基于ARM和μC／OS-Ⅱ的在線磷酸根離子監測儀設計

摘要：基于火電廠磷酸根離子在線測量的精度和穩定性需要，該磷酸根離子監測儀是依據磷釩鉬黃分光光度法原理，采用高性能的ARM微控制器和穩定可靠的μC／OS-Ⅱ操作系統來完成在線式磷酸根離子檢測儀管理控制系統的要求。系統智能化程度高、操作簡便、穩定性高、功耗低、測量結果精確可靠，可以滿足火電廠對水質的磷酸根離子含量監測的需要。
關鍵詞：磷酸根離子；ARM；嵌入式系統；在線測量

火力發電廠和大型工業鍋爐，通常采用向爐水中添加少量磷酸鹽以防止鈣、鎂水垢的生成，磷酸根濃度不夠，不能有效防止結垢，磷酸根離子含量過高，會導致爐水的pH值變高。因此磷酸根離子濃度是爐水檢測的重要參數。ARM處理器具備高性能、低功耗、低成本等優點，將其應用于在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統，可以提高磷酸根分析儀的處理速度和精度。

1 結構及測量原理簡介
磷酸根離子分析儀整體結構包括光路系統、水路系統和管理控制系統三個部分。
光路系統主要包括：專用的單色LED冷光源、比色皿和光電傳感器。
水路系統由比色皿、柱塞泵、多通道切換閥、流通池、樣水／標液切換閥、流量計、排污閥、溢流管等組成。
利用化學吸光法原理，即在一定的酸度下，正磷酸鹽與釩鉬酸作用生成黃色的磷釩鉬酸。此顏色的吸光度與水中正磷酸鹽的濃度符合朗伯一比爾定理，即溶液的吸光度A與溶液的濃度c和液層的厚度L的乘積成正比。

式中：A為吸光度；Io為入射光強度；I為透過光強度；C為有色溶液的濃度；L為溶液的厚度；K為吸光系數。

2 管理控制系統的硬件設計
在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統采用模塊化設計，包括以32位的AT91M40800微控制器為核心的核心板電路、控制電路模塊、信號調理與轉換電路模塊、電源電路模塊、通訊電路模塊、人機接口電路模塊、實時時鐘電路模塊、復位系統電路模塊8個部分。總體設計框圖如圖1所示。


2．1 核心板電路
核心板電路模塊由嵌入式微控制器AT91M40800及外擴存儲器組成。嵌入式微控制器AT91M40800主要用于管理和控制整個系統。擴充了1 MB的RAM，主要用于系統程序運行，大大提高系統運行速度。外擴2 MB的FLASH，用作主存儲器，存放系統程序和測量數據。
2．2 控制電路模塊
控制電路模塊用CPLD和繼電器控制通道切換、樣水／標液切換、樣水與試劑柱塞泵注水、攪拌電機、排污電子閥以及6路超范圍報警和斷樣報警。
CPLD(Complex Programmable Logic Device)復雜可編程邏輯器件，具有編程靈活、集成度高、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特點，采用先進的CMOS制作技術，3．3 V電源供電，并提供600～10000可用邏輯門，引腳延誤速度為4．5 ns，計算頻率可高達227．3 MHz。系統用CPLD實現對注塞泵的穩定精確控制。
2．3 信號調理轉換電路
信號調理與轉換電路模塊主要用于放大微弱的光電傳感器測量信號，并通過AD7714轉換成數字信號送入主處理器AT91M40800。系統選用 OPA2340單電源軌至軌運算放大器，它具有極低的失調電壓和偏置電流，具有較高的共模輸入范圍和共模抑制比。A／D轉換器件選用適用于低頻測量應用的 AD7714，轉換精度高、速度快、編程、接口方便。