基于LabVIEW和51單片機(jī)的中和滴定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左曉念 常峰 李健 王帆

摘 要：該文介紹了一種中和滴定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，使用51單片機(jī)、蠕動泵和pH傳感器搭建下位機(jī)，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)軟件LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)，通過串口和下位機(jī)相連。該系統(tǒng)性價(jià)比高，控制精確，可以直觀的反映中和滴定過程中pH的變化和pH突變等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù) ?LabVIEW ?51單片機(jī) ?中和滴定 ?pH值

中圖分類號：TP368 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0017-03

中和反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是：一種液體中的自由H+離子和另一種液體中的自由OH-離子結(jié)合生成水分子（H2O）和鹽的過程，所以只要有酸堿參與了反應(yīng)就叫中和反應(yīng)。一般的中和反應(yīng)是沒有明顯的外觀現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確判斷是否進(jìn)行了中和反應(yīng)甚至完全中和反應(yīng)。傳統(tǒng)的檢測酸堿發(fā)生了中和反應(yīng)的方法有：通過指示劑觀察液體顏色變化法、pH試紙檢測法、根據(jù)熱量變化探測溫度法，但是這些方法都存在人為的觀察誤差和操作誤差。

通過現(xiàn)代電子技術(shù)可以幫助人們達(dá)到精確的定量滴定、精確的控制完全中和反應(yīng)、準(zhǔn)確的顯示中和反應(yīng)變化過程的目的，使中和反應(yīng)現(xiàn)象的檢測異于傳統(tǒng)方法，具有更形象、更精確、更易于理解的特點(diǎn)。

該文介紹了以LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，以STC89C52RC單片機(jī)最為下位機(jī)控制核心，采集pH傳感器的值和控制蠕動泵，上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口的通信模式和下位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)pH曲線的實(shí)時(shí)繪制顯示。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，以E-201-C型pH復(fù)合電極作為滴定溶液pH值的檢測裝置，以S100-2B+TH10B型蠕動泵作為滴定控制裝置，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2 pH復(fù)合電極

該系統(tǒng)使用的是上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司的E-201-C型pH復(fù)合電極，該電極是將pH指示電極和參比電極組合在一起的電極，采用塑殼外殼材料，可以檢測0～14的pH值范圍，精度達(dá)到0.01 pH，在5～60度工作環(huán)境下工作。

使用該電極之前，必須對電極進(jìn)行校正，以確定電極斜率。通常采用這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行標(biāo)定校正：pH4.00、pH6.86、pH9.18。經(jīng)測試，在3個(gè)不同溶液下檢測電極輸出電壓經(jīng)放大電路后的值分別是3.58 V、3.07 V、2.69 V。

忽略pH復(fù)合電極的非線性，可以設(shè)溶液pH值為y，電極輸出電壓為x，得出公式（1）：

y=kx+a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中k為線性系數(shù)，即電極斜率，a為公式常數(shù)項(xiàng)。將表1的值帶入公式（1），可得k=-5.82，a=24.73，即得公式（2）。

（2）

電極輸出電壓為mV級，需經(jīng)放大電路后接入到ADC0809輸入端，ADC0809輸出數(shù)字信號至單片機(jī)，這個(gè)數(shù)字信號值就是公式（2）的x值，單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)公式（2）的計(jì)算得到最終的pH值。

1.3 蠕動泵

采用保定思諾流體科技有限公司的S100-2B+TH10B型蠕動泵進(jìn)行滴定流量控制，該蠕動泵內(nèi)嵌內(nèi)徑1 mm的軟管，泵頭滾輪數(shù)為8，流量控制精度可達(dá)0.44～4.22 mL/min，可以使用外部電壓（0～5 V或0～10 V）、外部電流（4～20 mA）及外部脈沖波（0～10 KHz）對蠕動泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，流速控制檔為10檔，如表1所示。該系統(tǒng)使用外部脈沖波作為調(diào)速信號。

使用單片機(jī)的定時(shí)器0為蠕動泵提供脈沖波，定時(shí)器0采用方式1，方式1為16位計(jì)數(shù)器，其定時(shí)計(jì)算公式如下[1]：

定時(shí)時(shí)間=（216-定時(shí)初值）×振蕩周期×12 ? ? （3）

由公式（3）可以計(jì)算得到定時(shí)初值與轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，可以通過按鍵來調(diào)整定時(shí)初值，實(shí)現(xiàn)不同頻率脈沖波輸出，從而改變?nèi)鋭颖玫霓D(zhuǎn)速。

1.4 硬件電路

系統(tǒng)采用12 MHz晶振，單片機(jī)ALE輸出端經(jīng)CD4040四分頻后得到500 KHz信號，此信號為ADC0809提供工作頻率，單片機(jī)P3.5啟動A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約100 us，轉(zhuǎn)換結(jié)束后ADC0809的EOC端給單片機(jī)一個(gè)高電平，然后單片機(jī)P3.7給ADC0809輸出使能端高電平，此時(shí)ADC0809的D7-D0輸出有效輸出數(shù)字量，接單片機(jī)P1.7-P1.0口[2]。單片機(jī)P2.2輸出脈沖波控制蠕動泵轉(zhuǎn)動。

單片機(jī)通過串口P3.0和P3.1向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，管腳電平為TTL，計(jì)算機(jī)也提供了多種串口接口，如RS-232、RJ45、USB串口等，他們有著不同的通信協(xié)議和傳輸方式，電氣特性也和單片機(jī)的不同[3]。如果計(jì)算機(jī)有9針引腳 （DB-9） 的RS-232 接口，那么單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間需要一款MAX232芯片把單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)端的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平?，F(xiàn)階段許多計(jì)算機(jī)尤其是筆記本都沒有標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口，但是都有USB接口。使用PL2303HX芯片可以把USB接口虛擬成一個(gè)串口，然后直接和單片機(jī)相連，其USB轉(zhuǎn)串口電路[4]。

2 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW為美國國家儀器公司開發(fā)的一款虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，采用G語言（圖形化）編程方式，內(nèi)置豐富的各類功能函數(shù)及硬件接口驅(qū)動。該系統(tǒng)使用串口通信方式，安裝了LabVIEW軟件之后還需檢查是否安裝NI公司的NI-VISA runtime程序包，可以在NI官網(wǎng)上下載安裝。NI-VISA runtime提供了程序訪問外部接口的函數(shù)體系。

程序一開始使用“VISA配置串口”函數(shù)配置4800波特率、串口名稱、停止位等，這些配置參數(shù)需和單片機(jī)里設(shè)置的串口通信參數(shù)一致。之后連接兩幀順序結(jié)構(gòu)，延遲100 ms讓“VISA配置串口”函數(shù)有足夠的時(shí)間來配置上述參數(shù)，使用“VISA清空I/O緩沖區(qū)”函數(shù)清除掉緩沖區(qū)的信息，最后讀取串口數(shù)據(jù)。

使用一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)串口信息的連續(xù)讀取。使用“Bytes at Port”這個(gè)串口的屬性節(jié)點(diǎn)是為了實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)中有多少個(gè)字節(jié)就讀回多少個(gè)，不會讓程序出現(xiàn)等待或者“Time out”的錯(cuò)誤?！癡ISA讀取”函數(shù)讀取的是字符串格式，通過“字符串掃描值”函數(shù)將字符串格式轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，再通過“數(shù)組插入”函數(shù)和移位寄存器實(shí)時(shí)得到新的數(shù)組并在前面板以曲線方式顯示出來。

3 系統(tǒng)測試

圖2為常溫25度下，用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液滴定20 mL的0.1 mol/L鹽酸溶液時(shí)pH值變化情況，可以看出游標(biāo)0到游標(biāo)1這兩次連續(xù)滴定時(shí)，pH=3.86到pH=9.54之間pH值由3.86突躍到了9.54。

圖3為常溫25度下，用0.1 mol/L鹽酸滴定20 mL的 0.1 mol/L碳酸鈉時(shí)pH值變化情況，可以看出在游標(biāo)0和游標(biāo)1兩處發(fā)生了兩次突躍，這也真實(shí)的反映了將鹽酸滴定到碳酸鈉溶液中，反應(yīng)是分步進(jìn)行的：第一步碳酸根離子與氫離子反應(yīng)生成碳酸氫根離子;第二步碳酸氫根離子和氫離子反應(yīng)生成二氧化碳和水。通過曲線游標(biāo)0和游標(biāo)1處還可以得出此反應(yīng)兩次消耗鹽酸體積的定量比例為1：1[5]。

4 結(jié)語

通過該系統(tǒng)檢測中和滴定過程中的pH變化情況，減少了人為操作中的誤差，簡化了繪制曲線的工作，真實(shí)、直觀的反映了中和滴定過程中反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和定量的關(guān)系?；贚abVIEW虛擬儀器技術(shù)平臺，不僅能實(shí)時(shí)顯示pH變化過程，還可以方便的將數(shù)據(jù)存儲下來，整個(gè)系統(tǒng)成本低，操作簡單，數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、及時(shí)、精確。

參考文獻(xiàn)

[1] 周國運(yùn).單片機(jī)原理及應(yīng)用教程（C語言版）[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[2] 李俊.基于LABVIEW結(jié)合MCS-51單片機(jī)扭矩傳感器數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（5）：172-173.

[3] 史邇冬，李清棟，周雪莉.基于USB接口的51單片機(jī)與PC機(jī)通信的方法[J].大眾科技，2008（11）：55-56.

[4] 文治洪，胡文東，李曉京，等.基于PL2303的USB 接口設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010（1）：32-34.

[5] 魏銳，包明，王磊，等.利用pH傳感器研究中和反應(yīng)過程中pH的突變[J].化學(xué)教育，2007，28（4）：59-61.