D/A轉換、位控制方式、程控放大器、繪圖儀和顯示終端等一系列功能。因此,本系統若應用于其它分析儀器,大部分的硬件都是適合的,只要更換其控制軟件。2801型單板機的EPROM都比較大,若把幾種控制軟件固定在一起,就可以使該機成為一個多功能的電化學分析系統。
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