實用電化學實驗檢測分析系統設計

鄭卓雅，楊宇欣，李一凡，周志華，孫國峰，李健

(樂山師范學院化學學院，四川樂山，614000)

0 引言

在我國現行初、高中和大學普通化學實驗教學中，學生在做原電池反應實驗時，只是單純地靠傳統的化學實驗器材和方法進行教學演示、分析等一般性探究（如只靠觀察電流計指針偏轉，就說明產生了電流），存在無法將抽象的化學能與電能相互轉化的探究過程表現出來，不能準確控制實驗條件問題，如：實驗過程中的濃度、溫度、壓強和反應速率等。進而，也不能實時跟蹤測量反應過程中，容器內生成新化合物前后變化現象，教學上需要檢測的數據，以及變化終極物質中需要重點關注的實驗指標的測量等突出問題。引導學生從電子轉移角度理解化學能向電能轉化的本質，以及這種轉化的綜合利用價值。

1 總體設計

針對上訴突出的教學問題，課題組成員在指導教師的指導下進行了深入的理論分析和技術創新的研究。本研究項目將物理化學、物理學、電子信息工程等專業理論與實踐技能相結合，利用電子信息工程、材料科學與工程、化學等三大專業實驗室現有實硬件與軟件測試分析儀器和購買元件，設計原電池反應現象實驗檢測可視、可控的硬件電路系統。實驗數據如PH值、電流、壓強、溫度、壓強，可以通過該系統，直觀清晰地以曲線的方式顯示出來，同時具體同步測量數值也可導出，這一點體現了該設計的強細節性；采用水泵并結合控制系統可任意改變電解液的流速，體現了該設計的強靈活性；采用透明儀器可清晰觀察到兩電極表面生成的附著物，體現了該設計的合理性。該項目重點研究實時快速的實驗數據現場采集與高精確度檢測分析，擬采用現代電子通信、單片機、應用電子、自動控制技術與原電池測量技術相結合的設計理念，設計研究能直接應用于初高中電化學實驗教學演示和分組中氧化還原反應的實驗檢測硬件電路系統，其創新研制的檢測系統電路設計原理如圖1所示。

2 系統設計

2.1 系統化學反應裝置結構的設計

所述原電池反應的自動檢測教學裝置為分體式裝置，包括反應裝置，反應裝置固定器和自動檢測裝置。所述反應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，化學反應物質通過蠕動管流入瓶內，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。電解物質通過導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、電子轉換器、數據采集器、CPU控制器和顯示器，電子傳感器與電子轉換器連接，電子轉換器與數據采集器連接，數據采集器與CPU控制器連接，CPU控制器與顯示器連接。

圖1 原電池反應自動檢測系統工作原理設計框圖

力求便于輸送與放置實驗中所需的溶液、溶質、溶劑等物質、不影響師生對原電池反應實驗現象的觀察、對相關實驗數據采集電子傳感器器件介入固定、實驗中的觀察和實驗實時數據采集信息處理的傳輸與相關接口電路的安裝等要求，還能應使用者需求任意更換不同的原電池反應實驗電解質材料。該裝置攜帶方便，節省空間，易于安置；裝置結構簡單，對儀器設備要求低，操作簡單，流程短，能全程控制；利用CPU控制器自動控制反應速率，利用串口連接模塊進行實時檢測實驗數據變化，實現實驗信息能直觀顯示。

2.2 原電池反應實驗實時檢測裝置設計原理簡要分析

根據現高中教材中對原電池反應實驗基本原理，我們認為目前中學化學教學中演示或分組進行一種金屬（如鎂、鋁、鋅、鐵……）與另一種金屬或非金屬（銅、碳）實驗觀察和探究時，其實驗的基本要求可以表述為如下化學反應方程式，以鋅銅原電池為例：

其中負極上發生的是氧化反應，正極上發生的是還原反應，反應主要化學變量：壓強、PH、溫度、濃度。

2.3 硬件模塊設計

本系統包含四個硬件模塊：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，其作用是顯示實時數據；電動泵模塊作用是控制滴定速度。硬件系統原理框圖如圖2所示。其系統各電路功能模塊的設計如下。

2.3.1 pH復合電極傳感器模塊

（1）pH復合電極簡介

PH復合電極是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。內參比電極與插頭頂部相連接，為負極，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 硬件系統原理框圖

當復合電極插入溶液時，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，電極內部的內參比電極通過玻璃球與待測試液接觸。玻璃膜外側與待測液的相界面發生離子交換，有H+進出；同樣，玻璃膜內側與膜內裝0.1mol/L HCl溶液的相界面上也要發生離子交換，也有H+進出。由于玻璃膜兩側溶液中H+濃度的差異，以及玻璃膜水化凝膠層內離子擴散的影響，就逐漸在膜外側和膜內側兩個相界面之間建立起一個相對穩定的電勢差，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過程中溶液酸堿度變化。

圖3 PH復合電極結構示意圖

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，該芯片的特點具有高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，支持IIC通信協議，模塊可以測試大氣氣溫和大氣壓強，支持5V/3.3V電壓輸入，而且模塊的常用的引腳如電源，信號線已經引出，插針為標準2.54mm，通過單片機通訊獲得該模塊提供非常精確的壓力和海拔高度數據。

（2）功能

用于對化學反應生成的氣體的大氣壓強進行檢測

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部低壓差穩壓模塊供電3-5v；通信方式采用標準IIC通信協議；尺寸是11.5*16.5mm；該模塊的特點是體積小，成本低；當由0到+50℃溫度范圍內，精度可達到0.5℃；且電源電壓可從 8…16V調節；高精度無接觸測量，根據被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，一般可用于工業移動元件溫度控制，多區域溫度控制，家電溫度控制等等，應用廣泛。

（2）功能

用于檢測化學反應過程中溫度的變化

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；屏幕內部的驅動芯片采用的是SSD1306。

（2）電腦顯示模塊簡介

使用LABVIEW軟件，編程出上位機，使用串口和單片機通訊，單片機串口發送檢測的各個數據到LABVIEW上位機上，然后在上位機上顯示各個數據，以及數據的變化曲線，且上位機對各個數據進行存儲成文檔保存。

（3）功能

用于顯示化學反應過程中檢測的各個參數。

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，內嵌內徑3*5mm的硅膠管和過濾網，流量控制精度高，使用外部電壓（6V或12V）供電，驅動電流低于1A，及通過外部脈沖波（0-10KHz）對滴水裝置進行轉速控制，流速控制檔為10檔，如表1所示。本系統使用外部脈沖波作為調速信號。

表1 385水泵流速與外部脈沖PWM占空比對照表

3 軟件設計

3.1 控制系統設計

圖4 軟件流程圖

3.2 各模塊設計

3.2.1 pH復合電極傳感器模塊獲得函數

3.2.2 紅外控溫模塊獲得函數

3.2.3 蠕動泵模塊控制函數

3.2.4 氣壓傳感器模塊控制函數

3.2.5 串口示波器顯示函數

3.2.6 溫度氣壓顯示函數

3.2.7 PH值顯示，電流顯示和蠕動泵流速顯示函數

3.2.8 總函數

4 系統調試

4.1 原電池實驗自動檢測控制裝置圖

圖5 主板裝置圖

（1）首先檢查系統主板電源開關是否處于關閉狀態，再仔細觀察各個數據采集器的輸入/輸出聯接電纜和化學電解材料與導線是否接觸良好，最后將電源插頭插入單相AC 220V 50Hz裝有接地保護線的電源插座上，打開系統檢測電源按鈕（左開右關）。若如無異常現象，則說明系統處于正常待檢測狀態，可使用。

（2）準備好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）打開系統開關，待顯示屏穩定后，取出PH復合電極準備校正，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。

圖7 緩沖液

4.2 各模塊調試結果

表2 各項指標反應前后變化表

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測試圖

圖11 鋅銅原電池PH測試圖wendu

圖12 鋅銅原電池反應上位機顯示結果圖

(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（藍色曲線）：先增大后平穩地減小 ；

5 系統實例應用

5.1 鋅銅與濃鹽酸的反應實驗的數據采集

正極：銅Cu 正極（Cu）： 2H＋＋2e-＝H2+↑（還原）

負極 ：鋅 Zn 負極（Zn）： Zn － 2e-＝ Zn2＋（氧化）

電解液：濃鹽酸 總反應 ： Zn2＋＋2H＋=Zn2+＋H2+↑

圖13 PH隨反應時間變化記錄表

5.2 鐵銅與濃鹽酸的反應實驗的數據采集

正極：銅Cu 正極（Cu）： 2H＋＋2e-＝H2+↑（還原）

負極：鐵Fe 負極（Fe）：Fe－2e-＝Fe2+（氧化）

電解液：濃鹽酸 總反應 ：Fe 2＋＋2H＋=Fe2+＋H2+↑

圖14 電流隨反應時間變化記錄

圖15 壓強隨反應時間變化記錄

上述實驗完成說明該系統可以正常工作，其實驗裝置可以對反應過程中有關數據變化信號進行實時采集，并且該裝置應用于多種原電池反應裝置均能適用。

6 結束語

該系統具有實際應用價值，能夠解決學生單純地靠傳統的化學實驗器材和方法進行教學演示、分析等一般性探究（如只靠觀察電流計指針偏轉，就說明產生了電流），能夠將抽象的化學能與電能相互轉化的探究過程表現出來，能夠準確控制實驗條件問題，如：實驗過程中的濃度、溫度、壓強和反應速率等。同時能實時跟蹤測量反應過程中，容器內生成新化合物前后變化現象，教學上需要檢測的數據，以及變化終極物質中需要重點關注的實驗指標的測量等突出問題。引導學生從電子轉移角度理解化學能向電能轉化的本質，以及這種轉化的綜合利用價值。所采用的研究視角、設計理念與研究成果，能推廣應用于電解與原電池實驗檢測類型相似的其它同類型電化學實驗檢測技術的研究之中為后續進一步推動同類型化學實驗方法與技術的科學化、智能化的教學改革奠定良好地理論與實踐基礎。采用的新型化學物質變化類型的檢測傳感器、數據采集轉換、單片機系統自動控制器相結合的電路設計方案，使檢測系統能很好地實現定性觀察與定量分析相結合、數據采集處理與現象顯示同步檢測的功能，對學生理解電解反應現象理論，提高教學質量能起到促進作用。