林關(guān)成

基于STC89C52單片機的p H值測量儀設(shè)計?

林關(guān)成

（渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院 渭南 714099）

針對pH值測量儀測量精度低、電路復(fù)雜及穩(wěn)定性差等缺點，為了提高pH值的測量精度，克服溶液的溫度變化、電極老化以及測量電路的穩(wěn)定性等因素帶來的誤差，以STC89C52單片機為控制核心，利用pH傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機對pH電極的檢測信號進行采集、轉(zhuǎn)換和處理，再經(jīng)過溫度補償模塊對信號進行有效補償后通過LCD 1602字符型液晶顯示模塊輸出所測量的pH值。多次試驗測試結(jié)果表明：測量儀能夠準確地測量溶液的pH值，具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好、電路簡單、操作方便等特點，滿足設(shè)計要求，具有一定的應(yīng)用推廣價值。

STC89C52單片機；pH測量；標定；溫度補償

AbstractIn order to increase the measuring accuracy of pH value，and overcome the errors from some factors，such as the temperature variation of solution，the ageing of electrode and the stability of measurement circuit etc.the pH measure instrument was designed based on STC89C52 microcontrollers aiming at the disadvantages of low accuracy，complex circuit and poor stability of the pH measuring instrument.It used the pH sensor，A/D converter and microcontrollers to acquire，convert and process the de?tection signal of pH electrode.Then it output the measured pH after temperature compensation using LCD 1602.The test results showed that the instrument can measure the pH value of the solutions accurately，it met the design requirements.The instrument had the advantages of high precision，low cost，good stability，simple circuit and convenient operation，and it had a promotion of val?ue in the applications.

Key WordsSTC89C52 microcontrollers，pH measurement，calibration，temperature compensation

Class NumberTN606

1 引言

在水質(zhì)分析、環(huán)境監(jiān)測和食品生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域中，對溶液pH值的監(jiān)測非常重要［1～2］。常用的測量方法主要有化學(xué)分析法、試紙分析法和電位分析法。溶液的溫度變化、電極老化以及測量電路的穩(wěn)定性等因素都會給pH值的測量精度帶來誤差［3～6］。因此，如何提高pH值測量精度、降低pH值測量儀的生產(chǎn)成本是目前急需解決的關(guān)鍵問題，也是pH值測量儀未來的發(fā)展趨勢［7～10］。

本設(shè)計采用電位分析法，以STC89C52單片機為控制核心，利用pH傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機對pH電極的檢測信號進行采集、轉(zhuǎn)換和處理，再經(jīng)過溫度補償模塊對信號進行有效補償后輸出顯示所測量的pH值，提高測量精度［11～12］。

2 p H值測量儀的總體方案設(shè)計

pH值是溶液中氫離子濃度的一種標度，本設(shè)計采用電位分析法，通過測量電極系統(tǒng)與被測溶液構(gòu)成的電池電動勢來測量。根據(jù)Nernst方程，結(jié)合溶液的pH值表示式，被測溶液的pH值與輸出電動勢成線性關(guān)系，并且pH值與輸出電動勢間的斜率K受溫度影響。因此，通過同時測量原電池輸出電動勢及溶液的溫度，可計算出被測溶液的pH值。

根據(jù)pH值的測量原理，利用插入溶液中的pH電極，將檢測到的pH信號傳送給pH傳感器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入單片機，同時結(jié)合軟件的設(shè)計完成溫度補償以提高測量精度。之后通過譯碼器和液晶屏顯示所測量溶液的pH值，其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 pH測量儀系統(tǒng)總體框圖

3 p H值測量儀的硬件設(shè)計

根據(jù)pH值測量儀的總體設(shè)計方案，其硬件系統(tǒng)主要由單片機模塊、pH傳感器模塊、pH電極模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、液晶顯示模塊、溫度補償模塊和電源模塊組成，其中pH傳感器模塊、pH電極模塊和A/D轉(zhuǎn)換器模塊作為輸入部分，主要負責采集被測溶液的溫度信號，并且進行檢測信號的轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。單片機模塊作為整個系統(tǒng)設(shè)計中的重要核心，負責控制數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、補償和顯示。液晶顯示模塊作為輸出部分，負責將處理后的測量值以數(shù)字化的形式輸出。溫度補償模塊和電源模塊作為系統(tǒng)的輔助部分，分別完成信號的有效補償和系統(tǒng)電源提供。

3.1 單片機模塊

單片機模塊是整個系統(tǒng)中的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、補償和顯示等控制與處理功能。本設(shè)計使用的STC89C52單片機是一個8位的微處理器（CPU），其芯片共有40個引腳，4個8位并行I/O口和1個全雙工異步串行口以及2個16位計數(shù)/定時器、2個優(yōu)先級和5個中斷源，存儲部分為128B的數(shù)據(jù)存儲器和4KB的程序存儲器。

3.2 p H傳感器與電極模塊

pH傳感器也稱為pH探頭，是由參比電極和玻璃電極兩部分構(gòu)成，包含信號傳輸部分和化學(xué)部分，主要用于檢測被測溶液中的氫離子濃度，并且轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的輸出電壓信號，pH傳感器參數(shù)如表1所示。pH電極用于測量電極的電位值，其電位與特定的離子濃度有關(guān)，它一般與測量溶液相通，并且與測量儀表相連［13～15］。本設(shè)計使用 E-201-C 可充式pH復(fù)合電極，其參數(shù)如表2所示。

表1 pH傳感器參數(shù)

表2 E-201-CPH復(fù)合電極參數(shù)

3.3 A/D轉(zhuǎn)換與液晶顯示模塊

A/D轉(zhuǎn)換器主要用于將pH傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為供單片機接收的數(shù)字信號，本設(shè)計采用的是由ADC0808芯片構(gòu)成的8位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，由通道選擇開關(guān)、地址鎖存與譯碼器以及比較器等組成，有延時、查詢和中斷等三種工作方式。液晶顯示模塊主要負責將測量值以數(shù)字化的形式直觀輸出，本設(shè)計采用LCD 1602字符型液晶顯示模塊，內(nèi)部含有128個字符的ASCII字符集，可分兩行顯示，每行顯示數(shù)字、字母和符號等16個字符，其驅(qū)動電壓為5V，接口為16個引腳的并行接口［16］。LCD1602和單片機的端口連接如圖2所示。

圖2 液晶顯示屏與單片機連接端口

4 p H值測量儀的軟件設(shè)計

pH值測量儀的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)主程序、標定子程序和測量子程序三部分。系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化、顯示屏清零以及判別有沒有鍵被按下等功能。標定子程序采用兩點標定法進行定標，即先標定不同的兩個點并分別存儲，然后依據(jù)兩點計算出準確的斜率和電極電位。測量子程序根據(jù)標定子程序計算出斜率和電極電位，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，計算被測溶液的pH值并輸出顯示。

4.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序首先要完成系統(tǒng)自檢，包括檢測指令系統(tǒng)中斷功能、檢測LED顯示器、檢測A/D轉(zhuǎn)換器和檢測放大電路等。其次將系統(tǒng)初始化，然后使顯示屏清零。接著判別有沒有鍵被按下，若沒有，則讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，調(diào)用測量子程序，計算并顯示被測溶液的pH值。

4.2 標定子程序

為了克服殘留溶液對電極標準濃度的影響，需要對儀器進行校準，本設(shè)計采用兩點標定法校準。兩點標定的過程為：分別準備pH=7、pH=4和pH=10的三種標準緩沖溶液，首先選用pH=7的溶液來對電極定位，再依據(jù)待測溶液的酸堿度來決定選用第二種標準緩沖溶液。如果待測溶液呈酸性，就選用pH=4的標準緩沖溶液來對電極定位；如果待測溶液呈堿性，就選用pH=10的標準緩沖溶液來對電極定位。即先標定pH=7和pH=4（或pH=10）的兩個點P1和P2并分別先后存儲標定點，然后依據(jù)兩點計算出測量所需要的電極電位E0和斜率K值，其流程如圖3所示。

4.3 測量子程序

圖3 標定子程序流程圖

圖4 測量子程序流程圖

根據(jù)標定點P1點和P2點所計算出的電極電位E0和斜率K值，測量子程序首先讀取標定值電位E0和斜率K，然后將結(jié)果進行A/D轉(zhuǎn)換后，再依據(jù)輸入采集的溫度進行溫度補償，并且修正斜率K值，最后根據(jù)Nernst方程以及溶液的pH值表示式，計算被測溶液的pH值，并通過液晶顯示屏輸出顯示所測量的pH值，其流程如圖4所示。

表3 實驗測試數(shù)據(jù)

5 p H值測量儀的功能測試及誤差分析

為了檢測所設(shè)計儀器的功能和可靠性，先將元器件按照PCB生成的布線圖擺放，并逐一焊接，經(jīng)校驗無電氣錯誤后通電并開始加載程序。通過keilμVision4軟件開發(fā)系統(tǒng)編譯程序生成.hex文件，利用STC-ICP軟件將程序燒錄進系統(tǒng)后，加電初始化，觀察顯示屏結(jié)果，正常后即可開始測試工作。分別測試pH=7、pH=4和pH=10的三種不同溶液在三種不同溫度下的pH值，記錄測試數(shù)據(jù)如表3所示。從表中可以看出，測試數(shù)據(jù)與真實值相差較小，測試結(jié)果正確，符合設(shè)計要求。同一濃度的溶液在不同溫度下測量的pH值不同，在允許的溫度范圍內(nèi)，溫度越高，所測pH值越大，誤差也越大。

6 結(jié)語

本文提出了pH值測量儀的總體設(shè)計方案，闡述了其硬件設(shè)計過程和軟件設(shè)計原理。通過系統(tǒng)調(diào)試，測量儀具有良好的溫度補償和標定功能，實現(xiàn)了pH值的快速準確采集與顯示及存儲，具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好、操作方便等特點，達到了預(yù)期目標。

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Design of p H M easure Instrument Based on STC89C52 M icrocontrollers

LIN Guancheng
（College of Network Security and Information，Weinan Normal University，Weinan 714099）

TN606

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.039

2017年3月11日，

2017年4月21日

國家自然科學(xué)基金項目（編號：11574250）；陜西省軍民融合研究基金項目（編號：17JMR23）；渭南市自然科學(xué)研究計劃基金項目（編號：2016KYJ-3-1）；渭南師范學(xué)院科研計劃基金項目資助。

林關(guān)成，男，博士，副教授，研究方向：信號與信息處理。