【正文】 由圖可見，需要放大的電壓 Vi 和反饋輸入端 fbR 相接，運(yùn) 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。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。 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(hào)輸入端，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，用于接受單片機(jī)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(shí)，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(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其中 Q0 為最低位， Q3 為最高位。 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器引腳如圖 35 所示。 MC14433 信號(hào) 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(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，約 110次 /s。 故用 4051 進(jìn)行信號(hào)選擇 。若 INH=“ 0”，則所有通道截止。當(dāng) INH長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 21 輸入端＝ “1” 時(shí)，所有的通道截止。 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(gè)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。 為了準(zhǔn)確的測(cè)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(yùn)算放大 的選擇有密切的關(guān)系。 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 A D 1. D D B D r a w n B y :RB***kRA***kW2100kR75 .1 kC20 .1 u FC10 .1 u FR4100KR3100KR5100kR610kR822K567U 3 BL M 3 2 4321411U 3 AL M 3 2 4C40 .1 u FC30 .1 u F3261 574U1C A 3 1 4 03261 574U2C A 3 1 4 01098U 3 CL M 3 2 4R2100KR1100k+5V+12V12VPH5V+5V5V+5V5VC K 1C K 2 圖 33 pH信號(hào)輸入電路 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 20 在 圖 （ 33） 中， U1 和 U2 構(gòu)成輸入級(jí)或第一級(jí)，而 U3 構(gòu)成輸出級(jí)或第二級(jí)，依據(jù)輸入電壓約束條件，在 R3 上的電壓為玻璃電極 V1 和參比電極 V2 電壓之差，即 V1V2，依據(jù)輸入電流約束條件，流過 R1 與 R3 是同一電流。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。 因此設(shè)計(jì)中選用了運(yùn)放 CA3140，它兼有高電壓 PMOS 管和高壓二極管的優(yōu)點(diǎn)。 在一定的溫度下只要知道了電壓值，即可求出溶液的 pH 值，因此 pH值的測(cè)量實(shí)際上就是電壓信號(hào)的測(cè)量。 pH 電極由玻璃電極和參 考電極 組成。 增強(qiáng)抗干擾能力；第二級(jí)反相放大，采用可調(diào)電阻做反饋電阻，放大倍數(shù)可調(diào)，便于儀器的調(diào) 試：第三級(jí)與第四級(jí)結(jié)合起來調(diào)節(jié)輸人信號(hào)的零點(diǎn)。 電壓 放大倍數(shù) 1 3 ( 1 2 1 1 )1 1 32 0 0 (1 0 0 5 . 1 )1 0 2 0 0 kR R RAWRk k kk?????? （ 31） =1500 所以最小輸出電壓為 1500mV。 本文設(shè)計(jì)的溫度采集電路運(yùn)用 AD590溫度傳感器 。被選信號(hào)通過 LM33l進(jìn)行幅頻轉(zhuǎn)換。由于單片機(jī)采用 +5V 電壓。 對(duì)溫度信號(hào)的處理要求精度比較高。提高輸入阻抗 ；第二級(jí) 反相放大，采用可調(diào)電阻做反饋電阻，放大倍數(shù)可調(diào)，便于儀器的調(diào)試； 第三級(jí)與第四級(jí)結(jié)合起來調(diào)節(jié)輸人信號(hào)的零點(diǎn)。本系統(tǒng)就是以 MCS51 型單片微型計(jì)算機(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)可以完成自檢、運(yùn)行、標(biāo)定等功能的智能型儀器。所以本設(shè)計(jì)采用三電極測(cè)量系統(tǒng)，可大大降低外界干擾的影響。 其中還介紹了 介紹參比電極和指示電極 的基本概念和基本工作原理以及 溫度對(duì)測(cè)量的影響以及測(cè)量下限與測(cè)量范圍。并且應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)。這種器件以電流作為輸出量指示溫度，其典型的電流溫度靈敏度是 1 /AK? 。鉑電阻與溫度的關(guān)系是： Rt =R0(1+At+Bt*t) (217) 其中 Rt 是溫度為 t℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值； R0是溫度為 0℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值；t為任意溫度值， A、 B為溫度系數(shù)。可滿足40℃ 90℃測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，不適用于檢測(cè)小于 1℃的信號(hào)；而且線性度很差，不能直接用于 A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對(duì)其進(jìn)行線性化補(bǔ)償。按照熱敏電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻和 金屬熱電阻兩大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。 由此可得 ， 如果體系中沒有電流通過 ， 都可以用雙電極體系 。 測(cè)量時(shí) ， 參比電極上通過的電流極小 ， 不致引起參比電極的極化 。 如果可以確定輔助電極的電極電位在測(cè)試過程中是不發(fā)生變化或者變化可以忽略不計(jì)時(shí) ， 我們就不必使用參比電極 .這就是所謂的雙電極測(cè)試系統(tǒng) ， 輔助電極的 作用是在整個(gè)測(cè)試中形成一個(gè)可以讓電流通過的回路 ， 只有一個(gè)電極外電路上是不可能有穩(wěn)定的電流通過的 。因此，根據(jù)各電極的具體情況，也可以把電極的測(cè)量上限規(guī)定小于 1mol/L。由于此點(diǎn)不易確定，又推薦用下述方法確定檢測(cè)下限：把 Eln a直線 部分外推，再在電極的選擇性離子的濃度為無限低時(shí)，由 E ln a曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)作平行于濃度對(duì)數(shù)軸的直線，兩直線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濃度值即為檢測(cè)下限，如圖 26中 A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 a0點(diǎn) 。 檢測(cè)下限與測(cè)量范圍 電極的響應(yīng)斜率只在一定的濃度范圍內(nèi)維持不變，當(dāng)濃度小于一定值時(shí)，斜率明顯變小。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。 是能斯特方程系數(shù)斜率項(xiàng)。這里的 0E 與溫度有關(guān)，只有在溫度不變時(shí)， E才僅由 a外 決定。金屬與溶液間的電位差叫做該電極的電位。 1 6 1 5 2 3 4 2 3 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 12 化學(xué)電池是一個(gè)換能器，它是一個(gè)化學(xué)電源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蓛蓚€(gè)電極和接通兩電極的電解質(zhì)溶液組成。電極反應(yīng)為 ： A gCl e A g C l? ??? ? 電極電位為 ： 0 ln clRTE E aF ??? （ 212） 當(dāng) Cl 濃度 和溫度一定時(shí)，電極電位是一常數(shù)。常用的參比電極有氫電極、甘汞電極、 銀 氯化銀電極、固體參比電極和其他參比電 極 本設(shè)計(jì)使用的是銀 氯化銀電極，它是一種方便可靠的電極，在電位穩(wěn)定性和重現(xiàn)性方面都比較好，特別是在高溫下電極電位仍然比較穩(wěn)定。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???? (210) 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）。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)。 最常用的 pH 指示電極是玻璃電極。如下圖，當(dāng)離子活度從大變小直到 無限稀時(shí)， Elga 曲線與直逐漸彎曲，直至與水平軸平行。各種離子選擇性電極都有一個(gè)被稱為離子選擇性膜的敏感元件 。此時(shí)半電池電位或電極電位的大小取決于此種陰離子的活度。這種（如上所述）由金屬和含有此金屬離子的溶液組成的電極被稱為第一類電極。例如，一支電極由一根插在含有銀離子的鹽溶液中的一根銀導(dǎo)線制成，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，并形成一定的電位差。 電位分析法所用的電極被稱為原電池。是采用有些指示劑在不同的酸堿度下能呈現(xiàn)變化或 變化為不同顏色這一特性來測(cè)量溶液酸堿度的一種方法。 如圖 22 所示。 由前所述，式中僅有 pH0、 K K2 為未知，因此可由上式求得電極的零電位點(diǎn) pH0 以及 T1 溫度下的斜率 K1，并把 K1 換算成 25℃時(shí)的斜率 K25。 對(duì)此， 我們采用兩點(diǎn)標(biāo)定法。 圖 21 三電極系統(tǒng) 兩點(diǎn)標(biāo)定法 標(biāo)定方法很多，標(biāo)定是用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液去校準(zhǔn)儀器。圖 21 是這種三電極測(cè)量電路的示意。 因?yàn)椋?我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中，沒有 pH=。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 5 第二章 pH 測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì) pH 測(cè)試儀的測(cè)量原理 數(shù)學(xué)模型的建立 :水溶液的酸堿度與被測(cè)溶液的 pH 值關(guān)系，可以用能斯特方程表示 為 0 2 .3 0 3 / *E E R T F p H?? （ 21） 0E ：電極的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位 ； R ：氣體的常數(shù) R= 焦耳 /摩 ； T ：絕對(duì)溫度 T =+t； F ：法拉第常數(shù) F =96500 庫(kù) /摩 。用 4051 對(duì)進(jìn)來的溫度和 pH 信號(hào)進(jìn)行選擇并送入 MC14433， MC14433 將其中之一的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)，并將其送入單片機(jī)進(jìn)行下一步操作。③產(chǎn)品系列化，為滿足不同用戶的要求，儀器應(yīng)具有多種電極清洗方式，可供用戶選用。 1989 年月本 橫河電機(jī)又推出 EXAPH pH 200 G 型智能式工業(yè) pH 計(jì)， [11]儀器配有微處理機(jī)，據(jù)稱該 EXA型 pH 計(jì)是世界上第一臺(tái)智能 2線式工業(yè) pH 計(jì)。該儀器能夠進(jìn)行 pH 自動(dòng)校正和電極的自動(dòng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 4 清洗。 自從 1971 年微處理機(jī)問世以來，由于其獨(dú)特的功能，引起了人們極大的興趣。 1979 年，橫河電機(jī)在 8511 型 pH 變送器的基礎(chǔ)上 ,推出 pH6F型 pH 變送器；后又于 1982 年推出 pH8F 型 pH變送器。由于生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)和控制的實(shí)際需要和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的開發(fā)， IC和 FET 的出現(xiàn)，使工業(yè) pH 計(jì)在 7O年代取得了突破性的進(jìn)展。 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。 [9] pH 測(cè)試儀 的發(fā)展概況 pH 測(cè)試儀 在日本發(fā)展很快 ， 特別是 70年代和 80 年代 ， 日本的產(chǎn)品緊跟時(shí)代潮流 ， 每個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品都具有時(shí)代的特點(diǎn) ， 都具 有 代表性及世界的先進(jìn) 性。另外，由于離子電極分析法所依據(jù)的電位變化可供連續(xù)顯示與自動(dòng)記錄，因而使用這種方長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 3 法有利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)與自動(dòng)分析。采樣可以在水庫(kù)、江河、溪流的岸邊進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室外所用的方法與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的相同 。電極法分析還可以節(jié)省時(shí)間，僅需幾分鐘，典型的單詞分析時(shí)