【正文】 uring circuit software.The ph tester is equipped with three–electrode measurement system. The concentration of hydrogen was determined by the appropriate reference electrode and indicator electrode measurement .the system can greatly reduce the impact of outside interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. The MCS–51 microcontroller core can automatically adjust the scope, automatic temperature pensation etc. the use of manmachine dialogue can enable automatic measurement, storage, display data functions. In the actual measurement system, the Nernst equation corresponding to the actual curve often deviate the ideal curve, with the use of twopoint calibration method, we can actually calculate the actual slope and temperature.Key words: three–electrode measurement system, high resistence，the temperature pensation. 目 錄摘 要 IAbstract Ⅱ目錄 III第一章 引言 1 1 PH測(cè)量系統(tǒng)研究的必要性 1 PH測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展概況 2 PH測(cè)量系統(tǒng)的主要原理 3第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 4 測(cè)量原理 4 三電極測(cè)量系統(tǒng) 5 PH測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法 5 6 7 8 9第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10 89C52介紹 10 溫度采集電路 13 PH信號(hào)采集電路 16 A/D，D/A轉(zhuǎn)換器 17 信號(hào)輸出電路 20 21 22 23 27第四章 基于MAX232通訊模塊 28 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案 28 28 兩種接口方式 29 串行接口方式 29 并行接口方式 29 51系列單片機(jī)串行口控制寄存器SCON 29 RS232串行接口標(biāo)準(zhǔn) 30 單電源轉(zhuǎn)化芯片MAX232 31 MAX232外圍連接電路 31 通信程序設(shè)計(jì) 32 33第五章 PH測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 34 測(cè)量系統(tǒng)主要內(nèi)容 34 測(cè)量系統(tǒng)主程序 34 子程序的標(biāo)定 36 測(cè)量子程序 37 本章小結(jié) 37第六章 誤差分析及功能測(cè)試 38 38 40結(jié)論 41致 謝 42參考文獻(xiàn) 43附錄 45 第一章 引言 第一章 引 言PH值測(cè)量系統(tǒng)，用到電位分析法測(cè)量溶液中的氫離子濃度。儀器以MSC–51單片機(jī)系統(tǒng)，可以完成儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)，溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。本論文詳?xì)論述了PH測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，包括氫離子濃度的測(cè)量，標(biāo)定方法，溫度檢測(cè)裝置，測(cè)量電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PH測(cè)量?jī)x用三電極檢測(cè)系統(tǒng)，參比電極和指示電極對(duì)溶液中氫離子檢測(cè)。采用人機(jī)對(duì)話可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，存儲(chǔ)，顯示等功能。測(cè)量三電極測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成的電池（原電池）的電動(dòng)勢(shì)，可得被測(cè)溶液離子濃度。在電位分析法中最常見的指示電極為PH電極和各種離子型選擇電極。各種智能型芯片的應(yīng)用，提高了儀器的智能化和測(cè)量精度，并且也簡(jiǎn)化了儀器的測(cè)量電路。這種儀器由于操作簡(jiǎn)便、測(cè)定速度快、靈敏度高、精度好，是電位法測(cè)量?jī)x器的發(fā)展方向。通常測(cè)量液體的溫度測(cè)量，溫度補(bǔ)償和電極的標(biāo)定是測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)的高精度測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題的設(shè)計(jì)。但如何設(shè)計(jì)精確測(cè)量，溫度補(bǔ)償精度，可靠性高，功耗低，成本低，功能齊全的檢測(cè)儀器還需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。 PH測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展概況世界上第一臺(tái)商品PH計(jì)由Arnold Beckman于1936年研制生產(chǎn)的。初期的PH 測(cè)定裝置是由傳感器亦稱發(fā)送器(包括玻璃電極、參比電極、溫度補(bǔ)償元件)和阻抗變換、放大、指示的電子單元兩部分組成。1975年，日立生產(chǎn)的K7型工業(yè)PH計(jì)中,首次將玻璃電極、比較電極和溫度補(bǔ)償電極一體化，構(gòu)成復(fù)合電極，這種復(fù)合電極的出現(xiàn)，無(wú)疑為PH傳感器的小型化作出了貢獻(xiàn)。80年代是工業(yè)PH計(jì)微機(jī)化、智能化的年代。1987年9月，日本橫河電機(jī)推出具有自診斷功能的TM20BG型工業(yè)PH計(jì)。主要功能及要求為：①可靠性高、易維護(hù)、成本低、操作方便、小型、防爆且能在條件惡劣的場(chǎng)所使用。⑤可以一種機(jī)器多種用途，儀器不僅可檢測(cè)PH值，也可對(duì)ORP(氧化還原電位)、電導(dǎo)率、離子濃度、溫度等一項(xiàng)或幾項(xiàng)聯(lián)合檢測(cè)。 PH測(cè)量系統(tǒng)的主要原理用MSC51單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理，和一些外圍芯片，包括一個(gè)完整的自我檢測(cè)，智能儀器的校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器CA3140，具有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)勢(shì)?？梢酝瓿勺杩蛊ヅ洌瑴p少噪音，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，非常適合電路設(shè)計(jì)。圖11 總體電路 參比電極高阻差分放大電路89c52單片機(jī)系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換DA轉(zhuǎn)換數(shù)字控制開轉(zhuǎn)換接地電極顯示器鍵 盤串行通信溫度放大電 路指示電極溫度傳感器第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 測(cè)量原理玻璃電極和參考電極是PH 計(jì)的重要組成部分，溶液的PH 值是由它們與待測(cè)溶液組成的原電池的電動(dòng)勢(shì)決定的。標(biāo)定不僅在運(yùn)行初期進(jìn)行，在運(yùn)行過(guò)程中，由于化學(xué)反應(yīng)的一些不確定因素發(fā)生的變化引起的測(cè)量值的漂移，一般必須由標(biāo)定來(lái)消除。可得： , (25) , (26)進(jìn)一步得：, (27)為玻璃電極再PH=。這是由于固體電極的內(nèi)阻較高，和溶液接地電路。 PH測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法本測(cè)量系統(tǒng)采用電位法進(jìn)行測(cè)量。此電動(dòng)勢(shì)（EMF）由二個(gè)半電池構(gòu)成，其中一個(gè)半電池稱作測(cè)量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)；另一個(gè)半電池為參比半電池，通常稱為參考電極，它通常是測(cè)量溶液相通，并與測(cè)量?jī)x器相連。在平衡狀態(tài)下存在的電壓稱為半電池電位或電極電位。這種電極，金屬線覆蓋著一層金屬的微溶鹽，并插入含有這種金屬鹽離子的電解質(zhì)溶液。不同離子選擇性電極都有一個(gè)所謂離子選擇性膜的敏感元件。大多數(shù)指示電極是離子選擇性電極，離子選擇性電極是可以將溶液中某種特定離子的濃度轉(zhuǎn)變成電位功能的電極。321A2A1 A1圖21 敏感膜電位的示意圖1參比電極；2指示電極；測(cè)量離子選擇性敏感膜電位的示意圖，圖中的1與2是完全相同的參比電極；膜兩側(cè)的溶液中含有該膜能響應(yīng)的離子，且離子濃度分別為AA2；膜兩側(cè)的表面與相接觸的溶液之間存在著電位差，分別為EE2.，通常稱之為敏感膜相界面電位。因?yàn)樗枪腆w電極，使用方便，應(yīng)用很廣泛。 M 溶液作為電解液。在代入R、F的值，則可變?yōu)槿缦滦问? , (211)對(duì)溫度T求導(dǎo)數(shù) , (212)可理解為溫度變化一個(gè)單位時(shí)測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)的變化值，即測(cè)量電池的溫度系數(shù)，式表明它由三部分組成。故PH測(cè)試儀都裝有溫度補(bǔ)償器，在電路上采取措施，以補(bǔ)償其對(duì)測(cè)量的影響。所以在電位法測(cè)量中，在表明標(biāo)準(zhǔn)也和被測(cè)濃度的同時(shí)也應(yīng)標(biāo)明其溫度。第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用MSC51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴(kuò)展一些外圍芯片，組成一個(gè)可以完成自我檢測(cè)，標(biāo)定的智能儀器。32個(gè)可編程I/O口線；3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；8個(gè)中斷源；可編程串行UART；1低功耗空閑和掉電模式。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。在Flash 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。對(duì)Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。PSEN程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。X2振蕩器反相放大器的輸出端。（2）.在DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。（6）.內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。在測(cè)量PH時(shí)，要有溫度補(bǔ)償和標(biāo)定，所以要求對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)該先考慮用熱電阻傳感器。其特點(diǎn)是，在工作溫度范圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的升高而降低。在0℃100℃時(shí)，℃。 PH信號(hào)采集電路PH電極由玻璃電極和參考電極組成。由于復(fù)合PH電極內(nèi)阻很高。輸入電路PMOS提供非常高的阻抗。本文采用3個(gè)CA3140來(lái)構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。所以儀器使用的美國(guó)無(wú)線電公司研制開發(fā)的CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器,該運(yùn)算放大器功能保護(hù)MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。圖36 ADC0804引腳DB7DB0：具有三態(tài)數(shù)字信號(hào)輸出口。CLKR:內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的外接點(diǎn)阻端。INTR:工作結(jié)束標(biāo)志，低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。因此，DAC0832通常需要外接運(yùn)算放大器，進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，才能得到模擬輸出電壓。 信號(hào)輸出電路單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC0832送入輸出電路。運(yùn)算放大器輸出Vo還作為DAC0832的基準(zhǔn)電壓 ,數(shù)字量由CPU送來(lái)。 電源鍵按下為整個(gè)電路通電，所有模塊、器件初始化，時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)。 回車鍵即為輸入、確認(rèn)鍵，接入單片機(jī)P10管腳。可顯示192（列）64（行）點(diǎn)陣。這里選擇串行接口。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載，公共端接輸入輸出的公共連接點(diǎn)。第二排電容用來(lái)改善輸入電壓波紋的；第三排是消除模塊輸出高頻噪聲，增強(qiáng)電壓穩(wěn)定的電容。其次，確定變壓器。最后，選擇整流二極管。圖311 總線擴(kuò)展電路本設(shè)計(jì)使用的復(fù)位電路為按鍵電平復(fù)位電路，它是通過(guò)RST段經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的。373為三態(tài)輸出的8 D透明鎖存器, 373的輸出端O0O7可直接與總線相連。