基于C8051F320的PH测量仪的研究

杨文隆

摘要：研究并设计了一种高精度酸碱度（PH）测量仪，详细描述了其硬件组成和软件实现。该PH测量仪硬件组成是以低功耗单片机C8051F320和PH指示电极传感器为核心器件，包括USB通信、数据采集、历史数据存储和输出显示等硬件模块。软件程序分为上位机和下位机程序，采用模块化结构设计，利用KEIL 51和VC++6.0编程，主要完成PH测量的温度补偿和数据的采集、存储、显示、传输等功能。实验和测试结果表明，该测量仪具有操作简单、精度高、性能稳定可靠的特点。

关键词：C8051F320；酸碱度；PH温度补偿；PH测量仪

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）02-0219-03

Abstract： High precise pH value measurement meter is depicted， and the detail description of hardware architecture and software implementation is made. The hardware system mainly consists of the microcontroller C8051F320， pH electrode sensor， USB communication module， data acquisition module， historical data storage module and output display module. The software program is divided into PC program and lower computer program， mainly implements the software temperature compensation， and data acquisition， storage， display， transmission， with modular structure design and KEIL 51 and VC++6.0 programming software utilized. The experiment results show that the detector is characterized by easy operation， high precision and stable performances.

Key words：C8051F320； pH； pH temperature compensation； pH detector

pH值是溶液中氢离子的总数和总物质的量之比，它对溶液的性质、化学反应速率以及微生物的新陈代谢等均有很大影响。尤其是在石油化工、食品、水处理及环境保护等行业中，水质分析和水质监督工作与设备安全、可靠运行和人员健康的联系愈加密切。在测量pH值过程中，其测量精度受许多外界因素影响，其中水样的温度变化、电极的老化以及测量仪本身电路的稳定性都会给测量结果引入误差。通常，针对被测液体的温度检测和温度补偿是提高pH测量仪精度的重要手段。

目前，最常用的pH测量方法有试纸分析法、化学分析法和电位分析法。但试纸分析法和化学分析法无法满足自动化测量的需求，采集的数据只能手工记录。虽然国内外的许多文献介绍了基于电位分析法的自动化pH测量仪的实现，但如何在保证精度的基础上，设计出一个低功耗、功能全面以及自动化程度高的pH测量仪仍然是一个挑战。

文中设计的pH测量仪采用pH电极对水样酸碱度进行测量，将化学参量转变成电信号，然后经过运算放大器组成的信号调理电路进行放大，之后送到模数转换器进行转换，转换出的数字量最后送到主控制器进行处理。主控制器采用自带USB通信模块的C8051F320单片机，将数字电压信号换算成pH值，然后根据水样温度对pH测量值进行温度补偿，再将测量的pH值进行存储、显示和传输。测试结果表明，本文所设计的pH测量仪具有良好的温度补偿特性，并且可通过目前最流行的USB通信接口实现快速通信。

1 理论分析

2 pH测量仪硬件电路

2.1总体结构

测量仪以单片机C8051F320为主控制器，与外围硬件电路配合来实现系统功能。温度的采集通过PT100传感器实现，pH值的采集则通过pH电极传感器实现。为了实现人机交互，测量仪实现了USB通信接口、键盘输入功能以及液晶输出显示功能，测量仪数据存储部分采用WINBOND公司的W25X80 Flash存储器实现，CPU还配以时钟电路和复位电路等。pH传感器输出电压范围为-420mV-420mV，模拟调理电路将该电压放大之后调理到0.7V-3.3V，符合单片机内部模数转换模块对被采样电压范围为0V-3.3V的要求。Flash存储器负责存储一定时间内的pH数据，方便将数据传输到PC端。USB接口用于与计算机的通信，便于实现分布式多点采集和数据集中管理。

2.2 PT100测温电路

溶液温度的精确测量直接关系到pH测量仪的精确性。PT100是一种精度高、性能稳定并且测量范围宽的温度传感器。图1为PT100测温电路原理图，PT100采用恒流源式接法。图1中TL431是可控精密稳压源，由它组成的高精度恒流源电路为PT100提供1mA电流，调整R3阻值以调整电流大小。图1中PT100采用四线制接法，这种接法隔离了PT100的激励端和测量端，比较适合恒流源式电路。PT100两端电压由图1中单运放差分放大电路进行放大，放大倍数为10倍，测温范围最高可达600℃。

图1电路可以得到PT100的电阻值，由于其电阻值与温度呈非线性关系，如果直接求解，计算难度较大。因此在这里采用的是查表法来计算温度。查表法就是通过PT100的分度表来查询阻值所对应的温度。

2.3 pH电极模拟调理电路

pH传感器是电压信号输出，在实验中发现pH值传感器的测量电极具有极高的内部电阻，容易在电极间产生微小的化学电压，同时受外界扰动较大，因此采用图2所示差分的方式将信号输入到放大器进行放大。图2中的放大器采用ADI公司的AD8663运算放大器，AD8663是ADI公司生产的专门用于pH/ORP仪表的传感器前端使用的高输入阻抗运算放大器，其具有轨到轨输出、低输入偏置电流、低输入失调电压以及低电流噪声等特性。计算公式如式（4）所示：

2.4 USB接口电路

USB通信功能是由C8051F320单片机自带的USB通信模块实现。在设备端电路设计的过程中，对USB插座引脚必须对应连接，否则将直接影响到与主机端的通信。USB插座分为A型和B型，在这里采用的是B型插座。

由于USB总线的供电量只适合于小功率模块的供电，最大也只有500mA，因此很难满足整个模块的安全供电，所以模块选择自供电方式。自供电连接方式为：将USB引脚对应连接好后，F320的REGIN端口直接接5V电压即可。由于USB收发器内部集成了上拉电阻，因而不需要任何外部器件便可直接与USB接口相连。

2.5测量仪软件设计

本系统采用结构化程序设计，有较高的模块化和良好的可移植性。软件分为系统初始化、传感器采集及数据处理、液晶显示、键盘终端和USB通信程序。传感器采集包括PT100温度数据采集和pH传感器数据采集。

首先对系统进行初始化，然后扫描按键，判断“温度补偿”按键是否按下。按键按下后，系统利用二分法查表计算检测到的PT100阻值所对应的温度，分度表存储在Flash中，检测范围取在-20℃--100℃之间。待温度检测结束后，式3中所需要的温度值T存储在Flash中待用并且将温度显示在液晶屏上。如果pH检测按键按下，系统每隔100微秒采样一次，共采集1024次，之后计算它们的平均值作为温度补偿前的pH值。利用式3对pH值进行补偿之后将得到的pH值存储在Flash中，并且显示在液晶屏上。

3 测试结果

根据上述设计方案，搭建好pH测量仪系统，进行综合调试后，在实验室内进行了实际测量，测试结果如图3所示。待检测结果稳定后，检测到的pH值保持在4.2，与实际溶液pH值相差0.1（实际溶液pH为4.3），并且上位机将每一次检测的结果存储在一个access数据库表中，待日后调用。经过多次实验，总体误差保持在0.2个pH单位之内。

4 结束语

本文设计的pH测量仪硬件采用高阻抗运放和合理的差动设计，软件采用模块化设计。检测温度时用二分法查表计算温度，充分利用了PT100温度与阻值的关系曲线在一小段区间内满足线性关系这一性质，pH计算则利用温度补偿大大提高了检测精度。

参考文献：

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