實(shí)用電化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測分析系統(tǒng)設(shè)計

鄭卓雅，楊宇欣，李一凡，周志華，孫國峰，李健

(樂山師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院，四川樂山，614000)

0 引言

在我國現(xiàn)行初、高中和大學(xué)普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在做原電池反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時，只是單純地靠傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和方法進(jìn)行教學(xué)演示、分析等一般性探究（如只靠觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)，就說明產(chǎn)生了電流），存在無法將抽象的化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的探究過程表現(xiàn)出來，不能準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)條件問題，如：實(shí)驗(yàn)過程中的濃度、溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)速率等。進(jìn)而，也不能實(shí)時跟蹤測量反應(yīng)過程中，容器內(nèi)生成新化合物前后變化現(xiàn)象，教學(xué)上需要檢測的數(shù)據(jù)，以及變化終極物質(zhì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測量等突出問題。引導(dǎo)學(xué)生從電子轉(zhuǎn)移角度理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，以及這種轉(zhuǎn)化的綜合利用價值。

1 總體設(shè)計

針對上訴突出的教學(xué)問題，課題組成員在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行了深入的理論分析和技術(shù)創(chuàng)新的研究。本研究項(xiàng)目將物理化學(xué)、物理學(xué)、電子信息工程等專業(yè)理論與實(shí)踐技能相結(jié)合，利用電子信息工程、材料科學(xué)與工程、化學(xué)等三大專業(yè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)硬件與軟件測試分析儀器和購買元件，設(shè)計原電池反應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)檢測可視、可控的硬件電路系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如PH值、電流、壓強(qiáng)、溫度、壓強(qiáng)，可以通過該系統(tǒng)，直觀清晰地以曲線的方式顯示出來，同時具體同步測量數(shù)值也可導(dǎo)出，這一點(diǎn)體現(xiàn)了該設(shè)計的強(qiáng)細(xì)節(jié)性；采用水泵并結(jié)合控制系統(tǒng)可任意改變電解液的流速，體現(xiàn)了該設(shè)計的強(qiáng)靈活性；采用透明儀器可清晰觀察到兩電極表面生成的附著物，體現(xiàn)了該設(shè)計的合理性。該項(xiàng)目重點(diǎn)研究實(shí)時快速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集與高精確度檢測分析，擬采用現(xiàn)代電子通信、單片機(jī)、應(yīng)用電子、自動控制技術(shù)與原電池測量技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計理念，設(shè)計研究能直接應(yīng)用于初高中電化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示和分組中氧化還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢測硬件電路系統(tǒng)，其創(chuàng)新研制的檢測系統(tǒng)電路設(shè)計原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計

所述原電池反應(yīng)的自動檢測教學(xué)裝置為分體式裝置，包括反應(yīng)裝置，反應(yīng)裝置固定器和自動檢測裝置。所述反應(yīng)裝置為一個定制密閉高耐熱玻璃材料的五頸燒瓶玻璃器皿，玻璃器皿上設(shè)置有五個開口，所述開口為磨砂開口，開口中有瓶塞，中間瓶塞連接有蠕動管，化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)通過蠕動管流入瓶內(nèi)，兩邊瓶塞上安裝有各個電子傳感器，所述電子傳感器包括探頭組，探頭組包括壓強(qiáng)檢測探頭、

酸堿度檢測探頭和溫度檢測探頭，另外兩邊瓶塞用于安插電解物質(zhì)。電解物質(zhì)通過導(dǎo)線與自動檢測裝置連接。所述自動檢測裝置包括電子傳感器、電子轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、CPU控制器和顯示器，電子傳感器與電子轉(zhuǎn)換器連接，電子轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器與CPU控制器連接，CPU控制器與顯示器連接。

圖1 原電池反應(yīng)自動檢測系統(tǒng)工作原理設(shè)計框圖

力求便于輸送與放置實(shí)驗(yàn)中所需的溶液、溶質(zhì)、溶劑等物質(zhì)、不影響師生對原電池反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、對相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集電子傳感器器件介入固定、實(shí)驗(yàn)中的觀察和實(shí)驗(yàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集信息處理的傳輸與相關(guān)接口電路的安裝等要求，還能應(yīng)使用者需求任意更換不同的原電池反應(yīng)實(shí)驗(yàn)電解質(zhì)材料。該裝置攜帶方便，節(jié)省空間，易于安置；裝置結(jié)構(gòu)簡單，對儀器設(shè)備要求低，操作簡單，流程短，能全程控制；利用CPU控制器自動控制反應(yīng)速率，利用串口連接模塊進(jìn)行實(shí)時檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)信息能直觀顯示。

2.2 原電池反應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)時檢測裝置設(shè)計原理簡要分析

根據(jù)現(xiàn)高中教材中對原電池反應(yīng)實(shí)驗(yàn)基本原理，我們認(rèn)為目前中學(xué)化學(xué)教學(xué)中演示或分組進(jìn)行一種金屬（如鎂、鋁、鋅、鐵……）與另一種金屬或非金屬（銅、碳）實(shí)驗(yàn)觀察和探究時，其實(shí)驗(yàn)的基本要求可以表述為如下化學(xué)反應(yīng)方程式，以鋅銅原電池為例：

其中負(fù)極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)，正極上發(fā)生的是還原反應(yīng)，反應(yīng)主要化學(xué)變量：壓強(qiáng)、PH、溫度、濃度。

2.3 硬件模塊設(shè)計

本系統(tǒng)包含四個硬件模塊：電源模塊、檢測模塊、顯示模塊、電動泵模塊。電源模塊提供電源；檢測模塊包括pH電極傳感器模塊、氣壓檢測模塊、紅外測溫模塊；顯示模塊包括OLED液晶顯示和電腦顯示模塊，其作用是顯示實(shí)時數(shù)據(jù)；電動泵模塊作用是控制滴定速度。硬件系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。其系統(tǒng)各電路功能模塊的設(shè)計如下。

2.3.1 pH復(fù)合電極傳感器模塊

（1）pH復(fù)合電極簡介

PH復(fù)合電極是PH玻璃電極和參比電極組合在一起的電極，不易損壞，使用方便。內(nèi)參比電極與插頭頂部相連接，為負(fù)極，引出電極電位；參比電極與插頭的根部連接，為正極，作用是提供與保持一個固定的參比電勢。

圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)復(fù)合電極插入溶液時，玻璃球旁的素瓷芯起鹽橋作用，將待測試液和參比電極的飽和KCl溶液溝通，電極內(nèi)部的內(nèi)參比電極通過玻璃球與待測試液接觸。玻璃膜外側(cè)與待測液的相界面發(fā)生離子交換，有H+進(jìn)出；同樣，玻璃膜內(nèi)側(cè)與膜內(nèi)裝0.1mol/L HCl溶液的相界面上也要發(fā)生離子交換，也有H+進(jìn)出。由于玻璃膜兩側(cè)溶液中H+濃度的差異，以及玻璃膜水化凝膠層內(nèi)離子擴(kuò)散的影響，就逐漸在膜外側(cè)和膜內(nèi)側(cè)兩個相界面之間建立起一個相對穩(wěn)定的電勢差，此電勢差只取決于膜外測PH溶液中H+濃度。

（2）主要功能

用于檢測原電池反應(yīng)過程中溶液酸堿度變化。

圖3 PH復(fù)合電極結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 氣體壓力檢測模塊

（1）氣體壓力模塊簡介

BOSCH BMP180氣壓傳感器模塊，該模塊板載BMP180芯片，該芯片的特點(diǎn)具有高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，支持IIC通信協(xié)議，模塊可以測試大氣氣溫和大氣壓強(qiáng)，支持5V/3.3V電壓輸入，而且模塊的常用的引腳如電源，信號線已經(jīng)引出，插針為標(biāo)準(zhǔn)2.54mm，通過單片機(jī)通訊獲得該模塊提供非常精確的壓力和海拔高度數(shù)據(jù)。

（2）功能

用于對化學(xué)反應(yīng)生成的氣體的大氣壓強(qiáng)進(jìn)行檢測

2.3.3 紅外測溫模塊

（1）紅外線測溫模塊簡介

MLX90614-DCI紅外測溫模塊使用內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓模塊供電3-5v；通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)IIC通信協(xié)議；尺寸是11.5*16.5mm；該模塊的特點(diǎn)是體積小，成本低；當(dāng)由0到+50℃溫度范圍內(nèi)，精度可達(dá)到0.5℃；且電源電壓可從 8…16V調(diào)節(jié)；高精度無接觸測量，根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，一般可用于工業(yè)移動元件溫度控制，多區(qū)域溫度控制，家電溫度控制等等，應(yīng)用廣泛。

（2）功能

用于檢測化學(xué)反應(yīng)過程中溫度的變化

2.3.4 顯示模塊

（1）0.96寸OLED模塊簡介

該模塊通訊方式采用IIC通訊，操作簡單；具有高分辨率，為128*64，且屏幕的單位面積像素點(diǎn)多；功耗低，正常顯示的時候功耗為0.06W；采用寬電壓供電，供電范圍是直流3.3V到5V；且體積小，亮度、對比度都可以通過程序指令控制；該使用壽命長，一般不少于16000個小時；屏幕內(nèi)部的驅(qū)動芯片采用的是SSD1306。

（2）電腦顯示模塊簡介

使用LABVIEW軟件，編程出上位機(jī)，使用串口和單片機(jī)通訊，單片機(jī)串口發(fā)送檢測的各個數(shù)據(jù)到LABVIEW上位機(jī)上，然后在上位機(jī)上顯示各個數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的變化曲線，且上位機(jī)對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲成文檔保存。

（3）功能

用于顯示化學(xué)反應(yīng)過程中檢測的各個參數(shù)。

2.3.5 蠕動泵模塊

（1）長壽型385水泵簡介

使用385水泵，小型的滴水裝置，內(nèi)嵌內(nèi)徑3*5mm的硅膠管和過濾網(wǎng)，流量控制精度高，使用外部電壓（6V或12V）供電，驅(qū)動電流低于1A，及通過外部脈沖波（0-10KHz）對滴水裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，流速控制檔為10檔，如表1所示。本系統(tǒng)使用外部脈沖波作為調(diào)速信號。

表1 385水泵流速與外部脈沖PWM占空比對照表

3 軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

圖4 軟件流程圖

3.2 各模塊設(shè)計

3.2.1 pH復(fù)合電極傳感器模塊獲得函數(shù)

3.2.2 紅外控溫模塊獲得函數(shù)

3.2.3 蠕動泵模塊控制函數(shù)

3.2.4 氣壓傳感器模塊控制函數(shù)

3.2.5 串口示波器顯示函數(shù)

3.2.6 溫度氣壓顯示函數(shù)

3.2.7 PH值顯示，電流顯示和蠕動泵流速顯示函數(shù)

3.2.8 總函數(shù)

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 原電池實(shí)驗(yàn)自動檢測控制裝置圖

圖5 主板裝置圖

（1）首先檢查系統(tǒng)主板電源開關(guān)是否處于關(guān)閉狀態(tài)，再仔細(xì)觀察各個數(shù)據(jù)采集器的輸入/輸出聯(lián)接電纜和化學(xué)電解材料與導(dǎo)線是否接觸良好，最后將電源插頭插入單相AC 220V 50Hz裝有接地保護(hù)線的電源插座上，打開系統(tǒng)檢測電源按鈕（左開右關(guān)）。若如無異常現(xiàn)象，則說明系統(tǒng)處于正常待檢測狀態(tài)，可使用。

（2）準(zhǔn)備好PH=6.86的磷酸緩沖液，PH=4.00的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖液和濃鹽酸備用。

（3）打開系統(tǒng)開關(guān)，待顯示屏穩(wěn)定后，取出PH復(fù)合電極準(zhǔn)備校正，將其放入PH=6.86的磷酸緩沖液中，震蕩懸搖一會兒后靜止，觀察顯示屏上PH 值，若不是6.86，則校正。用蒸餾水清洗復(fù)合電極的玻璃小球，并用紙巾擦干，放入PH=4.00的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖液中再次校正。

（4）校正完畢，沖洗小球并安裝完各個橡膠塞后，即可開始試驗(yàn)。

圖7 緩沖液

4.2 各模塊調(diào)試結(jié)果

表2 各項(xiàng)指標(biāo)反應(yīng)前后變化表

4.3 顯示界面

(1)OLED顯示屏

pH值 (校正)：4.029；6.86

PH值（測試）：

圖8 PH校正圖

圖9 PH校正圖

氣壓值為（pressure）：96.947

溫度（temp）：21.40

圖10 鋅銅原電池溫度壓強(qiáng)測試圖

圖11 鋅銅原電池PH測試圖wendu

圖12 鋅銅原電池反應(yīng)上位機(jī)顯示結(jié)果圖

(2)串口示波器的顯示

溫度（白色曲線）：基本保持不變；

PH（綠色曲線）：逐漸增大；

氣壓（紅色曲線）：基本保持不變，氣壓值不變；電流（藍(lán)色曲線）：先增大后平穩(wěn)地減小 ；

5 系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

5.1 鋅銅與濃鹽酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集

正極：銅Cu 正極（Cu）： 2H＋＋2e-＝H2+↑（還原）

負(fù)極 ：鋅 Zn 負(fù)極（Zn）： Zn － 2e-＝ Zn2＋（氧化）

電解液：濃鹽酸 總反應(yīng) ： Zn2＋＋2H＋=Zn2+＋H2+↑

圖13 PH隨反應(yīng)時間變化記錄表

5.2 鐵銅與濃鹽酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集

正極：銅Cu 正極（Cu）： 2H＋＋2e-＝H2+↑（還原）

負(fù)極：鐵Fe 負(fù)極（Fe）：Fe－2e-＝Fe2+（氧化）

電解液：濃鹽酸 總反應(yīng) ：Fe 2＋＋2H＋=Fe2+＋H2+↑

圖14 電流隨反應(yīng)時間變化記錄

圖15 壓強(qiáng)隨反應(yīng)時間變化記錄

上述實(shí)驗(yàn)完成說明該系統(tǒng)可以正常工作，其實(shí)驗(yàn)裝置可以對反應(yīng)過程中有關(guān)數(shù)據(jù)變化信號進(jìn)行實(shí)時采集，并且該裝置應(yīng)用于多種原電池反應(yīng)裝置均能適用。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用價值，能夠解決學(xué)生單純地靠傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和方法進(jìn)行教學(xué)演示、分析等一般性探究（如只靠觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)，就說明產(chǎn)生了電流），能夠?qū)⒊橄蟮幕瘜W(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的探究過程表現(xiàn)出來，能夠準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)條件問題，如：實(shí)驗(yàn)過程中的濃度、溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)速率等。同時能實(shí)時跟蹤測量反應(yīng)過程中，容器內(nèi)生成新化合物前后變化現(xiàn)象，教學(xué)上需要檢測的數(shù)據(jù)，以及變化終極物質(zhì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測量等突出問題。引導(dǎo)學(xué)生從電子轉(zhuǎn)移角度理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，以及這種轉(zhuǎn)化的綜合利用價值。所采用的研究視角、設(shè)計理念與研究成果，能推廣應(yīng)用于電解與原電池實(shí)驗(yàn)檢測類型相似的其它同類型電化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)的研究之中為后續(xù)進(jìn)一步推動同類型化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)的科學(xué)化、智能化的教學(xué)改革奠定良好地理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。采用的新型化學(xué)物質(zhì)變化類型的檢測傳感器、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、單片機(jī)系統(tǒng)自動控制器相結(jié)合的電路設(shè)計方案，使檢測系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)定性觀察與定量分析相結(jié)合、數(shù)據(jù)采集處理與現(xiàn)象顯示同步檢測的功能，對學(xué)生理解電解反應(yīng)現(xiàn)象理論，提高教學(xué)質(zhì)量能起到促進(jìn)作用。