基于化学振荡反应的多参数测量系统设计

陈晓宁，张 坛

(安徽大学 电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601)



基于化学振荡反应的多参数测量系统设计

陈晓宁，张 坛

(安徽大学 电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601)

提出基于化学震荡反应的多参数测量系统的设计方案，此方案可用于测量化学震荡反应过程中的4路信号：电压、温度、pH及容器内压强.此方案能实时采集此4路信号，可解决化学振荡反应中出现的压值为负的问题，能利用软件分析系统对数据进行分析、处理、对比和显示，能直观反映参数间的关系.实验结果表明：给定值与测量值间相关系数的平均值高达0.998 74，因此该系统有高的测量精度.

化学振荡反应；多参数测量；电压信号负值采集

化学振荡反应是体系中的反应物、中间体或产物随时间作周期性重复，具体表现为物理化学参数随时间作周期变化[1-2].基于化学振荡反应的检测与分析在农业、生物、医药等领域有重要应用，而目前国内对化学振荡反应中信号参数的获取、比较、分析等还不太成熟，存在测量参数单一、精确度低、操作复杂、数据分析不完善等问题.鉴于此，笔者拟设计基于化学振荡反应的多参数测量系统，用于测量化学振荡反应过程中的4路信号：电压、温度、pH及容器内压强.

1 检测原理

化学振荡反应参数测量系统如图1所示.

图1 化学振荡反应参数测量系统Fig.1 The measurement system of chemical oscillating reaction parameters

以铈催化溴酸钾-丙二酸-硫酸体系的振荡为例介绍检测原理[3-5].将溴酸钾、丙二酸、硫酸、硫酸铈混合时，发生如下反应

随着反应的进行，Br-的离子浓度增加.当[Br-]高于临界浓度时，发生如下A 反应

随着反应的进行，Br-的离子浓度降低.当[Br-]低于临界浓度时，发生如下B 反应

体系在A，B反应间往复振荡，表现为Ce4+，Ce3+和Br-的浓度随时间周期性变化，振荡反应直到BrO3-耗尽时停止.实验中，可用肉眼观察到Ce+黄色隔一定时间准时出现，接着又消失，就像摆钟隔一定时间就准确报时一样.微观上表现为甘汞电极和铂电极间的电压信号呈衰减振荡，溶液的温度、pH值、容器内气压也会发生变化.基于此原理，笔者设计出此多参数测量系统.

2 系统硬件设计

系统的硬件结构如图2所示.

图2 系统硬件结构Fig.2 The structure of system hardware

单片机选用的是STM32F103CBT6，它是基于ARM CortexM3内核的高端32位微控制器[6]，具有运算速度快、低功耗、外设丰富、价格低廉等优点，广泛应用于工业控制等领域.

在运放单元信号处理模块中，信号放大器和加法器构成电压信号运放处理模块(见图3)，以AD620高精度运放作为信号放大器，以LTC1051高精度运放作为加法器.此模块还集成了高性能、高输入阻抗的TLC4502运放，用来处理高阻抗pH复合电极的输出信号[7],TL431为其提供基准电压.此模块不仅可以解决化学振荡反应中出现的负电压采集问题，而且还可以通过外部可调电阻来改变测量范围和精度.温度传感器采用的是高精度、抗干扰强的DS18B20数字温度传感器，气压传感器采用的是高精度的PTZ-612传感器.

图3 电压信号运放处理模块Fig.3 The voltage signal processing module with op-amp

硬件滤波模块采用的是4阶巴特沃斯型低通滤波电路[8-9]，以此来滤除杂波，减小干扰.电源电压有3种：3.3，+5，-5 V，这3种电源分别采用ME6206，LM2940S，LM2990S芯片，其中3.3 V的电源为STM32单片机供电，+5，-5 V的电源分别为运算放大器和传感器供电.

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机软件流程如图4所示，具体步骤为：(1)各模块初始化；(2)AD采集、DMA运输和软件滤波；(3)进入循环体内，喂看门狗[10-11]，根据软件标志位的情况进行数据处理及循环体内定时器的中断检查；(4)程序进入中断后，软件标志位被置1，在中断程序内将处理好的数据发送到分析软件进行分析；(5)退出中断处理函数，回到循环体.

图4 下位机软件流程Fig.4 The flowchart of software of single-chip processor

3.2 分析软件设计

分析软件是基于MFC编写的，它可进行数据的分析、处理、对比和显示[12].在化学振荡实验分析时，通过对分析软件的菜单或者快捷键的设置，可任意选择一路或者几路信号进行显示，可对图形放大或缩小，可保存实验的图形和数据.可设置采集的时间间隔，方便用户的自主操作.当运用控制变量法研究参数间的关系时，点击分析软件的“数据分析”，可分析出某一时刻某一参数的改变对其他参数的影响，并计算出影响因子的相关性大小，此结果以文本形式自动保存.由于化学振荡反应中，某些参数输出值非常小，需要进行硬件电路放大，这样就会引入一些噪声，导致输出波形有杂波，而这些杂波仅用硬件滤波不能很好地消除，同时化学振荡反应中，不可避免地受到环境因素的影响，使测量结果存在一定的误差.为了使输出波形的噪声[13]有明显的消除，数据精度有很大提高，笔者在分析软件中加入了卡尔曼滤波算法[14-15].

4 实验结果及分析

为了验证该系统的精度和实用性，对该系统进行了精度测试.将300，380，460，540，620 mV的直流电压作为电压输入信号，每组测量5次，每30 s记录1次数据，将每10个数据的平均值作为1次测量值；5个烧杯内不同冷却程度的水温作为温度给定值；将已配比好的pH缓冲剂的pH值作为酸碱度的给定值.精度测试下各参数的给定值和测得值如表1所示.根据表1的数据，可知电压、温度、pH的给定值与测量值间相关系数的平均值高达0.998 74.由于实验条件的限制，气压给定值以正常大气压为标准.精度测试过程如下：以Briggs-Rauscher体系为例，取0.14 mol·L-1的碘酸钾6 mL，0.025 mol·L-1的硫酸15 mL，2 mol·L-1的丙二酸3 mL，0.017 3 mol·L-1的二烯镍2 mL，4 mol·L-1的双氧水14 mL，将这5种溶液放小烧杯内进行精度测试，测试结果如图5所示.此分析软件不仅具有各参数的分析功能，而且可在同一时间坐标轴下实现各个参数波形的实时显示，保存实验的数据和图像，这对以后通过控制变量法研究化学振荡反应中各个参数间的相互影响提供了很好的实验平台.笔者设计出的基于化学振荡反应的多参数测量系统实物如图6所示.经测试可知，此系统精度高、功能全，能够实现多参数的测量和分析.

表1 精度测试下各参数的给定值和测得值

图5 精度测试结果Fig.5 The results of accuracy testing

图6 测量系统实物Fig.6 The material object of measurement system

5 结束语

该测量系统能实时采集4路信号，能解决化学振荡反应中出现的压值为负的问题，能进行数据的分析、处理、对比和显示，能简单直观地反映各参数间的关系.经测试可知，系统测量精度高、功能全、运行稳定，能为现代农业、生物、医药等领域的物质检测与分析提供帮助，具有很好的应用前景.

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(责任编辑 郑小虎)

The design of a multi-parameter measurement system based on chemical oscillating reaction

CHEN Xiaoning,ZHANG Tan

(College of Electrical Engineering and Automation，Anhui University，Hefei 230601，China)

The authors put forward the design scheme based on oscillating chemical reaction of multi-parameter measurement system.The design could be used to measure four signals namely voltage,temperature,pH and the intensity of pressure simultaneously.Besides,it could solve the problem that voltage value was negative in the chemical oscillation reaction system.And it could analyze,handle with,contrast data and display graphs,and reflect the relationship between each parameter straightforwardly through software analysis system.The correlated coefficient average between measurements and set values was 0.999 84,so this was a high accuracy system.

chemical oscillating reaction；multi-parameter measurement；negative voltage signal acquisition

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.06.011

2016-03-28

陈晓宁(1977-)，男，安徽砀山人，安徽大学副教授，硕士生导师，博士.

TP2

A

1000-2162(2016)06-0059-05