基于MSP430智能pH分析儀的設計

吳 穹 黃 皎,2 王 軍

(1. 河海大學物聯網工程學院，江蘇常州 213022；2. 江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，江蘇常州 213022)

0 引言

在電力、化工、環保和食品生產等眾多行業中，對溶液pH值的監測非常重要。pH參數的測量方法有很多種，最常用的測量方法有化學分析法、試紙分析法和電位分析法。該智能pH測量儀應用電位分析法，基于能斯特方程，以單片機為核心處理器，LMP91200為數據采樣單元。分析儀采用全數字化的測量方法，在彩色液晶顯示屏作為人機接口的同時，還具有pH濃度報警和歷史測量數據存儲功能。使得其不僅在測量準確性、實時性和穩定性上還是在人性化設計、數據存儲顯示管理、性價比上均能達到測試計量儀表的要求。

1 測量儀硬件設計

分析儀總體結構如圖1所示。儀表以TI公司的具有12位ADC采樣模塊的MSP430F449為MCU，外配電源/時鐘/復位模塊、數據采樣模塊、濃度報警模塊、人機接口模塊和外擴存儲器模塊。

圖1 分析儀總體結構圖

系統采用3.3V電壓供電，8MHz晶振為MCU提供時序，SP809芯片作為復位電路為MSP430F449在上電、掉電和節電情況下提供復位信號；采用TI公司集pH和溫度測量為一體的LMP91200為數據采樣模塊；分析儀通過不斷對比當前溶液pH的測量值與設定值來判斷是否需要報警。當需要報警時，單片機通過驅動濃度報警模塊發出報警音；人機交互模塊采用彩色觸摸式液晶顯示屏，可以預置pH濃度報警值，實時顯示當前溶液的溫度和pH值，以及前4次測量的pH值。

1.1 控制電路的設計

分析儀選用16位超低功耗MSP430F449為控制核心,其工作電壓范圍為1.8V~3.6V，RAM數據保持方式下耗電僅0.1μA，而當為活動模式時，耗電280μA/MIPS。具有5種節電模式。從待機到喚醒的響應時間不超過6μs。可以滿足儀表低功耗的要求。8個12位獨立A/D轉換器帶有內部參考源、采樣保持、自動掃描特性；保證了各個信號采樣的精確度。2個串行通訊模塊，可軟件選擇UART/SPI模式，可以實現處理器與數據采樣模塊以及人機接口模塊的良好通信。

1.2 數據采樣電路的設計

采樣芯片采用美國TI公司生產的LMP91200。抗干擾性強，環境因素影響小，可在-40C°~125C°溫度范圍內正常工作。其不僅集成度高、功耗低，而且還具有1.8V-5.5V較寬的工作電壓。芯片通過外接pt100/pt1000和pH電極來測量溶液的溫度和pH值。當測量溫度時，芯片通過外接精準電阻標定測量的溫度數據；當測量pH值時，芯片能夠有效抑制電極上的偏置電流，即使LMP91200在缺失電壓的情況下也能夠保證電極上的偏置電流降低等級。

芯片SDI和SCLK引腳分別與單片機P3.1和P3.3引腳相連，通過SPI通信方式接收單片機發送的控制字。RTD作為測溫引腳與pt100連接，單片機通過SPI串口寫入相關控制字，芯片使能RTD引腳發出恒定大小的電流。同時，芯片將RTD引腳上采集的電壓送至內置電壓放大器PGA。R11為1K精準電阻，主要用于測溫模式下的標定。pH測量電極采用玻璃電極與芯片的INP引腳相連，銀-氯化銀作為pH參比電極和芯片的VCM引腳相連。芯片將測量電極采樣所得的電壓信號通過INP引腳送至芯片內置的放大存儲器pH Buffer。上述溫度和pH測量電壓信號均通過VOUT引腳輸出至單片機P6.0進行A/D轉換。由于參比電極需要提供穩定的參考電壓，所以需要阻值為0.1uF的電容C26、C27在這里起到濾波的作用，數據采樣模塊的電路如圖2所示。

圖2 數據采樣模塊的電路圖

1.3 濃度報警電路的設計

濃度報警電路由驅動芯片和蜂鳴器組成。驅動芯片采用ULN2003，ULN2003是高耐壓、大電流復合晶體管陣列。它由7路硅復合NPN復合晶體管組成。單片機P3.4引腳與ULN2003其中的一路的復合NPN晶體管相連來驅動蜂鳴器發聲。

1.4 人機交互模塊的設計

人機交互模塊采用DWIN智慧型GUI工業串口顯示屏，該款彩色觸摸液晶顯示屏基于DGUS圖形應用服務軟件，加載K600+內核，利用直接變量驅動顯示方式，借助SD卡把配置文件、圖片、字庫、圖標庫等下載到DGUS屏，使得用戶可以方便快速地開發人機界面。同時，顯示屏采用串口通信的方式與單片機交互命令和數據。該分析儀單片機的P2.4、P2.5引腳分別與顯示屏的RXD、TXD相連。

1.5 外擴存儲器模塊的設計

該分析儀外擴存儲模塊采用AT24C16，該款芯片是ATMEL公司的串行EEPROM，它采用IIC協議與單片機通信。該片功耗低、性能可靠，寫入次數可達數百萬次，數據保存時間100年，工作電壓范圍很寬。AT24C16主要用于存儲pH的歷史測量數據，用戶可以通過按下彩色觸摸式液晶顯示屏上的圖標按鈕，控制單片機讀取EEPROM內的歷史測量數據并顯示在屏幕上。達到了方便用戶查看和分析待測溶液pH值的效果。

2 測量儀軟件設計

該測量儀以能斯特方程為測量原理，采用結構化編程語言，實現了pH值的測量與顯示，pH濃度報警值的設定以及蜂鳴器發生報警的功能。

2.1 能斯特方程

PH電極測量是依照能斯特方程，原電池輸出電動勢、被測溶液絕對溫度、被測溶液PH值之間滿足以下關系：

式中：E為原電池輸出電動勢，單位為毫伏；E0為參比電極電壓，單位為毫伏；K為能斯特系數；T為被測溶液的絕對溫度，單位為開爾文；pHx為是被測溶液的pH值；pHs是常數，為復合玻璃電極內緩沖溶液的pH值。方程中pHs、K、E0已知，測量中可測得E和T的數值，從而可以算出pHx的值。

2.2 數據采樣程序的設計

單片機采用SPI通信方式向LMP91200寫入控制字0xa880，LMP91200隨即進入測溫模式；同時單片機打開A/D通道A0開始采集LMP91200的VOUT引腳上的輸出電壓模擬信號并進行模數轉換；將轉換后的數字電壓值帶入事先標定好的曲線進行計算，得出此時pt100的阻值，標定曲線采用兩點標定法，即當CAL引腳發出1mA恒定電流時，標定電阻阻值為0，A/D采樣值為5，采用3.3V為參考電壓，換算成電壓值為0.004，標定電阻阻值為1K，A/D采樣值為1253，換算成電壓為1.010V；將此時pt100的阻值帶入并查詢pt100分度表即可得知當前溶液的攝氏溫度t，絕對溫度T=t+273.15；單片機向LMP91200寫入控制字0x0000，使LMP91200進入測pH模式，按上述步驟測出LMP91200的VOUT引腳的電壓值U，將T和U帶入能斯特方程，即可計算出溶液的pH值，數據采樣程序流程如圖3所示。

圖3 數據采樣程序流程圖

圖4 預設pH濃度報警程序流程圖

2.3 濃度報警程序的設計

當分析儀采得溶液的pH值超出或低于設定的濃度范圍上下限時，單片機啟動報警模塊發出報警音。當溶液濃度回到設定范圍內后，關閉報警模塊。

2.4 預設pH濃度報警程序的設計

單片機檢測到觸摸屏上“setting”圖標按鈕按下，系統進入pH濃度報警設定模式，在該模式下需要分別設定報警濃度的上限和下限。按下“finishing”圖標按鈕保存當前設定的值并退出設定模式，預設pH濃度報警程序流程如圖4所示。

表1 進口pH儀與樣表對某酸性溶液pH值的測量數據

3 實驗及結果分析

本設計已完成了pH值分析儀樣機設計，為求高穩定性，對樣機進行了大量的實驗。某次測量結果如圖5所示。下面是進口pH儀與樣表在相同溫度下對某酸性溶液pH值的測量結果的對比。從表1數據可以看出樣表和進口pH儀相比，基本誤差為0.01pH，精度達到了國家標準。

實驗結果表明儀表無論在可靠性還是穩定性上都達到了國家標準。

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