1 引言

水和蒸汽是熱力系統中的鍋爐、汽輪機、過熱器等設備的重要工作介質。水汽系統基本原理都是利用熱能加熱水，使之持續產生蒸汽，推動汽輪機轉動，從而發電。之后蒸汽在冷卻室重新還原成水，并回流到水箱中，以實現循環使用。 水、汽的品質都有規定的指標，一旦水、汽品質的指標超標，就會加速熱力設備的腐蝕、結垢和積鹽。當水汽中攜帶一些含鈉的雜質時，將會導致汽輪機金屬材料的點蝕、應力腐蝕或腐蝕疲勞。

2 測量原理

儀器采用一支鈉離子復合電極，對溶液中鈉離子進行測量，浸入溶液中的鈉玻璃電極的電極電位隨著溶液中鈉離子含量變化而改變，并遵循能期特公式。當測量電極與參比電極同時浸入溶液后，即組成測量電池對，圖1給出測量電池的示意圖。其中鈉測量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：

式中：E為鈉電極電位；E0為鈉電極的理論等電位點電位；R為氣體常數，R=8.317 J／（mol.K），T為溶液的絕對溫度，T=273+t，K；F為法拉第常數，F=9.649×104 C/mol；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數，對于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測溶液構成測量電池，通過一個高阻抗的毫伏計對被測溶液進行精確的電位測量，從而可直接測定溶液中鈉離子的含量。

3 水路設計

對鈉有選擇性的玻璃電極對氫離子的響應比對鈉離子響應還敏感，所以氫離子是鈉測量時主要的干擾源，要用堿性試劑加以抑制。圖2為水路的設計圖。

在正常測量時，樣水從進口經三通電磁閥進人恒流杯，過多的樣水從溢流口流出，由于負壓原理，樣水在T形塊帶動堿化氣進入測量杯，流經測量電極和參比電極經出水口排出。電磁閥進行切換，校準用標準溶液經電磁閥進入恒流杯，樣水經卸壓閥流出。

4 硬件電路設計

在線鈉離子分析儀的硬件電路設計是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設計框圖如圖3所示。

電極輸出的是一個近似直流的電壓信號，經放大處理后，進行A/D轉換，將數字信號輸入微控制器進行分析處理，然后存儲和顯示數據，并通過串口把數據傳輸給控制室。

4.1 微控制器

ATmega128特點：內嵌128 KB的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產品的調試、開發、更新；內嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存儲器尋址空間；具有PWM功能的定時器／計數器（T／C）；具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規范兼容的JTAG測試接口；低電壓供電、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業級要求，達到-55℃～+125℃。基于ATmega128的諸多特點。

4.2 A／D轉換器

AD7714是適用于低頻測量應用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數字。它使用∑-△轉換技術以實現高達24位的無誤碼性能。通過片內控制寄存器可對此數字濾波器編程，允許調整濾波器的截止頻率和穩定時間。

4.3 存儲部分

由于系統移植了μC/OS-II操作系統，各個任務均需要分配獨立的堆棧空間，總線上擴展32 K字節的隨機存儲器KM62256。KM62256是8位數據寬度32 K字節的隨機存儲器，具有低功耗、速度快等優點。同時還擴展了64 KB字節的E2pROM AT24C512，用來存儲電路校準數據和實時測量數據，并可存儲一個月的歷史數據，繪制歷史曲線，詳細反映水質變化過程和趨勢。

4.4 人機接口

采用TFT3224真彩液晶顯示器，支持256色顯示，帶有觸摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風格。觸摸屏接口器件選用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。

5 軟件設計

8位單片機為核心的測控系統程序一般采用前后臺方式編寫，后臺運行一個大的無限循環，前臺為多個中斷，在這種方式中，中斷服務程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到處理該信息時才能得到處理。

5.1 嵌入式實時操作系統μC／OS-Ⅱ

使用μC／OS設計軟件系統首先要實現μC／OS在硬件應用平臺上的移植，主要就是完成對OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM等多個與處理器相關文件的改寫，在μC／OS的官方網站有在數十種處理器上移植成功的范例。每個任務都是相對獨立的子模塊，有唯一的優先級和自己的堆棧空間。每個任務處于以下5種狀態的一種：休眠態、就緒態、運行態、掛起態及被中斷態。各個任務間根據信號量、消息郵箱、隊列等通信方式傳遞信息。

5.2 任務劃分

基于μC／OS-II編寫應用程序主要的工作是劃分任務和分配優先級及任務之間信息的傳遞。設計中，將整個系統劃分為：①數據處理與顯示；②菜單顯示任務；③串口通信任務。A／D中斷：AD7714的定時中斷；觸摸屏中斷：點擊觸摸屏觸發外部中斷。軟件設計如圖4所示。

在AD7714的A／D定時中斷服務中發送消息，數據處理及顯示任務接收到消息后，把消息中的A／D數據經過公式推導，轉換成相應的鈉含量并顯示。

6 結語

系統創新性在于將高性能微處理器MEGA128和新器件AD7714首次應用于水質監測信號采集。現在突出了節能減排的口號，所以這個系統具備了電路簡潔可靠，功耗低、可靠性高的優點，軟件實時性好，便于擴展功能。將此分析儀與進口儀表進行對照實驗，數據如表1所示。

由表1數據可知，該分析儀的測量精度接近進口儀表。對于國家要求的質量，這個系統都比較吻合，各項指標都符合國家的標準，這就實現了這個系統可以用于實踐當中，并且發揮重要的作用。可以用于水質鈉離子含量的連續檢測。