基于ARM7微控制器的自清潔pH電極設(shè)計

楊小天　劉國龍

(1:吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,長春　130118;　2:吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點實驗室,長春　130118)

基于ARM7微控制器的自清潔pH電極設(shè)計

楊小天1,2劉國龍1

(1:吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,長春130118;2:吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點實驗室,長春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,對傳感器信號進行高精度采集與轉(zhuǎn)換.應(yīng)用PWM控制步進電機雨刷,對pH電極進行清潔.具有交直流電源自動切換電路,可實現(xiàn)在多種環(huán)境下的pH值和溫度的在線測量.

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

0引言

水污染給自然環(huán)境和人們的身心健康帶來了嚴重的危害.各種用水都應(yīng)該以水質(zhì)分析結(jié)果為依據(jù),才能做出準確的判斷和評價.在進行水質(zhì)檢測時,pH是水質(zhì)檢測的一個重要參數(shù),是控制生活污水和工業(yè)廢水排放的一個重要指標[1].近年來，隨著儀器儀表自動化和智能化的發(fā)展,使得pH檢測變得更加方便快捷,pH測試儀的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的手工測量分析.目前，現(xiàn)有的pH測試儀通常體積較大,供電電源單一,自動清潔裝置少,不便于攜帶,只能適用于實驗室等特殊場合.本文針對傳統(tǒng)的pH測試儀器的這些弊端,將pH傳感器、溫度傳感器、硬件電路結(jié)合起來,設(shè)計了一種小型化pH電極,設(shè)計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.

1整體設(shè)計

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

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2測量原理及電路圖

2.1　pH測量原理

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度,也就是通常意義上溶液酸堿度的衡量標準[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.

電位分析法所運用的電極被稱為原電池,原電池是一個使化學(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勢[3].此電動勢由二個半電池構(gòu)成,其中一個半電池稱作測量電極,它的電位與特定的離子活度有關(guān),另一個為參比半電池稱作參比電極,它一般與測量溶液相通并且與測量儀表相連.

電極與待測溶液之間的電動勢可由Nernst方程表示為:

(1)

式中：E0=ED+E不對稱+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,E才僅由a外決定.測量池中的電勢可以寫成：

(2)

對于確定的測量電池,ED，E不對稱，E1，E內(nèi)參，E外參，E液接為常數(shù).

pH的測量是根據(jù)測量電極與參比電極組成的工作電池在溶液中測得的電位差,利用待測溶液的pH值與工作電池的電勢大小之間的線性關(guān)系,再通過電位計轉(zhuǎn)換成pH或mV單位數(shù)值來實現(xiàn)對溶液酸堿度的測定.

2.2　pH測量原理電路圖

在pH測量中,選用高精密儀表差分放大器AD620,它只需要一個外接電阻即可調(diào)節(jié)各種增益,增益范圍1~1 000,可以通過電位器R8來調(diào)節(jié)AD620的增益[4].在本設(shè)計中pH電極的信號范圍-400mV～+400mV,由于A/D轉(zhuǎn)換器只能采集正電壓信號,所以要對負的電壓信號進行偏置,AD620第五引腳REF便解決了這個問題,通過外接基準電壓,省去了加法器電路,節(jié)約了資源,簡化了電路.圖2為pH信號采集電路原理圖.

圖2 pH測量電路原理圖

2.3　溫度測量原理電路圖

Pt100溫度傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器.它的主要特點是測量精度高、性能穩(wěn)定.本設(shè)計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,通過采集橋式電路的差分輸入電壓,可以計算出電阻的阻值變化,根據(jù)溫度與Pt100阻值的關(guān)系,得到所測量的溫度值[5].圖3為溫度測量原理圖.

圖3 溫度測量原理圖

2.4　交直流轉(zhuǎn)換電路原理圖

本文設(shè)計了電源交直流轉(zhuǎn)換電路,可以實現(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,使用電池供電,在有外部電源接通時,電池被阻斷,使用外部電源給整個系統(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,P4通過IRF7416 P溝道MOS管為整個系統(tǒng)提供電源,當有外部電源供電時,P4被阻斷,P3為整個系統(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

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

3.1　溫度測量模塊程序設(shè)計

溫度測量電路中應(yīng)用的是三線制橋式溫度測量電路,根據(jù)Pt100阻值的變化來采集電橋電壓信號的變化,換算出溫度的值.程序開始時,對系統(tǒng)進行初始化,初始化完成后進行A/D信號采集,將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換成電阻值,再根據(jù)阻值與溫度的公式,計算出溫度數(shù)據(jù),通過液晶顯示測量結(jié)果.

3.2　pH測量模塊程序設(shè)計

首先進行pH標定,判斷是否為首次標定.若首次標定,必須完成pH=7后才能進入兩點標定[6].在兩點標定中選取標準液pH=4.00的緩沖液進行第一點標定,指示燈1亮,第一點標定完成,存儲標定值,選取pH=9.68的標準緩沖液進行第二點標定,指示燈2亮,第二點標定完成,存儲標定值,計算出零點電位和斜率并存儲,指示燈1,指示燈2同時閃爍,提示標定完成,退出標定,進行數(shù)據(jù)采集，見圖5.

圖5 pH標定程序設(shè)計　　　　　圖6 pH測量程序設(shè)計

在進行pH測量過程中,首先讀取EEPROM中的零點電位值E0及斜率K,然后進行A/D數(shù)據(jù)采集,采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過公式pH=E0+K*E,并且根據(jù)溫度補償來實現(xiàn)pH的準確測量,測得的數(shù)據(jù)通過SO-12864液晶進行顯示，見圖6.

4結(jié)語

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)計了自動清潔pH電極.在溫度和pH的測量過程中,使用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對溫度和pH數(shù)據(jù)的高精度轉(zhuǎn)換,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確性和實時測量.在環(huán)境惡劣的測試環(huán)境下,電極很容易受到污染,長時間測量會造成測量結(jié)果偏差,自清潔pH裝置解決了這個問題.在設(shè)計中,考慮到低功耗和便攜性,設(shè)計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.通過本文設(shè)計的自清潔pH電極,對于復(fù)雜環(huán)境下pH的測量提供了一定的參考價值.

參考文獻

[1] 蔡曉煒.智能在線PH檢測記錄儀的研究和設(shè)計[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2009.

[2] 郭力.校準在線酸度計在保護生態(tài)環(huán)境方面的意義[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2011(16):122-123.

[3] 姜健.電位分析法測量自來水pH值示值變動性探究[J].福建分析測試,2005,13(3):2029-2030.

[4] 李江華,謝紅,于蕾.儀表放大器技術(shù)初探與應(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2001,28(9):10-12.

[5] 王傳旭.石油傾點溫度測試PT100溫度傳感器的標定[J].傳感器世界,2004,10(9):28-30.

[6] 余學(xué)鋒,于杰.傳感器系統(tǒng)的二點標定新方法及其分析[J].電子測量技術(shù),2008,31(4):134-137.

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：TP 21

文獻標志碼：A

文章編號：2095-8919(2015)06-0059-04

作者簡介：楊小天(1969～),男,吉林省長春市人,研究員,博士.

收稿日期：2015-05-05.