全自动ph值测量系统设计(编辑修改稿)

全自动ph值测量系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

输入阻抗放大器。 使用一个放大器测量参照电极和解决地电位电极之间；另一个放大器测量指示电极和地电极之间的电势。 两个电势的代数和就是与待测溶液的 PH 相关的电势差（等于指示电极和参比电极之间的电动势），放大器用来测量这个电势差。 PH测量 系统 的测量方法 本测量系统采用电位法进行测量。 分析电极称为原电池。 原电池是一个系统，它的作用是把化学能转化为电能。 电池的电压被称为电动势（电磁场）。 此电动势（ EMF）由二个半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关；另一个半电池为参比半电池， 通常称为参考电极，它通常是测量溶液相通，并 与 测量 仪器相连。 例如，一个电极是由一个插在含银离子的盐溶液银线， 在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形成离子的充电过程 ，形成离子充电过程，并形成一定的电位差。 银离子在溶液中没有电子。 当没有外部电流反向充电，这个过程将最终达到一个平衡。 在平衡状态下存在的电压称为半电池电位或电极电位。 这（如上所述）由金属和金属离子的溶液组成的电极称为第一类电极。 此电位的测量是相对一个电位与盐溶第二章 测量系统的整体设计 6 液的成分无关的参比电极 进行的。 这是独立 测量 的参考电极也被称为二电极。 这种电极，金属线覆盖着一层金属的微溶盐，并插入含有这种金属盐离子的电解质溶液。 半电池电位或电极电位取决于活动这一阴离子。 指示电极是组成电位分析仪的基本部件，大部分指示电极是离子选择性电极。 它具有将溶液中某特定离子的活度转变成一定电位的功能。 不同 离子选择性电极都有一个 所谓 离子选择性膜的敏感元件。 离子选择性电极的性能主要取决于膜的种类及其制备技术，常用的离子选择性电极有晶体膜电极、液膜电极和玻璃膜电极等。 理想的离子选择性电极的电位与离子活度 的关系应符合能斯特方程 0 lgE E S a , (28) a 为溶液中此离子的活度值 ； S 为电机的斜率项，是温度的函数 ； E0 为电极等电势点的电位值。 电极的响应斜率只在一定的活度范围，保 持 其 基本不变，当活度小于一定值时，斜率明显的变小。 大 多数 指示电极是离子选择性电极， 离子选择性电极是 可以将 溶液中某种特定离子的浓度转变成电位功能的电极。 各种离子选择性电极的结构虽然各有其特点，但都有 一个被称为离子选择性膜的敏感元件，离子选择性电极的性能主要取决于膜的种类及制备技术。 离子选择性电极的敏感膜都有渗透性，也就是说被测溶液中的特定离子可以进入膜内，并在膜内移动，从而可以传递电荷，在溶液和膜之间形成一定的点位。 膜的渗透性是具有 的 选择性 使 非特定离子不能再其中进行渗透，这就是离子选择性电极对离子具有选择性响应的 基本原因。 第二章 测量系统的整体设计 7 图 21 敏感膜电位的示意图 1参比电极； 2指示电极 ； 测量离子选择性敏感膜电位的示意图，图中的 1与 2是完全相同的参比 电极；膜两侧的溶液中含有该膜能响应的离子，且离子浓度分别为 A A2；膜两侧的表面与相接触的溶液之间存在着电位差，分别为 E E2.，通常称之为敏感膜相界面电位。 在一定测量范围内，相界面电位与离子浓度关系符合能斯特方程： 02 0 2lnlnRTE E anFRTE E anF , (29) 式中 1a ， 2a —— 敏感膜两边溶液的离 子浓度； 0E —— 离子浓度 a =1,温度为 t 时的电位值（温度不同， 0E 不同）。 所谓离子选择性敏感膜的膜电位是指膜的两侧相界面电位之代数和，即膜电位 E 可表示为 21E E E   2lnRT anF 1lnRT anF , (210) 最常用的指示电极便是玻璃电极。 氯化银电极具有良好的重复性，稳定性。 因为它是固体电极，使用方便，应用很广泛。 甚至有取代甘汞电极的趋势，这是因为汞是有毒的，此外，甘汞电极温度变化所造成的电极电位的变化滞后现象是较大的，而氯化银电极的具有高温3 2 1 A2 A1 A1 第二章 测量系统的整体设计 8 稳定性。 1引线； 2KCL 溶液； 3AgCl 溶液； 4磨口接口； 5陶瓷芯； 6外盐桥液 图 22 参比电极结构图 其中 AgCl 是 Ag 的固体难溶盐 ， KCl 溶液提供 Cl （ 也可用 HCl 来提供 ）。 电极反应为： A gCl e A g C l   电极电位为： 0 ln clRTE E aF  Ag 沉淀容易堵塞参比电极管的多孔性封口，通常不采用饱和 KCl 溶液作为Ag/ AgCl 电极的电解液。 而是采用 M KCl 溶液作为电解液。 此外，为了防止因研究体系溶液对 Ag/ AgCl 电极稀释而造成的 AgCl 沉淀析出，可以在电极和研究体系溶液间放一个盛有 KCl 溶液的盐桥。 在使用参比电极时，为了防止溶液间的相互作用和玷污，常使用同种离子溶液的参比电极。 在 H2 SO4 溶液体系中采用硫酸亚汞电极，在碱性体系中用氧化汞电极，而在中性氯化物溶液中则采用氯化银电极等。 在0 lnRTE E anF 代 入 R、 F 的值，并把 lga 换成 ，则可变为如下1 6 1 5 2 3 4 2 3 第二章 测量系统的整体设计 9 形式 0 0 .1 9 8 4 lgTE E an , (211) 对温度 T 求导数 0 0 . 1 9 8 4 0 . 1 9 8 4 l glgd E d E T d aad T d T n n d T   , (212) dEdT 可理解为温度变化一个单位时测量电池电动势的变化值，即测量电池的温度系数，式表明它由三部分组成。 0dEdT 是电极的标准电位温度系数项，它是表示电极特性的项，它与电极的膜材料、内充夜、内外参比电极等的温度特性有关。 是能斯特方程系数斜率项。 当 n=1,温度变化 1℃，则斜率变 .1984mV； n=2，则变化为。 故 PH 测试仪都装有温度补偿器，在电路上采取措施，以补偿其对测量的影响。 984 lgT d an dT 为溶液温度系数项，它受溶液中离子浓度的影响，而离子浓度又取决于它的浓度系数和离子强度。 对弱电解质和溶液形成络合物的电解质溶液，还受它们的平衡常数的影响。 可见这项是很复杂的，一般的离子计不能对该项进行补偿。 所以在电位法测量中，在表明标准也和被测浓度的同时也应标明其温度。 因此一般的离子计只能对能斯特方程中的 温度系数斜率项进行温度补偿，只能消除温度对测量的部分影响，因此若严格要求，测量应在恒温条件下进行。 实际测量系统，能斯特方程是顺应实际曲线往往偏离理想曲线，即实际响应曲线的斜率是不等 于 理想曲线的斜率，所以只知道实际 的斜率 ，电极可用于测量系统。 一般离子 计 不能 对能 斯特方程温度系数斜率温度补偿， 只 可以消除温度对测量的局部 影响 ，所以如果严格要求，测量应进行恒温条件下。 第三章 PH测量系统的硬件设计 10 第三章 PH测量系统的硬件设计 本系统采用 MSC51 单片机作为数据处理的核心部件，并扩展一些外围芯片，组成一个可 以完成自我检测，标定的智能仪器。 具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，所以可以应用于传统测量。 89C52介绍 主要性能参数 ： 与 MSC51 产品指令和引脚完全兼容； 8K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 ； 1000 次擦写周期； 全静态操作： 0Hz24MHz。 三级加密程序存储器； 2568 字节内部 RAM。 32 个可编程 I/O 口线； 3 个 16 位定时 /计数器； 8 个中断源； 可编程串行 UART； 1低功耗空闲和掉电模式。 功能特性介 绍： AT89C52 有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线，AT89C52 可以按照常规方法进行编程 ,但不可以在线编程 (S 系列的才支持在线编程 )。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 AT89C52 采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。 功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。 主要管脚有： XTAL1（ 19 脚）和 XTAL2（ 18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 VCC（ 40 脚）和 VSS（ 20 脚）为供电端口，分别接 +5V电源的正负端。 P0~P3 为可编程通用 I/O 脚，第三章 PH测量系统的硬件设计 11 其功能用途由软件定义，在本设计中， P0 端口（ 32~39 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接 ， 13 脚定义为 IR 输入端， 10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS（ 18 脚）和 SCLS（ 19脚）端口， 12 脚、 27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 图 31 8952 引脚图 P0 口 是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口， 也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“ 1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组 口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 (IIL)。 第三章 PH测量系统的硬件设计 12 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口 P2 写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 (IIL)。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX @DPTR 指令）时， P2 口送出高 8 位地址数据。 在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX @RI 指令）时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时， P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。 此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（ IIL）。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST 复位输入。 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE 当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。 一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。 此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位 无效。 PSEN 程序储存允。