單片機在pH智能分析儀中的應用

摘 要：在水質分析中，溶液的pH值是衡量水質的重要指標之一，因此pH值的智能測量和在線分析在工業現代化測試計量領域起著十分重要的作用。本文以MSP430單片機為控制核心設計了pH智能分析儀，該儀器運用能斯特方程，可以及時、連續地監測溶液的pH值。經實驗證實，該pH智能分析儀具有測量準確度高、穩定性好、操作簡單、pH值顯示清晰等優點。

關鍵詞：MSP430單片機；pH值；智能分析儀；數據采集

中圖分類號：TP216.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4076（2018）11-0042-03

Application of Single Chip Microcomputer in pH Intelligent Analyzer

LI Ying

（The Research and Development Department of Beijing TUNE VOLT Instrument Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）

Abstract：In water quality analysis，the pH value of solution is one of the important indexes to measure water quality，so intelligent measurement and on-line analysis of pH value play an important role in the field of modern industrial measurement. In this paper，an intelligent pH analyzer is designed with MSP430 single chip microcomputer as the control core. The instrument can monitor the pH value of solution in time and continuously by using Nernst equation. Experiments show that the pH intelligent analyzer has the advantages of high measurement accuracy，good stability，simple operation and clear pH value display.

Keywords：MSP430 microcontroller；pH value；intelligent analyzer；data acquisition

0 引 言

現階段，pH值的測量與監控被廣泛應用于各種行業的環境保護及過程控制等領域中。準確的pH值測控不僅可以提高生產加工的工藝精度，更有利于提高產品的質量和產能，并且能夠有效降低生產成本，保護環境等。pH值的測量監控方法有很多種，應用最多的測量方法包括：化學分析法、試紙分析法和電位分析法。本次設計pH智能分析儀采用電位分析法，測量原理依據于能斯特方程，以MSP430F149單片機為核心控制處理器，充分利用該單片機的高集成、低功耗以及靈活高效的編程能力。分析儀采用全數字化的數據采集模塊，LCD和按鍵作為人機接口模塊，使其具有較高的準確性和穩定性，能夠滿足各種溶液的pH值測量需求。

1 pH值測量原理

pH智能分析儀的測量基本原理可以簡單概括為：根據被測溶液中氫離子濃度得出被測溶液的pH值。因此，pH智能分析儀的主要設計任務就是利用單片機將放大處理傳感器電極輸出的信號準確還原為pH值。pH智能分析儀通過測量電極系統與被測溶液形成的測量電動勢，進而得到被測量溶液的H+離子的濃度，H+離子的濃度的負對數即為pH值。

H+離子的濃度與電極系統中獲得的電信號依據能斯特方程一一對應，即為電極反應中物質從一相轉移到另一相時，過程中所消耗的功。

2 pH智能分析儀設計

2.1 pH智能分析儀的硬件設計

pH智能分析儀硬件總體設計結構如圖2所示，主要包括數據采樣模塊、人機接口模塊、電源/時鐘/復位模塊以及外擴存儲器模塊。總體過程為采樣模塊的pH電極傳感器輸出與溶液pH值相對應的電壓信號，再由單片機上的A/D轉換為數字信號，通過單片機的數據處理，輸出測量結果由顯示屏輸出。

2.1.1 單片機的選擇及應用

單片機作為pH智能分析儀的核心部件，它的性能決定了智能pH分析儀的智能化程度的強弱以及結構的繁簡。為了保證pH智能分析儀的高智能化、低功耗、系統穩定以及強大的處理能力，本次選擇了16位的MSP430F149單片機。MSP430F149單片機擁有超低功耗、高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊、超強的處理能力、穩定性和可靠性高以及簡便高效的開發環境等特點。該單片機的工作電壓為1.8V-3.6V，在RAM數據保存方式下功耗只有0.1μA，響應時間也不超過6μs。MSP430F149單片機擁有8個12位獨立A/D轉換器并帶有自動掃描、采樣保持等功能，進而保證了數據信號采樣的準確性。具有兩個串口通訊模塊，可以選擇UART/SPI模式，完成各個模塊的良好通信。將MSP430F149單片機應用于pH智能分析儀中完全能夠滿足pH值的智能分析和監控等功能。

2.1.2 采樣模塊設計

信號的采集模塊是pH智能分析儀的工作基礎，從pH電極采集到的信號和參比電極兩端輸出的信號為電壓，進而根據電壓值求出溶液的pH值。由此可見，pH值的測量實際上就是電壓信號的測量。在數據采集過程中，將傳感器采集的電壓信號轉換成相應的模擬信號，本電路設計中是采用ADC0804芯片以程序查詢方式進行數據采集。ADC0804是用8位全CMOS集成工藝的逐次比較型A/D轉換芯片。轉換時間l00μs，輸入電壓范圍為0V-5V，并且可以和單片機直接接口。數據采集模塊ADC0804芯片外引腳和外設電路，如圖3所示。

2.1.3 人機接口模塊設計

人機接口模塊主要包括按鍵電路設計和LCD顯示電路設計。選用帶有內置LCD點陣驅動芯片的液晶顯示屏，可以直接連接在單片機的I/O口上，并且僅占用單片機的兩個管腳，通過控制管腳和數字I/O傳輸指令，就可以控制點亮液晶的任意點。每個獨立式按鍵直接占用一根I/O口線，形成單個按鍵電路，用戶通過按鍵向單片機輸入指令，進而控制整個分析儀工作。如圖4所示。

2.2 pH智能分析儀的軟件設計

軟件設計部分根據pH智能分析儀的測試需求，采用結構化編程語言，可以實現pH值的測量和顯示。pH智能分析儀的軟件控制主要實現的功能包括：測量子程序、讀取程序、數據處理、LCD顯示等。pH智能分析儀主程序和中斷程序流程圖如圖5所示。

測量子程序完成對溶液的采集測量以及如A/D轉換、比較器的比較工作等相關任務，校正時根據被測標準溶液的電壓輸出判斷其既定pH值，這些功能可以由子程序模塊來實現，可供中斷服務程序調用。數據處理程序包括根據所得電壓信號還原出相應的pH值，計算在前兩步過程中所需參數。中斷處理程序的功能是處理各種服務請求，在需要的時候調用測量控制程序或數據處理程序。存儲器讀寫程序用于存儲傳感器電極經過校正后的一些基本參數。

MSP430F149單片機內部集成的12位精度的A/D轉換模塊，能夠滿足控制器對外部信號進行數據采樣。MSP430F149的FLASH存儲器模塊是有128段主存儲器和2段信息存儲器組成，在編寫程序時可以將讀和寫分別用一個函數來完成，直接調用函數即可以完成存儲讀取功能。

3 結 論

本文著重介紹了MSP430F149單片機在pH智能分析儀中的應用，以MSP430F149單片機為控制核心設計的pH智能分析儀，有效降低了分析儀的體積和功耗，滿足pH值的測試需要。軟硬件的設計充分結合單片機的功能，大大提高了pH智能分析儀的準確性和重復性，從而滿足各類環境的測試要求。

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作者簡介：李英（1974.03-），女，漢族，吉林人，設計工程師，碩士。研究方向：智能化學分析儀器的研發。