全自动ph值测量系统设计-毕业论文.doc
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1、目录摘 要本论文设计用电化学原理和MSC51单片机技术对各种溶液中氢离子浓度进行测定。本论文详细论述了PH测量仪的设计,包括氢离子浓度的测量,标定方法,温度检测装置,测量电路和软件系统设计。PH测量仪用三电极检测系统,参比电极和指示电极对溶液中氢离子检测。三电极系统有良好地抗干扰能力。输入电路采用高阻差分电路,传感器的设计可以减少溶液中其他离子的干扰。仪器以MSC51单片机系统,可以完成仪器的自动校准,温度补偿等功能。采用人机对话可以实现自动测量,存储,显示等功能。在实际的测量系统中,能斯特方程相应的实际曲线往往偏离理想曲线,所以中有知道实际的曲线才能用测量系统中的电极。故采用两点标定法,计算
2、出实际的斜率和温度,才能正确测量。关键词:三电极检测,高阻,温度补偿 - 45 -AbstractOn the basis of electrochemical principal and Instrument circuit system to MCS51 microcontroller core, this system can measure activity in solution .The paper details the design of the PH instrument. Including measuring principle, the calibration way,
3、 the design of temperature transducer, measuring circuit software.The ph tester is equipped with threeelectrode measurement system. The concentration of hydrogen was determined by the appropriate reference electrode and indicator electrode measurement .the system can greatly reduce the impact of out
4、side interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. The MCS51 microcontroller core can automatically adjust the scope, automatic temperature compensation etc. the use of man-machine dialogue can enable automatic measurement, storage, display data fu
5、nctions. In the actual measurement system, the Nernst equation corresponding to the actual curve often deviate the ideal curve, with the use of two-point calibration method, we can actually calculate the actual slope and temperature.Key words: threeelectrode measurement system, high resistence,the t
6、emperature compensation. 目 录摘 要IAbstract目录III第一章 引言11.1课题背景11.2 PH测量系统研究的必要性11.3 PH测量系统的发展概况 21.4 PH测量系统的主要原理3第二章 测量系统的整体设计4 2.1 测量原理4 2.2 三电极测量系统5 2.3 PH测量系统的测量方法5 2.3.1指示电极62.3.2参比电极72.4温度对测量的影响82.5本章总结9第三章 PH测量系统的硬件设计103.1 89C52介绍103.2 温度采集电路133.3 PH信号采集电路163.4 A/D,D/A转换器173.5 信号输出电路203.6键盘显示设计21
7、3.7电源电路设计223.8总线扩展233.9本章总结27第四章 基于MAX232通讯模块284.1 系统设计总体方案284.2串口通信基础理论284.3 两种接口方式294.3.1 串行接口方式294.3.2 并行接口方式294.4 51系列单片机串行口控制寄存器SCON294.5 RS-232串行接口标准304.6 单电源转化芯片MAX232314.7 MAX232外围连接电路314.8 通信程序设计324.9总结33第五章 PH测量系统的软件设计345.1 测量系统主要内容345.2 测量系统主程序345.3 子程序的标定365.4 测量子程序375.5 本章小结37第六章 误差分析及功
8、能测试386.1误差分析386.2数据分析40结论41致 谢42参考文献43附录45 第一章 引言第一章 引 言1.1课题背景PH值测量系统,用到电位分析法测量溶液中的氢离子浓度。测量三电极测量系统与被测溶液构成的电池(原电池)的电动势,可得被测溶液离子浓度。电位分析法是用电极电位和浓度的关系来测定物质浓度的一种电化学分析方法。因此可以借助于直流电位测量仪器由一指示电极与另一支参比电极在溶液中组成测量电池的电动势,然后测量计算出溶液中离子含量。电位分析法中的指示电极是能将非电量溶液的离子活度转化为点位的变化的电化学敏感器。在电位分析法中最常见的指示电极为PH电极和各种离子型选择电极。对溶液中参
9、与半反应的离子的活度或不同氧化态的离子的活度能产生能斯特响应的电极,称为指示电极。随着电子技术的发展,电位法测量仪器的更加精确,便捷和数字化。其电子线路由电子管电路进入晶体管电路再进入了集成电路。各种智能型芯片的应用,提高了仪器的智能化和测量精度,并且也简化了仪器的测量电路。随着计算机的发展与普及,出现了许多微机化电位测量仪器,它用软件来完成电位、PH浓度的测定。对于那些测量方便,而计算很复杂的方法,如多次添加法有重要的意义。同时,它能进行背景校正,以及温度自动补偿、自动校正等多种功能。这种仪器由于操作简便、测定速度快、灵敏度高、精度好,是电位法测量仪器的发展方向。1.2 PH测量系统研究的必
10、要性酸碱度是表征氢离子活动的一个重要参数,它对溶液性质,化学反应速率和微生物的新陈代谢都有影响。尤其在污水处理过程中,如果该值不符合要求,将带来巨大的环境污染。在测量过程中,影响其测量精度的因素很多,包括老化,电极测试水温的变化,测量仪器电路稳定本身会给测量结果的误差。通常测量液体的温度测量,温度补偿和电极的标定是测量仪器校准的高精度测量的关键问题的设计。目前,PH值的参数测量方法有很多种,最常用的化学分析法、试纸分析法和电位分析法。但化学分析方法和试验分析都不可以做在线自动测量。目前,虽然有许多文献探讨电位分析法的设计与实现。但如何设计精确测量,温度补偿精度,可靠性高,功耗低,成本低,功能齐
11、全的检测仪器还需要进一步研究的问题。目前工业PH值测试仪已广泛应用于石油,化工,钢铁,电力,食品,酿造,医药,纺织,皮革,造纸,印染,水处理,锅炉系统在各个工业部门。但是,越来越显示出工业机将成为工业部门的检测和控制是必不可少的有效工具。例如,在印染行业,酸碱值的精确度的染料在高吸收率是衡量印染工艺是一个重要的因素,既节约原材料,减少冲洗槽数,对于以后的污水处理来说,都十分有益。1.3 PH测量系统的发展概况世界上第一台商品PH计由Arnold Beckman于1936年研制生产的。工业PH计发展过程,以日本为例。1951年日本电气式化学计研究所(DKK 前身)研制生产的日本生产的第一台工业P
12、H计。1953年日本横河电机开始研制生产工业PH计。初期的PH 测定装置是由传感器亦称发送器(包括玻璃电极、参比电极、温度补偿元件)和阻抗变换、放大、指示的电子单元两部分组成。在70年代工业PH计取得了突破性的进展。1971年日本横河电机利用FET和IC组成的高输入阻抗变换器体积小的特点首次推出8511型。该仪器首次把2线式传输方式用于工业PH计系统,从而简化了本质安全防爆的结构设计。1975年,日立生产的K-7型工业PH计中,首次将玻璃电极、比较电极和温度补偿电极一体化,构成复合电极,这种复合电极的出现,无疑为PH传感器的小型化作出了贡献。在8511型PH 变送器的基础上,推出PH6F型PH
13、变送器。1979年,横河电机H8F型PH变送器。并由PH 8 F型变送器与PH传感器及其辅助设备构成了PH 系列。80年代是工业PH计微机化、智能化的年代。1984年日本电气化学计生产了HBM51型带微机的工业PH计。该仪器能够进行PH自动校正和电极的自动清洗。仪器采用液晶7段数字显示,具有校正时电极电位稳定性判断功能;检量线运算功能,用液晶显示校正异常和电极劣化功能;上下限调节功能,任意设定量程功能;输出同步功能及PH标准液在各温度下PH值的存储功能等。1987年9月,日本横河电机推出具有自诊断功能的TM20BG型工业PH计。该仪器为一体化结构,具有高可靠性、多功能、使用维护方便等特点。19
14、89年月本横河电机又推出EXAPH PH 200 G型智能式工业PH计,仪器配有微处理机,据称该EXA型PH计是世界上第一台智能2线式工业PH计。90年代是工业PH计微机化、智能化普及的年代。主要功能及要求为:可靠性高、易维护、成本低、操作方便、小型、防爆且能在条件恶劣的场所使用。要求仪器具有传感器自诊断、标准液自动校正,电极自动清洗,以及具有人机对话和通讯功能。产品系列化,为满足不同用户的要求,仪器应具有多种电极清洗方式,可供用户选用。2线式传输,具有标准信号输出,便于和计算机联用。可以一种机器多种用途,仪器不仅可检测PH值,也可对ORP(氧化还原电位)、电导率、离子浓度、温度等一项或几项联
15、合检测。随着科技进步和创新PH测量系统正迈向智能化,人性化的方向发展。精确度越来越高。我们期待着它的发展。1.4 PH测量系统的主要原理用MSC-51单片机为核心的数据处理,和一些外围芯片,包括一个完整的自我检测,智能仪器的校准。具有体积小,重量轻,抗干扰能力强,因此它可以应用到传统的测量。测量数据的电极电压信号,信号调整电路放大信号,调整。处理电路的多级放大器电路。设计的运算放大器CA3140,具有高电压PMOS管和高压二极管的优势。输入电路的研究提供了非常高的阻抗。具有很快的响应速度。它也有自己的补偿能力稳定放大增益;输出部分包含它们自己的保护电路保护负载短路造成的损害。可以完成阻抗匹配,
16、减少噪音,提高系统的稳定性,非常适合电路设计。温度传感器将热体内部温度转换为电压信号。对温度信号的处理要求精度比较高。因此采用高精度运算放大器对其进行放大处理经处理后的两路信号与参比电极两路信号同时进入电子开关供CPU选择。图1-1 总体电路 参比电极高阻差分放大电路89c52单片机系统AD转换DA转换数字控制开转换接地电极显示器键 盘串行通信温度放大电 路指示电极温度传感器第二章 测量系统的整体设计第二章 测量系统的整体设计2.1 测量原理玻璃电极和参考电极是PH 计的重要组成部分,溶液的PH 值是由它们与待测溶液组成的原电池的电动势决定的。玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的,其厚度可以小于0.1
17、mm,Ag-AgCl 为参考电极在内部,由二者组成复合电极,之间是PH 值一定的参比溶液,当玻璃电极放入待测溶液时,玻璃膜处于H+ 浓度一定内参比溶液和待测溶液之间,形成很薄的水化层,二者之间形成新的H+平衡,产生了膜电位E(玻璃电极)和E(参比电极),则复合电极的E= E- E, 恒定不变,E与溶液H+浓度 , (2-1)令2.303RT/F=K,因为PH=lg得 E=-KPH, (2-2)由上可看出,电极E 与PH 成线性关系,其中斜率k 是温度t 的函数,由实验资料得出其拟和直线为: K=54.20+0.1984t, (2-3)上式t 是温度传感器所测溶液的温度,当溶液PH=7时,两电极
18、之间电势差为0,为了使电势的高低与PH 值一致,代入得: E- E=-K (PH-7), (2-4)标定方法很多,标定是用已知浓度的标准液去校准仪器。算出测量方程中的未知数,然后才能在测量过程中根据测量值和参数值算出被测试样浓度值。对于实际的测量系统来说,能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线,即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率,所以只有知道实际的斜率,测量系统中的电极才能使用。标定不仅在运行初期进行,在运行过程中,由于化学反应的一些不确定因素发生的变化引起的测量值的漂移,一般必须由标定来消除。对此,我们采用两点标定法来标定,取两种溶液。 因为,在我国标准缓冲液中,没有PH=7.0
19、00。我们采用定标的中性溶液为PH=6.684,PH=4.003,PH=9.182。可得: , (2-5) , (2-6)进一步得:, (2-7)为玻璃电极再PH=6.864标准溶液产生的电动势。2.2 三电极测量系统电位测量溶液的玻璃电极为指示电极,银-氯化银电极为参比电极,双电极封装在一起,形成一个复合玻璃电极。将传感器插入被测溶液中,复合玻璃电极与被测溶液组成的原电池,组合式玻璃电极输出引线分别用于原电池的正电极和负电极。仪器测量电路,必须有一个高电阻的电路。这是由于固体电极的内阻较高,和溶液接地电路。发射器输入电平由两根相同的高输入阻抗放大器。使用一个放大器测量参照电极和解决地电位电极
20、之间;另一个放大器测量指示电极和地电极之间的电势。两个电势的代数和就是与待测溶液的PH相关的电势差(等于指示电极和参比电极之间的电动势),放大器用来测量这个电势差。2.3 PH测量系统的测量方法本测量系统采用电位法进行测量。分析电极称为原电池。原电池是一个系统,它的作用是把化学能转化为电能。电池的电压被称为电动势(电磁场)。此电动势(EMF)由二个半电池构成,其中一个半电池称作测量电极,它的电位与特定的离子活度有关;另一个半电池为参比半电池,通常称为参考电极,它通常是测量溶液相通,并与测量仪器相连。例如,一个电极是由一个插在含银离子的盐溶液银线,在导线和溶液的界面处,由于金属和盐溶液二种物相中
21、银离子的不同活度,形成离子的充电过程,形成离子充电过程,并形成一定的电位差。银离子在溶液中没有电子。当没有外部电流反向充电,这个过程将最终达到一个平衡。在平衡状态下存在的电压称为半电池电位或电极电位。这(如上所述)由金属和金属离子的溶液组成的电极称为第一类电极。此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这是独立测量的参考电极也被称为二电极。这种电极,金属线覆盖着一层金属的微溶盐,并插入含有这种金属盐离子的电解质溶液。半电池电位或电极电位取决于活动这一阴离子。2.3.1指示电极指示电极是组成电位分析仪的基本部件,大部分指示电极是离子选择性电极。它具有将溶液中某特定离子的活度转
22、变成一定电位的功能。不同离子选择性电极都有一个所谓离子选择性膜的敏感元件。离子选择性电极的性能主要取决于膜的种类及其制备技术,常用的离子选择性电极有晶体膜电极、液膜电极和玻璃膜电极等。理想的离子选择性电极的电位与离子活度的关系应符合能斯特方程 , (2-8)a为溶液中此离子的活度值;S为电机的斜率项,是温度的函数;E0为电极等电势点的电位值。电极的响应斜率只在一定的活度范围,保持其基本不变,当活度小于一定值时,斜率明显的变小。大多数指示电极是离子选择性电极,离子选择性电极是可以将溶液中某种特定离子的浓度转变成电位功能的电极。各种离子选择性电极的结构虽然各有其特点,但都有一个被称为离子选择性膜的
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