土壤参数测试仪毕业论文.doc

本科生毕业论文（设计） 题 目： 土壤参数测试仪 摘 要土壤参数测试仪摘 要 在农业生产中，农作物的生长环境至关重要，为了提高产量，对土壤的某些参数进行测量，以便对农作物环境得到控制。传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。本文对土壤温湿度及酸碱度的测量进行了系统的设计。它的主要组成部分有：单片机、温湿度传感器、pH值采集处理电路，模数转换，显示和数据存储。可以实时的显示土壤温湿度及酸碱度。关键词 单片机；土壤；pH电极Tester of the soil parameters Abstract In agricultural production, crop growth and environment is essential, in order to increase production, to measure certain parameters of the soil to the crop environment to be controlled. The sensor can a variety of physical, chemical content and bio-volume signals into electrical signals, so people can use computers for automatic measurements, information processing and automatic control.This text is about the soil temperature and moisture and pH measurement system design. Its main components: the microcontroller, temperature and humidity sensors, pH, acquisition and processing circuit, analog-digital conversion, display and data storage. It can display in real time the soil temperature, humidity and pH.Key Words MCU; Soil ; PH electrode目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 设计研究背景及意义11.3本文工作及内容安排2第二章 设计任务42.1 任务42.2 要求4第三章 方案论证53.1 温湿度测量53.2 酸碱度测量5第四章 系统方案的设计64.1 硬件设计64.1.1 单片机AT89C5164.1.2 温湿度传感器SHT1194.1.3 pH数据的采集114.1.4 LCD输出显示184.1.5 数据存储194.2 软件设计及仿真204.2.1 Keil C51204.2.2 Proteus22第五章 结果测试与分析24第六章 总结与展望26参考文献27致 谢28附 件29第一章 绪 论1.1 引言随着“信息时代”的到来，传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。20世纪末，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务，单片机在工业控制，尖端武器，通信设备，信息处理，家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化，遥控化，模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的，同时在使用单片机的前提下我们也还要用到A/D数模转换。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。本设计所介绍的土壤参数测试仪，具有读数方便，测量范围广，测量准确，其输出采用数字液晶屏显示。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。数据采集是获取信息的主要手段，数据采集技术是信息科学的主要组成部分，它是以传感器技术、信号检测与处理、电子电路学、计算机控制技术等方面技术为基础而形成的一个综合应用技术学科，目前各种各样的数据采集系统已得到广泛应用，新型数据采集系统仍不断涌现。并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有更为广阔的发展前景。温度和湿度的测量和控制是许多行业的重要工作目标之一，不论是粮食仓库、中药材仓库，还是图书保存，都需要有规定的温度和湿度，然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。随着社会的发展，对粮食的需求量越来越大。1.2 设计研究背景及意义随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化。美国、日本的智能监测设施近20年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，其中环境调控技术均有较高水平。我国近年引进了多达16个国家和地区的环境控制系统，对吸收国外先进经验、推动仓库温度湿度自动检测产生了积极的作用，但多因能耗过大，造价高，品种未能配套，未能达到很好的效果。温湿度控制仪的发展相当迅速，近几十年内，由于电子行业的迅速发展和集成电路和高集成电路的产生，控制仪走向微型化、多功能化。在计算机广泛应用的今天，数据采集的在多个领域有着十分重要的应用。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如：在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域得到越来越广泛的应用。温湿度测试仪目前普遍采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的仪器。本设计系统采用集温湿度传感器与A/D转换器为一体的SHT11芯片，通过单片机处理进行显示，实现的温湿度测量就是基于此芯片，通过LCD显示所测量的温湿度值。对农作物而言，土壤的参数对粮食的产量影响很大，比如，土壤温湿度过高或过低会使粮食产量下降，酸碱度也是一个很大的因素，都可能使农业导致无法估计的经济损失。为提高作物的产量，要加强土壤参数的监测工作，诸如土壤温湿度和酸碱度的检测，以便进一步进行操作。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的土壤参数测量仪。1.3本文工作及内容安排本文的组织结构是：第一章绪论部分主要介绍了论文的设计背景，阐述了设计的目的与意义。介绍了温湿度对人们生活、生产、工作的影响，温湿度测量的应用和发展，以及温湿度测量仪的核心器件温度传感器的发展前景。土壤酸碱度的测量的基本方法。第二章对设计任务和设计要求进行了概述，从而更加明确设计的流程。本设计以AT89C51单片机为核心来对土壤温湿度和酸碱度进行实时巡检。各检测单元能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度酸碱度进行实时采集。并将采集来的信息通过液晶屏显示，清晰的呈现出来。第三章主要介绍了实现本系统的方案，经比较论证选择出更加适合本系统设计任务与要求的方案，各支路控制系统各模块的设计和软件的设计。方案比较和论证，介绍了温湿度传感器、控制芯片、输出显示设备的方案比较和选择。第四章介绍了本系统的总体方案设计，包括硬件设计和软件设计，其中主要介绍了硬件部分各个模块的设计方法。介绍了软件编程的主流程图。第五章利用Proteus软件对系统进行了测试仿真，并对仿真实验结果进行了分析。最后一章对本文所做的工作进行全面总结，并指出了工作中的不足。第二章 设计任务2.1 任务本设计的任务是：设计并制作一个土壤参数测试仪。该系统主要分为温湿度，酸碱度数据的采集，经过模数转换电路，送单片机进行数据处理，最后LCD显示，并且具有数据存储功能。本设计核心部件为AT89C51，温度信号的采集及处理部分由SHT11完成，进入单片机后经处理后通过LCD1604显示温湿度值，pH信号是显示采用的液晶屏为57点阵，一行可显示16字，四行1。软件部分，开机后，所有器件初始化，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，酸碱度的测量是用对pH敏感的器件，由于采集到的信号很微弱，先要经过放大处理，接着模数转换，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。2.2 要求设计本系统，最终要达到的目的是，能快速简单的测定土壤的温度、湿度，酸碱度，具有液晶显示及数据存储的基本功能。本文介绍了基于ATMEL公司的AT89C51系列单片机的土壤温湿度及酸碱度实时测量和显示系统的设计，包括介绍了硬件结构原理，各模块的工作原理，并分析了相应的软件的设计及其要点，包括软件设计流程及其程序实现。系统结构简单、实用，提高了测量精度和效率。第3章 方案论证 3.1 温湿度测量由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，实现该系统，首先要把土壤的温湿度经传感器转换为数字信号，利用单片机进行运算处理，输出显示。本系统采用SHT11集成数字温湿度传感器检测温湿度。3.2 酸碱度测量至于酸碱度的测量，使用模拟电路，pH是个独立的被测量，而却受其它因素的影响，尤其受环境温度影响最大。将pH信号变为电压信号输出，因其pH数据不好采集，所以应该选取对pH敏感的器件，由于采集到的信号很微弱，先要经过放大处理，接着模数转换，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。本设计中就是在此基础上，提出基于AT89C51单片机控制的比较简单而实用的pH检测系统。此外，本系统还具有数据存储模块，可存储所测数据。本文利用单片机结合传感器技术而设计了这一土壤温湿度和酸碱度的测试系统。第四章 系统方案的设计4.1 硬件设计本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器转换芯片的性能，以单片机为核心的一套检测系统。系统中包括温湿度检测，pH数据采集，A/D转换、单片机、显示、系统软件等部分的设计。本设计核心部件为单片机，温湿度信号采集及处理部分由SHT11完成。pH测试采用电化学原理及单片机技术完成对土壤溶液中氢离子浓度的测定。可实现自动测量、标定、存储、显示数据等功能。仪器的标定采用两点标定法对仪器进行校准。温湿度检测 pH值检测 AT89C51LCD 显示数据存储 图4.1 系统结构图本设计系统包括温湿度传感器，pH数据采集模块，A/D转换模块，数据显示模块，数据存储模块。主要实现土壤温湿度及酸碱度的检测，温湿度测量使用集成的数字传感器，pH测量是将pH信号通过信号的采集并转换成电信号，再运用单片机进行数据的分析和处理，为显示电路提供信号。数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。该pH数据采集系统是基于ADC0831模数转换芯片和单片机的系统，可以把ADC采集的电压信号转换为数字信号，经过微处理器的简单处理而送LCD实现数据显示功能2。4.1.1 单片机AT89C51单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。AT89C51是一种与MCS51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器3。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内存储器允许对程序存储器在线重新编程，也可用常规的存储器编程器编程，具有超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与存储器结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作。在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止。其空闲和掉电两种工作方式，而在芯片外部之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。AT89C51的特点有：4K字节可编程闪烁存储器；可以反复擦写1000次；数据保留10年；全静态工作；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32位可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行。AT89C51内部结构FLASH存储器有4KB，RAM只有128字节，加密位有三位，加密位为LB1，LB2。AT89C51是一带有2KB字节的闪速可编程可擦除的只读存储器，低电压，高性能的8位CMOS微型计算机，静态工作方式，可外接024MHZ的晶体振荡器。89C51程序存储器大小的物理范围为000H7FFH，包含128字节内部数据存储器，这样89C51中堆栈的深度局限于内部RAM的128字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的访问的执行，因此，程序中不应该包含MOV 指令。AT89C51的端口如下：ALE端口：地址锁存使能端，在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略，ALE可以通过置位SFR的禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。PSEN端口：程序存储使能端，当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时，PSEN无效，访问内部程序存储器时，PSEN无效。EA/Vpp：外部寻址使能/编程电压端，在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低，如果EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址，该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压(Vpp)，如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。RST：为复位输入端，振荡器工作时，该引脚上两个周期的高电平复位。XTAL1：振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。MCS-51有4个8位并行I/O接口，他们都是双向端口，可以进行输入或者输出操作，每个口都有口锁存器和口驱动器两部分组成。此外，它还有一个全双工串行通信口。这4个端口为MCS-51与外围器件或外围设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换提供了多功能的输入/输出通道，也为MCS-51扩展外部功能、构成应用系统提供了必要的条件。P0口为漏极开路，P1、P2、P3口均具有内部上拉电阻，它们有时被称为准双向口。 4个并行口的32条I/O接口线都可以独立地用于输入或输出操作。当4个并行口的I/O接口线有作输入操作时，必须对该口的锁存器进行写1操作，以保证从I/O接口线输入数据的正确性，这也是4个并行接口有时被称为“准”双向的含义。I/O接口电路功能汇总MCS-51单片机内部属单总线结构，因此使系统在结构上增加了灵活性。通过总线，用户可根据应用需要进行多功能的系统扩展，构成用户的实际应用系统。MCS-51系列中的8031单片机，因其内部在结构上无程序存储器，所以它的应用系统必定为一个扩展的系统。因此，MCS-51的4个并行I/O接口中的P0、P2、P3口基本上都具备有这两项功能4。P0口是一个多功能口，除可以作为通用的输入/输出口外，还具备用于系统扩展的第二功能。在MCS-51的进行系统扩展时，它作为地址/数据总线口。通过外接地址锁存器，MCS-51的内部单总线可从P0口被扩展成8位的数据总线和16位地址总线的低8位。在实际应用中，P0口先送出外部存储器16位地址中的低8位至地址锁存器锁存，然后再由P0口进行8位数据的输入或输出。P1口作为通用I/O接口，它的每一位都可以编程为通用I/O接口线。P2口也是一个多功能口，与P0口相似，它除可被用作I/O接口外，在进行系统扩展时，还可以用于16位地址总线中的高8位，和P0口共同构成16位的地址总线。当然，在P0口和P2口用作地址/数据总线时，它们都不能再作为通用I/O接口。P3口也是一个多功能口，除可以作为通用I/O接口外，还具有多种控制功能，为通用I/O接口时和MCS-51其他具有控制功能的输入/输出引线在一起，共同形成MCS-51的控制总线。P3口在作为第二功能（控制功能）使用时，它的每一位功能定义是，比如一个信号引脚，既是第一功能又是第二功能，在使用时也不会引起混乱和造成错误，是因为对于各种型号的芯片，其功能的第一功能信号是相同的，所不同的只在引脚的第二功能信号上。对于9、30和31各引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。P3口线的情况却有所不同，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。因此在实际使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为口线使用。复位电路，单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式5。上电复位是在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。按键复位是当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连，按键脉冲复位是利用RC电路产生正脉冲来达到复位的。单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），RC构成的微分电路在上电瞬间产生一个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，89C51将复位。正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以后，即为低电平，单片机开始正常工作（这是单片机的上电复位，也叫初始化复位）；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作。 图4.2 单片机最小系统4.1.2 温湿度传感器SHT11 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。温湿度传感器SHT11集温度传感器和湿度传感器于一体，因此采用SHT11进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点，另外SHT11芯片内部集成了14位A/D转换器，且采用数字信号输出，因此抗干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。温度传感器湿度传感器放大器A/D转换器二线串行数字接口和CRC校验校准寄存器SCKDATAVCCGND图4.3 SHT11内部结构SHT11高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；二线串行数字接口，其中DATA为数据线，SCK为时钟线。温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图4.3所示6。该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境里进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(大于95RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。通信协议与通用的总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题。这种传感器只适合那些测量点数较少,对精度要求不高的场合。因此设计出一款精度高、稳定性好、成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场。本系统采用具有高精度、防干扰等优点的数字式传感器SHT11，不需要外部元件，可适配各种单片机。这为开发新一代的温湿度测控系统提供了有利条件，同时也有助于将温湿度测控技术提高到新的水平。SHT11数字式温湿度传感器采用CMOS和传感器技术的融合制造，其特点如下：有全量程标定，二线数字输出，湿度测量范围为0100RH，温度测量范围为，湿度测量精度为3.0RH，温度测量精度为0.4，响应时间小于4s，低功耗(30mW)，可完全浸没。芯片能输出经过完全校准的相对湿度和温度的数字信号，便于实现系统的集成。SHT11芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器(EEPROM)、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC)寄存器、二线串行接口和低电压检测电路。SCK是SHT11和微控制器之间同步传输时钟输入端。SHT11的DATA端用来传送输入和输出数据，它是个双向三态端，DATA在SCK时钟下降沿改变，上升沿有效。在传输期间当SCK为高电平时，DATA线必须保持稳定。为避免信号竞争，微控制器应该只驱动DATA低电平，其外部必须接一个上拉电阻，把信号拉为高电平，微控制器的上拉电阻通常包括在微控制器的I/O电路里。SHT11需要一个2.4-5.5V的供电电压，加电后该器件需要一个11ms的睡眠延迟时间，在这个时间之前，不应该向传感器发送命令。使用AT89C51直接对传感器温湿度测量值进行读写，SHT11传感器采用SCK、DATA进行通信，分别连接单片机的P2.6与P2.7端口。串行时钟输入线SCK引脚用来同步微控制器和SHT11之间的通信，串行数据线DATA引脚用来进行数据的输入和输出，这里的数据包括温湿度数字值及控制命令。DATA上的数据在SCK为低电平时改变，而在SCK为高电平时则被读出或写入，DATA引脚上需要加一个上拉电阻来产生高电平。 4.1.3 pH数据的采集在测量溶液中的氢离子浓度时用到电位分析法。电位分析法是通过三电极测量系统与被测溶液构成的测量电池(原电池)的电动势，获知被测溶液离子浓度的分析方法。电位式分析仪器主要由测量电池和高阻毫伏计(离子计)两部分组成。测量电池是由指示电极、参比电极和被测溶液构成的原电池，参比电极的电极电位不随被测溶液浓度的变化而变化，指示电极对被测溶液中待测离子很敏感，其电极电位是待测离子浓度的函数，所以原电池的电动势与待测离子的浓度有一一对应的关系，可见，原电池的作用是把难以直接测量的离子浓度转换成容易测量的电学量(测量电池的电动势)。离子活度是指电解质溶液中参与电化学反应的离子的有效浓度。离子活度和浓度c之间存在定量的关系，其表达式为：，式中：为离子的活度；为离子的活度系数；c为离子的浓度。通常小于1，在溶液无限稀时离子间相互作用趋于零，此时活度系数趋于1，活度等于溶液的实际浓度。一般在水溶液中的浓度非常小，所以的活度基本和其浓度相等。根据能斯特方程，离子活度与电极电位成正比，因此可对溶液建立起电极电位与活度的关系曲线，此时测定了电位，即可确定离子活度，所以实际上我们是通过测量电位来计算的浓度的。 （4-1） 能斯特方程： 公式中：E电位； E0电极的标准电压； R气体常数（8.31439焦耳/摩尔和）； T开氏绝对温度（例：20相当于（273.15+20）293.15开尔文）； F法拉弟常数（96493库化/当量）。在水溶液中氢核基本不以自由态存在，实际的情况是：，自由态的基本可以忽略，水溶液中（水合氢离子）的浓度基本上和浓度相等，所以，上式通常简化为：。当溶液中的离子浓度大于离子浓度时，我们称其为酸性溶液，当离子浓度小于 离子浓度时我们称其碱性溶液。实际使用中，离子浓度很小，为了避免使用中的不便，1909年生物学家泽伦森年建议将此不便使用的数值用对数代替，并定义为“pH值”。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用对数负值。因此，pH值以浓度以10为底的负对数值。测量原理是对pH信号敏感的部件能在电阻极大的电路中测量出微小的电位差。电极有23部分组成：一个参比电极；一个指示电极（玻璃电极），其电位取决于周围溶液的pH。参比电极的基本功能是维持一个恒定的电位，作为测量各种偏离电位的对照，银-氧化银电极是目前pH中最常用的参比电极。玻璃电极的功能是建立一个对所测量溶液的氢离子活度发生变化作出反应的电位差。把对pH敏感的电极和参比电极放在同一溶液中，就组成一个原电池，该电池的电位是玻璃电极和参比电极电位的代数和：。如果温度恒定，这个电池的电位随待测溶液的pH变化而变化，而测量pH计中的电池产生的电位是困难的，因其电动势非常小，且电路的阻抗又非常大1100M，因此，必须把信号放大。其中pH信号采集电路用高阻运算放大电路，将高阻的pH信号进行放大，经过模数转换，送到单片机进行下一步操作，LCD显示。参比电极指示电极接地电极高阻差分放大电路A/D 单片机 温度补偿图4.4 pH值采集框图三电极与放大电路构成三电极系统，输出pH信号，经模数转换，送单片机进行数据处理，考虑到温度对pH值测量的影响，进行温度补偿换算，得出标准温度下的pH值7。三电极测量电路，变送器的输入级由两个相同的高输入阻抗放大器组成。用一个放大器测量参比电极与溶液接地电极之间的电势,用另一放大器测量指示电极与溶液接地电极之间的电势，这两个电势的代数和就是与待测溶液的pH相关的电势差，放大器用来测量这个电势差。图4.5 pH值信号采集调整系统中经pH电极把pH信号转化为电压信号，信号调整电路对原始信号进行调整。信号凋整电路采用多级集成运放构成，第一级采用放大器CA3140正相放大，为了提高输入阻抗，第二级反相放大，采用可调电阻做反馈电阻，放大倍数可调，便于仪器的调试，第三级与第四级结合起来调节输入信号的零点，最后一级反相放大，将信号再进行一次反相，得到与输入信号同相的电压信号8。在一定的温度下只要知道了电压值，即可求出溶液的pH值，因此pH值的测量实际上就是电压信号的测量。由于复合pH电极内阻很高,前置放大器有较高的输入阻抗，因此设计中选用了运放CA3140，它兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点，都集成在单独的芯片上。在图中，U1和U2构成输入级或第一级，而U3构成输出级或第二级，依据输入电压约束条件，在R3上的电压为玻璃电极V1和参比电极V2电压之差，即V1-V2，依据输入电流约束条件，流过R1与R3是同一电流。 （4-2） 由欧姆定律得: （4-3） 输入极也称为差分输入，U3为差分放大器，因此有： 将两式结合在一起： （4-5） （4-4）此式表明总增益A是第一级A1和第二级A2的乘积，输入电路的增益取决于外部电阻的比值，所以采用合适的电阻,也就是调节合适的放大增益,使输出电压达到模数转换所需的电压范围，送入ADC0831模/数端进行数据处理。另外，通过适当调节U3中的电阻R,可以使共模抑制比CMRR达到最大,抑制共模噪声，提高系统的信噪比，增强系统抗干扰能力。为了准确的测定土壤溶液中氢离子浓度，除了需要性能优良的电极外，还与仪器的前置运算放大的选择有密切的关系。以前影响测量仪器发展的主要技术关键是前置运算放大器的性能不能适应现场的需求，表现在性能上不稳定,飘移大，噪音大，传输距离不远等。作为前置运算放大器，应具有放大器的输入电流要小，高的输入阻抗。放大器的输入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的绝缘阻抗等，小的温度漂移系数。所以本系统中使用美国无线电公司研制开发的CA3140高输入阻抗运算放大器，该运算放大器功能是保护MOSFET的栅极(PMOS上)中的晶体管输入电路，提供非常高的输入阻抗，具有极低的输入电流和高速性能。为了提高测量精度，设计完成后，必须要进行标定，标定方法很多，标定是用已知浓度的标准液去校准仪器，算出测量方程中的未知数，然后才能在测量过程中根据测量值和参数值算出被测试样浓度值。对于实际的测量系统来说，能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线，即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率，所以只有知道实际的斜率，测量系统中的电极才能使用。标定不仅在运行初期进行，在运行过程中，由于化学反应的一些不确定因素发生的变化引起的测量值的漂移，一般必须由标定来消除。对此，我们采用两点标定法。配制两种标准溶液，令其pH值分别为pH1和pH2，把pH探头置于标准溶液中，则可以测得相应的电压值，如图4.6中的Pl、P2点。 （4-6） 依据电极理论:（4-7）（4-8）式中，K1，K2对应T1、T2的电极斜率； pH0电极零电位的pH值； 电极温度随温度的变化率（=0.1984073）。 0P2(mV2,pH2,T2)P1(mV1，pH1,T1) mVpH0K1K2pH图4.6 pH电极的mVpH曲线由前所述，式中仅有pH0, K1, K2为未知，因此可由上式求得电极的零电位点pH0以及T1温度下的斜率K1，并把K1换算成25时的斜率K25。仪表自动完成上述过程并把pH0值和25时的斜率K25保存在EEPROM。常用的参比电极是甘汞电极，它是由汞和甘汞的糊状物装入一定浓度的KCl溶液中构成的。汞上面插入铂丝，与外导线相连，KCl溶液盛在底部玻璃管内，管的下端开口用陶瓷塞塞住，通过塞内的毛细孔，在测量时允许有少量KCl溶液向外渗漏，但绝不允许被测溶液向管内渗漏，否则将影响电极读数的重现性，导致不准确的结果9。为了避免出现这种结果，使用甘汞电极时最好把它上面的小橡皮塞拔下，以维持管内足够的液位压差，断绝被测溶液通过毛细孔渗入的可能性。在使用甘汞电极时还应注意，KCl溶液要浸没内部小玻璃管的下口，并且在弯管内不允许有气泡将溶液隔断。甘汞电极做成下管较细的弯管，有助于调节与玻璃电极间的距离，以便在直径较小的容器内也可以插入进行测量。甘汞电极在不用时，可用橡皮套将下端毛细孔套住或浸在KCl溶液中，但不要与玻璃电极同时浸在去离子水中保存。甘汞电极的电极电势只随电极内装的KCl溶液浓度而改变，不随待测溶液的pH值不同而变化。通常所用的饱和KCl溶液的甘汞电极的电极电势为0.2415V。玻璃电极是由玻璃支杆、玻璃膜、内参比溶液、内参比电极、电极帽、电线等组成。玻璃膜是由特殊成份组成的对氢离子敏感的玻璃膜组成。玻璃膜一般呈球泡状，球泡内充入内参比溶液（中性磷酸盐和氯化钾的混合溶液），插入内参比电极（一般用银/氯化银电极），用电极帽封接引出电线，装上插口，就成为一支pH指示电极。玻璃电极的关键部分是连接在玻璃管下端的、用特制玻璃(其组成：，和的质量分数分别为0.72，0.22和0.06)制成的半圆球形玻璃薄膜，膜厚50m。在玻璃薄膜圆球内装有一定浓度的HCl溶液，并将覆盖有一薄层AgCl的银丝插入HCl溶液中，再用导线接出，即构成一个玻璃电极。当玻璃电极浸入待测pH值的溶液中时，玻璃薄膜内外两侧都因吸水膨润而分别形成两个极薄的水化凝胶层，中间则仍为干玻璃层。在进行pH测定时，玻璃膜外侧与待测pH溶液的相界面上要发生离子交换，有离子进出；同样，玻璃膜内侧与膜内装的HCI溶液的相界面上也要发生离子交换，也有进出。由于玻璃膜两侧溶液中浓度的差异，以及玻璃膜水化凝胶层内离子扩散的影响，就逐渐在膜外侧和膜内侧两个相界面之间建立起一个相对稳定的电势差，称为膜电势。由于膜内侧HCl溶液中浓度为定值，当玻璃膜内离子扩散情况稳定后，它对膜电势的影响也为定值，因此膜电势就只取决于膜外侧待测pH溶液中的浓度。目前市场使用的电极为复合电极的情况越来越普遍，复合电极只是复合了以上两种电极的功能，简易了操作功能。复合电极外壳为塑料的就称为塑壳pH复合电极，外壳为玻璃的就称为玻璃pH复合电极。pH复合电极的结构主要由电极球泡、玻璃支持杆、内参比电极、内参比溶液、外壳、外参比电极、外参比溶液、液接界、电极帽、电极导线、插口等组成。电极球泡是由锂玻璃熔融吹制而成，呈球形，膜厚在0.10.2mm左右，电阻值小于250兆欧（在温度25下）。玻璃支持管是支持电极球泡的玻璃管体,由电绝缘性优良的铅玻璃制成，其膨胀系数应与电极球泡玻璃一致。内参比电极为银/氯化银电极，主要作用是引出电极电位，要求其电位稳定，温度系数小。内参比溶液是零电位为7pH的内参比溶液，是中性磷酸盐和氯化钾的混合溶液，玻璃电极与参比电极构成电池建立零电位的pH值，主要取决于内参比溶液的pH值及氯离子浓度。电极塑壳是支持玻璃电极和液接界，盛放外参比溶液的壳体，由聚碳酸酯塑压成型。外参比电极为银/氯化银电极，作用是提供与保持一个固定的参比电势，要求电位稳定，重现性好，温度系数小。外参比溶液为3.3mol/L的氯化钾凝胶电解质，不易流失，无需添加。砂芯液接界是沟通外参比溶液和被测溶液的连接部件，要求渗透量稳定。电极导线为低噪音金属屏蔽线，内芯与内参比电极连接，屏蔽层与外参比电极连接。它的原理是以电位法测定土壤悬液pH，通用pH玻璃电极为指示电极，甘汞电极为参比电极。此二电极插入待测液时构成一电池反应，其间产生一电位差，因参比电极的电位是固定的，故此电位差之大小取决于待测液的氢离子活度或其负对数pH。因此可用电位法测定电动势，再换算成pH。pH缓冲液配置：使用成套的pH缓冲试剂可配制250ml，配制溶液时，应使用去离子水，并预先煮沸1530分钟，以除去溶解的二氧化碳。剪开塑料袋将试剂倒入烧杯中，用适量去离子水使之溶解，并冲洗包装袋，再倒入250ml容量瓶中，稀释至刻度，充分摇匀即可。一般pH7.00、pH6.86及pH4.00三种溶液使用时间可以长一些，pH9.18和pH10.01溶液由于吸收空气中的，其pH值比较容易变化。电位测量法原理公式中，传感器电极输出电压亦为温度的函数，是由此计算出的pH值也是和温度密不可分的，即我们通常所说的某溶液的pH值只是此溶液在某一特定温度下的酸碱度，如温度变化，此pH值将失去意义。故温度补偿是必不可少的过程，也是pH仪器鉴定过程中及其重要的环节。分为手动温度补偿和自动温度补偿，手动温度补偿要求在硬件部分有专门的温度补偿电路，通常通过手动调节有稳定电压的线性可调电位器来进行温度补偿，在标准溶液中调节此电位器以使其显示正确pH值(已知)，再在此状态下进行正常测量，此种方法对标准溶液温度要求较高，即补偿时所用标准溶液应与被测溶液温度一致，否则补偿过程失去意义。自动温度补偿是硬件不需要专门电路，通过软件完成此过程。即根据原理公式，将参数带入计算好的斜率，截距表达式写入数据处理程序，在测量pH值时先将传感器测出的温度值带入表达式计算出此温度状态下的参数值，用此参数来计算pH值。此种方法过于侧重理论性，得到的参数值为纯理论值，实际会随传感器电极的制作工艺，老化等因素产生误差。接下来是把pH模拟量转为数字量，能够完成将模拟量转换成数字量的器件叫模/数转换器，简称A/D转换器。通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小，而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。 模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。 A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。 一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样的AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。A/D转换器的种类很多，按位数来分，有8位、10位、12位、16位。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越高。A/D转换器就其结构来分，有单独的A/D转换器，有的A/D转换器带多路开关，有的带多数开关、数据放大器、采样/保持及A/D转换器，其本身就是一个完整的数据采集系统。A/D转换器按转换原理分为计算器式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、双积分式A/D、并行A/D转换、串并行A/D转换等。在这些转换方式中，计数器式A/D线路比较简单，但转换速度比较慢，所以现在应用很少。双积分式A/D转换精度高，多用于数据采集系统及精度比较高的场合。并行及串并A/D转换速度比较快，多用于雷达及图象处理等要求比较高的场合。逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，是目前工业过程控制系统中应用最多的一种。目前，绝大多数A/D转换器都采用这种转换方法。本设计用到ADC0831，它是8位逐次逼近型类比模数转换器，具有单输入通道，串行输出接口，比例转换可以通过设置达到REF的输入等于最大模拟输入信号值，从而得到尽可能高的转换分辨率。本pH测试，需要测的是溶液中的氢离子浓度和温度。根据测量的特点，系统采用的是ADC0831芯片，作为模数转换电路。ADC0831是主要对从输入电路进来的pH信号进行模数转换。此A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好等优点，其缺点是转换速度慢，在不要求高速转换的数据采集系统中，被广泛应用。本系统pH的测量目标为便携式产品，考虑到体积和标准溶液温度的限制选用自动温度补偿方法，此方法的缺点可以通过后续校正过程予以克服。4.1.4 LCD输出显示LCD液晶屏是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。液晶显示的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。比如：1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行；类似的命名还有0801、0802、1601等，这类液晶通常都是字符型液晶，即只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。还有另一类液晶属于图形型液晶，如12232，它的意思是液晶由122列、32行组成，即共有12232个点来显示各种图形，我们可以通过程序控制这12232个点中的任何一个点显示或不显示。类似的命名还有12864、19264、192128、320240等。液晶体积小、功耗低、显示操作简单，但是它有个致命的弱点，其使用的温度范围很窄，通用型液晶正常工作温度范围为0+55，存储温度范围为-20+60，即使是宽温级液晶，其正常工作温度范围也仅为-20+70，存储温度范围为-30+80。液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，