基于AT89C52的电化学工作站设计

摘要 在电化学理论的基础上研制了一台电化学工作站，它包括信号发生器、恒电位仪、数据采集部分、单片机及上位工控机。整个工作站可对电化学系统中电流、电位等信号进行控制和测量，而且可以实现阴极保护功能。与传统电化学工作站相比，该工作站采用先进的集成电路，系统误差小、性能优良，更因其在阴极保护方面的优良表现使得该工作站具有较高的使用价值和市场前景。
关键词 电化学工作站；阴极保护；导体电阻测量

    随着工业的发展，金属的使用越来越广泛，但随之而来的金属腐蚀问题也不容忽视。因金属腐蚀而导致的一系列事故，如天然气管道泄露、雷击烧毁设备等，给工业生产和日常生活带来巨大的损失。在设备的腐蚀研究中，金属设备的腐蚀大多数是以电化学为主进行的，即Fe→Fe2++2e，研究Fe的电子得失速度就可以研究金属的腐蚀速度。在过去的研究中，常采用的电化学研究方法是利用恒电位仪来检测电极的电位和电流值，画出电极的极化曲线，然后利用塔菲尔公式求出腐蚀速度。恒电位测试中，由于采用手动操作，随着腐蚀金属表面状况发生变化，电流数值漂移较大、读数误差大、测量速度慢，严重影响了测试效果。随着电子产品的发展，人们将信号发生器、恒电位仪、对数转换仪、函数记录仪等组合在一起组成电化学工作站，这种工作站体积大、仪器多、系统误差大。因此研制一种结构简单、成本低廉、性能优良的用于腐蚀检测和研究的电化学工作站是必要的。

1 硬件设计
    设计的电化学工作站整体硬件结构如图1所示。首先，单片机将电解池工作所需的电压波形信号送入D／A转换模块，经过D／A转换后将波形电压由外控输入端送入恒电位仪，同时单片机控制继电器的吸合与断开，使恒电位仪在恒电位功能与恒电流功能之间切换。A／D转换部分采集电化学工作站在工作过程中的电流和电位值，并将其送回单片机，单片机再将数据发送到工控机储存，以便于后续的数据处理。工控机也是整个系统的指令发出者，工控机将需要执行的功能命令发送给单片机，经过单片机处理后，对相应的模块进行控制。

1．1 恒电位仪
    恒电位仪是电化学测试中的重要仪器，内部含有恒电位和恒电流两个功能模块，通过继电器进行切换。当控制信号为高电平时，两个继电器断开，电路实现恒电位功能；当控制信号为低电平时，两个继电器吸合，电路实现恒电流功能。
1．2 信号发生器
    文中的信号发生器不同于传统信号发生器，采用16位D／A芯片DAC8532，将单片机发送的数据进行数模转换，实现波形输出。与RC、LC电路相比，该方法简单易行且稳定性好。该模块可以对波形的幅值、频率及功率进行调节。
1．3 数据采集
    文中采用美国Maxim公司生产的逐次逼近型16位模数转换器MAX1166进行数据采集。该芯片内部集成了逐次逼近型ADC所必须的逐次逼近寄存器SAR、高精度比较器和控制逻辑外，还集成了时钟、4．096 V精密参考源和接口电路。
1．4 无线模块
    由于变电站、油气管道大多数处于比较偏远的地方，因此需要添加一个无线数据收发模块。这样工作人员可以在办公室通过远程数据收发来获取需要的数据，也可对电化学工作站进行调节，而不必要去现场收集数据和调节设备，这样一个工作人员就可以管理多台电化学工作站，大大减少了人力物力的投入。本工作站采用北科驿唐公司的高速3G EV-DO路由器MR-900E，它同时具有网口和串口。网口传输视频的同时串口也可以同时传输现场其他设备的数据，既节省了设备费用又降低了维护运营成本。
1．5 数据通讯
    测量装置需要把测量和采样的数据返回给上位机进行数据保存，供工作人员日后查询及分析；同时上位机要发送控制参数调节设备工作状态。因此通讯功能也是必不可少的一部分。目前PC机大多带有RS232通信口，所以选择RS232作为测量装置所必须具备的基本通信协议。
2 软件设计
    根据设计的硬件，结合所有功能模块的工作流程，对系统的软件进行设计。在下位机部分需要结合硬件电路来设计程序；在上位机部分则可以忽略硬件部分，而只考虑传输数据和指令的格式。
2．1 下位机软件
    程序现对各个变量赋初始值，初始化串口，接着判断接收标志位，如果RCV_flag=1，说明一组数据接收完毕，可以进行后缘处理，否则说明接收未完，继续等待接收。接收完毕后，根据第一个数切换继电器，根据第2个数对模拟开关进行控制，将设备调节为相应功能状态。根据后面的几个数，对输出信号类型、幅值、频率的参数进行设置。设置完成后，启动模数转换，对需要测量的信号进行采集，并通过串口发送到上位机。

2．2 上位机软件
    上位机软件采用C++ Builder完成。C++ Builder是由Borland公司继Delphi之后又推出的一款高性能可视化集成开发工具。C++ Builder具有快速的可视化开发环境，只要把控件拖到窗体上定义它的属性，设置某外观，即可快速建立应用程序界面；C++ Builder具有一个专业C++开发环境所能提供的全部功能，实现了可视化编程环境和功能强大的编程语言的完美结合。同时上位机软件还可以根据测得的数据画出曲线，这样可以直观地看到电化学反应中参数的变化趋势。

3 基本功能
3．1 恒电位功能
    在三电极体系中，即便从开始就把相对于参比电极的研究电极电位设定为某值，但由于随着电极反应的进行，电极表面反应物浓度不断减小，生成物浓度不断增加，电极电位将偏离初始设定电位。所以为使设定的电位保持一定，就应随着研究电极和参比电极之间的电位变化，不断地调节施加于两电极之间的电压。可是这样的操作在很短的时间内是不能做到的，只能借助恒电位仪来实现。恒电位仪是电化学研究工作中的重要仪器，它可以用于控制电极电位为指定值，从而达到恒电位极化和研究恒电位暂态等目的，配以信号发生器后，可以使电极电位自动跟踪信号发生器给出的指令信号而变化。
3．2 恒电流功能
    当运行在恒电流功能时，电化学工作站的恒电流模块控制流过工作电极和辅助电极间的电流等于给定的电流值，而且电解池中等效电阻的变化也不会影响电流，同时测量工作电极相对于参比电极的电位值并保存。
3．3 导体电阻测量
    对于电阻测量，常用的是万用表，它使用方便并且便于移动。但是万用表测量的电阻阻值较大，对于小阻值的电阻如导体，阻值一般是mΩ级，普通万用表就无能为力。若要获得导体电阻值的变化，万用表则无法测出。工作站选用导体降压法来测导体电阻。

    采用图3所示方法进行测量，给被测导体接通一个恒定电流，电流值稍大，如1A，然后用微电压测量仪测量导体上的压降。根据欧姆定律R=U／I，就可以算出导体电阻。通过的电流较大是希望导体压降更大，便于微电压测量仪测量，减小误差。
3．4 阴极保护
    在输油管道、变电站等场合，金属的腐蚀问题会导致严重事故，这就需要对管道、接地导体进行保护和监测，对腐蚀严重的设备提前维护和更换，避免造成重大损失。工作站在强制电流阴极保护技术的基础上进行了改进，提出“动态恒流法”，使得阴极保护效果更好。首先用恒电位仪给被保护金属加一个直流电，使被保护金属的腐蚀失电子与外加电流的电子处于相对平衡状态，对其进行保护。同时实时监测接地导体的电阻变化情况，当电阻值增大时，调节给定保护电流值使保护达到一个新的平衡状态。这样就可以最大程度地对其进行保护。同时根据其阻值的变化还可以得出腐蚀速率，预计使用年限，提前对接地导体进行更换，避免因接地不良而导致不安全事故。
    导体电阻阻值R=ρL／S，其中，ρ为电阻率；导线横截面积S=a×b；L为导线长度。若在土中埋放一段时间后，其高度变化量为δa，宽度变化量为δb，设电阻变化为δR。对电阻值求增量，得

    由式(3)可以看出，电阻值变化率和腐蚀速率的关系。这样就可以根据电阻的变化得知接地导体腐蚀情况。

4 结束语
    随着金属的广泛应用，金属腐蚀问题得到人们的关注。金属腐蚀的主要原因是电化学腐蚀，而研究电化学反应需要一个良好的电化学工作站。所设计的电化学工作站融合了智能控制、人机交互等技术，通过软硬件测试证明所设计的电化学工作站能够实现恒电位、恒电流、导体电阻测量、阴极保护和远程监控等功能。