【導(dǎo)讀】指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注。和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作。了明確的說明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。本論文詳細(xì)地論述了pH測試儀的設(shè)計，包括氫離子濃度的測量原。理、標(biāo)定方法、傳感器設(shè)計，測量電路原理圖和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。pH測試儀配用適當(dāng)?shù)膮⒈入姌O和指示電極能夠?qū)潆x子的濃度進(jìn)行測定。三電極測量系統(tǒng)可大大降低外界干擾的影響。傳感器的獨特設(shè)計可以降低參比電極內(nèi)溶液的離子干擾。路以MCS-51單片機系統(tǒng)為核心，使本儀器的智能化程度高。能自動調(diào)節(jié)斜率，溫度自動補償?shù)哪芰皺z測時間定時等功能。采用人機對話方式，可實現(xiàn)自動測量、標(biāo)定、存儲、顯示數(shù)據(jù)等功能。儀器的標(biāo)定采用兩點標(biāo)定法對儀器

　　

【正文】 由歐姆定律得： ? ?1 2 1 ( 1 2 ) / 3 ( 1 2 )V o V o R R R V V? ? ? ? ? ? （ 35） 輸入級也稱為差分輸入， U3為差分放大器，因此有： ( 2 / 1 ) ( 2 1 )V o R R V o V o? ? ? （ 36） 將兩式結(jié)合在一起： ( 2 1)Vo A V V? ? ? （ 37） ? ?1 2 1 ( 1 2 ) / 3 ( 2 / 1 )A A A R R R R R? ? ? ? ? ? （ 38） 此式表明 總增益 A是第一級 A1和第二級 A2的乘積， 輸入電路的增益取決于外部電阻的比值，所以采用合適的電阻。也就是調(diào)節(jié)合適的放大增益．使輸出電壓 V0達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電壓范圍，送入單片機 DAC0832模／數(shù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。另外，通過適當(dāng)調(diào)節(jié) U3中的電阻 Rw 可以使共模抑制比 CMRR達(dá)到最大．抑制共模噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，增強系統(tǒng)抗干擾能力。 為了準(zhǔn)確的測定溶液中氫離子濃度，除了需 要性能優(yōu)良的電極外，還與儀器的前置運算放大 的選擇有密切的關(guān)系。以前影響測量儀器發(fā)展的主要技術(shù)關(guān)鍵是前置運算放大器的性能不能適應(yīng)現(xiàn)場的需求，表現(xiàn)在性能上不穩(wěn)定飄移大，噪音大，傳輸距離不遠(yuǎn)等。作為前值運算放大器，應(yīng)有以下幾個要求： ； ， 放大器的輸入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的絕緣阻抗等 ； 。 所以儀器使用的 美國無線電公司研制開發(fā)的 CA3140高輸入阻抗運算放大器 ,該運算放大器功能保護(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。 模擬轉(zhuǎn)換開關(guān) CD4051/CC4051 是單 8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有三個二進(jìn)控制輸入端 A、B、 C 和 INH 輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為 ～ 20V 的數(shù)字信號可控制峰值至 20V 的模擬信號。例如，若 VDD＝ +5V， VSS＝ 0， VEE＝ ，則 0～ 5V 的數(shù)字信 號可控制 ～ 的模擬信號。這些開關(guān)電路在整個 VDDVSS和 VDDVEE 電源范圍 內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng) INH長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 21 輸入端＝ “1” 時，所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號選通 8 通道中的一 個 通道，可連接該輸入端至輸出。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eA4D a t e : 17 J un 2 010 S he e t o f F i l e : G : \bi y e zi l i a o\ P R E V I O ~ 1 D B D r a w n B y :X013X114X215X312X41X55X62X74I N H6A11B10C9V E E7X3U3405 1R3 1K+ 5V 5VP 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4TPHV I N168 圖 34 4051 引腳接口 圖 主要引腳功能說明： X0： pH 信號輸入端 ； X1： T溫度信號輸入端 ； INH：禁止段 ； A， B， C：地址端 ； X：輸入或輸出端 。 如圖 34所示， INH輸入端接 1K電阻并接地，所以 INH輸入端 =“ 0”，所有通道導(dǎo)通。若 INH=“ 0”，則所有通道截止。 當(dāng) A=0， B=0， C=0時 X0通道被選通，即此時輸入pH信號；當(dāng) A=1， B=0， C=0時， X1通道被選通，即此時輸入溫度信號。 4051 主要將輸入的 pH 信號和溫度信號進(jìn)行選擇，選擇其中之一進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。主要因為 A/D 轉(zhuǎn)換器一次僅能轉(zhuǎn)換一個信號，而且價格較貴，若采用兩個 A/D 轉(zhuǎn)換器，則設(shè)計成本將會增加。 故用 4051 進(jìn)行信號選擇 。 A/D 轉(zhuǎn)換器 本 pH 測試儀，測量的是溶液中的氫離子濃度和溫度。根據(jù)測量的特點，系統(tǒng)采用的是 MC14433 芯片，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 MC14433 是 主要對從輸入電路進(jìn)來的 pH 和溫度信號經(jīng)模擬電子開關(guān)選擇的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 MC14433 信號 雙積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好等優(yōu)點，其缺點是轉(zhuǎn)換速度慢，約 110次 /s。 在不要求高速轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛應(yīng)用。它的被轉(zhuǎn)換電壓量程為長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 22 。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)一 BCD 碼的形式分四次送出。 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器引腳如圖 35 所示。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eA4D a t e : 13 J un 2 010 S he e t o f F i l e : G : \bi y e z i l i a o\ P R E V I O ~ 1 D B D r a w n B y :V A G1V R E F2V I N3R I N T4R / C5C I N T6C 027C 018DU9C L K I10C L K O11V E E12V D D24Q023Q122Q221Q320D S 119D S 218D S 317D S 416OR15E O C14V S S13U9M C 1443 3C3 uFC4 uFR 2 0470 KR 2 1470 K+ 5V 5VV R E FG N DD S 1D S 2D S 3D S 4P 3 . 3V I NP 3 . 3Q0Q1Q2Q3 圖 35 MC14433 引腳圖 下面介紹引腳的功能： VDD：主工作電源 +5V； VEE：模擬部分的伏電源端， 接 5V； VAG：模擬地端 ； VSS：數(shù)字地端； VREF:基準(zhǔn)電壓輸入端； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出端，正脈沖有效； DU：啟動新的轉(zhuǎn)換，若 DU 與 EOC 相連，每當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動新的轉(zhuǎn)換； OR：當(dāng) |VX||VR|，過量程 OR 輸出低電壓； DS1DS4：分別為個、十、百、千、位輸出的選通脈沖，正脈沖有效。 DS1 對應(yīng)千位， DS4 對應(yīng)各位。每個選通脈沖寬度為 18個時鐘周期， 2個相 應(yīng)脈沖之間間隔為 2個時鐘周期； Q1Q3： BCD 碼數(shù)據(jù)輸出線。其中 Q0 為最低位， Q3 為最高位。當(dāng) DS DS2 和DS4 選通期間 ，輸出 3位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1（千位）選通期間，輸出端 Q0Q3除了表示千位的 0 或 1 外，還表示被轉(zhuǎn)換電壓的正負(fù)極性（ Q2=1 為正）以及欠量程 還是過量程 。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 23 D/A 轉(zhuǎn)換器 我們使用的 D/A轉(zhuǎn)換器為 美國國家半導(dǎo)體公司的 DAC0832芯片具有 2個輸入數(shù)據(jù)寄存器的 8 位 DAC，它能直接與 MCS51 單片機相連， 其主要性能如下： 分辨率為 8 位， 電流輸出，穩(wěn)定時間為 1us；可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入；單一電源供電； 低功耗 ， 20mW。 DAC0832 的引腳如 圖 36 所示。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA4D a t e : 1 2 J u n 2 0 10 S h e e t o f F i l e : H : \ b i y e z i l i a o \ G D C P U 3 . D D B D r a w n B y :Vcc20I o u t 111l s b D I 07I o u t 212D I 16D I 25R f b9D I 34D I 416V r e f8D I 515D I 614m s b D I 713I L E19W R 218CS1W R 12X f e r17U7 D A C 0 8 3 2+ 5 V+ 5 V 5 VD/A1 WRD0D1D2D3D4D5D6D710 圖 36 DAC0832 的引腳 DI0DI7： 8位數(shù)字信號輸入端，與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，用于接受單片機送來的待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量， DI7 為最高位； CS：片選段，當(dāng) CS為低電平時，本芯片被選中； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效； WR1：第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。當(dāng) CS=0、 ILE= WR1=0 時，數(shù)據(jù)信號被鎖存到第一級 8位輸入寄存器； Xfer ： 數(shù)據(jù)傳輸控制 ， 低電平有效 ； WR2： DAC 寄存器 寫 選通 控制端， 低電平有效 。 當(dāng) Xfer =0； WR2=0 時；輸入寄存器狀態(tài)傳入 8 位 DAC 寄存器 中； Iout1： D/A 轉(zhuǎn)換器電流輸出 1 端，輸入數(shù)字量全 為 1 時， Iout1 輸出最大，輸入數(shù)字量全為 0 時， Iout1 輸出最??； Iout2： D/A 轉(zhuǎn)換器電流輸出 2 端， Iout2+Iout1=常數(shù)； Rfb ：外部反饋信號輸入端，內(nèi)部已有反饋 電阻 Rfb ，根據(jù)需要 也可外接反饋電阻； 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 24 Vc ：電源輸入端，可在 +5V+15V 范圍內(nèi)； DGND：數(shù)字信號地； AGND:模擬信號地，最好與基準(zhǔn)電壓共地 。 DAC0832 內(nèi)部的 8 位輸入寄存器用于存放 CPU 送來的數(shù)字量，是輸入數(shù)字量得到緩沖和所存，由 LE1 端加以控制； 8 位 DAC 寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由 LE2 端控制； 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路由 8 位 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受 8 位 DAC 寄存器輸出的數(shù)字來能 夠控制， T 型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此， DAC0832 通常需要外接運算放大器，進(jìn)行電流 /電壓轉(zhuǎn)換，才能得到模擬輸出電壓。 標(biāo)準(zhǔn)信號 輸出電路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e vi s i onS i z eBD a t e : 16 J u n 20 10 S h e e t o f F i l e : H : \ bi ye z i l i a o \輸出 .D D B D r a w n B y :R910 KR 1 710 0R 1 110 0KW310 0KK4K2K1R 1 510R 1 25KR 1 410 KR710 KR84. 7KR 1 34. 7KC60. 1uFD2 1N 41 48T180 50+ 1 2R 1 050567U 1 0 BL M 32 4 121314U 1 0 DL M 32 41098U 1 0 CL M 32 4K3 5 VW110 kW210 k1 87 23 6 5 4V o ut0 10m A4 20m A0 10m V0 5V 圖 37 輸出電路 單片機微機系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號經(jīng) DAC0832 送入 輸出 電路，如 圖 37所示， 經(jīng)輸出 電路轉(zhuǎn)換可輸出 010mA 或 420mA 的 電流信號 和 05mV 或 010mV 的電壓信號。電流信號和電壓信號的輸出范圍可通過儀器內(nèi)部的切換開關(guān)進(jìn)行切換 。 此時DAC0832 用作程控放大器。由圖可見，需要放大的電壓 Vi 和反饋輸入端 fbR 相接，運 算放大器輸出 Vo還作為 DAC0832 的基準(zhǔn)電壓 REFV ,數(shù)字量由 CPU 送來，其余如圖（ 37） 所示。 DAC0832 內(nèi)部 Io 一邊和 T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連，另一邊又通過反饋電阻 fbR和 Vi 相通，故而得到 DAC 的輸出和輸入之間的關(guān)系： 256fbVi RVo BR? ? ? ?