基于单片机控制的金属与非金属氧化还原反应现象电子检测系统开发研究

郑雯　李健 王应红 左晓念 汪晓靖

[摘 要]开发基于单片机控制器的监控化学反应过程的下位机硬件，选取典型金属与非金属氧化还原反应实验现象和实验条件可控的电子硬件与软件检测系统的设计、制作、调试、优化形成一套能实时跟踪测量或控制氧化还原反应变化条件的化学实验检测仪。系统由化学反应器皿、典型化学实验现象采集传感器、数据采集处理适配器、自动控制器（CPU）、测试数据输出显示等组成。

[关键词]金属与非金属；氧化还原反应；电子传感器；单片机控制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.067

本研究以提高无机化学实验现象观测的可视性、反应速率（条件）的可控性、实验数据现场采集实时快速与检测分析精确度高为研究重点，拟采用现代应用电子、电子通信、单片机、自动控制技术[1]与化学测量技术相结合的设计理念，通过实验研究形成能直接运用于中学化学、大学无机化学实验教学中，对金属与非金属氧化还原反应现象实验检测的硬件电路系统，实现对传统化学实验中的金属与非金属氧化还原反应现象（反应过程中）的密度、气压、浓度、速率、声光、温度等变化数据的自动检测和实验条件的控制。

1 系统设计

1.1 系统化学反应装置结构的设计

根据系统功能的基本要求和实验中所要对参与化学反应物质变化过程、反应速率变化时相关教学内容要求的观察和采集处理数据的实时跟踪监测的需要，采用高耐热玻璃材料作为盛放化学反应物质的器皿，其改进设计的氧化还原反应实验装置容器工作原理，力求便于取放实验中所需的溶液、溶质、溶剂等物质、不影响师生对氧化还原反应实验现象的直接观察、对相关实验数据采集电子传感器器件介入固定、实验中对数据实时采集处理信息的傳输与相关接口电路的安装等要求，同时还能适应更换不同的氧化还原反应实验内容的要求等。关注的化学变化现象，如中学常见氧化还原反应 [2- 3]：如AB（酸或碱）+C（金属）=AC（盐）+B（氢气）反映主要化学变化物理量：压强、密度、颜色、pH、温度、湿度，通过实验原理的深入分析，师生更好地观察与体验实验过程的化学变化。

1.2 硬件模块设计

本系统以单片机为控制核心，通过电源模块供电，以pH电极传感器模块、气压检测模块、红外测温模块、湿度检测模块为检测装置，以蠕动泵作为滴定控制装置，通过OLDE液晶和电脑显示模块显示实时数据。

1.2.1 pH复合电极传感器模块

pH复合电极简介：pH电极是pH计上与被测物质接触的部分，用来测电极电位的装置。电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由两个半电池构成。

1.2.2 气体压力检测模块

气体压力模块简介：本气体压力检测主要实现化学容器内的变化，伴随的反应器皿内部压强的变化速率的检测。选用本功能模块的目的是利用模块提供的非常精确的压力检测数据快捷，并具有采样频率可调的技术特点。由于气体压力检测模块的功耗非常低，具有多种智能功能，不需要移动设备就能安全对容器内部采集到的压力数据进行处理。本压力传感器的智能功能包括数字输出，用于自动唤醒的中断、最小/最大阈值检测及自动数据采集。

1.2.3 红外测温模块

红外线测温模块简介：红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，具有不扰动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广，稳定性好等特点；通过调节脉冲的周期、宽度，以达到变压、变频的目的，数字式脉宽调制方式中，数字是控制信号，通过改变高低电平数的比值达到改变占空比的目的。主要用于实施检测化学反应过程中，密闭容器内部的温度变化的数据量。

1.2.4 湿度检测模块

电容式数字湿度传感器简介：传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。湿敏电容由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料，上电极构成的两个电容成串联连接。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小（电容量通常在48pf～56pf间）。

2 显示界面介绍

2.1 OLED显示屏的显示

OLED显示屏的显示：pH值为（pH）：14.0；温度值为（TEMP）：20.7；湿度值为（hum）：43.4；气压值为（pressure）：101.60如图1所示。串口示波器的显示如图2所示：

2.2 串口示波器的显示（通过曲线的变化表示反应过程中各项值的变化）

pH：（红色通道）保持不变，pH值不变；

气压：（黄色通道）保持不变，气压值不变；

温度：（蓝色通道）先增大后减小，温度先升高后降低后保持不变；

湿度：（紫色通道）平稳地变大，湿度升高后保持不变。

3 系统应用实施例

通过上述硬件和软件系统的设计、仿真与论证，以及对系统各功能模块的制作、调试，系统集成优化分析所形成的金属与非金属氧化还原反应自动监测装置，达到了设计论证的基本要求，能自动控制参与氧化还原反应实验的反应溶液量，实现对化学反应速率的控制和相应变化数据的采集，其设计的实验装置所实现的实验实施如下：

实例1 镁（金属）与稀盐酸（非金属）的反应实验的数据采集

反应物质（镁金属）：参与反应的溶液（稀盐酸非金属）

通过上述实例，其实验装置可以对反应过程中有关数据变化信号进行实时采集，适用于不同的金属与非金属氧化还原反应中，通过传感器电缆输出的信号作相应转换处理。

4 结 论

本设计可以解决我国现行初高中和大学普通化学实验教学中，学生在做氧化还原反应实验时，存在不能准确控制实验条件（如实验过程中的浓度、密度、温度、压强、反应速率等），能实时跟踪测试反应过程中容器内化合物前后变化现象，能精确量化检测变化终极物质当中的主要化学指标等突出问题，能解决对其反应速率与条件的控制方法。

参考文献：

[1]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]宋心琦.化学必修1[M].北京：人民教育出版社，2004.

[3]戴安邦.配位化学[M].北京：科学出版社，1987.