基于 ATmega16 的pH参数在线测控仪设计

第 35 卷 增刊 ( Ⅱ) 2005 年 11 月 　 东南大学学报 ( 自 然 科 学 版 ) JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition) 　 Vol135 Sup ( Ⅱ) Nov. 2005 　　　　　　 基于 ATmega16 的 pH 参数在线测控仪设计 陈鸣慰1 　周杏鹏1 　刘秀宁2 (1 东南大学自动控制系 , 南京 210096) (2 江苏省环境科学研究院 , 南京 210036) 摘要 : 为了在线连续准确测量水体溶液中的氢离子浓度 (pH 值) ,为各种生产过程提供准确、可靠 的工艺参数 ,设计了新型 pH参数在线测控仪. 分析了化学分析法、试纸分析法和电位分析法测量 pH值的原理和各种测量方法的优缺点 ,以及电位分析法测量 pH 值时环境参数对测量结果的影响 和软硬件补偿方法. 以电位分析法为基础 ,应用新材料技术的成果 ,自制了新型一体化酸度传感器. 并以新型高速单片机 ———ATmega16 为核心 ,设计了具有数据采集与处理、现场控制与远程通信等 功能的测控仪表. 经实际使用表明 ,用电位分析法测量各种水体溶液的 pH 值 ,可以做到在线实时 测量 ,测量结果准确可靠. 以 ATmega16 为核心的测控仪表 ,性能先进、抗干扰能力强 ,可以满足各种 工业现场应用的. 该 pH参数在线测控仪已应用到多个工业企业的日常生产过程中 ,应用前景 广泛. 关键词 : pH计 ;酸度传感器 ;ATmega16 ;在线测控 中图分类号 : TP27415 ;X853 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 1001 - 0505 (2005)增刊 ( Ⅱ)20075204 Design of ATmega16 based on2line measurement and control instrument for pH value Chen Mingwei1 　Zhou Xingpeng1 　Liu Xiuning2 (1Department of Automatic Control Engineering , Southeast University , Nanjing 210096 , China) (2Jiangsu Institute of Environmental Science , Nanjing 210036 , China) Abstract : 　A new type pH value measurement and control instrument is mainly designed for the purpose of getting the concentration of hydrogen2ion (the pH value) in various liquors to supply industrial processes with exact and reliable parameters. In this paper , the pH value measuring principles using chemical , testing2paper and potential methods were proposed , advantages and shortcomings of these methods were compared , and en2 vironmental parameters pivotal to the potential methods with the software and hardware compensation ways were also discussed. Based on the potential methods and new arisen materials , an integrative sensor was made. A new type microchip (ATmega16) is used as the core of the instrument . The locale using shows that the poten2 tial method is exactly used and the measurement results are credible. This on2line pH value measurement and control instrument was used in many industry enterprises , and it will be more and more widely used in the fu2 ture. Key words : 　pH meter ; acidity sensor ; ATmega16 ; on2line measurement and control 　收稿日期 : 2005206225. 　作者简介 : 陈鸣慰 (1980 —) ,男 ,硕士生 ;周杏鹏 (联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,Zhou. xp @seu. edu. cn. 在化工、冶金、纺织、食品、环保等行业的生产过程当中 ,往往需要连续监测与控制溶液中对氧化、还 原、结晶和生化等反应具有很重要影响的氢离子浓度[1 ,2 ] ,亦即需要在线实时监测与控制溶液的 pH值. 基于 ATmega16 的 pH参数在线测控仪以新型高速单片机 ———ATmega16 为测量和控制核心 ,以自行设 计的一体化 pH测量传感器和数字温度传感器 DS18b20 作为信号采集元件 ,可实时在线检测各种溶液的 pH参数. 系统提供数字通信接口、模拟输出接口和完善的人机交互界面 ,可以方便地与其他仪表及控制机 构一起构成工业测控网络. 1 　pH 参数在线测量原理 111 　pH参数在线测量原理 　　测量 pH参数的方法有很多种 ,最常用的有化学分析法、试纸分析法和电位分析法. 化学分析法和试 纸分析法都无法做到在线实时监测 ,因此 ,基于ATmega16 的 pH参数在线测控仪采用电位分析法测量溶液 pH值 ,并参照国内外的已有[3～5 ] ,自行设计了 pH测量传感器. 电位分析法通常由电极和待测溶液一起构成原电池系统 ,将化学反应能量转化为电能. 原电池产生的 电压被称为电动势 ( EMF) ,此电动势由 2 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 ,如水溶液中的 H+ 活度. 另一个半电池为参比电极 ,其电位与溶液成分无关. 参比电极作 为电位测量的 ,一般与待测溶液相通 ,并且与测量仪表相连. 化学反应发生时 ,此 2 种电极之间的电压 遵循能斯特 (Nernst)公式 ,即 　　　　E = E0 + RT nF lna Me (1) 式中 , E0 为电池的标准电动势 ; R 为通用气体常数 (8131439 J / mol ·K) ; T 为热力学绝对温度 ; F 为法拉第 常数 (1 F = 96500 A ·s/ mol) ; n 为电池反应的电荷数 ;a Me 为被测离子的活度. 图 1 　pH测量传感器结构示意图 本系统自行设计研制的 pH 测量传感器 ,其结构如图 1 所示. 传 感器的测量电极使用了直径为 25 mm ,厚度为 30 mm 的圆柱形纯锑 块.参比电极为全封闭的固态电极 ,以高分子聚合物为基体 ,配以特 种填充材料 ,构成导电隔膜. 该参比电极可长期使用 ,无需添加或更 换内电解液 ,具有耐高温、耐腐蚀的特点. 为了保持锑电极表层新鲜 , 使锑电极可以和待测溶液直接接触 ,该传感器在锑电极表面安装了 磨石. 清洗电机驱动磨石 ,以每分钟数转的速度不停地磨洗电极 ,既 保证了锑电极表面的新鲜、平整 ,又清洗了电极表面污垢 ,保证了测量精度. 锑电极是一种氧化还原电极 ,当锑电极与待测溶液接触后 ,表面生成三氧化二锑 (Sb2O3 ) 层 ,这样在金 属锑面与三氧化二锑之间会形成电位差 ,此电位差遵循能斯特公式 : 　　E = E0 + RT nF·lnaH3O + (2) 经实测 ,待测溶液 pH值与自行设计研制的 pH测量传感器的输出电压 Vo 之间有如表 1 所示的关系. 因此 ,根据表 1 即可换算出待测溶液的 pH值. 表 1 　20 ℃时 pH值与传感器输出电压关系 pH值 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Vo/ mV 55 120 170 230 260 350 404 452 550 580 640 112 　pH参数测量的温度补偿方法 由式 (2)可知 ,温度 T 作为变量 ,在能斯特公式中起很大作用 ,即溶液 pH值与传感器输出电压的对应 关系受温度变化的影响. 因此 ,为了获得较为精确的测量结果 ,就需要根据环境温度进行相应的补偿. 由式 (2) ,相对于 20 ℃时的传感器输出电压 E20 ,温度 t 时的传感器输出电压变化为 　　ΔE = Et - E20 = E0 + R ( t + 273115) nF ln aH3O + - E0 - R (20 + 273115) nF ln aH3O + = 　　　　 Rln aH3O + nF ( t - 20) (3) 因 Rln aH3O + nF 为常数 ,故ΔE 仅与温度变化有关 ,亦即该测量方法的 pH 值温度补偿系数为一固定值. 设由 表 1 计算出的 pH值为 pH20 ,则当温度 t 时的实际 pH值应为 　　pHt = pH20 - K( t - 20) (4) 式中 , K为传传感器有关的温度补偿系数 ,0 ℃≤ t ≤100 ℃. 67 东南大学学报 (自然科学版) 第 35 卷 基于ATmega16的pH参数在线测控系统 ,选用Maxim公司的DS18b20集成数字温度传感器来采集温度 数据. 封装好的 DS18b20 被安装在锑电极和参比电极附近 ,平时无需维护、校正. DS18b20 随时监测溶液温 度 ,并将测量结果通过单总线发送给 ATmega16 单片机 ,由单片机程序[6 ] 根据式 (4) 进行软件补偿. 2 　系统硬件设计 基于 ATmega16 的 pH参数在线测控仪的硬件系统以高性能单片机为核心 ,其组成原理如图 2 所示. 图 2 　硬件组成原理图 211 　ATmega16 的结构和性能特点 系统的主要测量及控制功能均由 ATmega16 单片机完成. ATmega16 单片机是 Atmel 公司近年来推出的 AVR 系列 8 位单片机当中性价比较高的一个型号. 其 AVR 内核为 RISC 结构 ,片内有 32 个通用工作寄存 器 ,内建有硬件乘法器 ,指令系统的大多数指令为单周期指令. 与 MCS - 51 内核的单片机相比 ,AVR 系列 单片机无硬件瓶颈 ,运行速度快 ,抗干扰能力强. 在本设计中 ,pH值的测量范围为 2～12 ,精度为 011 ,因此 ,A/ D 转换器的位数最低为 8 位 ;经现场实 验 ,水体 pH值的变化是一个缓变过程 ,并不需要 A/ D 转换器具有太高的采样速率. 而 ATmega16 单片机内 建有 10 位逐次逼近型A/ D 转换器 ,自带采样保持器 ,并通过一个 8 端口的模拟多路复用器与外界连接. 该 A/ D 转换器的非线性精度为 015LSB ,典型的转换时间为 65～265μs ,最高分辨率时的采样速率高达 15 kbit/ s. 因此 ,选用 ATmega16 单片机作为系统的 MCU ,即无需再配置专用的 A/ D 转换器. 同时 ,由于 ATmega16 单片机内置了 16 K 字节的可编程 Flash , 1 K 字节的 SRAM 和 512 字节的 E2 PROM ,因此 ,本设计不再另外扩展程序和数据存储器 ,并直接使用片上 E2 PROM来存储系统设定参数. 212 　数据采集电路 数据采集电路由 2 部分组成 :一部分是由精密运算放大器和数字电位器组成的 pH 信号整形放大电 路 ,该电路接收来自 pH测量传感器的弱电压信号 ,整形放大后送 ATmega16 的 A/ D 转换器进行处理 ;另一 部分是用单片机通用 I/ O 口模拟的单总线 (12WireTM ) 控制器. 该控制器控制单片机与数字温度传感器 DS18b20 之间的通信. 213 　数字和模拟输出电路 本系统为用户提供了数字通信和模拟输出接口. 数字通信部分符合 Modbus 工业总线标准 ,用户可以 很方便地将该 pH参数在线测控仪与 PLC等设备一起组成工业测控网络. 模拟输出电路向外界输出与 pH 值对应的 4～20 mA 电流信号. 本系统为提高集成度和易用性 ,直接选用了 AD 公司的数控 4～20 mA 电流 输出芯片 AD421. 214 　非易失性存储器 本系统选用了先进的铁电存储芯片 FM31256 作为非易失性存储器. FM31256 的读写方式与普通串行 SRAM相似 ,但却能在系统掉电时自动保存数据. 与 E2 PROM 芯片相比 ,其写入速度快 ,且无擦写次数的限 制. 77增刊 ( Ⅱ) 陈鸣慰 ,等 :基于 ATmega16 的 pH参数在线测控仪设计 3 　系统软件设计 基于 ATmega16 的 pH 参数在线测控仪的工作软件由 C 语言编写 ,并通过 J TAG接口进行应用程序烧 写和在系统编程 ( ISP) . 软件的#工作#如下 :首先系统上电之后进行各种初始化工作 ,包括硬件初始化 ,从 E2 PROM 中读取 系统设定参数 ,看门狗初始化等 ;然后系统程序进入主工作循环 ,实时处理采集到的 pH 和温度数据 ,接收 上位机通过数字通信电路发送过来的控制信息 ,并根据用户通过人机接口所做的设定 ,实时显示、存储和 打印测量结果. 4 　结　语 基于 ATmega16 的 pH参数在线测控仪所采用的自行设计研制的一体化 pH 测量传感器 ,由锑电极作 为测量电极 ,全封闭的固态电极为参比电极 ,并由清洗电机驱动磨石不停地磨洗锑电极 ,确保了锑电极表 面的新鲜、平整 ,保证了测量精度. 系统选用的 ATmega16 单片机 ,片上资源丰富 ,功能强大 ,以极高的性价比实现了系统的测量和控制功 能. 该系统已投入批量生产 ,目前已成功地应用到统宝光电 (南京)有限公司、日出化工 (张家港)有限公司 等企业的生产污水处理过程当中. 现场使用表明 ,该系统运行稳定 ,测量结果准确可靠 ,可以广泛地应用于 环保、化工、冶金、造纸、制药、印染等行业的 pH参数在线连续测控 ,对于污水排放的连续检测也具有良好 的应用前景. 参考文献 ( References) [1 ] 樊立萍 , 于海斌 , 袁德成. 污水处理过程仪表技术的研究现状[J ] . 自动化仪表 ,2005 ,26(1) :1 4. Fan Liping , Yu Haibin , Yuan Decheng. The current status of research on instrument technology in sewage treatment process[J ] . Au2 tomation Instrument , 2005 , 26(1) : 1 4. (in Chinese) [2 ] 王志勇 , 操 　斌. pH值分析仪在离子膜装置中的应用[J ] . 仪表与自动化 ,2004(2) :38 40. Wang Zhiyong , Cao Bin. The application of pH analyzer in ion2exchange membrane facility[J ] . Instrument and Automation , 2004 (2) : 38 40. (in Chinese) [ 3 ] Kormos F , Tarsiche I , Reghini D , et al. Automatic control of pH in industrial processes , using a tungsten electrode2based device[J ] . Laboratory Robotics and Automation ,1999 ,11(3) :147 150. [4 ] Wyatt D L. pH measurement : a guide to electrode selection , focusing on the reference system[J ] . Annual ISA Analysis Division Sym2 posium2Proceedings ,2000 ,33 :55 56. [5 ] Spitzer P , Werner B. Improved reliability of pH measurements[J ] . Analytical and Bioanalytical Chemistry , 2002 ,374(5) :787 795. [6 ] 易 　钊 , 李仁发. 基于嵌入式系统结构的污水处理控制系统设计与实现[J ] . 自动化仪表 ,2004 ,25(11) :43 46. Yi Zhao , Li Renfa. Design and implementation of sewage treatment control system based on embedded system structure[J ] . Process Automation Instrumentation , 2004 ,25(11) :43 46. (in Chinese) 87 东南大学学报 (自然科学版) 第 35 卷