【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸入阻抗放大器。使用一個(gè)放大器測(cè)量參照電極和解決地電位電極之間；另一個(gè)放大器測(cè)量指示電極和地電極之間的電勢(shì)。兩個(gè)電勢(shì)的代數(shù)和就是與待測(cè)溶液的 PH 相關(guān)的電勢(shì)差（等于指示電極和參比電極之間的電動(dòng)勢(shì)），放大器用來測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差。 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。 分析電極稱為原電池。原電池是一個(gè)系統(tǒng)，它的作用是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池的電壓被稱為電動(dòng)勢(shì)（電磁場(chǎng)）。 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 。例如，一個(gè)電極是由一個(gè)插在含銀離子的鹽溶液銀線， 在導(dǎo)線和溶液的界面處，由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度，形成離子的充電過程 ，形成離子充電過程，并形成一定的電位差。銀離子在溶液中沒有電子。當(dāng)沒有外部電流反向充電，這個(gè)過程將最終達(dá)到一個(gè)平衡。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（如上所述）由金屬和金屬離子的溶液組成的電極稱為第一類電極。 此電位的測(cè)量是相對(duì)一個(gè)電位與鹽溶第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 6 液的成分無關(guān)的參比電極 進(jìn)行的。 這是獨(dú)立 測(cè)量 的參考電極也被稱為二電極。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。半電池電位或電極電位取決于活動(dòng)這一陰離子。 指示電極是組成電位分析儀的基本部件，大部分指示電極是離子選擇性電極。它具有將溶液中某特定離子的活度轉(zhuǎn)變成一定電位的功能。 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。離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及其制備技術(shù)，常用的離子選擇性電極有晶體膜電極、液膜電極和玻璃膜電極等。 理想的離子選擇性電極的電位與離子活度 的關(guān)系應(yīng)符合能斯特方程 0 lgE E S a?? , (28) a 為溶液中此離子的活度值 ； S 為電機(jī)的斜率項(xiàng)，是溫度的函數(shù) ； E0 為電極等電勢(shì)點(diǎn)的電位值。 電極的響應(yīng)斜率只在一定的活度范圍，保 持 其 基本不變，當(dāng)活度小于一定值時(shí)，斜率明顯的變小。 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。各種離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)雖然各有其特點(diǎn)，但都有 一個(gè)被稱為離子選擇性膜的敏感元件，離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及制備技術(shù)。離子選擇性電極的敏感膜都有滲透性，也就是說被測(cè)溶液中的特定離子可以進(jìn)入膜內(nèi)，并在膜內(nèi)移動(dòng)，從而可以傳遞電荷，在溶液和膜之間形成一定的點(diǎn)位。膜的滲透性是具有 的 選擇性 使 非特定離子不能再其中進(jìn)行滲透，這就是離子選擇性電極對(duì)離子具有選擇性響應(yīng)的 基本原因 。 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。在一定測(cè)量范圍內(nèi)，相界面電位與離子濃度關(guān)系符合能斯特方程： 02 0 2lnlnRTE E anFRTE E anF???? , (29) 式中 1a ， 2a —— 敏感膜兩邊溶液的離 子濃度； 0E —— 離子濃度 a =1,溫度為 t 時(shí)的電位值（溫度不同， 0E 不同）。 所謂離子選擇性敏感膜的膜電位是指膜的兩側(cè)相界面電位之代數(shù)和，即膜電位 E 可表示為 21E E E? ? ? 2lnRT anF 1lnRT anF? , (210) 最常用的指示電極便是玻璃電極。 氯化銀電極具有良好的重復(fù)性，穩(wěn)定性。因?yàn)樗枪腆w電極，使用方便，應(yīng)用很廣泛。甚至有取代甘汞電極的趨勢(shì)，這是因?yàn)楣怯卸镜模送?，甘汞電極溫度變化所造成的電極電位的變化滯后現(xiàn)象是較大的，而氯化銀電極的具有高溫3 2 1 A2 A1 A1 第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 8 穩(wěn)定性。 1引線； 2KCL 溶液； 3AgCl 溶液； 4磨口接口； 5陶瓷芯； 6外鹽橋液 圖 22 參比電極結(jié)構(gòu)圖 其中 AgCl 是 Ag 的固體難溶鹽 ， KCl 溶液提供 Cl （ 也可用 HCl 來提供 ）。電極反應(yīng)為： A gCl e A g C l? ??? ? 電極電位為： 0 ln clRTE E aF ??? Ag 沉淀容易堵塞參比電極管的多孔性封口，通常不采用飽和 KCl 溶液作為Ag/ AgCl 電極的電解液。而是采用 M KCl 溶液作為電解液。此外，為了防止因研究體系溶液對(duì) Ag/ AgCl 電極稀釋而造成的 AgCl 沉淀析出，可以在電極和研究體系溶液間放一個(gè)盛有 KCl 溶液的鹽橋。 在使用參比電極時(shí)，為了防止溶液間的相互作用和玷污，常使用同種離子溶液的參比電極。在 H2 SO4 溶液體系中采用硫酸亞汞電極，在堿性體系中用氧化汞電極，而在中性氯化物溶液中則采用氯化銀電極等。 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。 0dEdT 是電極的標(biāo)準(zhǔn)電位溫度系數(shù)項(xiàng)，它是表示電極特性的項(xiàng)，它與電極的膜材料、內(nèi)充夜、內(nèi)外參比電極等的溫度特性有關(guān)。 是能斯特方程系數(shù)斜率項(xiàng)。 當(dāng) n=1,溫度變化 1℃，則斜率變 .1984mV； n=2，則變化為 。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。 984 lgT d an dT? 為溶液溫度系數(shù)項(xiàng)，它受溶液中離子濃度的影響，而離子濃度又取決于它的濃度系數(shù)和離子強(qiáng)度。對(duì)弱電解質(zhì)和溶液形成絡(luò)合物的電解質(zhì)溶液，還受它們的平衡常數(shù)的影響?？梢娺@項(xiàng)是很復(fù)雜的，一般的離子計(jì)不能對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。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。 因此一般的離子計(jì)只能對(duì)能斯特方程中的 溫度系數(shù)斜率項(xiàng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，只能消除溫度對(duì)測(cè)量的部分影響，因此若嚴(yán)格要求，測(cè)量應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行。 實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)，能斯特方程是順應(yīng)實(shí)際曲線往往偏離理想曲線，即實(shí)際響應(yīng)曲線的斜率是不等 于 理想曲線的斜率，所以只知道實(shí)際 的斜率 ，電極可用于測(cè)量系統(tǒng)。 一般離子 計(jì) 不能 對(duì)能 斯特方程溫度系數(shù)斜率溫度補(bǔ)償， 只 可以消除溫度對(duì)測(cè)量的局部 影響 ，所以如果嚴(yán)格要求，測(cè)量應(yīng)進(jìn)行恒溫條件下。 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。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，所以可以應(yīng)用于傳統(tǒng)測(cè)量。 89C52介紹 主要性能參數(shù) ： 與 MSC51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容； 8K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 ； 1000 次擦寫周期； 全靜態(tài)操作： 0Hz24MHz。 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 2568 字節(jié)內(nèi)部 RAM。 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。 功能特性介 紹： AT89C52 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， 2 個(gè)讀寫口線，AT89C52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程 ,但不可以在線編程 (S 系列的才支持在線編程 )。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52 采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。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。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V電源的正負(fù)端。 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。 圖 31 8952 引腳圖 P0 口 是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口 P0 寫“ 1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組 口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。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。 P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 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。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。 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。對(duì)端口 P2 寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX @RI 指令）時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 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)。 P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能 。 P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST 復(fù)位輸入。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。 ALE 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位 無效。 PSEN 程序儲(chǔ)存允