基于ARM7微控制器的自清洁pH电极设计

杨小天　刘国龙

(1:吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春　130118;　2:吉林省建筑电气综合节能重点实验室,长春　130118)

基于ARM7微控制器的自清洁pH电极设计

杨小天1,2刘国龙1

(1:吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春130118;2:吉林省建筑电气综合节能重点实验室,长春130118)

摘要：本文在现有的水质分析传感器技术基础上,结合新型的ARM7微控制器,设计了一种自清洁pH电极.硬件电路以LPC2138为控制核心,应用16位的A/D转换器ADS8320,对传感器信号进行高精度采集与转换.应用PWM控制步进电机雨刷,对pH电极进行清洁.具有交直流电源自动切换电路,可实现在多种环境下的pH值和温度的在线测量.

关键词：自清洁pH电极；LPC2138；PWM控制；pH测量；温度测量

0引言

水污染给自然环境和人们的身心健康带来了严重的危害.各种用水都应该以水质分析结果为依据,才能做出准确的判断和评价.在进行水质检测时,pH是水质检测的一个重要参数,是控制生活污水和工业废水排放的一个重要指标[1].近年来，随着仪器仪表自动化和智能化的发展,使得pH检测变得更加方便快捷,pH测试仪的出现代替了传统的手工测量分析.目前，现有的pH测试仪通常体积较大,供电电源单一,自动清洁装置少,不便于携带,只能适用于实验室等特殊场合.本文针对传统的pH测试仪器的这些弊端,将pH传感器、温度传感器、硬件电路结合起来,设计了一种小型化pH电极,设计了电极自清洁装置和交直流供电切换电路,使得pH电极便携化,适用性更强.

1整体设计

本设计中pH传感器和温度传感器分别通过差分放大电路和桥式电路将传感器电压信号通过模拟开关送入到A/D转换器中,再经过LPC2138 32位的ARM7微控制器进行处理,将处理后的数据在EEPROM中进行存储,同时通过液晶进行显示.设计了按键电路和串口通讯电路,以便于数据的上位机传输.为了提高电源的转换效率,使设计的pH电极适用性更广,本文设计了交直流电源切换电路,在没有外部电源供电时,使用电池供电,在有外部电源接通时,电池供电被断开,使用外部电源给整个系统供电.自清洁电路的设计由微控制器的PWM功能来实现对步进电机雨刷装置的控制，系统整体设计见图1.

图1 硬件电路结构图

2测量原理及电路图

2.1　pH测量原理

pH值,亦称氢离子浓度指数、酸碱值,是溶液中氢离子活度的一种标度,也就是通常意义上溶液酸碱度的衡量标准[2].

pH的定义式为:

pH=-lg[H+]

其中，[H+]指的是溶液中氢离子活度,稀溶液下可近似按浓度处理,单位为mol·L-1.

电位分析法所运用的电极被称为原电池,原电池是一个使化学反应能量转成为电能的系统.原电池的电压被称为电动势[3].此电动势由二个半电池构成,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,另一个为参比半电池称作参比电极,它一般与测量溶液相通并且与测量仪表相连.

电极与待测溶液之间的电动势可由Nernst方程表示为:

(1)

式中：E0=ED+E不对称+E1+E2+E内参-E外参+E液接，这里的E0与温度有关,只有在温度不变时,E才仅由a外决定.测量池中的电势可以写成：

(2)

对于确定的测量电池,ED，E不对称，E1，E内参，E外参，E液接为常数.

pH的测量是根据测量电极与参比电极组成的工作电池在溶液中测得的电位差,利用待测溶液的pH值与工作电池的电势大小之间的线性关系,再通过电位计转换成pH或mV单位数值来实现对溶液酸碱度的测定.

2.2　pH测量原理电路图

在pH测量中,选用高精密仪表差分放大器AD620,它只需要一个外接电阻即可调节各种增益,增益范围1~1 000,可以通过电位器R8来调节AD620的增益[4].在本设计中pH电极的信号范围-400mV～+400mV,由于A/D转换器只能采集正电压信号,所以要对负的电压信号进行偏置,AD620第五引脚REF便解决了这个问题,通过外接基准电压,省去了加法器电路,节约了资源,简化了电路.图2为pH信号采集电路原理图.

图2 pH测量电路原理图

2.3　温度测量原理电路图

Pt100温度传感器是中低温区最常用的一种温度检测器.它的主要特点是测量精度高、性能稳定.本设计采用三线制桥式电路.在原理图中,R17,R18为1K精密电阻；R19为100Ω精密电阻；P6为Pt100温度传感器,通过采集桥式电路的差分输入电压,可以计算出电阻的阻值变化,根据温度与Pt100阻值的关系,得到所测量的温度值[5].图3为温度测量原理图.

图3 温度测量原理图

2.4　交直流转换电路原理图

本文设计了电源交直流转换电路,可以实现外部电源供电和电池供电之间相互转换,在没有外部电源供电时,使用电池供电,在有外部电源接通时,电池被阻断,使用外部电源给整个系统供电,在电源转换电路原理图,P3为外部电源接口,P4为电池供电接口,没有外部电源供电时,P4通过IRF7416 P沟道MOS管为整个系统提供电源,当有外部电源供电时,P4被阻断,P3为整个系统供电.图4为交直流转换电路原理图.

图4 交直流转换电路原理图

3软件设计

系统的软件设计采用C语言编程,由Keil for ARM开发系统完成.系统中软件设计包括基础程序设计和模块程序设计.基础程序设计包括:LPC2138程序驱动,LCD液晶驱动程序,EEPROM程序设计,A/D采集程序驱动.模块程序设计包括:温度测量模块程序设计,pH测量模块程序设计.

3.1　温度测量模块程序设计

温度测量电路中应用的是三线制桥式温度测量电路,根据Pt100阻值的变化来采集电桥电压信号的变化,换算出温度的值.程序开始时,对系统进行初始化,初始化完成后进行A/D信号采集,将采集到的电压信号转换成电阻值,再根据阻值与温度的公式,计算出温度数据,通过液晶显示测量结果.

3.2　pH测量模块程序设计

首先进行pH标定,判断是否为首次标定.若首次标定,必须完成pH=7后才能进入两点标定[6].在两点标定中选取标准液pH=4.00的缓冲液进行第一点标定,指示灯1亮,第一点标定完成,存储标定值,选取pH=9.68的标准缓冲液进行第二点标定,指示灯2亮,第二点标定完成,存储标定值,计算出零点电位和斜率并存储,指示灯1,指示灯2同时闪烁,提示标定完成,退出标定,进行数据采集，见图5.

图5 pH标定程序设计　　　　　图6 pH测量程序设计

在进行pH测量过程中,首先读取EEPROM中的零点电位值E0及斜率K,然后进行A/D数据采集,采集的数据经过公式pH=E0+K*E,并且根据温度补偿来实现pH的准确测量,测得的数据通过SO-12864液晶进行显示，见图6.

4结语

本文以LPC2138 ARM7微控制器为主控芯片,应用高精密的仪器仪表放大器设计了自动清洁pH电极.在温度和pH的测量过程中,使用高精度的A/D转换器实现对温度和pH数据的高精度转换,可实现数据的精确性和实时测量.在环境恶劣的测试环境下,电极很容易受到污染,长时间测量会造成测量结果偏差,自清洁pH装置解决了这个问题.在设计中,考虑到低功耗和便携性,设计了交直流电源切换电路,提高了电源的利用率,使适用性更广.通过本文设计的自清洁pH电极,对于复杂环境下pH的测量提供了一定的参考价值.

参考文献

[1] 蔡晓炜.智能在线PH检测记录仪的研究和设计[D].杭州：浙江工业大学,2009.

[2] 郭力.校准在线酸度计在保护生态环境方面的意义[J].中国高新技术企业,2011(16):122-123.

[3] 姜健.电位分析法测量自来水pH值示值变动性探究[J].福建分析测试,2005,13(3):2029-2030.

[4] 李江华,谢红,于蕾.仪表放大器技术初探与应用[J].应用科技,2001,28(9):10-12.

[5] 王传旭.石油倾点温度测试PT100温度传感器的标定[J].传感器世界,2004,10(9):28-30.

[6] 余学锋,于杰.传感器系统的二点标定新方法及其分析[J].电子测量技术,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

中图分类号：TP 21

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)06-0059-04

作者简介：杨小天(1969～),男,吉林省长春市人,研究员,博士.

收稿日期：2015-05-05.