帶溫度補(bǔ)償?shù)母綦x式低功耗pH值測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李芃楊路

(銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

一、引言

pH值[1]是氫離子濃度的一種表示方式，是衡量水溶液中氫離子與氫氧化物離子相對(duì)量的一項(xiàng)指標(biāo)。常用的測(cè)量pH值的方法包括石蕊試紙指示器與玻璃探針：石蕊試紙指示器通常是從地衣提取的染液制成，一旦與溶液接觸就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得試紙的顏色發(fā)生改變，指示出相應(yīng)的pH水平。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是可靠性較差，被測(cè)試溶液中的雜質(zhì)與溫度都會(huì)引起測(cè)量誤差；pH測(cè)量探針由玻璃測(cè)量電極與參考電極組成[2-4]，類似電池。將探針置于溶液中，測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓的大小與溶液中氫離子的活性相關(guān)。將該電壓與參考電極的電位相比較：當(dāng)溶液的酸性增強(qiáng)，pH值降低，玻璃測(cè)量電極相對(duì)于參考電極陽(yáng)性增強(qiáng)；當(dāng)溶液的堿性增強(qiáng)，pH值升高，玻璃測(cè)量電極相對(duì)于參考電極陰性增強(qiáng)。兩個(gè)電極的差值即為測(cè)得電位，在理想情況下，室溫時(shí)每pH單位對(duì)59.154mV。

本文基于嵌入式技術(shù)[5-8]，采用AD7793設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)牡凸膒H測(cè)量系統(tǒng)，主要包括pH探針及緩沖器電路、RTD及AD采樣電路、信號(hào)的數(shù)字隔離電路、與上位機(jī)通信的光纖隔離電路等，通過(guò)優(yōu)化的硬件電路，輔以合適的抗干擾措施，保證了測(cè)量工作的可靠進(jìn)行。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

pH測(cè)量系統(tǒng)包括pH探針，緩沖保護(hù)電路，AD采樣電路，數(shù)字隔離電路，MCU電路，光纖串口電路等，如圖1所示。其中有三個(gè)重要的電路：pH探針緩沖電路、AD采樣電路和數(shù)字隔離電路。pH探針生產(chǎn)的電壓信號(hào)通過(guò)緩沖保護(hù)電路傳輸給AD進(jìn)行采樣，同時(shí)RTD產(chǎn)生的電壓信號(hào)也傳輸給AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離發(fā)送給MCU進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算出pH值，計(jì)算出的結(jié)果既可以通過(guò)光纖串口電路可靠地發(fā)送給上位機(jī)顯示，也可以借助D/A、V/I電路轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)供工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）pH探針接口電路

pH探針電極一般由玻璃制成，具有較大的電阻值，范圍從1MΩ到1GΩ不等。由于電阻值較大，即使流過(guò)的電流很小也會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，尤其是測(cè)量電極部分，導(dǎo)致測(cè)得的電壓數(shù)值降低，會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性帶來(lái)失調(diào)誤差。因此，需要一個(gè)高輸入阻抗，超低輸入偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行緩沖隔離。本文采用精密微功耗低噪聲的CMOS運(yùn)算放大器AD8607，其典型輸入偏置電流為0.2pA，最大功耗 50μA，噪聲 22nV/√Hz。以 25℃室溫，電阻為1G歐姆探針為例，0.2pA典型輸入偏置電流的失調(diào)誤差為0.2mV，即0.00338pH，AD8607的最大偏置電流為1pA，此時(shí)的失調(diào)誤差也只有1mV，0.0169pH。AD8607的低輸入電流可以最大限度地減少流過(guò)電極電阻的偏置電流所產(chǎn)生的電壓誤差。pH探針接口電路示意圖如圖2所示。

圖2 pH探針接口電路示意圖

（二）AD采樣電路

溫度的測(cè)量通常以慢速工作，所以低寬帶的ADC是適用的。同時(shí)，來(lái)自傳感器的信號(hào)幅值很小，所以ADC應(yīng)該具有較高的分辨率。采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC，開(kāi)關(guān)電容前端對(duì)模擬輸入進(jìn)行連續(xù)采樣，其采樣的頻率遠(yuǎn)大于目標(biāo)的帶寬。通過(guò)過(guò)采樣，增大量化噪聲的分布范圍，從而降低目標(biāo)頻帶內(nèi)的噪聲。因此，高分辨率、低寬帶的Σ-Δ型ADC是比較合適的選擇，本文采用AD7793，最大功耗500μA，適用于各種低功耗應(yīng)用。

本文應(yīng)用AD7793的兩條通道，一路通道用于測(cè)量pH探針電極產(chǎn)生的小電壓值。典型的pH探針在0電壓下pH值為7，工作溫度最大到80℃，基于能斯脫方程，pH探針滿量程的電壓范圍為±414mV(25℃)到±490mV(80℃)。AD7793采用單電源供電，pH探針的輸出是雙極性，所以通過(guò)偏置電壓將pH探針的輸出偏置到0V以上，使得探針輸出電壓在ADC可接受范圍內(nèi)。激勵(lì)電流IOUT2注入5kΩ電阻產(chǎn)生1.05V電壓，該電壓即是偏置電壓，同時(shí)也是AD的基準(zhǔn)電壓。負(fù)滿量程輸入電壓對(duì)應(yīng)000…000，零差分輸入電壓對(duì)應(yīng)100…000，正的滿量程輸入電壓對(duì)應(yīng)111…111。采樣輸出結(jié)果為，其中AIN表示模擬輸入電壓，GAIN表示設(shè)置的增益，對(duì)AD7793，N=24。

另一路通道用于測(cè)量RTD上產(chǎn)生的電壓值，RTD阻值隨著溫度的變化而變化，在溫度區(qū)間內(nèi)的響應(yīng)幾乎呈線性。RTD由IOUT2引腳驅(qū)動(dòng)，輸出電流為210uA，電阻值為5kΩ，基準(zhǔn)電壓1.05V，如圖2所示。本文使用的是1000Ω DIN43760 A類RTD，在RTD引腳施加恒定電流并測(cè)量通過(guò)RTD的電壓。RTD(阻值)=RTD0(1+Tα)，在1000Ω到1385Ω范圍內(nèi)變化，相應(yīng)電壓信號(hào)在210mV到290mV范圍內(nèi)變化。該架構(gòu)是一種比率式配置，激勵(lì)電流的變化不會(huì)影響系統(tǒng)的精度。采樣器件AD7793具備高輸入電阻和低輸入偏置電流。測(cè)量誤差主要來(lái)自于引腳電阻、AD7793所產(chǎn)生恒定電流源的穩(wěn)定性以及輸入放大器中的輸入阻抗和/或偏置電流及相應(yīng)的漂移，通過(guò)后續(xù)軟件編程進(jìn)行補(bǔ)償。

（三）隔離電路

1.信號(hào)傳輸隔離

常見(jiàn)的信號(hào)傳輸隔離方式如基于光耦的隔離、基于數(shù)字技術(shù)的隔離、電壓頻率變換等等。其中光耦合器通過(guò)LED產(chǎn)生光的方式進(jìn)行工作，此種方式需要驅(qū)動(dòng)電路、用于提供隔離工作電壓以驅(qū)動(dòng)高壓端接口的單獨(dú)DC/DC變換等輔助電路，結(jié)果將導(dǎo)致工作電流與PCB面積的增大。與上述光耦隔離相比，數(shù)字隔離則是采用高速CMOS工藝設(shè)計(jì)集成空芯微變壓器，在工作電流與空間上都實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。以典型的5V工作電壓，-40℃至+125℃工作溫度為例，光耦隔離方式的每個(gè)通道至少需要4mA電流，再考慮到工作溫度和電壓的變化，裕量問(wèn)題等，每個(gè)隔離通道的吸電流提高到10mA，結(jié)果使得同一SPI通信總線的高圧域工作電流達(dá)到10mA，低壓域工作電流達(dá)到30mA。而ADuM1401一類的數(shù)字隔離器高壓域工作電流為1.4mA，低圧域工作電流為2.4mA，在功耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。ADuM1401采用了ADI公司的iCoupler技術(shù)，將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，不用LED和光電二極管，不需要外部驅(qū)動(dòng)器，在信號(hào)數(shù)據(jù)速率相當(dāng)?shù)那闆r下，iCoupler器件的功耗只有光耦器件的1/10到1/6。為了進(jìn)一步降低PCB面積，本文選擇ADuM5401數(shù)字隔離器，其封裝尺寸與ADuM1401相同，含有四個(gè)SPI接口隔離通道，還集成了用于驅(qū)動(dòng)高壓端接口的DC/DC轉(zhuǎn)換器功能，進(jìn)一步減少了電路所需的元器件數(shù)量。ADuM5401隔離ADC的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)為電路提供經(jīng)隔離穩(wěn)壓的3.3V電源，輸入輸出供電引腳需要接電源旁路。AD-uM5401的電源部分采用了一個(gè)180MHz的振蕩頻率，通過(guò)集成在芯片內(nèi)部的變壓器傳輸功率。在正常工作情況下，iCoupler的數(shù)據(jù)部分將在電源引腳上引入開(kāi)關(guān)瞬變。為了抑制該部分噪聲，需要低電感高頻電容，VDD1的旁路電容可以方便地連接在引腳1和引腳2之間，VISO的旁路電容可以方便地連接在引腳15和引腳16之間。為了抑制噪聲并降低紋波，至少需要并聯(lián)0.1uF和10uF電容，其中較小的電容需要具有低ESR，建議使用陶瓷電容。該低ESR電容的走線到電源引腳的長(zhǎng)度不要超過(guò)2mm，否則可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)被破壞。在引腳1、引腳8、引腳9、引腳16之間也要接旁路電容。ADuM5401在滿負(fù)荷最高速工作條件下的功耗約1W，如果電路工作在高溫環(huán)境，則需要提供散熱路徑。ADuM5401主要通過(guò)GND引腳進(jìn)行散熱，所以在設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，需要加大引腳8、引腳9的焊盤，通過(guò)焊盤到地平面和電源平面的大直徑過(guò)孔降低電感及噪聲的產(chǎn)生。

2.光纖通信隔離

來(lái)自微處理器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)max232轉(zhuǎn)換成TTL電平傳輸給光纖發(fā)送電路，以光信號(hào)形式發(fā)送。光纖接收器件把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平后經(jīng)過(guò)max2 32轉(zhuǎn)換為232電平傳輸給微處理器，實(shí)現(xiàn)了pH采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w隔離。如圖3所示，TXD接max232的R2IN，對(duì)應(yīng)的R2OUT是TTL電平輸出，電平輸出信號(hào)傳輸給LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送數(shù)據(jù)。光纖接收器件把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平接到max232芯片的T2IN，對(duì)應(yīng)輸出的T2OUT接RXD，實(shí)現(xiàn)了串口電平，TTL電平，光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。本文采用HFBR1414光纖發(fā)送器和HFBR2412光纖接收器，HFBR1414內(nèi)部是一個(gè)LED發(fā)光二極管，LED是流控器件，需要驅(qū)動(dòng)電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行工作。輸入信號(hào)輸入高電平，使得驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，HFBR1414的LED不發(fā)光。反之，輸入信號(hào)輸入低電平，使得驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的三極管截止，HFBR1414的LED發(fā)光。光纖通信傳輸?shù)木嚯x與驅(qū)動(dòng)電路的電流值相關(guān)，由限流電阻決定，Datasheet中的圖3.17展示了電流與傳輸距離的關(guān)系，根據(jù)傳輸距離查閱需要的驅(qū)動(dòng)電流IF數(shù)值，前向電壓VF=1.5V，那么。HFBR2412內(nèi)部是一個(gè)開(kāi)漏輸出，因此要外接上拉電阻保證其正常工作。接收到的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換與放大后輸出電流使得三極管導(dǎo)通，輸出信號(hào)被拉低，輸出低電平。反之沒(méi)有接收到光信號(hào)三極管截止，輸出信號(hào)被拉高，輸出高電平。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）下位機(jī)設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行初始化，之后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)定。標(biāo)定完成后進(jìn)入while循環(huán)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，采用多次求和求平均的方式進(jìn)行濾波處理，之后進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算被測(cè)液體的pH值并將計(jì)數(shù)變量清零，計(jì)算出的結(jié)果通過(guò)光纖隔離電路傳送給上位機(jī)顯示，流程圖如圖4所示。pH電極電位與溶液中的氫離子濃度滿足能斯特公式：

其中k稱之為電極轉(zhuǎn)化系數(shù)，該數(shù)值與被測(cè)溶液的溫度T相關(guān)，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。電極電壓，溫度與pH值之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

根據(jù)上述公式，得到電極電位差與溫度即可計(jì)算出被測(cè)溶液的pH值。

（二）上位機(jī)設(shè)計(jì)

Labview建立在G語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，以圖形數(shù)據(jù)流代替文本程序代碼，編程簡(jiǎn)單、高效。在Labview中利用VISA vis發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)串口通信功能，上位機(jī)如圖5所示。VISA是上位機(jī)程序與串口數(shù)據(jù)之間的通道，是應(yīng)用于Labview編程的標(biāo)準(zhǔn)IO應(yīng)用程序接口，使用時(shí)需要安裝VISA驅(qū)動(dòng)程序。主要包括VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關(guān)閉等vis。程序步驟下：

(1)設(shè)定端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等，初始化端口；

(2)VISA讀取來(lái)自串口的信息。

為了保證軟件系統(tǒng)的可靠性，需要注意如下事項(xiàng)：

(1)串口傳送的一般是字符串型數(shù)據(jù)，如果要傳輸數(shù)值數(shù)據(jù)，需要先使用字符串/數(shù)值函數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串后再進(jìn)行串口發(fā)送。

(2)嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限，所以串口配置、緩沖區(qū)設(shè)置、串口關(guān)閉等操作應(yīng)放置在循環(huán)結(jié)構(gòu)外，降低內(nèi)存開(kāi)銷，優(yōu)化程序。

(3)串口接收可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)為空或者不完整的現(xiàn)象。由于串口是底層硬件，數(shù)據(jù)從發(fā)送端到串口，再由串口到接收端需要時(shí)間。在緩沖區(qū)沒(méi)有完全接收到數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行讀取就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，建議在VISA讀取前設(shè)置延時(shí)，保證數(shù)據(jù)讀取的完整性。

圖4 下位機(jī)程序流程圖

圖5 基于Labview的pH測(cè)量上位機(jī)

五、測(cè)試與結(jié)論

系統(tǒng)校準(zhǔn)后對(duì)苯二甲酸氫鹽標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液和氫氧化鈣標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值進(jìn)行測(cè)量，總共8組數(shù)據(jù)，如表1所示。被測(cè)量的兩種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液在25～60℃范圍內(nèi)的測(cè)量誤差≤±0.02，測(cè)量誤差在0.5%以內(nèi)。對(duì)氫氧化鈣標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，正向最大誤差在0.02，反向最大誤差在-0.01，誤差范圍≤±0.02,測(cè)量誤差在0.2%內(nèi)。緩沖器、數(shù)字隔離與光纖通信等的運(yùn)用保證了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性，能夠滿足絕大多數(shù)pH值理化檢測(cè)與工業(yè)應(yīng)用的需求。

表1 測(cè)量結(jié)果與誤差

[1]費(fèi)學(xué)寧.現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析技術(shù)應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005．

[2]祁建廣,李寶營(yíng),李仁慶.超低功耗水質(zhì)pH檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2017(3):118-120,126.

[3]林大煊,唐榮年,王云強(qiáng),等.基于Android系統(tǒng)的pH參數(shù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(7):58-60.

[4]李天博,趙文青,黃振躍,等.基于nrf9e5的無(wú)線pH值檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(4):62-63,75.

[5]呂登峰.基于ARM的水質(zhì)PH檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2015．

[6]劉海,楊慧中.一種智能在線pH檢測(cè)儀[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(2):173-177.

[7]鄒應(yīng)全,行鴻彥.高精度 pH測(cè)量?jī)x研究[J].測(cè)控技術(shù)，2010(9):1-4.

[8]賓俊,艾芳芳,劉念,等.基于Arduino和Python搭建的實(shí)時(shí)在線pH測(cè)量平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2013(1):48-52.