【正文】 ..................................... 43 附錄 ..................................................................................................... 45 第一章 引言 1 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)。 第一章 引言 3 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?，減少噪音，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) 4 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)定來消除。 可得： 第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 5 6. 86( ) m 64 754 .20 98 4 m VK x E E x E EKxt E E?? ? ?? 理 2 理 1實(shí) 2 實(shí) 2 （ 理 論 數(shù) ） （ 實(shí) 際 數(shù) ）, (25) 0 . 1 3 6 ( 5 4 . 2 0 0 . 1 9 8 4 )tE x E Kx???? , (26) 進(jìn)一 步得： ()6 .8 6 4 5 4 .2 0 0 .1 9 8 4K x E EpH t??? ?, (27) 為玻璃電極再 PH= 標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。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 儀器相連 。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。 第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 7 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 A A2；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 E E2.，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。而是采用 M KCl 溶液作為電解液。 在0 lnRTE E anF?? 代 入 R、 F 的值，并把 lga 換成 ，則可變?yōu)槿缦? 6 1 5 2 3 4 2 3 第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 9 形式 0 0 .1 9 8 4 lgTE E an?? , (211) 對(duì)溫度 T 求導(dǎo)數(shù) 0 0 . 1 9 8 4 0 . 1 9 8 4 l glgd E d E T d aad T d T n n d T? ? ? ?, (212) dEdT 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) 10 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，第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 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。 第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 12 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)。 第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 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)第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 14 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) ，最大非線性偏差小于 ℃。 第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 16 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 來構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。 所以儀器使用的 美國(guó)無線電公司研制開發(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。 第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 18 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。 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?？娠@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 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。當(dāng) LE 為低電平時(shí)， O 被第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 24 鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將所存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。 第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 25 圖 313 28C24 引腳 28C64 主要用來存儲(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)、斜率、歷史曲線。各引腳的含義為： A0A15 為 16 根地址線，可尋址 32K 字節(jié)； O0O7 為數(shù)據(jù)輸出線； CE 為片選線； OE/VPP 為數(shù)據(jù)輸出選通線 /編程電源。 表 31 74LS244 真值 L=低邏輯電平 ； H=高邏輯電平 ； X=低或高邏輯電平 ； Z=高阻抗 GAL16V8 以最大 的傳輸延遲時(shí)間，結(jié)合高性能的 CMOS 工藝與電可擦懸浮柵工藝可為 PLD 市場(chǎng)提供最高速度的性能。 GAL16V8 借助于全部功能 / 熔絲圖 /參數(shù)的兼容性能夠仿真任何一種 PAL 結(jié)構(gòu)。 這樣可以減少元器件數(shù)量、 降低線路復(fù)雜程度，同時(shí)降低故障機(jī)率及提高硬件設(shè)計(jì)的靈活性。處理電路采用多級(jí)放大電路。還具有自身補(bǔ)償能力來達(dá)到穩(wěn)定的放大增益；輸出 部分含有自身保護(hù)電路來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模式在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)有一個(gè)傳統(tǒng)的獨(dú)立控制系統(tǒng)無法比擬的先進(jìn)，不僅可以大大提高生產(chǎn)效率的工業(yè)設(shè)備，還可大大提高安全性和可靠性 。 在一般的利用 PC 機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制的場(chǎng)合，都是采用 Windows 作為上位機(jī)的平臺(tái) ， 具有友好的界面，編程和操作更容易。設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)，單片機(jī)從機(jī)通過串行接口，構(gòu)成的主從式系統(tǒng) 就可以 設(shè)計(jì)基本的串口通信功能 。 單 片