基于STM8的PH测量模块研制

安徽中鼎金亚汽车管件制造有限公司 张培勇 唐之胜 陈小勇

基于STM8的PH测量模块研制

安徽中鼎金亚汽车管件制造有限公司 张培勇 唐之胜 陈小勇

针对PH传感器信息采集时驱动程序多集成在仪表端的现状，本文设计了一种基于微型处理器在PH传感器端进行驱动化处理并输出帧格式数据的PH传感模块。该模块支持蓝牙通信，可将PH和温度数据发送至智能手机；支持线缆直接将数据传至电脑。经过PH试纸对比试验，测量精度误差控制在0．5%左右。本模块具有成本低，运行稳定等特点，可满足相关监测系统的技术要求。

STM8S103；PH值；温度；通信

1 引言

PH传感器是水质监测系统中的重要组成部分，也成为各大院所和企业研制的重点，目前研制的传感器通常把驱动程序放在仪器端，使得仪器端驱动负荷增加，在多传感器情况下，仪器端出现端口资源被占较多的情况，且不利于系统的稳定运行，针对此类情况，本文选取PH传感器作为突破点，采用微型处理器：STM8S103，把驱动业务放在传感器端，并研制了PH传感模块。

2 系统总体方案设计

系统将PH值传感器输出的电压信号经集成运放，放大输入信号，再经过单片机内部的A/D转换，转换结果与单片机内之前测量的PH-V（PH值与电压）相比较，查出对应的电压值；同时读取温度传感器的数值，经过运算后的结果通过蓝牙发送到手机端或者通过串口通信（RS232）发送至上位机（PC机）。

图1 系统总体架构

3 硬件电路设计

3.1 电源电路

电源采用12V供电，串联一个100Ω的限流电阻，起到限流作用。并联压敏电阻可解决电源中的串入突波的问题。电路中通过反接二极管，可以防止电源正负反接，有效的保护电路。电源中设计有一个电感电容滤波电路，可以进一步地消除纹波对PH值精度的影响。电路中电源采用市场上常用AMS1117-5.0，该芯片是精准的、高性价比的稳压芯片，将电源稳定至5V，对单片机和运放进行供电。

图2 电源电路

3.2 单片机电路

本设计采用STM8S103F3P6,其内部设置10位模数转换，且内部集成高速RC振荡器，温度变化对频率影响不大，最高频率可达16MHz。它支持四种节能模式而且可以自由切换，大大的节约了电能大大的提高了本PH计的续航能力。

图3 单片机电路

3.3 PH传感器电路

此电路主要是采集PH计输出电极的电压，输出的值进入集成运放放大，放大倍数为3倍。放大后的电压连STM8S103的PC4，应用PC4的第二功能：AD转换。转换后进行查表运算，计算出相对应的PH值。此外，PH易受温度变化的影响，所以最终的查表法应该考虑温度因素，因此，连接一个数字式温度传感器，可以较精准地测量到水产养殖场内的环境温度值。PH值采集过程如下图4：

图4 PH采集流程

3.4 DS18B20电路

DS18B20是各个领域中最常用的数字温度传感器，只需要一条线就可以和单片机通信，甚至可以不接电源线与底线直接依赖于数据线上的能量正常工作。本温度传感器的精度是±0.5℃，转换时间短反应迅速，很好的满足本设计的需求。如下图5，设计中增加一个上拉电用来增加传感器工作稳定性。

图5 DS18B20电路

3.5 XM-15B模块

XM-15B模块是串口转蓝牙的一个无线模块，因为硬件上只需要连接RXD和TXD两根线所以很大程度上减小了工程师的开发难度和缩短了开发周期。本文中将此模块设置成9600波特率。

4 软件设计

4.1 STM8时钟配置

将寄存器CLK_CKDIVR 配置成0X00，设置时钟为HSI 16MHZ。

4.2 AD转换设置

STM8S103F3P6 内部集成10位ADC，具有两个扫描通道，分别为PC4，PD3。本设计中只需一个通道，即PC4接PH传感器。

4.3 串口发送数据

本设计通信采用串口。STM8S103F3P6带有一个串口，管脚分布为：PD5（TXD），PD6（RXD）。本文在配置时设置有一个起始位，一个停止位。

4.4 串口中断函数

4．4．1 精简模式

思路是手机发送查询字符‘C’给蓝牙模块后，单片机接收到指令立即进入中断，在中断内部判断接收到的内容属于什么指令。若是‘C’，则把接收到的温度值、PH端口电压值和对应的PH值分别发送到手机上。如果不是‘C’指令，则发送一个未知指令的标示给手机，请求手机再次发送正确指令。

4．4．2 自定义协议模式

本文为了突出兼容性，还设有自定义协议模式，这样就可以和农业手持设备进行通讯。自定义协议包括以下的内容：协议中包括了主机向传感器发送的请求码和传感器收到主机的请求码后发送的回应码。请求码包括以0XAA作为第一个字节，后面接着两位预留字节，然后是一个传感器的地址字节，最后以0XA5作为一个完整请求码的结束。传感器接收到命令后将PH值用回应码的格式发送给主机。回应码是以0XAA作为第一个字节，后面接着一位预留字节，接着下一位是传感器的地址字节，然后接着是两到三位的数据字节，最后以0XA5作为一个完整请求码的结束。

5 结果

经过测试，本传感器可以准确地得出被测溶液的PH值。测试结果如下：

图6 酸性溶液测试对照结果

图7 中性溶液测试对照结果

图8 碱性溶液测试对照结果

如上，图5.1为酸性溶液测试对照结果，5.2为中性溶液测试对照结果，5.3位碱性溶液测试对照结果。与PH试纸对照可以得出结论：本测试结果符合设计要求。

6 结论

设计模块实现预期基本功能，且结果较为准确，组建系统时灵活方便，成本低。该模块支持蓝牙通信，可将PH和温度数据发送至智能手机；支持线缆直接将数据传至电脑。经过PH试纸对比试验，测量精度误差控制在0.5%左右，可满足相关监测系统的技术要求

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