楊小天　劉國(guó)龍

(1:吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春　130118;　2:吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春　130118)

基于ARM7微控制器的自清潔pH電極設(shè)計(jì)

楊小天1,2劉國(guó)龍1

(1:吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春130118;2:吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130118)

摘要：本文在現(xiàn)有的水質(zhì)分析傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合新型的ARM7微控制器,設(shè)計(jì)了一種自清潔pH電極.硬件電路以LPC2138為控制核心,應(yīng)用16位的A/D轉(zhuǎn)換器ADS8320,對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行高精度采集與轉(zhuǎn)換.應(yīng)用PWM控制步進(jìn)電機(jī)雨刷,對(duì)pH電極進(jìn)行清潔.具有交直流電源自動(dòng)切換電路,可實(shí)現(xiàn)在多種環(huán)境下的pH值和溫度的在線測(cè)量.

關(guān)鍵詞：自清潔pH電極；LPC2138；PWM控制；pH測(cè)量；溫度測(cè)量

0引言

水污染給自然環(huán)境和人們的身心健康帶來(lái)了嚴(yán)重的危害.各種用水都應(yīng)該以水質(zhì)分析結(jié)果為依據(jù),才能做出準(zhǔn)確的判斷和評(píng)價(jià).在進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)時(shí),pH是水質(zhì)檢測(cè)的一個(gè)重要參數(shù),是控制生活污水和工業(yè)廢水排放的一個(gè)重要指標(biāo)[1].近年來(lái)，隨著儀器儀表自動(dòng)化和智能化的發(fā)展,使得pH檢測(cè)變得更加方便快捷,pH測(cè)試儀的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的手工測(cè)量分析.目前，現(xiàn)有的pH測(cè)試儀通常體積較大,供電電源單一,自動(dòng)清潔裝置少,不便于攜帶,只能適用于實(shí)驗(yàn)室等特殊場(chǎng)合.本文針對(duì)傳統(tǒng)的pH測(cè)試儀器的這些弊端,將pH傳感器、溫度傳感器、硬件電路結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)了一種小型化pH電極,設(shè)計(jì)了電極自清潔裝置和交直流供電切換電路,使得pH電極便攜化,適用性更強(qiáng).

1整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中pH傳感器和溫度傳感器分別通過(guò)差分放大電路和橋式電路將傳感器電壓信號(hào)通過(guò)模擬開關(guān)送入到A/D轉(zhuǎn)換器中,再經(jīng)過(guò)LPC2138 32位的ARM7微控制器進(jìn)行處理,將處理后的數(shù)據(jù)在EEPROM中進(jìn)行存儲(chǔ),同時(shí)通過(guò)液晶進(jìn)行顯示.設(shè)計(jì)了按鍵電路和串口通訊電路,以便于數(shù)據(jù)的上位機(jī)傳輸.為了提高電源的轉(zhuǎn)換效率,使設(shè)計(jì)的pH電極適用性更廣,本文設(shè)計(jì)了交直流電源切換電路,在沒有外部電源供電時(shí),使用電池供電,在有外部電源接通時(shí),電池供電被斷開,使用外部電源給整個(gè)系統(tǒng)供電.自清潔電路的設(shè)計(jì)由微控制器的PWM功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)雨刷裝置的控制，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)見圖1.

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2測(cè)量原理及電路圖

2.1　pH測(cè)量原理

pH值,亦稱氫離子濃度指數(shù)、酸堿值,是溶液中氫離子活度的一種標(biāo)度,也就是通常意義上溶液酸堿度的衡量標(biāo)準(zhǔn)[2].

pH的定義式為:

pH=-lg[H+]

其中，[H+]指的是溶液中氫離子活度,稀溶液下可近似按濃度處理,單位為mol·L-1.

電位分析法所運(yùn)用的電極被稱為原電池,原電池是一個(gè)使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能的系統(tǒng).原電池的電壓被稱為電動(dòng)勢(shì)[3].此電動(dòng)勢(shì)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)為參比半電池稱作參比電極,它一般與測(cè)量溶液相通并且與測(cè)量?jī)x表相連.

電極與待測(cè)溶液之間的電動(dòng)勢(shì)可由Nernst方程表示為:

(1)

式中：E0=ED+E不對(duì)稱+E1+E2+E內(nèi)參-E外參+E液接，這里的E0與溫度有關(guān),只有在溫度不變時(shí),E才僅由a外決定.測(cè)量池中的電勢(shì)可以寫成：

(2)

對(duì)于確定的測(cè)量電池,ED，E不對(duì)稱，E1，E內(nèi)參，E外參，E液接為常數(shù).

pH的測(cè)量是根據(jù)測(cè)量電極與參比電極組成的工作電池在溶液中測(cè)得的電位差,利用待測(cè)溶液的pH值與工作電池的電勢(shì)大小之間的線性關(guān)系,再通過(guò)電位計(jì)轉(zhuǎn)換成pH或mV單位數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液酸堿度的測(cè)定.

2.2　pH測(cè)量原理電路圖

在pH測(cè)量中,選用高精密儀表差分放大器AD620,它只需要一個(gè)外接電阻即可調(diào)節(jié)各種增益,增益范圍1~1 000,可以通過(guò)電位器R8來(lái)調(diào)節(jié)AD620的增益[4].在本設(shè)計(jì)中pH電極的信號(hào)范圍-400mV～+400mV,由于A/D轉(zhuǎn)換器只能采集正電壓信號(hào),所以要對(duì)負(fù)的電壓信號(hào)進(jìn)行偏置,AD620第五引腳REF便解決了這個(gè)問(wèn)題,通過(guò)外接基準(zhǔn)電壓,省去了加法器電路,節(jié)約了資源,簡(jiǎn)化了電路.圖2為pH信號(hào)采集電路原理圖.

圖2 pH測(cè)量電路原理圖

2.3　溫度測(cè)量原理電路圖

Pt100溫度傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器.它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定.本設(shè)計(jì)采用三線制橋式電路.在原理圖中,R17,R18為1K精密電阻；R19為100Ω精密電阻；P6為Pt100溫度傳感器,通過(guò)采集橋式電路的差分輸入電壓,可以計(jì)算出電阻的阻值變化,根據(jù)溫度與Pt100阻值的關(guān)系,得到所測(cè)量的溫度值[5].圖3為溫度測(cè)量原理圖.

圖3 溫度測(cè)量原理圖

2.4　交直流轉(zhuǎn)換電路原理圖

本文設(shè)計(jì)了電源交直流轉(zhuǎn)換電路,可以實(shí)現(xiàn)外部電源供電和電池供電之間相互轉(zhuǎn)換,在沒有外部電源供電時(shí),使用電池供電,在有外部電源接通時(shí),電池被阻斷,使用外部電源給整個(gè)系統(tǒng)供電,在電源轉(zhuǎn)換電路原理圖,P3為外部電源接口,P4為電池供電接口,沒有外部電源供電時(shí),P4通過(guò)IRF7416 P溝道MOS管為整個(gè)系統(tǒng)提供電源,當(dāng)有外部電源供電時(shí),P4被阻斷,P3為整個(gè)系統(tǒng)供電.圖4為交直流轉(zhuǎn)換電路原理圖.

圖4 交直流轉(zhuǎn)換電路原理圖

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程,由Keil for ARM開發(fā)系統(tǒng)完成.系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)和模塊程序設(shè)計(jì).基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)包括:LPC2138程序驅(qū)動(dòng),LCD液晶驅(qū)動(dòng)程序,EEPROM程序設(shè)計(jì),A/D采集程序驅(qū)動(dòng).模塊程序設(shè)計(jì)包括:溫度測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì),pH測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì).

3.1　溫度測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量電路中應(yīng)用的是三線制橋式溫度測(cè)量電路,根據(jù)Pt100阻值的變化來(lái)采集電橋電壓信號(hào)的變化,換算出溫度的值.程序開始時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,初始化完成后進(jìn)行A/D信號(hào)采集,將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻值,再根據(jù)阻值與溫度的公式,計(jì)算出溫度數(shù)據(jù),通過(guò)液晶顯示測(cè)量結(jié)果.

3.2　pH測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行pH標(biāo)定,判斷是否為首次標(biāo)定.若首次標(biāo)定,必須完成pH=7后才能進(jìn)入兩點(diǎn)標(biāo)定[6].在兩點(diǎn)標(biāo)定中選取標(biāo)準(zhǔn)液pH=4.00的緩沖液進(jìn)行第一點(diǎn)標(biāo)定,指示燈1亮,第一點(diǎn)標(biāo)定完成,存儲(chǔ)標(biāo)定值,選取pH=9.68的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行第二點(diǎn)標(biāo)定,指示燈2亮,第二點(diǎn)標(biāo)定完成,存儲(chǔ)標(biāo)定值,計(jì)算出零點(diǎn)電位和斜率并存儲(chǔ),指示燈1,指示燈2同時(shí)閃爍,提示標(biāo)定完成,退出標(biāo)定,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，見圖5.

圖5 pH標(biāo)定程序設(shè)計(jì)　　　　　圖6 pH測(cè)量程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行pH測(cè)量過(guò)程中,首先讀取EEPROM中的零點(diǎn)電位值E0及斜率K,然后進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集,采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)公式pH=E0+K*E,并且根據(jù)溫度補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)pH的準(zhǔn)確測(cè)量,測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)SO-12864液晶進(jìn)行顯示，見圖6.

4結(jié)語(yǔ)

本文以LPC2138 ARM7微控制器為主控芯片,應(yīng)用高精密的儀器儀表放大器設(shè)計(jì)了自動(dòng)清潔pH電極.在溫度和pH的測(cè)量過(guò)程中,使用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和pH數(shù)據(jù)的高精度轉(zhuǎn)換,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確性和實(shí)時(shí)測(cè)量.在環(huán)境惡劣的測(cè)試環(huán)境下,電極很容易受到污染,長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)造成測(cè)量結(jié)果偏差,自清潔pH裝置解決了這個(gè)問(wèn)題.在設(shè)計(jì)中,考慮到低功耗和便攜性,設(shè)計(jì)了交直流電源切換電路,提高了電源的利用率,使適用性更廣.通過(guò)本文設(shè)計(jì)的自清潔pH電極,對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下pH的測(cè)量提供了一定的參考價(jià)值.

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Design of Self-cleaning pH Electrode Base on ARM7 Microcontroller

YANG Xiao-tian1,2，LIU Guo-long1

(1:SchoolofElectricalandElectronicInformation,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118;

2:JilinProvinceComprehensiveBuildingElectricalEnergySavingKeyLaboratoryChangchun,China130118)

Abstract：In this paper, based on existing water quality analysis sensor technology, combined with the new ARM7 microcontroller, designed a self-cleaning pH electrode. In hardware, LPC2138 is the core controller, the design applied 16 bit A/D converter ADS8320 to achieve high-precision signal acquisition and conversion. And use PWM pulse to control stepper motor wiper for the self-cleaning of pH electrode. It has AC-DC power supply automatic switching circuit. It can be implemented in a variety of environments on-line measurement of pH and temperature.

Keywords:self-cleaning pH electrode；LPC2138；PWM control；pH measurement；Temperature measurement

中圖分類號(hào)：TP 21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2015)06-0059-04

作者簡(jiǎn)介：楊小天(1969～),男,吉林省長(zhǎng)春市人,研究員,博士.

收稿日期：2015-05-05.