基于C8051F320的PH測(cè)量?jī)x的研究

楊文隆

摘要：研究并設(shè)計(jì)了一種高精度酸堿度（PH）測(cè)量?jī)x，詳細(xì)描述了其硬件組成和軟件實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)H測(cè)量?jī)x硬件組成是以低功耗單片機(jī)C8051F320和PH指示電極傳感器為核心器件，包括USB通信、數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和輸出顯示等硬件模塊。軟件程序分為上位機(jī)和下位機(jī)程序，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用KEIL 51和VC++6.0編程，主要完成PH測(cè)量的溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、傳輸?shù)裙δ堋?shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)量?jī)x具有操作簡(jiǎn)單、精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：C8051F320；酸堿度；PH溫度補(bǔ)償；PH測(cè)量?jī)x

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）02-0219-03

Abstract： High precise pH value measurement meter is depicted， and the detail description of hardware architecture and software implementation is made. The hardware system mainly consists of the microcontroller C8051F320， pH electrode sensor， USB communication module， data acquisition module， historical data storage module and output display module. The software program is divided into PC program and lower computer program， mainly implements the software temperature compensation， and data acquisition， storage， display， transmission， with modular structure design and KEIL 51 and VC++6.0 programming software utilized. The experiment results show that the detector is characterized by easy operation， high precision and stable performances.

Key words：C8051F320； pH； pH temperature compensation； pH detector

pH值是溶液中氫離子的總數(shù)和總物質(zhì)的量之比，它對(duì)溶液的性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速率以及微生物的新陳代謝等均有很大影響。尤其是在石油化工、食品、水處理及環(huán)境保護(hù)等行業(yè)中，水質(zhì)分析和水質(zhì)監(jiān)督工作與設(shè)備安全、可靠運(yùn)行和人員健康的聯(lián)系愈加密切。在測(cè)量pH值過(guò)程中，其測(cè)量精度受許多外界因素影響，其中水樣的溫度變化、電極的老化以及測(cè)量?jī)x本身電路的穩(wěn)定性都會(huì)給測(cè)量結(jié)果引入誤差。通常，針對(duì)被測(cè)液體的溫度檢測(cè)和溫度補(bǔ)償是提高pH測(cè)量?jī)x精度的重要手段。

目前，最常用的pH測(cè)量方法有試紙分析法、化學(xué)分析法和電位分析法。但試紙分析法和化學(xué)分析法無(wú)法滿足自動(dòng)化測(cè)量的需求，采集的數(shù)據(jù)只能手工記錄。雖然國(guó)內(nèi)外的許多文獻(xiàn)介紹了基于電位分析法的自動(dòng)化pH測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)，但如何在保證精度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)低功耗、功能全面以及自動(dòng)化程度高的pH測(cè)量?jī)x仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

文中設(shè)計(jì)的pH測(cè)量?jī)x采用pH電極對(duì)水樣酸堿度進(jìn)行測(cè)量，將化學(xué)參量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器組成的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大，之后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量最后送到主控制器進(jìn)行處理。主控制器采用自帶USB通信模塊的C8051F320單片機(jī)，將數(shù)字電壓信號(hào)換算成pH值，然后根據(jù)水樣溫度對(duì)pH測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，再將測(cè)量的pH值進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和傳輸。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的pH測(cè)量?jī)x具有良好的溫度補(bǔ)償特性，并且可通過(guò)目前最流行的USB通信接口實(shí)現(xiàn)快速通信。

1 理論分析

2 pH測(cè)量?jī)x硬件電路

2.1總體結(jié)構(gòu)

測(cè)量?jī)x以單片機(jī)C8051F320為主控制器，與外圍硬件電路配合來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。溫度的采集通過(guò)PT100傳感器實(shí)現(xiàn)，pH值的采集則通過(guò)pH電極傳感器實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了USB通信接口、鍵盤(pán)輸入功能以及液晶輸出顯示功能，測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用WINBOND公司的W25X80 Flash存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，CPU還配以時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等。pH傳感器輸出電壓范圍為-420mV-420mV，模擬調(diào)理電路將該電壓放大之后調(diào)理到0.7V-3.3V，符合單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)被采樣電壓范圍為0V-3.3V的要求。Flash存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)的pH數(shù)據(jù)，方便將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端。USB接口用于與計(jì)算機(jī)的通信，便于實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)采集和數(shù)據(jù)集中管理。

2.2 PT100測(cè)溫電路

溶液溫度的精確測(cè)量直接關(guān)系到pH測(cè)量?jī)x的精確性。PT100是一種精度高、性能穩(wěn)定并且測(cè)量范圍寬的溫度傳感器。圖1為PT100測(cè)溫電路原理圖，PT100采用恒流源式接法。圖1中TL431是可控精密穩(wěn)壓源，由它組成的高精度恒流源電路為PT100提供1mA電流，調(diào)整R3阻值以調(diào)整電流大小。圖1中PT100采用四線制接法，這種接法隔離了PT100的激勵(lì)端和測(cè)量端，比較適合恒流源式電路。PT100兩端電壓由圖1中單運(yùn)放差分放大電路進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為10倍，測(cè)溫范圍最高可達(dá)600℃。

圖1電路可以得到PT100的電阻值，由于其電阻值與溫度呈非線性關(guān)系，如果直接求解，計(jì)算難度較大。因此在這里采用的是查表法來(lái)計(jì)算溫度。查表法就是通過(guò)PT100的分度表來(lái)查詢阻值所對(duì)應(yīng)的溫度。

2.3 pH電極模擬調(diào)理電路

pH傳感器是電壓信號(hào)輸出，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)pH值傳感器的測(cè)量電極具有極高的內(nèi)部電阻，容易在電極間產(chǎn)生微小的化學(xué)電壓，同時(shí)受外界擾動(dòng)較大，因此采用圖2所示差分的方式將信號(hào)輸入到放大器進(jìn)行放大。圖2中的放大器采用ADI公司的AD8663運(yùn)算放大器，AD8663是ADI公司生產(chǎn)的專門(mén)用于pH/ORP儀表的傳感器前端使用的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，其具有軌到軌輸出、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓以及低電流噪聲等特性。計(jì)算公式如式（4）所示：

2.4 USB接口電路

USB通信功能是由C8051F320單片機(jī)自帶的USB通信模塊實(shí)現(xiàn)。在設(shè)備端電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)USB插座引腳必須對(duì)應(yīng)連接，否則將直接影響到與主機(jī)端的通信。USB插座分為A型和B型，在這里采用的是B型插座。

由于USB總線的供電量只適合于小功率模塊的供電，最大也只有500mA，因此很難滿足整個(gè)模塊的安全供電，所以模塊選擇自供電方式。自供電連接方式為：將USB引腳對(duì)應(yīng)連接好后，F(xiàn)320的REGIN端口直接接5V電壓即可。由于USB收發(fā)器內(nèi)部集成了上拉電阻，因而不需要任何外部器件便可直接與USB接口相連。

2.5測(cè)量?jī)x軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，有較高的模塊化和良好的可移植性。軟件分為系統(tǒng)初始化、傳感器采集及數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、鍵盤(pán)終端和USB通信程序。傳感器采集包括PT100溫度數(shù)據(jù)采集和pH傳感器數(shù)據(jù)采集。

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后掃描按鍵，判斷“溫度補(bǔ)償”按鍵是否按下。按鍵按下后，系統(tǒng)利用二分法查表計(jì)算檢測(cè)到的PT100阻值所對(duì)應(yīng)的溫度，分度表存儲(chǔ)在Flash中，檢測(cè)范圍取在-20℃--100℃之間。待溫度檢測(cè)結(jié)束后，式3中所需要的溫度值T存儲(chǔ)在Flash中待用并且將溫度顯示在液晶屏上。如果pH檢測(cè)按鍵按下，系統(tǒng)每隔100微秒采樣一次，共采集1024次，之后計(jì)算它們的平均值作為溫度補(bǔ)償前的pH值。利用式3對(duì)pH值進(jìn)行補(bǔ)償之后將得到的pH值存儲(chǔ)在Flash中，并且顯示在液晶屏上。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，搭建好pH測(cè)量?jī)x系統(tǒng)，進(jìn)行綜合調(diào)試后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。待檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定后，檢測(cè)到的pH值保持在4.2，與實(shí)際溶液pH值相差0.1（實(shí)際溶液pH為4.3），并且上位機(jī)將每一次檢測(cè)的結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)access數(shù)據(jù)庫(kù)表中，待日后調(diào)用。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，總體誤差保持在0.2個(gè)pH單位之內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的pH測(cè)量?jī)x硬件采用高阻抗運(yùn)放和合理的差動(dòng)設(shè)計(jì)，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。檢測(cè)溫度時(shí)用二分法查表計(jì)算溫度，充分利用了PT100溫度與阻值的關(guān)系曲線在一小段區(qū)間內(nèi)滿足線性關(guān)系這一性質(zhì)，pH計(jì)算則利用溫度補(bǔ)償大大提高了檢測(cè)精度。

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