基于C8051F320的PH測量儀的研究

楊文隆

摘要：研究并設計了一種高精度酸堿度（PH）測量儀，詳細描述了其硬件組成和軟件實現(xiàn)。該PH測量儀硬件組成是以低功耗單片機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)存儲和輸出顯示等硬件模塊。軟件程序分為上位機和下位機程序，采用模塊化結構設計，利用KEIL 51和VC++6.0編程，主要完成PH測量的溫度補償和數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、傳輸?shù)裙δ堋嶒灪蜏y試結果表明，該測量儀具有操作簡單、精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點。

關鍵詞：C8051F320；酸堿度；PH溫度補償；PH測量儀

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：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)和總物質的量之比，它對溶液的性質、化學反應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)境保護等行業(yè)中，水質分析和水質監(jiān)督工作與設備安全、可靠運行和人員健康的聯(lián)系愈加密切。在測量pH值過程中，其測量精度受許多外界因素影響，其中水樣的溫度變化、電極的老化以及測量儀本身電路的穩(wěn)定性都會給測量結果引入誤差。通常，針對被測液體的溫度檢測和溫度補償是提高pH測量儀精度的重要手段。

目前，最常用的pH測量方法有試紙分析法、化學分析法和電位分析法。但試紙分析法和化學分析法無法滿足自動化測量的需求，采集的數(shù)據(jù)只能手工記錄。雖然國內外的許多文獻介紹了基于電位分析法的自動化pH測量儀的實現(xiàn)，但如何在保證精度的基礎上，設計出一個低功耗、功能全面以及自動化程度高的pH測量儀仍然是一個挑戰(zhàn)。

文中設計的pH測量儀采用pH電極對水樣酸堿度進行測量，將化學參量轉變成電信號，然后經過運算放大器組成的信號調理電路進行放大，之后送到模數(shù)轉換器進行轉換，轉換出的數(shù)字量最后送到主控制器進行處理。主控制器采用自帶USB通信模塊的C8051F320單片機，將數(shù)字電壓信號換算成pH值，然后根據(jù)水樣溫度對pH測量值進行溫度補償，再將測量的pH值進行存儲、顯示和傳輸。測試結果表明，本文所設計的pH測量儀具有良好的溫度補償特性，并且可通過目前最流行的USB通信接口實現(xiàn)快速通信。

1 理論分析

2 pH測量儀硬件電路

2.1總體結構

測量儀以單片機C8051F320為主控制器，與外圍硬件電路配合來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。溫度的采集通過PT100傳感器實現(xiàn)，pH值的采集則通過pH電極傳感器實現(xiàn)。為了實現(xiàn)人機交互，測量儀實現(xiàn)了USB通信接口、鍵盤輸入功能以及液晶輸出顯示功能，測量儀數(shù)據(jù)存儲部分采用WINBOND公司的W25X80 Flash存儲器實現(xiàn)，CPU還配以時鐘電路和復位電路等。pH傳感器輸出電壓范圍為-420mV-420mV，模擬調理電路將該電壓放大之后調理到0.7V-3.3V，符合單片機內部模數(shù)轉換模塊對被采樣電壓范圍為0V-3.3V的要求。Flash存儲器負責存儲一定時間內的pH數(shù)據(jù)，方便將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端。USB接口用于與計算機的通信，便于實現(xiàn)分布式多點采集和數(shù)據(jù)集中管理。

2.2 PT100測溫電路

溶液溫度的精確測量直接關系到pH測量儀的精確性。PT100是一種精度高、性能穩(wěn)定并且測量范圍寬的溫度傳感器。圖1為PT100測溫電路原理圖，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，調整R3阻值以調整電流大小。圖1中PT100采用四線制接法，這種接法隔離了PT100的激勵端和測量端，比較適合恒流源式電路。PT100兩端電壓由圖1中單運放差分放大電路進行放大，放大倍數(shù)為10倍，測溫范圍最高可達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系，如果直接求解，計算難度較大。因此在這里采用的是查表法來計算溫度。查表法就是通過PT100的分度表來查詢阻值所對應的溫度。

2.3 pH電極模擬調理電路

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

2.4 USB接口電路

USB通信功能是由C8051F320單片機自帶的USB通信模塊實現(xiàn)。在設備端電路設計的過程中，對USB插座引腳必須對應連接，否則將直接影響到與主機端的通信。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引腳對應連接好后，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測量儀軟件設計

本系統(tǒng)采用結構化程序設計，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。

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

3 測試結果

根據(jù)上述設計方案，搭建好pH測量儀系統(tǒng)，進行綜合調試后，在實驗室內進行了實際測量，測試結果如圖3所示。待檢測結果穩(wěn)定后，檢測到的pH值保持在4.2，與實際溶液pH值相差0.1（實際溶液pH為4.3），并且上位機將每一次檢測的結果存儲在一個access數(shù)據(jù)庫表中，待日后調用。經過多次實驗，總體誤差保持在0.2個pH單位之內。

4 結束語

本文設計的pH測量儀硬件采用高阻抗運放和合理的差動設計，軟件采用模塊化設計。檢測溫度時用二分法查表計算溫度，充分利用了PT100溫度與阻值的關系曲線在一小段區(qū)間內滿足線性關系這一性質，pH計算則利用溫度補償大大提高了檢測精度。

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