基于LabVIEW和51單片機的中和滴定系統設計

左曉念 常峰 李健 王帆

摘 要：該文介紹了一種中和滴定系統設計方案，使用51單片機、蠕動泵和pH傳感器搭建下位機，運用虛擬儀器技術開發軟件LabVIEW設計上位機，通過串口和下位機相連。該系統性價比高，控制精確，可以直觀的反映中和滴定過程中pH的變化和pH突變等現象。

關鍵詞：虛擬儀器技術 ?LabVIEW ?51單片機 ?中和滴定 ?pH值

中圖分類號：TP368 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0017-03

中和反應，其實質是：一種液體中的自由H+離子和另一種液體中的自由OH-離子結合生成水分子（H2O）和鹽的過程，所以只要有酸堿參與了反應就叫中和反應。一般的中和反應是沒有明顯的外觀現象，無法準確判斷是否進行了中和反應甚至完全中和反應。傳統的檢測酸堿發生了中和反應的方法有：通過指示劑觀察液體顏色變化法、pH試紙檢測法、根據熱量變化探測溫度法，但是這些方法都存在人為的觀察誤差和操作誤差。

通過現代電子技術可以幫助人們達到精確的定量滴定、精確的控制完全中和反應、準確的顯示中和反應變化過程的目的，使中和反應現象的檢測異于傳統方法，具有更形象、更精確、更易于理解的特點。

該文介紹了以LabVIEW設計上位機軟件，以STC89C52RC單片機最為下位機控制核心，采集pH傳感器的值和控制蠕動泵，上位機通過USB轉串口的通信模式和下位機相連，實現pH曲線的實時繪制顯示。

1 硬件系統設計

1.1 硬件系統組成

該系統以STC89C52RC單片機為控制核心，以E-201-C型pH復合電極作為滴定溶液pH值的檢測裝置，以S100-2B+TH10B型蠕動泵作為滴定控制裝置，系統原理框圖如圖1所示。

1.2 pH復合電極

該系統使用的是上海儀電科學儀器股份有限公司的E-201-C型pH復合電極，該電極是將pH指示電極和參比電極組合在一起的電極，采用塑殼外殼材料，可以檢測0～14的pH值范圍，精度達到0.01 pH，在5～60度工作環境下工作。

使用該電極之前，必須對電極進行校正，以確定電極斜率。通常采用這3個標準緩沖溶液進行標定校正：pH4.00、pH6.86、pH9.18。經測試，在3個不同溶液下檢測電極輸出電壓經放大電路后的值分別是3.58 V、3.07 V、2.69 V。

忽略pH復合電極的非線性，可以設溶液pH值為y，電極輸出電壓為x，得出公式（1）：

y=kx+a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中k為線性系數，即電極斜率，a為公式常數項。將表1的值帶入公式（1），可得k=-5.82，a=24.73，即得公式（2）。

（2）

電極輸出電壓為mV級，需經放大電路后接入到ADC0809輸入端，ADC0809輸出數字信號至單片機，這個數字信號值就是公式（2）的x值，單片機編程實現公式（2）的計算得到最終的pH值。

1.3 蠕動泵

采用保定思諾流體科技有限公司的S100-2B+TH10B型蠕動泵進行滴定流量控制，該蠕動泵內嵌內徑1 mm的軟管，泵頭滾輪數為8，流量控制精度可達0.44～4.22 mL/min，可以使用外部電壓（0～5 V或0～10 V）、外部電流（4～20 mA）及外部脈沖波（0～10 KHz）對蠕動泵進行轉速控制，流速控制檔為10檔，如表1所示。該系統使用外部脈沖波作為調速信號。

使用單片機的定時器0為蠕動泵提供脈沖波，定時器0采用方式1，方式1為16位計數器，其定時計算公式如下[1]：

定時時間=（216-定時初值）×振蕩周期×12 ? ? （3）

由公式（3）可以計算得到定時初值與轉速對應關系，可以通過按鍵來調整定時初值，實現不同頻率脈沖波輸出，從而改變蠕動泵的轉速。

1.4 硬件電路

系統采用12 MHz晶振，單片機ALE輸出端經CD4040四分頻后得到500 KHz信號，此信號為ADC0809提供工作頻率，單片機P3.5啟動A/D轉換，轉換時間約100 us，轉換結束后ADC0809的EOC端給單片機一個高電平，然后單片機P3.7給ADC0809輸出使能端高電平，此時ADC0809的D7-D0輸出有效輸出數字量，接單片機P1.7-P1.0口[2]。單片機P2.2輸出脈沖波控制蠕動泵轉動。

單片機通過串口P3.0和P3.1向計算機發送數據，管腳電平為TTL，計算機也提供了多種串口接口，如RS-232、RJ45、USB串口等，他們有著不同的通信協議和傳輸方式，電氣特性也和單片機的不同[3]。如果計算機有9針引腳 （DB-9） 的RS-232 接口，那么單片機與計算機之間需要一款MAX232芯片把單片機的TTL電平轉換為計算機端的RS-232C標準電平。現階段許多計算機尤其是筆記本都沒有標準RS-232C接口，但是都有USB接口。使用PL2303HX芯片可以把USB接口虛擬成一個串口，然后直接和單片機相連，其USB轉串口電路[4]。

2 LabVIEW軟件設計

LabVIEW為美國國家儀器公司開發的一款虛擬儀器軟件開發平臺，采用G語言（圖形化）編程方式，內置豐富的各類功能函數及硬件接口驅動。該系統使用串口通信方式，安裝了LabVIEW軟件之后還需檢查是否安裝NI公司的NI-VISA runtime程序包，可以在NI官網上下載安裝。NI-VISA runtime提供了程序訪問外部接口的函數體系。

程序一開始使用“VISA配置串口”函數配置4800波特率、串口名稱、停止位等，這些配置參數需和單片機里設置的串口通信參數一致。之后連接兩幀順序結構，延遲100 ms讓“VISA配置串口”函數有足夠的時間來配置上述參數，使用“VISA清空I/O緩沖區”函數清除掉緩沖區的信息，最后讀取串口數據。

使用一個While循環結構實現串口信息的連續讀取。使用“Bytes at Port”這個串口的屬性節點是為了實現緩沖區中有多少個字節就讀回多少個，不會讓程序出現等待或者“Time out”的錯誤。“VISA讀取”函數讀取的是字符串格式，通過“字符串掃描值”函數將字符串格式轉換為浮點數，再通過“數組插入”函數和移位寄存器實時得到新的數組并在前面板以曲線方式顯示出來。

3 系統測試

圖2為常溫25度下，用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液滴定20 mL的0.1 mol/L鹽酸溶液時pH值變化情況，可以看出游標0到游標1這兩次連續滴定時，pH=3.86到pH=9.54之間pH值由3.86突躍到了9.54。

圖3為常溫25度下，用0.1 mol/L鹽酸滴定20 mL的 0.1 mol/L碳酸鈉時pH值變化情況，可以看出在游標0和游標1兩處發生了兩次突躍，這也真實的反映了將鹽酸滴定到碳酸鈉溶液中，反應是分步進行的：第一步碳酸根離子與氫離子反應生成碳酸氫根離子;第二步碳酸氫根離子和氫離子反應生成二氧化碳和水。通過曲線游標0和游標1處還可以得出此反應兩次消耗鹽酸體積的定量比例為1：1[5]。

4 結語

通過該系統檢測中和滴定過程中的pH變化情況，減少了人為操作中的誤差，簡化了繪制曲線的工作，真實、直觀的反映了中和滴定過程中反應的實質和定量的關系。基于LabVIEW虛擬儀器技術平臺，不僅能實時顯示pH變化過程，還可以方便的將數據存儲下來，整個系統成本低，操作簡單，數據顯示穩定、及時、精確。

參考文獻

[1] 周國運.單片機原理及應用教程（C語言版）[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[2] 李俊.基于LABVIEW結合MCS-51單片機扭矩傳感器數據采集的實現[J].計算機光盤軟件與應用，2012（5）：172-173.

[3] 史邇冬，李清棟，周雪莉.基于USB接口的51單片機與PC機通信的方法[J].大眾科技，2008（11）：55-56.

[4] 文治洪，胡文東，李曉京，等.基于PL2303的USB 接口設計[J].電子設計工程，2010（1）：32-34.

[5] 魏銳，包明，王磊，等.利用pH傳感器研究中和反應過程中pH的突變[J].化學教育，2007，28（4）：59-61.