采用C8051F060的水質重金屬在線監測儀的研制

　　引言

　　隨著工業的發展，重金屬對水質的污染越來越嚴重，微量的重金屬就可以使人體產生中毒和其它危害癥狀，實時在線監測水質重金屬的含量成為當務之急。光譜、質譜、中子活化、分光光度等幾種方法在連續監測及現場測定方面受到很大限制，電化學伏安法^[1]得到的是直接可以測量的電信號，儀器設備簡單，易于實現自動化。以電化學分析方法作為測試方法，開發研制低成本、高精度、實時在線連續監測的儀器是環境監測發展的必然趨勢。

　　水質重金屬監測儀結構及工作原理

　　水質重金屬自動監測儀包括簡單信號發生器、恒電位儀^[2]、弱電流采集處理部分、三電極體系、單片機系統及外擴部分、泵閥的控制部分、上位機及人機界面，整體結構圖如圖1所示。該檢測儀中的函數信號發生器輸出的電壓通過恒電位儀加載到三電極系統，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，并通過上下位機記錄存儲處理數據。根據電化學溶出伏安法，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，從而定性定量地分析出重金屬離子的種類和濃度^[3]。

　　監測儀的硬件設計

　　MCU控制器選型

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

　　簡單函數信號發生器的設計

　　函數信號發生器有幾種實現方法，可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，但是功能較少，精度不高，調節方式不夠靈活，也可以利用專用直接數字合成DDS芯片^[5]的函數發生器，能夠產生任意波形，但成本較高。

　　為了給恒電位儀提供多種類、易實現的電壓信號，設計了一種簡單可行、精度高、成本低的簡單函數信號發生器。該系統利用C8051F060單片機的I/O口模擬SPI通信口來控制16位高精度數模轉換芯片DAC8831^[6]，DAC根據預先輸入的D/A控制字將數字信號轉換成模擬電壓信號，結合外部運放可以實現單極性(0～VREF)和雙極性(-VREF～+VREF)兩種輸出模式，恒電位儀中使用有正負兩種極性的電壓，故采用雙極性輸出。