基于LabVIEW和51单片机的中和滴定系统设计

左晓念 常峰 李健 王帆

摘 要：该文介绍了一种中和滴定系统设计方案，使用51单片机、蠕动泵和pH传感器搭建下位机，运用虚拟仪器技术开发软件LabVIEW设计上位机，通过串口和下位机相连。该系统性价比高，控制精确，可以直观的反映中和滴定过程中pH的变化和pH突变等现象。

关键词：虚拟仪器技术  LabVIEW  51单片机  中和滴定  pH值

中图分类号：TP368          文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0017-03

中和反应，其实质是：一种液体中的自由H+离子和另一种液体中的自由OH-离子结合生成水分子（H2O）和盐的过程，所以只要有酸碱参与了反应就叫中和反应。一般的中和反应是没有明显的外观现象，无法准确判断是否进行了中和反应甚至完全中和反应。传统的检测酸碱发生了中和反应的方法有：通过指示剂观察液体颜色变化法、pH试纸检测法、根据热量变化探测温度法，但是这些方法都存在人为的观察误差和操作误差。

通过现代电子技术可以帮助人们达到精确的定量滴定、精确的控制完全中和反应、准确的显示中和反应变化过程的目的，使中和反应现象的检测异于传统方法，具有更形象、更精确、更易于理解的特点。

该文介绍了以LabVIEW设计上位机软件，以STC89C52RC单片机最为下位机控制核心，采集pH传感器的值和控制蠕动泵，上位机通过USB转串口的通信模式和下位机相连，实现pH曲线的实时绘制显示。

1 硬件系统设计

1.1 硬件系统组成

该系统以STC89C52RC单片机为控制核心，以E-201-C型pH复合电极作为滴定溶液pH值的检测装置，以S100-2B+TH10B型蠕动泵作为滴定控制装置，系统原理框图如图1所示。

1.2 pH复合电极

该系统使用的是上海仪电科学仪器股份有限公司的E-201-C型pH复合电极，该电极是将pH指示电极和参比电极组合在一起的电极，采用塑壳外壳材料，可以检测0～14的pH值范围，精度达到0.01 pH，在5～60度工作环境下工作。

使用该电极之前，必须对电极进行校正，以确定电极斜率。通常采用这3个标准缓冲溶液进行标定校正：pH4.00、pH6.86、pH9.18。经测试，在3个不同溶液下检测电极输出电压经放大电路后的值分别是3.58 V、3.07 V、2.69 V。

忽略pH复合电极的非线性，可以设溶液pH值为y，电极输出电压为x，得出公式（1）：

y=kx+a                             （1）

其中k为线性系数，即电极斜率，a为公式常数项。将表1的值带入公式（1），可得k=-5.82，a=24.73，即得公式（2）。

（2）

电极输出电压为mV级，需经放大电路后接入到ADC0809输入端，ADC0809输出数字信号至单片机，这个数字信号值就是公式（2）的x值，单片机编程实现公式（2）的计算得到最终的pH值。

1.3 蠕动泵

采用保定思诺流体科技有限公司的S100-2B+TH10B型蠕动泵进行滴定流量控制，该蠕动泵内嵌内径1 mm的软管，泵头滚轮数为8，流量控制精度可达0.44～4.22 mL/min，可以使用外部电压（0～5 V或0～10 V）、外部电流（4～20 mA）及外部脉冲波（0～10 KHz）对蠕动泵进行转速控制，流速控制档为10档，如表1所示。该系统使用外部脉冲波作为调速信号。

使用单片机的定时器0为蠕动泵提供脉冲波，定时器0采用方式1，方式1为16位计数器，其定时计算公式如下[1]：

定时时间=（216-定时初值）×振荡周期×12     （3）

由公式（3）可以计算得到定时初值与转速对应关系，可以通过按键来调整定时初值，实现不同频率脉冲波输出，从而改变蠕动泵的转速。

1.4 硬件电路

系统采用12 MHz晶振，单片机ALE输出端经CD4040四分频后得到500 KHz信号，此信号为ADC0809提供工作频率，单片机P3.5启动A/D转换，转换时间约100 us，转换结束后ADC0809的EOC端给单片机一个高电平，然后单片机P3.7给ADC0809输出使能端高电平，此时ADC0809的D7-D0输出有效输出数字量，接单片机P1.7-P1.0口[2]。单片机P2.2输出脉冲波控制蠕动泵转动。

单片机通过串口P3.0和P3.1向计算机发送数据，管脚电平为TTL，计算机也提供了多种串口接口，如RS-232、RJ45、USB串口等，他们有着不同的通信协议和传输方式，电气特性也和单片机的不同[3]。如果计算机有9针引脚 （DB-9） 的RS-232 接口，那么单片机与计算机之间需要一款MAX232芯片把单片机的TTL电平转换为计算机端的RS-232C标准电平。现阶段许多计算机尤其是笔记本都没有标准RS-232C接口，但是都有USB接口。使用PL2303HX芯片可以把USB接口虚拟成一个串口，然后直接和单片机相连，其USB转串口电路[4]。

2 LabVIEW软件设计

LabVIEW为美国国家仪器公司开发的一款虚拟仪器软件开发平台，采用G语言（图形化）编程方式，内置丰富的各类功能函数及硬件接口驱动。该系统使用串口通信方式，安装了LabVIEW软件之后还需检查是否安装NI公司的NI-VISA runtime程序包，可以在NI官网上下载安装。NI-VISA runtime提供了程序访问外部接口的函数体系。

程序一开始使用“VISA配置串口”函数配置4800波特率、串口名称、停止位等，这些配置参数需和单片机里设置的串口通信参数一致。之后连接两帧顺序结构，延迟100 ms让“VISA配置串口”函数有足够的时间来配置上述参数，使用“VISA清空I/O缓冲区”函数清除掉缓冲区的信息，最后读取串口数据。

使用一个While循环结构实现串口信息的连续读取。使用“Bytes at Port”这个串口的属性节点是为了实现缓冲区中有多少个字节就读回多少个，不会让程序出现等待或者“Time out”的错误。“VISA读取”函数读取的是字符串格式，通过“字符串扫描值”函数将字符串格式转换为浮点数，再通过“数组插入”函数和移位寄存器实时得到新的数组并在前面板以曲线方式显示出来。

3 系统测试

图2为常温25度下，用0.1 mol/L氢氧化钠溶液滴定20 mL的0.1 mol/L盐酸溶液时pH值变化情况，可以看出游标0到游标1这两次连续滴定时，pH=3.86到pH=9.54之间pH值由3.86突跃到了9.54。

图3为常温25度下，用0.1 mol/L盐酸滴定20 mL的 0.1 mol/L碳酸钠时pH值变化情况，可以看出在游标0和游标1两处发生了两次突跃，这也真实的反映了将盐酸滴定到碳酸钠溶液中，反应是分步进行的：第一步碳酸根离子与氢离子反应生成碳酸氢根离子;第二步碳酸氢根离子和氢离子反应生成二氧化碳和水。通过曲线游标0和游标1处还可以得出此反应两次消耗盐酸体积的定量比例为1：1[5]。

4 结语

通过该系统检测中和滴定过程中的pH变化情况，减少了人为操作中的误差，简化了绘制曲线的工作，真实、直观的反映了中和滴定过程中反应的实质和定量的关系。基于LabVIEW虚拟仪器技术平台，不仅能实时显示pH变化过程，还可以方便的将数据存储下来，整个系统成本低，操作简单，数据显示稳定、及时、精确。

参考文献

[1] 周国运.單片机原理及应用教程（C语言版）[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[2] 李俊.基于LABVIEW结合MCS-51单片机扭矩传感器数据采集的实现[J].计算机光盘软件与应用，2012（5）：172-173.

[3] 史迩冬，李清栋，周雪莉.基于USB接口的51单片机与PC机通信的方法[J].大众科技，2008（11）：55-56.

[4] 文治洪，胡文东，李晓京，等.基于PL2303的USB 接口设计[J].电子设计工程，2010（1）：32-34.

[5] 魏锐，包明，王磊，等.利用pH传感器研究中和反应过程中pH的突变[J].化学教育，2007，28（4）：59-61.