全自動(dòng)PH值測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目錄摘 要本論文設(shè)計(jì)用電化學(xué)原理和MSC51單片機(jī)技術(shù)對(duì)各種溶液中氫離子濃度進(jìn)行測(cè)定。本論文詳細(xì)論述了PH測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，包括氫離子濃度的測(cè)量，標(biāo)定方法，溫度檢測(cè)裝置，測(cè)量電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PH測(cè)量?jī)x用三電極檢測(cè)系統(tǒng)，參比電極和指示電極對(duì)溶液中氫離子檢測(cè)。三電極系統(tǒng)有良好地抗干擾能力。輸入電路采用高阻差分電路，傳感器的設(shè)計(jì)可以減少溶液中其他離子的干擾。儀器以MSC51單片機(jī)系統(tǒng)，可以完成儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)，溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋２捎萌藱C(jī)對(duì)話可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，存儲(chǔ)，顯示等功能。在實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)中，能斯特方程相應(yīng)的實(shí)際曲線往往偏離理想曲線，所以中有知道實(shí)際的曲線才能用測(cè)量系統(tǒng)中的電極。故采用兩點(diǎn)標(biāo)定法，計(jì)算出實(shí)際的斜率和溫度，才能正確測(cè)量。關(guān)鍵詞：三電極檢測(cè)，高阻，溫度補(bǔ)償 - 48 -AbstractOn the basis of electrochemical principal and Instrument circuit system to MCS51 microcontroller core, this system can measure activity in solution .The paper details the design of the PH instrument. Including measuring principle, the calibration way, the design of temperature transducer, measuring circuit software.The ph tester is equipped with threeelectrode measurement system. The concentration of hydrogen was determined by the appropriate reference electrode and indicator electrode measurement .the system can greatly reduce the impact of outside interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. The MCS51 microcontroller core can automatically adjust the scope, automatic temperature compensation etc. the use of man-machine dialogue can enable automatic measurement, storage, display data functions. In the actual measurement system, the Nernst equation corresponding to the actual curve often deviate the ideal curve, with the use of two-point calibration method, we can actually calculate the actual slope and temperature.Key words: threeelectrode measurement system, high resistence，the temperature compensation. 目 錄摘 要IAbstract目錄III第一章 引言11.1課題背景11.2 PH測(cè)量系統(tǒng)研究的必要性11.3 PH測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展概況 21.4 PH測(cè)量系統(tǒng)的主要原理3第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)4 2.1 測(cè)量原理4 2.2 三電極測(cè)量系統(tǒng)5 2.3 PH測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法5 2.3.1指示電極62.3.2參比電極72.4溫度對(duì)測(cè)量的影響82.5本章總結(jié)9第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103.1 89C52介紹103.2 溫度采集電路133.3 PH信號(hào)采集電路163.4 A/D，D/A轉(zhuǎn)換器173.5 信號(hào)輸出電路203.6鍵盤顯示設(shè)計(jì)213.7電源電路設(shè)計(jì)223.8總線擴(kuò)展233.9本章總結(jié)27第四章 基于MAX232通訊模塊284.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案284.2串口通信基礎(chǔ)理論284.3 兩種接口方式294.3.1 串行接口方式294.3.2 并行接口方式294.4 51系列單片機(jī)串行口控制寄存器SCON294.5 RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)304.6 單電源轉(zhuǎn)化芯片MAX232314.7 MAX232外圍連接電路314.8 通信程序設(shè)計(jì)324.9總結(jié)33第五章 PH測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)345.1 測(cè)量系統(tǒng)主要內(nèi)容345.2 測(cè)量系統(tǒng)主程序345.3 子程序的標(biāo)定365.4 測(cè)量子程序375.5 本章小結(jié)37第六章 誤差分析及功能測(cè)試386.1誤差分析386.2數(shù)據(jù)分析40結(jié)論41致 謝42參考文獻(xiàn)43附錄45 第一章 引言第一章 引 言1.1課題背景PH值測(cè)量系統(tǒng)，用到電位分析法測(cè)量溶液中的氫離子濃度。測(cè)量三電極測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成的電池（原電池）的電動(dòng)勢(shì)，可得被測(cè)溶液離子濃度。電位分析法是用電極電位和濃度的關(guān)系來測(cè)定物質(zhì)濃度的一種電化學(xué)分析方法。因此可以借助于直流電位測(cè)量?jī)x器由一指示電極與另一支參比電極在溶液中組成測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)，然后測(cè)量計(jì)算出溶液中離子含量。電位分析法中的指示電極是能將非電量溶液的離子活度轉(zhuǎn)化為點(diǎn)位的變化的電化學(xué)敏感器。在電位分析法中最常見的指示電極為PH電極和各種離子型選擇電極。對(duì)溶液中參與半反應(yīng)的離子的活度或不同氧化態(tài)的離子的活度能產(chǎn)生能斯特響應(yīng)的電極,稱為指示電極。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電位法測(cè)量?jī)x器的更加精確，便捷和數(shù)字化。其電子線路由電子管電路進(jìn)入晶體管電路再進(jìn)入了集成電路。各種智能型芯片的應(yīng)用，提高了儀器的智能化和測(cè)量精度，并且也簡(jiǎn)化了儀器的測(cè)量電路。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，出現(xiàn)了許多微機(jī)化電位測(cè)量?jī)x器，它用軟件來完成電位、PH濃度的測(cè)定。對(duì)于那些測(cè)量方便，而計(jì)算很復(fù)雜的方法，如多次添加法有重要的意義。同時(shí)，它能進(jìn)行背景校正，以及溫度自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正等多種功能。這種儀器由于操作簡(jiǎn)便、測(cè)定速度快、靈敏度高、精度好，是電位法測(cè)量?jī)x器的發(fā)展方向。1.2 PH測(cè)量系統(tǒng)研究的必要性酸堿度是表征氫離子活動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)溶液性質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)速率和微生物的新陳代謝都有影響。尤其在污水處理過程中，如果該值不符合要求，將帶來巨大的環(huán)境污染。在測(cè)量過程中，影響其測(cè)量精度的因素很多，包括老化，電極測(cè)試水溫的變化，測(cè)量?jī)x器電路穩(wěn)定本身會(huì)給測(cè)量結(jié)果的誤差。通常測(cè)量液體的溫度測(cè)量，溫度補(bǔ)償和電極的標(biāo)定是測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)的高精度測(cè)量的關(guān)鍵問題的設(shè)計(jì)。目前，PH值的參數(shù)測(cè)量方法有很多種，最常用的化學(xué)分析法、試紙分析法和電位分析法。但化學(xué)分析方法和試驗(yàn)分析都不可以做在線自動(dòng)測(cè)量。目前，雖然有許多文獻(xiàn)探討電位分析法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。但如何設(shè)計(jì)精確測(cè)量，溫度補(bǔ)償精度，可靠性高，功耗低，成本低，功能齊全的檢測(cè)儀器還需要進(jìn)一步研究的問題。目前工業(yè)PH值測(cè)試儀已廣泛應(yīng)用于石油，化工，鋼鐵，電力，食品，釀造，醫(yī)藥，紡織，皮革，造紙，印染，水處理，鍋爐系統(tǒng)在各個(gè)工業(yè)部門。但是，越來越顯示出工業(yè)機(jī)將成為工業(yè)部門的檢測(cè)和控制是必不可少的有效工具。例如，在印染行業(yè)，酸堿值的精確度的染料在高吸收率是衡量印染工藝是一個(gè)重要的因素，既節(jié)約原材料，減少?zèng)_洗槽數(shù)，對(duì)于以后的污水處理來說，都十分有益。1.3 PH測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展概況世界上第一臺(tái)商品PH計(jì)由Arnold Beckman于1936年研制生產(chǎn)的。工業(yè)PH計(jì)發(fā)展過程，以日本為例。1951年日本電氣式化學(xué)計(jì)研究所(DKK 前身)研制生產(chǎn)的日本生產(chǎn)的第一臺(tái)工業(yè)PH計(jì)。1953年日本橫河電機(jī)開始研制生產(chǎn)工業(yè)PH計(jì)。初期的PH 測(cè)定裝置是由傳感器亦稱發(fā)送器(包括玻璃電極、參比電極、溫度補(bǔ)償元件)和阻抗變換、放大、指示的電子單元兩部分組成。在70年代工業(yè)PH計(jì)取得了突破性的進(jìn)展。1971年日本橫河電機(jī)利用FET和IC組成的高輸入阻抗變換器體積小的特點(diǎn)首次推出8511型。該儀器首次把2線式傳輸方式用于工業(yè)PH計(jì)系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化了本質(zhì)安全防爆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1975年，日立生產(chǎn)的K-7型工業(yè)PH計(jì)中,首次將玻璃電極、比較電極和溫度補(bǔ)償電極一體化，構(gòu)成復(fù)合電極，這種復(fù)合電極的出現(xiàn)，無疑為PH傳感器的小型化作出了貢獻(xiàn)。在8511型PH 變送器的基礎(chǔ)上,推出PH6F型PH變送器。1979年，橫河電機(jī)H8F型PH變送器。并由PH 8 F型變送器與PH傳感器及其輔助設(shè)備構(gòu)成了PH 系列。80年代是工業(yè)PH計(jì)微機(jī)化、智能化的年代。1984年日本電氣化學(xué)計(jì)生產(chǎn)了HBM51型帶微機(jī)的工業(yè)PH計(jì)。該儀器能夠進(jìn)行PH自動(dòng)校正和電極的自動(dòng)清洗。儀器采用液晶7段數(shù)字顯示，具有校正時(shí)電極電位穩(wěn)定性判斷功能；檢量線運(yùn)算功能，用液晶顯示校正異常和電極劣化功能；上下限調(diào)節(jié)功能，任意設(shè)定量程功能；輸出同步功能及PH標(biāo)準(zhǔn)液在各溫度下PH值的存儲(chǔ)功能等。1987年9月，日本橫河電機(jī)推出具有自診斷功能的TM20BG型工業(yè)PH計(jì)。該儀器為一體化結(jié)構(gòu)，具有高可靠性、多功能、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。1989年月本橫河電機(jī)又推出EXAPH PH 200 G型智能式工業(yè)PH計(jì)，儀器配有微處理機(jī)，據(jù)稱該EXA型PH計(jì)是世界上第一臺(tái)智能2線式工業(yè)PH計(jì)。90年代是工業(yè)PH計(jì)微機(jī)化、智能化普及的年代。主要功能及要求為：可靠性高、易維護(hù)、成本低、操作方便、小型、防爆且能在條件惡劣的場(chǎng)所使用。要求儀器具有傳感器自診斷、標(biāo)準(zhǔn)液自動(dòng)校正，電極自動(dòng)清洗，以及具有人機(jī)對(duì)話和通訊功能。產(chǎn)品系列化，為滿足不同用戶的要求，儀器應(yīng)具有多種電極清洗方式，可供用戶選用。2線式傳輸，具有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)用。可以一種機(jī)器多種用途，儀器不僅可檢測(cè)PH值，也可對(duì)ORP(氧化還原電位)、電導(dǎo)率、離子濃度、溫度等一項(xiàng)或幾項(xiàng)聯(lián)合檢測(cè)。隨著科技進(jìn)步和創(chuàng)新PH測(cè)量系統(tǒng)正邁向智能化，人性化的方向發(fā)展。精確度越來越高。我們期待著它的發(fā)展。1.4 PH測(cè)量系統(tǒng)的主要原理用MSC-51單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理，和一些外圍芯片，包括一個(gè)完整的自我檢測(cè)，智能儀器的校準(zhǔn)。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，因此它可以應(yīng)用到傳統(tǒng)的測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)的電極電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)整電路放大信號(hào)，調(diào)整。處理電路的多級(jí)放大器電路。設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器CA3140，具有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)勢(shì)。輸入電路的研究提供了非常高的阻抗。具有很快的響應(yīng)速度。它也有自己的補(bǔ)償能力穩(wěn)定放大增益；輸出部分包含它們自己的保護(hù)電路保護(hù)負(fù)載短路造成的損害?？梢酝瓿勺杩蛊ヅ?，減少噪音，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，非常適合電路設(shè)計(jì)。溫度傳感器將熱體內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。對(duì)溫度信號(hào)的處理要求精度比較高。因此采用高精度運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行放大處理經(jīng)處理后的兩路信號(hào)與參比電極兩路信號(hào)同時(shí)進(jìn)入電子開關(guān)供CPU選擇。圖1-1 總體電路 參比電極高阻差分放大電路89c52單片機(jī)系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換DA轉(zhuǎn)換數(shù)字控制開轉(zhuǎn)換接地電極顯示器鍵 盤串行通信溫度放大電 路指示電極溫度傳感器第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)第二章 測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)2.1 測(cè)量原理玻璃電極和參考電極是PH 計(jì)的重要組成部分，溶液的PH 值是由它們與待測(cè)溶液組成的原電池的電動(dòng)勢(shì)決定的。玻璃電極是由特殊玻璃膜制成的，其厚度可以小于0.1mm,Ag-AgCl 為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極，之間是PH 值一定的參比溶液，當(dāng)玻璃電極放入待測(cè)溶液時(shí)，玻璃膜處于H+ 濃度一定內(nèi)參比溶液和待測(cè)溶液之間，形成很薄的水化層，二者之間形成新的H+平衡，產(chǎn)生了膜電位E（玻璃電極）和E（參比電極），則復(fù)合電極的E= E- E， 恒定不變,E與溶液H+濃度 E=RTFlna=2.303RTFlga, (2-1)令2.303RT/F=K，因?yàn)镻H=lg得 E=-KPH, (2-2)由上可看出，電極E 與PH 成線性關(guān)系，其中斜率k 是溫度t 的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)資料得出其擬和直線為： K=54.20+0.1984t, (2-3)上式t 是溫度傳感器所測(cè)溶液的溫度，當(dāng)溶液PH=7時(shí)，兩電極之間電勢(shì)差為0，為了使電勢(shì)的高低與PH 值一致,代入得： E- E=-K (PH-7), (2-4)標(biāo)定方法很多，標(biāo)定是用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液去校準(zhǔn)儀器。算出測(cè)量方程中的未知數(shù)，然后才能在測(cè)量過程中根據(jù)測(cè)量值和參數(shù)值算出被測(cè)試樣濃度值。對(duì)于實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)來說，能斯特方程響應(yīng)的實(shí)際曲線又往往偏離理想曲線，即實(shí)際響應(yīng)的曲線的斜率不等于理想曲線的斜率，所以只有知道實(shí)際的斜率，測(cè)量系統(tǒng)中的電極才能使用。標(biāo)定不僅在運(yùn)行初期進(jìn)行，在運(yùn)行過程中，由于化學(xué)反應(yīng)的一些不確定因素發(fā)生的變化引起的測(cè)量值的漂移，一般必須由標(biāo)定來消除。對(duì)此，我們采用兩點(diǎn)標(biāo)定法來標(biāo)定，取兩種溶液。 因?yàn)?，在我?guó)標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中，沒有PH=7.000。我們采用定標(biāo)的中性溶液為PH=6.684，PH=4.003，PH=9.182?？傻茫?, (2-5) , (2-6)進(jìn)一步得：, (2-7)為玻璃電極再PH=6.864標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。2.2 三電極測(cè)量系統(tǒng)電位測(cè)量溶液的玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極，雙電極封裝在一起，形成一個(gè)復(fù)合玻璃電極。將傳感器插入被測(cè)溶液中，復(fù)合玻璃電極與被測(cè)溶液組成的原電池，組合式玻璃電極輸出引線分別用于原電池的正電極和負(fù)電極。儀器測(cè)量電路，必須有一個(gè)高電阻的電路。這是由于固體電極的內(nèi)阻較高，和溶液接地電路。發(fā)射器輸入電平由兩根相同的高輸入阻抗放大器。使用一個(gè)放大器測(cè)量參照電極和解決地電位電極之間；另一個(gè)放大器測(cè)量指示電極和地電極之間的電勢(shì)。兩個(gè)電勢(shì)的代數(shù)和就是與待測(cè)溶液的PH相關(guān)的電勢(shì)差（等于指示電極和參比電極之間的電動(dòng)勢(shì)），放大器用來測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差。2.3 PH測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法本測(cè)量系統(tǒng)采用電位法進(jìn)行測(cè)量。分析電極稱為原電池。原電池是一個(gè)系統(tǒng)，它的作用是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池的電壓被稱為電動(dòng)勢(shì)（電磁場(chǎng)）。此電動(dòng)勢(shì)（EMF）由二個(gè)半電池構(gòu)成，其中一個(gè)半電池稱作測(cè)量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)；另一個(gè)半電池為參比半電池，通常稱為參考電極，它通常是測(cè)量溶液相通，并與測(cè)量?jī)x器相連。例如，一個(gè)電極是由一個(gè)插在含銀離子的鹽溶液銀線，在導(dǎo)線和溶液的界面處，由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度，形成離子的充電過程，形成離子充電過程，并形成一定的電位差。銀離子在溶液中沒有電子。當(dāng)沒有外部電流反向充電，這個(gè)過程將最終達(dá)到一個(gè)平衡。在平衡狀態(tài)下存在的電壓稱為半電池電位或電極電位。這（如上所述）由金屬和金屬離子的溶液組成的電極稱為第一類電極。此電位的測(cè)量是相對(duì)一個(gè)電位與鹽溶液的成分無關(guān)的參比電極進(jìn)行的。這是獨(dú)立測(cè)量的參考電極也被稱為二電極。這種電極，金屬線覆蓋著一層金屬的微溶鹽，并插入含有這種金屬鹽離子的電解質(zhì)溶液。半電池電位或電極電位取決于活動(dòng)這一陰離子。2.3.1指示電極指示電極是組成電位分析儀的基本部件，大部分指示電極是離子選擇性電極。它具有將溶液中某特定離子的活度轉(zhuǎn)變成一定電位的功能。不同離子選擇性電極都有一個(gè)所謂離子選擇性膜的敏感元件。離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及其制備技術(shù)，常用的離子選擇性電極有晶體膜電極、液膜電極和玻璃膜電極等。理想的離子選擇性電極的電位與離子活度的關(guān)系應(yīng)符合能斯特方程 , (2-8)a為溶液中此離子的活度值；S為電機(jī)的斜率項(xiàng)，是溫度的函數(shù)；E0為電極等電勢(shì)點(diǎn)的電位值。電極的響應(yīng)斜率只在一定的活度范圍，保持其基本不變，當(dāng)活度小于一定值時(shí)，斜率明顯的變小。大多數(shù)指示電極是離子選擇性電極，離子選擇性電極是可以將溶液中某種特定離子的濃度轉(zhuǎn)變成電位功能的電極。各種離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)雖然各有其特點(diǎn)，但都有一個(gè)被稱為離子選擇性膜的敏感元件，離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及制備技術(shù)。離子選擇性電極的敏感膜都有滲透性，也就是說被測(cè)溶液中的特定離子可以進(jìn)入膜內(nèi)，并在膜內(nèi)移動(dòng)，從而可以傳遞電荷，在溶液和膜之間形成一定的點(diǎn)位。膜的滲透性是具有的選擇性使非特定離子不能再其中進(jìn)行滲透，這就是離子選擇性電極對(duì)離子具有選擇性響應(yīng)的基本原因。321A2A1 A1圖2-1 敏感膜電位的示意圖1-參比電極；2-指示電極；測(cè)量離子選擇性敏感膜電位的示意圖，圖中的1與2是完全相同的參比電極；膜兩側(cè)的溶液中含有該膜能響應(yīng)的離子，且離子濃度分別為A1、A2；膜兩側(cè)的表面與相接觸的溶液之間存在著電位差，分別為E1、E2.，通常稱之為敏感膜相界面電位。在一定測(cè)量范圍內(nèi)，相界面電位與離子濃度關(guān)系符合能斯特方程： , (2-9)式中，敏感膜兩邊溶液的離子濃度；離子濃度=1,溫度為t時(shí)的電位值（溫度不同，不同）。所謂離子選擇性敏感膜的膜電位是指膜的兩側(cè)相界面電位之代數(shù)和，即膜電位E可表示為 , (2-10)最常用的指示電極便是玻璃電極。2.3.2參比電極氯化銀電極具有良好的重復(fù)性，穩(wěn)定性。因?yàn)樗枪腆w電極，使用方便，應(yīng)用很廣泛。甚至有取代甘汞電極的趨勢(shì)，這是因?yàn)楣怯卸镜模送?，甘汞電極溫度變化所造成的電極電位的變化滯后現(xiàn)象是較大的，而氯化銀電極的具有高溫穩(wěn)定性。1615234231-引線；2-KCL溶液；3-AgCl溶液；4-磨口接口；5-陶瓷芯；6-外鹽橋液圖2-2 參比電極結(jié)構(gòu)圖其中AgCl是Ag的固體難溶鹽，溶液提供-（也可用來提供）。電極反應(yīng)為：-電極電位為：Ag沉淀容易堵塞參比電極管的多孔性封口，通常不采用飽和溶液作為Ag/電極的電解液。而是采用3.5 M 溶液作為電解液。此外，為了防止因研究體系溶液對(duì)Ag/電極稀釋而造成的沉淀析出，可以在電極和研究體系溶液間放一個(gè)盛有溶液的鹽橋。在使用參比電極時(shí)，為了防止溶液間的相互作用和玷污，常使用同種離子溶液的參比電極。在HSO溶液體系中采用硫酸亞汞電極，在堿性體系中用氧化汞電極，而在中性氯化物溶液中則采用氯化銀電極等。2.4溫度對(duì)測(cè)量的影響在代入R、F的值，并把換成2.303，則可變?yōu)槿缦滦问?, (2-11)對(duì)溫度T求導(dǎo)數(shù) , (2-12)可理解為溫度變化一個(gè)單位時(shí)測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)的變化值，即測(cè)量電池的溫度系數(shù)，式表明它由三部分組成。是電極的標(biāo)準(zhǔn)電位溫度系數(shù)項(xiàng)，它是表示電極特性的項(xiàng)，它與電極的膜材料、內(nèi)充夜、內(nèi)外參比電極等的溫度特性有關(guān)。是能斯特方程系數(shù)斜率項(xiàng)。當(dāng)n=1,溫度變化1，則斜率變.1984mV；n=2，則變化為0.0992mV。故PH測(cè)試儀都裝有溫度補(bǔ)償器，在電路上采取措施，以補(bǔ)償其對(duì)測(cè)量的影響。為溶液溫度系數(shù)項(xiàng)，它受溶液中離子濃度的影響，而離子濃度又取決于它的濃度系數(shù)和離子強(qiáng)度。對(duì)弱電解質(zhì)和溶液形成絡(luò)合物的電解質(zhì)溶液，還受它們的平衡常數(shù)的影響?？梢娺@項(xiàng)是很復(fù)雜的，一般的離子計(jì)不能對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。所以在電位法測(cè)量中，在表明標(biāo)準(zhǔn)也和被測(cè)濃度的同時(shí)也應(yīng)標(biāo)明其溫度。因此一般的離子計(jì)只能對(duì)能斯特方程中的溫度系數(shù)斜率項(xiàng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，只能消除溫度對(duì)測(cè)量的部分影響，因此若嚴(yán)格要求，測(cè)量應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行。2.5本章總結(jié)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)，能斯特方程是順應(yīng)實(shí)際曲線往往偏離理想曲線，即實(shí)際響應(yīng)曲線的斜率是不等于理想曲線的斜率，所以只知道實(shí)際的斜率，電極可用于測(cè)量系統(tǒng)。一般離子計(jì)不能對(duì)能斯特方程溫度系數(shù)斜率溫度補(bǔ)償，只可以消除溫度對(duì)測(cè)量的局部影響，所以如果嚴(yán)格要求，測(cè)量應(yīng)進(jìn)行恒溫條件下。第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)第三章 PH測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用MSC-51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴(kuò)展一些外圍芯片，組成一個(gè)可以完成自我檢測(cè)，標(biāo)定的智能儀器。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，所以可以應(yīng)用于傳統(tǒng)測(cè)量。3.1 89C52介紹主要性能參數(shù)：1、與MSC-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容；2、8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器；3、1000次擦寫周期；4、全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz;5、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；6、2568字節(jié)內(nèi)部RAM;7、32個(gè)可編程I/O口線；8、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；9、8個(gè)中斷源；10、可編程串行UART；11、低功耗空閑和掉電模式。功能特性介紹：AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。圖3-1 8952引腳圖P0口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0 寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時(shí)，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE 脈沖。對(duì)Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無效。PSEN程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。EA/VP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。X1振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。X2振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 溫度采集電路本文設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器，它是美國(guó)DALLAS公司推出的一線總線溫度傳感器。具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。DS18B20溫度傳感器特性（1）.只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。（2）.在DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)。（3）.實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。（4）.測(cè)量溫度范圍在55度到125度之間。（5）.數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。（6）.內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。、圖3-2 DS18B20引腳GND:地信號(hào)。DQ: 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。VDD: 可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。使用方法：由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89S51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。其原理圖3-3：圖3-3 關(guān)于DS18B20與單片機(jī)連接的原理介紹方案論證如下：在測(cè)量PH時(shí)，要有溫度補(bǔ)償和標(biāo)定，所以要求對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)該先考慮用熱電阻傳感器。按照熱敏電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻和金屬熱電阻兩大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。在測(cè)量PH時(shí)，要有溫度補(bǔ)償和標(biāo)定，所以要求對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)該先考慮用熱電阻傳感器。按照熱敏電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻和金屬熱電阻兩大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。方法1：采用熱敏電阻，這種電阻是利用對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成，其阻值隨溫度變化有明顯的變化。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器通常是由錳、鈷的氧化物燒制成半導(dǎo)體陶瓷制成。其特點(diǎn)是，在工作溫度范圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的升高而降低?？蓾M足40-90測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，不適用于檢測(cè)小于1的信號(hào)；而且線性度很差，不能直接用于A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對(duì)其進(jìn)行線性化補(bǔ)償。方法2：采用溫度傳感器鉑電阻Pt100。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線性較好。在0-100時(shí)，最大非線性偏差小于0.5。鉑電阻與溫度的關(guān)系是=R0(1+At+Bt*t)其中是溫度為t時(shí)鉑熱電阻的電阻值；R0是溫度為0時(shí)鉑熱電阻的電阻值；t為任意溫度值，A、B為溫度系數(shù)。但其成本太貴，不適合做普通設(shè)計(jì)。若用其電路可設(shè)計(jì)如下：圖3-4 鉑電阻溫度傳感器相比之下，用DS18B20溫度傳感器方便簡(jiǎn)潔。3.3 PH信號(hào)采集電路PH電極由玻璃電極和參考電極組成。玻璃電極厚度可以小于0.1mm，Ag-AgC1為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極，其是由特殊玻璃膜制成的。PH電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號(hào)為電壓。在一定的溫度下只要知道了電壓值，即可求出溶液的PH值。由于復(fù)合PH電極內(nèi)阻很高。大約l012。要求前置放大器有較高的輸入阻抗。設(shè)計(jì)中選用了運(yùn)放CA3140，它具有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)點(diǎn)。輸入電路PMOS提供非常高的阻抗。響應(yīng)速度非常快。穩(wěn)定的放大增益得益于它具有自身補(bǔ)償能力；輸出部分的自身保護(hù)電路可以來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害?？赏瓿勺杩蛊ヅ?、降低測(cè)量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等，非常適合此電路設(shè)計(jì)。本文采用3個(gè)CA3140來構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。圖3-5 輸入電路圖在圖中，U1和U2構(gòu)成輸入級(jí)，而U3構(gòu)成輸出級(jí)，依據(jù)輸入電壓約束條件，在R3上的電壓為玻璃電極V1和參比電極V2電壓之差，即V1-V2，依據(jù)輸入電流約束條件，流過R1與R3是同一電流。由歐姆定律得：V-V=1+2RR(V-V)輸入級(jí)也稱為差分輸入，U3為差分放大器，因此有：Vo=RR(V-V)兩式結(jié)合起來得：Vo=A(V-V)A=1+2RRRR總增益A是第一級(jí)A1和第二級(jí)A2的乘積，輸入電路的增益取決于外部電阻的比值，所以采用合適的電阻。作為前值運(yùn)算放大器，應(yīng)有以下幾個(gè)要求：1.高的輸入阻抗，放大器的輸入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的絕緣阻抗等； 2. 放大器的輸入電流要??； 3.小的溫度漂移系數(shù)。所以儀器使用的美國(guó)無線電公司研制開發(fā)的CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器,該運(yùn)算放大器功能保護(hù)MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。3.4 A/D，D/A轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器很多，一般逐次比較型較多。ADC0804就是這類轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100us。圖3-6 ADC0804引腳DB7-DB0：具有三態(tài)數(shù)字信號(hào)輸出口。AGND:模擬低信號(hào)。DGND:數(shù)字信號(hào)地。CLK:時(shí)鐘信號(hào)輸入端。CLKR:內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的外接點(diǎn)阻端。CS:低電平有效，若如此，則可啟動(dòng)工作。WR:寫信號(hào)輸入。RD:讀信號(hào)輸入。INTR:工作結(jié)束標(biāo)志，低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 VIN(+)端的電壓即為ADC0804的模擬輸入電壓，最好再接上個(gè)電阻，防止因電流過大而燒壞芯片。圖3-7 DAC0832引腳DAC0832內(nèi)部的8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，是由LE1端加以控制的，輸入數(shù)字量得到緩沖和所存的場(chǎng)所，；8位DAC寄存器是由LE2端控制，用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的地方。8位D/A轉(zhuǎn)換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受8位DAC寄存器輸出的數(shù)字來能夠控制，T型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，DAC0832通常需要外接運(yùn)算放大器，進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，才能得到模擬輸出電壓。DI0-DI7：8位數(shù)字信號(hào)輸入端，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，用于接受單片機(jī)送來的待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，DI7為最高位；CS：片選段，當(dāng)CS為低電平時(shí)，本芯片被選中；ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效；WR1：第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。當(dāng)CS=0、ILE=1、WR1=0時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)被鎖存到第一級(jí)8位輸入寄存器；Xfer：數(shù)據(jù)傳輸控制，低電平有效；WR2：DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效。當(dāng) =0；WR2=0時(shí)；輸入寄存器狀態(tài)傳入8位DAC寄存器中；Iout1：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出1端，輸入數(shù)字量全為1時(shí)，Iout1輸出最大，輸入數(shù)字量全為0時(shí)，Iout1輸出最?。籌out2：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出2端，Iout2+Iout1=常數(shù)；Rfb：外部反饋信號(hào)輸入端，內(nèi)部已有反饋電阻 ，根據(jù)需要也可外接反饋電阻；Vcc：電源輸入端，可在+5V-+15V范圍內(nèi)；DGND：數(shù)字信號(hào)地；AGND:模擬信號(hào)地，最好與基準(zhǔn)電壓共地。3.5 信號(hào)輸出電路單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC0832送入輸出電路。輸出電路轉(zhuǎn)換可輸出0-10mA或4-20mA的電流信號(hào)和0-5mV或0-10mV的電壓信號(hào)。電流信號(hào)和電壓信號(hào)的輸出范圍可通過儀器內(nèi)部的切換開關(guān)進(jìn)行切換。DAC0832用作程控放大器,需要放大的電壓Vi和反饋輸入端相接。運(yùn)算放大器輸出Vo還作為DAC0832的基準(zhǔn)電壓 ,數(shù)字量由CPU送來。DAC0832內(nèi)部Io一邊和T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連，另一邊又通過反饋電阻和Vi相通，得到DAC的輸出和輸入之間的關(guān)系：當(dāng)R=R，則有：注意：256B為其放大倍數(shù)，B不能為0，否則電路失去作用。信號(hào)經(jīng)單片機(jī)后，需將信號(hào)再次模數(shù)轉(zhuǎn)換，才能顯示。圖3-8 輸出電路3.6鍵盤顯示設(shè)計(jì)鍵盤選擇7個(gè)按鍵的輸入模式，包括電源、復(fù)位、菜單、回車、清除、上翻、下翻。 電源鍵按下為整個(gè)電路通電，所有模塊、器件初始化，時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)。 復(fù)位鍵是強(qiáng)制單片機(jī)結(jié)束工作任務(wù)進(jìn)行初始化。復(fù)位鍵通過+5V電源與開關(guān)接入單片機(jī)的RESET管腳，到開關(guān)按下則RESET管腳輸入高電平，使單片機(jī)復(fù)位。 菜單鍵功能是提供儀器各種服務(wù)項(xiàng)目的清單，接入單片機(jī)P11管腳。 回車鍵即為輸入、確認(rèn)鍵，接入單片機(jī)P10管腳。下翻、上翻即為翻頁鍵，分別接入單片機(jī)P12、P13管腳。由單片機(jī)鍵盤子程序控制鍵盤的按鍵操作。 顯示元件采用BJ19264D-1液晶顯示，BJ19264D-1中文字庫型液晶顯示模塊可以顯示字母、數(shù)字、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。可顯示192（列）64（行）點(diǎn)陣?？赏瓿蓤D形顯示，也可顯示124個(gè)（1616點(diǎn)陣）中文漢字。該元件可提供三種控制接口： 8位微處理器接口、4位微處理器接口、串行接口。模塊內(nèi)置2M-位元中文字型ROM (CGROM)，總共提供8192個(gè)中文字型(1616點(diǎn)陣)，16K-位元半寬字型ROM (HCGROM)，總共提供126個(gè)符號(hào)字型(168點(diǎn)陣)，6416位顯示RAM(DDRAM)，另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64256點(diǎn)的繪圖區(qū)域，可以和文字畫面混和顯示。這里選擇串行接口。圖3-9 鍵盤顯示電路3.7電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所用的供電為+5V,12V。三端固定集成穩(wěn)壓模塊有三個(gè)端子：輸入端，輸出端和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載，公共端接輸入輸出的公共連接點(diǎn)。其內(nèi)部有采樣、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整和保護(hù)等電路組成。保護(hù)電路就有過流，過熱及短路保護(hù)功能。圖3-10 電源電路圖中，第一排電容是濾波電容;第二排電容用來改善輸入電壓波紋的；第三排是消除模塊輸出高頻噪聲，增強(qiáng)電壓穩(wěn)定的電容。設(shè)計(jì)步驟如下：首先，確定模塊的輸入電壓。7805輸入電壓為7到30V，7905的輸入電壓為-7到-30V。均按輸入電壓12V設(shè)計(jì)。其次，確定變壓器。交流輸入電壓經(jīng)過降壓、全波整流和濾波后，兩模塊分別承受12V電壓，則有0.9U2=12V。即U2=26.6。于是匝數(shù)比=8:1。最后，選擇整流二極管。整流二極管可承受最高反向電壓為39V。所以，可選擇反向擊穿電壓為78V以上的整流二極管。3.8總線擴(kuò)展總線擴(kuò)展電路包括：EPROM28C64、EPROM27256、譯碼器GAL16V8、地址鎖存器74LS373、單行總線驅(qū)動(dòng)器74LS244。圖3-11 總線擴(kuò)展電路本設(shè)計(jì)使用的復(fù)位電路為按鍵電平復(fù)位電路，它是通過RST段經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用6MHz時(shí)，C取22uF，RS取200 ，RK取1K 。由于該最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的數(shù)字量的測(cè)控單元，這樣不能滿足本設(shè)計(jì)的要求，所以要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,共有54/74S373和54/74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)型式。373為三態(tài)輸出的8 D透明鎖存器, 373的輸出端O0-O7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0-O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0-O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。圖3-12 74LS373引腳373引出端符號(hào)： D0D7-數(shù)據(jù)輸入端 OE-三態(tài)允許控制端（低電平有效） LE-鎖存允許端 O0-O7-輸出端地址鎖存器74LS373能夠進(jìn)行三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出；置數(shù)全并行存??；緩沖控制輸入；使能輸入有改善抗擾度的滯后作用。它的八個(gè)透明D型鎖存器，當(dāng)使能（G為）高時(shí)，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將所存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這樣電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器。圖3-13 28C24引腳28C64主要用來存儲(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)、斜率、歷史曲線。是可以電改寫的只讀存儲(chǔ)器，工作時(shí)可以改寫其中的數(shù)據(jù)，掉電以后EEPROM中數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。程序存儲(chǔ)器27256主要存儲(chǔ)漢字庫。它是32K*8字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為100mA，維持電流為40mA，讀出時(shí)間最大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：A0-A15為16根地址線，可尋址32K字節(jié)；O0-O7為數(shù)據(jù)輸出線；CE為片選線；OE/VPP為數(shù)據(jù)輸出選通線/編程電源。圖3-14 74LS244引腳圖總線驅(qū)動(dòng)器74LS244能夠驅(qū)動(dòng)總線并控制芯片。74LS244由2組、每組四路輸入、輸出構(gòu)成。每組有一個(gè)控制端G，由控制端的高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開。表3-1 74LS244真值L=低邏輯電平；H=高邏輯電平；X=低或高邏輯電平；Z=高阻抗GAL16V8以最大3.5ns的傳輸延遲時(shí)間，結(jié)合高性能的CMOS工藝與電可擦懸浮柵工藝可為PLD市場(chǎng)提供最高速度的性能。高速擦寫時(shí)間（100ns）允許快速和有效的重復(fù)編程。依靠輸出邏輯宏單元（OLMC）允許用戶來構(gòu)建，這種通用的結(jié)構(gòu)提供了最大的設(shè)計(jì)靈活性。作為GAL16V8的許多可能結(jié)構(gòu)形式中最重要的一個(gè)子集，PAL結(jié)構(gòu)被列在宏單元描述部分的表里面。GAL16V8借助于全部功能/ 熔絲圖/參數(shù)的兼容性能夠仿真任何一種PAL結(jié)構(gòu)。圖3-15 GAL16V8引腳圖譯碼器GAL16V8是可編程邏輯控制器，其對(duì)電路基本控制如圖。這便簡(jiǎn)化電路，適應(yīng)了單片機(jī)較高總線速度的要求。譯碼電路放棄了傳統(tǒng)的門電路組合的方法，采用了可多次編程的通用陣列邏輯器件。這樣可以減少元器件數(shù)量、降低線路復(fù)雜程度，同時(shí)降低故障機(jī)率及提高硬件設(shè)計(jì)的靈活性。3.9本章總結(jié)采用MSC-51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴(kuò)展一些外圍芯片，組成一個(gè)可以完成自我檢測(cè)，標(biāo)定的智能儀器。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，所以可以應(yīng)用于傳統(tǒng)測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)PH電極轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)整電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，調(diào)整。處理電路采用多級(jí)放大電路。設(shè)計(jì)中選用了運(yùn)放CA3140，它兼有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)點(diǎn)。輸入電路PMOS提供非常高的阻抗。并且具有非常快的響應(yīng)速度。還具有自身補(bǔ)償能力來達(dá)到穩(wěn)定的放大增益；輸出部分含有自身保護(hù)電路來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害。可完成阻抗匹配、降低測(cè)量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等，非常適合此電路設(shè)計(jì)。本文采用3個(gè)CA3140來構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。第四章 基于MAX232通訊模塊第四章 基于MAX232通訊模塊現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)突出特點(diǎn)，是工業(yè)控制系統(tǒng)中的所有設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個(gè)核心軟件管理工作，形成一個(gè)有機(jī)的整體。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模式在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)有一個(gè)傳統(tǒng)的獨(dú)立控制系統(tǒng)無法比擬的先進(jìn)，不僅可以大大提高生產(chǎn)效率的工業(yè)設(shè)備，還可大大提高安全性和可靠性。單片機(jī)誕生以來，其性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，在智能儀器儀表，工業(yè)設(shè)備和家用消費(fèi)類電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)的輸入/輸出控制，除了直接連接小鍵盤和液晶顯示等方法，一般通過串口與電腦通信。這不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且可以使用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和友好的操作界面。在一般的利用PC機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制的場(chǎng)合，都是采用Windows作為上位機(jī)的平臺(tái)，具有友好的界面，編程和操作更容易。因此研究上位機(jī)與單片機(jī)串口通信具有重要的實(shí)際和工業(yè)意義。4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工收發(fā)器緩沖（SBUF），兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收發(fā)送器，可以接受也可以傳輸數(shù)據(jù)，它們共享相同的地址99H。在串行輸入和輸出引腳加電平轉(zhuǎn)換器，可以方便的設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口。設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)，單片機(jī)從機(jī)通過串行接口，構(gòu)成的主從式系統(tǒng)就可以設(shè)計(jì)基本的串口通信功能。 RS-232電平轉(zhuǎn)換PC機(jī)單片機(jī)圖4-1 通信結(jié)構(gòu)圖4.2串口通信基礎(chǔ)理論一般來說，計(jì)算機(jī)都有一個(gè)或多個(gè)串行端口，它們依次為Com1、Com2、Com3等。該系列串口提供了外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和通信信道。串口通信是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)之間使用3根信號(hào)線來傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，三根信號(hào)分別是數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線及控制線。4.3 兩種接口方式4.3.1 串行接口方式串口是計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，PC機(jī)一般至少有兩個(gè)串行口Com1和Com2。串行端口從不同的并行端口，其數(shù)據(jù)和控制信息是一個(gè)一個(gè)在傳輸線傳輸，這樣串行口較并行口能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送信息。9針D形連接器，有些老式則使用25針D形連接器。由于CPU與接口間按并行方式傳輸，接口和外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此，串行接口，來接收移位寄存器的串行到并行的方式，通過發(fā)送一個(gè)移位寄存器的并行的方式轉(zhuǎn)換成串行模式。完成這種轉(zhuǎn)換功能的電路叫做通用異步收發(fā)機(jī)UART。4.3.2 并行接口方式并行接口是指8位數(shù)據(jù)同時(shí)通過并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)的傳輸率能得到極大的提高。但在并行傳輸中，干擾會(huì)隨線路長(zhǎng)度的增加而增加，產(chǎn)生傳輸錯(cuò)誤。因此，并行傳輸主要應(yīng)用在近距離數(shù)據(jù)傳輸中，如連接打印機(jī)端口。并行接口主要使用36針接頭和25針D形接頭，目前以25針D形接頭為主。4.4 51系列單片機(jī)串行口控制寄存器SCON它是一個(gè)可尋址的專用寄存器，用于串行通信的控制，單元地址是98H，其結(jié)構(gòu)格式如表:表4-1 寄存器結(jié)構(gòu)格式位序號(hào)D7D6D5D4D3D2D1D0位符號(hào)SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0，SM1-工作方式選擇位。串行口有四種工作方式，由SM0，SM1設(shè)定，對(duì)應(yīng)下表：表4-2 四種工作方式SM0SM1方式功能說明000同步移位寄存器方式01110位異步收發(fā)數(shù)據(jù)，波特率可變00211位異步收發(fā)，波特率固定11311位異步收發(fā)，波特率可變SM2-多機(jī)通信控制位。當(dāng)從機(jī)SM21時(shí)，從機(jī)只接收主機(jī)發(fā)出的地址幀(第九位為1),對(duì)數(shù)據(jù)幀(第九位為0)不予理睬；而當(dāng)SM2=0時(shí)，可接收主機(jī)發(fā)送過來的所有信息。多機(jī)通信的過程如下：(1)所有從機(jī)SM2均置1，處于只接收地址幀狀態(tài)。(2)主機(jī)先發(fā)送一個(gè)地址幀，其中前8位數(shù)據(jù)表示地址，第9位為1表示該幀為地址幀。(3)所有從機(jī)接收到地址幀后，進(jìn)行中斷處理，把接收到的地址與自身地址相比較。地址相符時(shí)將SM2清成0，脫離多機(jī)狀態(tài)，地址不相符的從機(jī)不作任何處理，即保持SM21。(4)地址相符的從機(jī)SM2=0，可以接收到主機(jī)隨后發(fā)來的信息，即主機(jī)發(fā)送的所有信息。收到信息TB8=0，則表示是數(shù)據(jù)幀，而對(duì)于地址不符的從機(jī)SM2=1，收到信息TB8=0，則不予理睬，這樣就實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與地址相符的從機(jī)之間的雙機(jī)通信。(5)被尋址的從機(jī)通信結(jié)束后置SM2=1，恢復(fù)多機(jī)通信系統(tǒng)原有的狀態(tài)。4.5 RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)