基于STC89C52單片機(jī)的p H值測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)?

林關(guān)成

基于STC89C52單片機(jī)的p H值測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)?

林關(guān)成

（渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院 渭南 714099）

針對(duì)pH值測(cè)量?jī)x測(cè)量精度低、電路復(fù)雜及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，為了提高pH值的測(cè)量精度，克服溶液的溫度變化、電極老化以及測(cè)量電路的穩(wěn)定性等因素帶來(lái)的誤差，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用pH傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)對(duì)pH電極的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換和處理，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償后通過(guò)LCD 1602字符型液晶顯示模塊輸出所測(cè)量的pH值。多次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：測(cè)量?jī)x能夠準(zhǔn)確地測(cè)量溶液的pH值，具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

STC89C52單片機(jī)；pH測(cè)量；標(biāo)定；溫度補(bǔ)償

AbstractIn order to increase the measuring accuracy of pH value，and overcome the errors from some factors，such as the temperature variation of solution，the ageing of electrode and the stability of measurement circuit etc.the pH measure instrument was designed based on STC89C52 microcontrollers aiming at the disadvantages of low accuracy，complex circuit and poor stability of the pH measuring instrument.It used the pH sensor，A/D converter and microcontrollers to acquire，convert and process the de?tection signal of pH electrode.Then it output the measured pH after temperature compensation using LCD 1602.The test results showed that the instrument can measure the pH value of the solutions accurately，it met the design requirements.The instrument had the advantages of high precision，low cost，good stability，simple circuit and convenient operation，and it had a promotion of val?ue in the applications.

Key WordsSTC89C52 microcontrollers，pH measurement，calibration，temperature compensation

Class NumberTN606

1 引言

在水質(zhì)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域中，對(duì)溶液pH值的監(jiān)測(cè)非常重要［1～2］。常用的測(cè)量方法主要有化學(xué)分析法、試紙分析法和電位分析法。溶液的溫度變化、電極老化以及測(cè)量電路的穩(wěn)定性等因素都會(huì)給pH值的測(cè)量精度帶來(lái)誤差［3～6］。因此，如何提高pH值測(cè)量精度、降低pH值測(cè)量?jī)x的生產(chǎn)成本是目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是pH值測(cè)量?jī)x未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［7～10］。

本設(shè)計(jì)采用電位分析法，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用pH傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)對(duì)pH電極的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換和處理，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償后輸出顯示所測(cè)量的pH值，提高測(cè)量精度［11～12］。

2 p H值測(cè)量?jī)x的總體方案設(shè)計(jì)

pH值是溶液中氫離子濃度的一種標(biāo)度，本設(shè)計(jì)采用電位分析法，通過(guò)測(cè)量電極系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成的電池電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量。根據(jù)Nernst方程，結(jié)合溶液的pH值表示式，被測(cè)溶液的pH值與輸出電動(dòng)勢(shì)成線性關(guān)系，并且pH值與輸出電動(dòng)勢(shì)間的斜率K受溫度影響。因此，通過(guò)同時(shí)測(cè)量原電池輸出電動(dòng)勢(shì)及溶液的溫度，可計(jì)算出被測(cè)溶液的pH值。

根據(jù)pH值的測(cè)量原理，利用插入溶液中的pH電極，將檢測(cè)到的pH信號(hào)傳送給pH傳感器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入單片機(jī)，同時(shí)結(jié)合軟件的設(shè)計(jì)完成溫度補(bǔ)償以提高測(cè)量精度。之后通過(guò)譯碼器和液晶屏顯示所測(cè)量溶液的pH值，其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 pH測(cè)量?jī)x系統(tǒng)總體框圖

3 p H值測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)pH值測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)方案，其硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、pH傳感器模塊、pH電極模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、液晶顯示模塊、溫度補(bǔ)償模塊和電源模塊組成，其中pH傳感器模塊、pH電極模塊和A/D轉(zhuǎn)換器模塊作為輸入部分，主要負(fù)責(zé)采集被測(cè)溶液的溫度信號(hào)，并且進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。單片機(jī)模塊作為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要核心，負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償和顯示。液晶顯示模塊作為輸出部分，負(fù)責(zé)將處理后的測(cè)量值以數(shù)字化的形式輸出。溫度補(bǔ)償模塊和電源模塊作為系統(tǒng)的輔助部分，分別完成信號(hào)的有效補(bǔ)償和系統(tǒng)電源提供。

3.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)中的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償和顯示等控制與處理功能。本設(shè)計(jì)使用的STC89C52單片機(jī)是一個(gè)8位的微處理器（CPU），其芯片共有40個(gè)引腳，4個(gè)8位并行I/O口和1個(gè)全雙工異步串行口以及2個(gè)16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器、2個(gè)優(yōu)先級(jí)和5個(gè)中斷源，存儲(chǔ)部分為128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和4KB的程序存儲(chǔ)器。

3.2 p H傳感器與電極模塊

pH傳感器也稱為pH探頭，是由參比電極和玻璃電極兩部分構(gòu)成，包含信號(hào)傳輸部分和化學(xué)部分，主要用于檢測(cè)被測(cè)溶液中的氫離子濃度，并且轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)，pH傳感器參數(shù)如表1所示。pH電極用于測(cè)量電極的電位值，其電位與特定的離子濃度有關(guān)，它一般與測(cè)量溶液相通，并且與測(cè)量?jī)x表相連［13～15］。本設(shè)計(jì)使用 E-201-C 可充式pH復(fù)合電極，其參數(shù)如表2所示。

表1 pH傳感器參數(shù)

表2 E-201-CPH復(fù)合電極參數(shù)

3.3 A/D轉(zhuǎn)換與液晶顯示模塊

A/D轉(zhuǎn)換器主要用于將pH傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為供單片機(jī)接收的數(shù)字信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的是由ADC0808芯片構(gòu)成的8位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，由通道選擇開關(guān)、地址鎖存與譯碼器以及比較器等組成，有延時(shí)、查詢和中斷等三種工作方式。液晶顯示模塊主要負(fù)責(zé)將測(cè)量值以數(shù)字化的形式直觀輸出，本設(shè)計(jì)采用LCD 1602字符型液晶顯示模塊，內(nèi)部含有128個(gè)字符的ASCII字符集，可分兩行顯示，每行顯示數(shù)字、字母和符號(hào)等16個(gè)字符，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V，接口為16個(gè)引腳的并行接口［16］。LCD1602和單片機(jī)的端口連接如圖2所示。

圖2 液晶顯示屏與單片機(jī)連接端口

4 p H值測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)

pH值測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序、標(biāo)定子程序和測(cè)量子程序三部分。系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化、顯示屏清零以及判別有沒(méi)有鍵被按下等功能。標(biāo)定子程序采用兩點(diǎn)標(biāo)定法進(jìn)行定標(biāo)，即先標(biāo)定不同的兩個(gè)點(diǎn)并分別存儲(chǔ)，然后依據(jù)兩點(diǎn)計(jì)算出準(zhǔn)確的斜率和電極電位。測(cè)量子程序根據(jù)標(biāo)定子程序計(jì)算出斜率和電極電位，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，計(jì)算被測(cè)溶液的pH值并輸出顯示。

4.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序首先要完成系統(tǒng)自檢，包括檢測(cè)指令系統(tǒng)中斷功能、檢測(cè)LED顯示器、檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換器和檢測(cè)放大電路等。其次將系統(tǒng)初始化，然后使顯示屏清零。接著判別有沒(méi)有鍵被按下，若沒(méi)有，則讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，調(diào)用測(cè)量子程序，計(jì)算并顯示被測(cè)溶液的pH值。

4.2 標(biāo)定子程序

為了克服殘留溶液對(duì)電極標(biāo)準(zhǔn)濃度的影響，需要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)采用兩點(diǎn)標(biāo)定法校準(zhǔn)。兩點(diǎn)標(biāo)定的過(guò)程為：分別準(zhǔn)備pH=7、pH=4和pH=10的三種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，首先選用pH=7的溶液來(lái)對(duì)電極定位，再依據(jù)待測(cè)溶液的酸堿度來(lái)決定選用第二種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液。如果待測(cè)溶液呈酸性，就選用pH=4的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液來(lái)對(duì)電極定位；如果待測(cè)溶液呈堿性，就選用pH=10的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液來(lái)對(duì)電極定位。即先標(biāo)定pH=7和pH=4（或pH=10）的兩個(gè)點(diǎn)P1和P2并分別先后存儲(chǔ)標(biāo)定點(diǎn)，然后依據(jù)兩點(diǎn)計(jì)算出測(cè)量所需要的電極電位E0和斜率K值，其流程如圖3所示。

4.3 測(cè)量子程序

圖3 標(biāo)定子程序流程圖

圖4 測(cè)量子程序流程圖

根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)P1點(diǎn)和P2點(diǎn)所計(jì)算出的電極電位E0和斜率K值，測(cè)量子程序首先讀取標(biāo)定值電位E0和斜率K，然后將結(jié)果進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，再依據(jù)輸入采集的溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并且修正斜率K值，最后根據(jù)Nernst方程以及溶液的pH值表示式，計(jì)算被測(cè)溶液的pH值，并通過(guò)液晶顯示屏輸出顯示所測(cè)量的pH值，其流程如圖4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 p H值測(cè)量?jī)x的功能測(cè)試及誤差分析

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)儀器的功能和可靠性，先將元器件按照PCB生成的布線圖擺放，并逐一焊接，經(jīng)校驗(yàn)無(wú)電氣錯(cuò)誤后通電并開始加載程序。通過(guò)keilμVision4軟件開發(fā)系統(tǒng)編譯程序生成.hex文件，利用STC-ICP軟件將程序燒錄進(jìn)系統(tǒng)后，加電初始化，觀察顯示屏結(jié)果，正常后即可開始測(cè)試工作。分別測(cè)試pH=7、pH=4和pH=10的三種不同溶液在三種不同溫度下的pH值，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。從表中可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)與真實(shí)值相差較小，測(cè)試結(jié)果正確，符合設(shè)計(jì)要求。同一濃度的溶液在不同溫度下測(cè)量的pH值不同，在允許的溫度范圍內(nèi)，溫度越高，所測(cè)pH值越大，誤差也越大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了pH值測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)方案，闡述了其硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件設(shè)計(jì)原理。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，測(cè)量?jī)x具有良好的溫度補(bǔ)償和標(biāo)定功能，實(shí)現(xiàn)了pH值的快速準(zhǔn)確采集與顯示及存儲(chǔ)，具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好、操作方便等特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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Design of p H M easure Instrument Based on STC89C52 M icrocontrollers

LIN Guancheng
（College of Network Security and Information，Weinan Normal University，Weinan 714099）

TN606

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.039

2017年3月11日，

2017年4月21日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：11574250）；陜西省軍民融合研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：17JMR23）；渭南市自然科學(xué)研究計(jì)劃基金項(xiàng)目（編號(hào)：2016KYJ-3-1）；渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃基金項(xiàng)目資助。

林關(guān)成，男，博士，副教授，研究方向：信號(hào)與信息處理。