基于STC89C52单片机的p H值测量仪设计∗

林关成

基于STC89C52单片机的p H值测量仪设计∗

林关成

（渭南师范学院网络安全与信息化学院 渭南 714099）

针对pH值测量仪测量精度低、电路复杂及稳定性差等缺点，为了提高pH值的测量精度，克服溶液的温度变化、电极老化以及测量电路的稳定性等因素带来的误差，以STC89C52单片机为控制核心，利用pH传感器、A/D转换器和单片机对pH电极的检测信号进行采集、转换和处理，再经过温度补偿模块对信号进行有效补偿后通过LCD 1602字符型液晶显示模块输出所测量的pH值。多次试验测试结果表明：测量仪能够准确地测量溶液的pH值，具有精度高、成本低、稳定性好、电路简单、操作方便等特点，满足设计要求，具有一定的应用推广价值。

STC89C52单片机；pH测量；标定；温度补偿

AbstractIn order to increase the measuring accuracy of pH value，and overcome the errors from some factors，such as the temperature variation of solution，the ageing of electrode and the stability of measurement circuit etc.the pH measure instrument was designed based on STC89C52 microcontrollers aiming at the disadvantages of low accuracy，complex circuit and poor stability of the pH measuring instrument.It used the pH sensor，A/D converter and microcontrollers to acquire，convert and process the de⁃tection signal of pH electrode.Then it output the measured pH after temperature compensation using LCD 1602.The test results showed that the instrument can measure the pH value of the solutions accurately，it met the design requirements.The instrument had the advantages of high precision，low cost，good stability，simple circuit and convenient operation，and it had a promotion of val⁃ue in the applications.

Key WordsSTC89C52 microcontrollers，pH measurement，calibration，temperature compensation

Class NumberTN606

1 引言

在水质分析、环境监测和食品生产等众多领域中，对溶液pH值的监测非常重要［1～2］。常用的测量方法主要有化学分析法、试纸分析法和电位分析法。溶液的温度变化、电极老化以及测量电路的稳定性等因素都会给pH值的测量精度带来误差［3～6］。因此，如何提高pH值测量精度、降低pH值测量仪的生产成本是目前急需解决的关键问题，也是pH值测量仪未来的发展趋势［7～10］。

本设计采用电位分析法，以STC89C52单片机为控制核心，利用pH传感器、A/D转换器和单片机对pH电极的检测信号进行采集、转换和处理，再经过温度补偿模块对信号进行有效补偿后输出显示所测量的pH值，提高测量精度［11～12］。

2 p H值测量仪的总体方案设计

pH值是溶液中氢离子浓度的一种标度，本设计采用电位分析法，通过测量电极系统与被测溶液构成的电池电动势来测量。根据Nernst方程，结合溶液的pH值表示式，被测溶液的pH值与输出电动势成线性关系，并且pH值与输出电动势间的斜率K受温度影响。因此，通过同时测量原电池输出电动势及溶液的温度，可计算出被测溶液的pH值。

根据pH值的测量原理，利用插入溶液中的pH电极，将检测到的pH信号传送给pH传感器，经过A/D转换器转换成数字信号后输入单片机，同时结合软件的设计完成温度补偿以提高测量精度。之后通过译码器和液晶屏显示所测量溶液的pH值，其系统总体框图如图1所示。

图1 pH测量仪系统总体框图

3 p H值测量仪的硬件设计

根据pH值测量仪的总体设计方案，其硬件系统主要由单片机模块、pH传感器模块、pH电极模块、A/D转换器模块、液晶显示模块、温度补偿模块和电源模块组成，其中pH传感器模块、pH电极模块和A/D转换器模块作为输入部分，主要负责采集被测溶液的温度信号，并且进行检测信号的转换等预处理。单片机模块作为整个系统设计中的重要核心，负责控制数据的采集、转换、补偿和显示。液晶显示模块作为输出部分，负责将处理后的测量值以数字化的形式输出。温度补偿模块和电源模块作为系统的辅助部分，分别完成信号的有效补偿和系统电源提供。

3.1 单片机模块

单片机模块是整个系统中的核心，主要完成数据的采集、转换、补偿和显示等控制与处理功能。本设计使用的STC89C52单片机是一个8位的微处理器（CPU），其芯片共有40个引脚，4个8位并行I/O口和1个全双工异步串行口以及2个16位计数/定时器、2个优先级和5个中断源，存储部分为128B的数据存储器和4KB的程序存储器。

3.2 p H传感器与电极模块

pH传感器也称为pH探头，是由参比电极和玻璃电极两部分构成，包含信号传输部分和化学部分，主要用于检测被测溶液中的氢离子浓度，并且转换成对应的输出电压信号，pH传感器参数如表1所示。pH电极用于测量电极的电位值，其电位与特定的离子浓度有关，它一般与测量溶液相通，并且与测量仪表相连［13～15］。本设计使用 E-201-C 可充式pH复合电极，其参数如表2所示。

表1 pH传感器参数

表2 E-201-CPH复合电极参数

3.3 A/D转换与液晶显示模块

A/D转换器主要用于将pH传感器输出的模拟电压信号转换为供单片机接收的数字信号，本设计采用的是由ADC0808芯片构成的8位CMOS逐次逼近型A/D转换器，由通道选择开关、地址锁存与译码器以及比较器等组成，有延时、查询和中断等三种工作方式。液晶显示模块主要负责将测量值以数字化的形式直观输出，本设计采用LCD 1602字符型液晶显示模块，内部含有128个字符的ASCII字符集，可分两行显示，每行显示数字、字母和符号等16个字符，其驱动电压为5V，接口为16个引脚的并行接口［16］。LCD1602和单片机的端口连接如图2所示。

图2 液晶显示屏与单片机连接端口

4 p H值测量仪的软件设计

pH值测量仪的软件设计主要包括系统主程序、标定子程序和测量子程序三部分。系统主程序主要完成系统初始化、显示屏清零以及判别有没有键被按下等功能。标定子程序采用两点标定法进行定标，即先标定不同的两个点并分别存储，然后依据两点计算出准确的斜率和电极电位。测量子程序根据标定子程序计算出斜率和电极电位，读取A/D转换的数据，计算被测溶液的pH值并输出显示。

4.1 系统主程序

系统主程序首先要完成系统自检，包括检测指令系统中断功能、检测LED显示器、检测A/D转换器和检测放大电路等。其次将系统初始化，然后使显示屏清零。接着判别有没有键被按下，若没有，则读取A/D转换数据，调用测量子程序，计算并显示被测溶液的pH值。

4.2 标定子程序

为了克服残留溶液对电极标准浓度的影响，需要对仪器进行校准，本设计采用两点标定法校准。两点标定的过程为：分别准备pH=7、pH=4和pH=10的三种标准缓冲溶液，首先选用pH=7的溶液来对电极定位，再依据待测溶液的酸碱度来决定选用第二种标准缓冲溶液。如果待测溶液呈酸性，就选用pH=4的标准缓冲溶液来对电极定位；如果待测溶液呈碱性，就选用pH=10的标准缓冲溶液来对电极定位。即先标定pH=7和pH=4（或pH=10）的两个点P1和P2并分别先后存储标定点，然后依据两点计算出测量所需要的电极电位E0和斜率K值，其流程如图3所示。

4.3 测量子程序

图3 标定子程序流程图

图4 测量子程序流程图

根据标定点P1点和P2点所计算出的电极电位E0和斜率K值，测量子程序首先读取标定值电位E0和斜率K，然后将结果进行A/D转换后，再依据输入采集的温度进行温度补偿，并且修正斜率K值，最后根据Nernst方程以及溶液的pH值表示式，计算被测溶液的pH值，并通过液晶显示屏输出显示所测量的pH值，其流程如图4所示。

表3 实验测试数据

5 p H值测量仪的功能测试及误差分析

为了检测所设计仪器的功能和可靠性，先将元器件按照PCB生成的布线图摆放，并逐一焊接，经校验无电气错误后通电并开始加载程序。通过keilμVision4软件开发系统编译程序生成.hex文件，利用STC-ICP软件将程序烧录进系统后，加电初始化，观察显示屏结果，正常后即可开始测试工作。分别测试pH=7、pH=4和pH=10的三种不同溶液在三种不同温度下的pH值，记录测试数据如表3所示。从表中可以看出，测试数据与真实值相差较小，测试结果正确，符合设计要求。同一浓度的溶液在不同温度下测量的pH值不同，在允许的温度范围内，温度越高，所测pH值越大，误差也越大。

6 结语

本文提出了pH值测量仪的总体设计方案，阐述了其硬件设计过程和软件设计原理。通过系统调试，测量仪具有良好的温度补偿和标定功能，实现了pH值的快速准确采集与显示及存储，具有精度高、成本低、稳定性好、操作方便等特点，达到了预期目标。

［1］陈莉.论实验室pH（酸度）计测量结果的不确定度评定［J］.中国高新技术企业，2013（6）：16-18.

CHEN Li.Evaluation of Uncertainty in Measurement Re⁃sults of Laboratory pH Meter［J］.China High-Tech Enter⁃prises，2013（6）：16-18.

［2］胡玮玮，汪伶俐.玻璃电极法测定水溶液pH值不确定度评定［J］.世界有色金属，2015（S1）：21-22.

HU Weiwei，WANG Lingli.Evaluation of Uncertainty in pH Measurement of Aqueous Solution by Glass Electrode Method［J］.World Nonferrous Metals，2015（S1）：21-22.

［3］张坤，薛文玲，王振朝，等.基于nRF24L01的pH值监控系统的设计［J］.计算机测量与控制，2014，22（3）：734-736.

ZHENG Kun，XUE Wenling，WANG Zhenchao，et al.De⁃sign of pH Monitoring System Based on nRF24L01［J］.Computer Measurement& Control，2014，22（3） ：734-736.

［4］李林琛，张春芝，杨晓雪.基于C8051F060的在线pH检测记录仪的研究［J］.北京工业职业技术学院学报，2012，11（4）：4-8.

LI Linchen，ZHANG Chunzhi，YANG Xiaoxue.Research on the Online pH Monitoring Recorder Based on the C8051F060 Microcontroller［J］.Journal of Beijing Poly⁃technic College，2012，11（4）：4-8.

［5］吴穹，黄皎，王军.基于MSP430智能pH分析仪的设计［J］.电子测试，2013（6）：106-107.

WU Qiong，HUANG Jiao，WANG Jun.Design of Intelli⁃gent pH Analyzer Based on MSP430［J］.Electronic Test，2013（6）：106-107.

［6］曹顺，李金凤，魏立峰.基于PIC单片机的pH测试仪［J］.仪表技术与传感器，2012（10）：41-43.

CAO Shun，LIJinfeng，WEILifeng.Design of pH Measure Instrument Based on PIC Single-chip Microcomputer［J］.Instrument Technique and Sensor，2012（10）：41-43.

［7］胡月明，黄建清，王卫星，等.水产养殖水质pH值无线监测系统设计［J］.传感器与微系统，2014，33（11）：113-116.

HU Yueming，HUANG Jianqing，WANG Weixing，et al.Design of pH Value of Water Quality Wireless Monitoring System for Aquaculture［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2014，33（11）：113-116.

［8］张坤，薛文玲，李志林，等.基于USB接口的在线pH值监测系统［J］.仪表技术与传感器，2013（7）：64-66.

ZHANG Kun，XUE Wenling，LI Zhilin，et al.Design of Online pH Monitoring System Based on USB Interface［J］.Instrument Technique and Sensor，2013（7）：64-66.

［9］石鑫，朱治国.一种新型智能PH测试仪［J］.重庆邮电大学学报（自然科学版），2013，25（4）：553-556.

SHI Xin，ZHU Zhiguo.A Novel Intelligent pH Detector［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Tele⁃communications(Natural Science Edition)，2013，25（4）：553-556.

［10］刘海，杨慧中.一种智能在线pH检测仪［J］.江南大学学报（自然科学版），2012，11（2）：173-177.

LIU Hai，YANG Huizhong.An Intelligent Online pH De⁃tector［J］.Journal of Jiangnan University(Natural Science Edition)，2012，11（2）：173-177.

［11］张开远，周孟然，闫鹏程，等.基于最小二乘法的pH值温度补偿系统设计［J］.传感器与微系统，2015，34（5）：109-111.

ZHANG Kaiyuan，ZHOU Mengran，YAN Pengcheng，et al.Design of Temperature Compensation System of pH Value Based on Least Square Method［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2015，34（5）：109-111.

［12］张占学.基于最小二乘法的pH值温度补偿模型［J］.电气技术，2015（2）：115-117.

ZHANG Zhanxue.Research of pH Value Temperature Compensation Module Based on the Least Squares Meth⁃od［J］.Electrical Engineering，2015（2）：115-117.

［13］艾昌文，杨艳华，王云峰，等.特殊工况下pH值测控系统的设计与实现［J］.自动化仪表，2015，36（6）：99-102.

AI Changwen，YANG Yanhua，WANG Yunfeng，et al.Design and Implementation of pH Measurement and Con⁃trol System in Special Conditions［J］.Process Automa⁃tion Instrumentation，2015，36（6）：99-102.

［14］荣华，何培忠.采用MSP430的pH值与电导率一体化测量仪设计［J］.现代制造工程，2013（12）：85-88.

RONG Hua，HE Peizhong.Design of a Detector for pH Value and Conductivity Based on MSP430［J］.Modern Manufacturing Engineering，2013（12）：85-88.

［15］盛庆元，张西良，李萍萍，等.双层膜锑pH电极及其测试仪的研制与应用［J］.农业工程学报，2013，29（6）：59-65.

SHENG Qingyuan，ZHANG Xiliang，LI Pingping，et al.Development and Application of Double Membrane Modi⁃fied Antimony pH Electrode and its Testing Instrument［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（6）：59-65.

［16］汤泽容.基于MCS-51单片机的液晶12864显示设计［J］.湖南农机，2014，41（11）：54-56.

TANG Zerong.Design of 12864 Liquid Crystal Display Based on the MCS-51 Single Chip Microcomputer［J］.Hunan Agricultural Machinery，2014，41（11）：54-56.

Design of p H M easure Instrument Based on STC89C52 M icrocontrollers

LIN Guancheng
（College of Network Security and Information，Weinan Normal University，Weinan 714099）

TN606

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.039

2017年3月11日，

2017年4月21日

国家自然科学基金项目（编号：11574250）；陕西省军民融合研究基金项目（编号：17JMR23）；渭南市自然科学研究计划基金项目（编号：2016KYJ-3-1）；渭南师范学院科研计划基金项目资助。

林关成，男，博士，副教授，研究方向：信号与信息处理。