基于單片機控制的金屬與非金屬氧化還原反應現(xiàn)象電子檢測系統(tǒng)開發(fā)研究

鄭雯　李健 王應紅 左曉念 汪曉靖

[摘 要]開發(fā)基于單片機控制器的監(jiān)控化學反應過程的下位機硬件，選取典型金屬與非金屬氧化還原反應實驗現(xiàn)象和實驗條件可控的電子硬件與軟件檢測系統(tǒng)的設計、制作、調試、優(yōu)化形成一套能實時跟蹤測量或控制氧化還原反應變化條件的化學實驗檢測儀。系統(tǒng)由化學反應器皿、典型化學實驗現(xiàn)象采集傳感器、數(shù)據(jù)采集處理適配器、自動控制器（CPU）、測試數(shù)據(jù)輸出顯示等組成。

[關鍵詞]金屬與非金屬；氧化還原反應；電子傳感器；單片機控制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.067

本研究以提高無機化學實驗現(xiàn)象觀測的可視性、反應速率（條件）的可控性、實驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集實時快速與檢測分析精確度高為研究重點，擬采用現(xiàn)代應用電子、電子通信、單片機、自動控制技術[1]與化學測量技術相結合的設計理念，通過實驗研究形成能直接運用于中學化學、大學無機化學實驗教學中，對金屬與非金屬氧化還原反應現(xiàn)象實驗檢測的硬件電路系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳統(tǒng)化學實驗中的金屬與非金屬氧化還原反應現(xiàn)象（反應過程中）的密度、氣壓、濃度、速率、聲光、溫度等變化數(shù)據(jù)的自動檢測和實驗條件的控制。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)化學反應裝置結構的設計

根據(jù)系統(tǒng)功能的基本要求和實驗中所要對參與化學反應物質變化過程、反應速率變化時相關教學內(nèi)容要求的觀察和采集處理數(shù)據(jù)的實時跟蹤監(jiān)測的需要，采用高耐熱玻璃材料作為盛放化學反應物質的器皿，其改進設計的氧化還原反應實驗裝置容器工作原理，力求便于取放實驗中所需的溶液、溶質、溶劑等物質、不影響師生對氧化還原反應實驗現(xiàn)象的直接觀察、對相關實驗數(shù)據(jù)采集電子傳感器器件介入固定、實驗中對數(shù)據(jù)實時采集處理信息的傳輸與相關接口電路的安裝等要求，同時還能適應更換不同的氧化還原反應實驗內(nèi)容的要求等。關注的化學變化現(xiàn)象，如中學常見氧化還原反應 [2- 3]：如AB（酸或堿）+C（金屬）=AC（鹽）+B（氫氣）反映主要化學變化物理量：壓強、密度、顏色、pH、溫度、濕度，通過實驗原理的深入分析，師生更好地觀察與體驗實驗過程的化學變化。

1.2 硬件模塊設計

本系統(tǒng)以單片機為控制核心，通過電源模塊供電，以pH電極傳感器模塊、氣壓檢測模塊、紅外測溫模塊、濕度檢測模塊為檢測裝置，以蠕動泵作為滴定控制裝置，通過OLDE液晶和電腦顯示模塊顯示實時數(shù)據(jù)。

1.2.1 pH復合電極傳感器模塊

pH復合電極簡介：pH電極是pH計上與被測物質接觸的部分，用來測電極電位的裝置。電位分析法所用的電極被稱為原電池。原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是使化學反應能量轉成為電能。此電池的電壓被稱為電動勢（EMF）。此電動勢（EMF）由兩個半電池構成。

1.2.2 氣體壓力檢測模塊

氣體壓力模塊簡介：本氣體壓力檢測主要實現(xiàn)化學容器內(nèi)的變化，伴隨的反應器皿內(nèi)部壓強的變化速率的檢測。選用本功能模塊的目的是利用模塊提供的非常精確的壓力檢測數(shù)據(jù)快捷，并具有采樣頻率可調的技術特點。由于氣體壓力檢測模塊的功耗非常低，具有多種智能功能，不需要移動設備就能安全對容器內(nèi)部采集到的壓力數(shù)據(jù)進行處理。本壓力傳感器的智能功能包括數(shù)字輸出，用于自動喚醒的中斷、最小/最大閾值檢測及自動數(shù)據(jù)采集。

1.2.3 紅外測溫模塊

紅外線測溫模塊簡介：紅外測溫是根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，具有不擾動被測物體溫度分布場，溫度分辨率高、響應速度快、測溫范圍廣，穩(wěn)定性好等特點；通過調節(jié)脈沖的周期、寬度，以達到變壓、變頻的目的，數(shù)字式脈寬調制方式中，數(shù)字是控制信號，通過改變高低電平數(shù)的比值達到改變占空比的目的。主要用于實施檢測化學反應過程中，密閉容器內(nèi)部的溫度變化的數(shù)據(jù)量。

1.2.4 濕度檢測模塊

電容式數(shù)字濕度傳感器簡介：傳感器主要由濕敏電容和轉換電路兩部分組成。濕敏電容由玻璃底襯、下電極、濕敏材料、上電極幾部分組成。兩個下電極與濕敏材料，上電極構成的兩個電容成串聯(lián)連接。濕敏材料是一種高分子聚合物，它的介電常數(shù)隨著環(huán)境的相對濕度變化而變化。當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕敏元件的電容量隨之發(fā)生改變，即當相對濕度增大時，濕敏電容量隨之增大，反之減小（電容量通常在48pf～56pf間）。

2 顯示界面介紹

2.1 OLED顯示屏的顯示

OLED顯示屏的顯示：pH值為（pH）：14.0；溫度值為（TEMP）：20.7；濕度值為（hum）：43.4；氣壓值為（pressure）：101.60如圖1所示。串口示波器的顯示如圖2所示：

2.2 串口示波器的顯示（通過曲線的變化表示反應過程中各項值的變化）

pH：（紅色通道）保持不變，pH值不變；

氣壓：（黃色通道）保持不變，氣壓值不變；

溫度：（藍色通道）先增大后減小，溫度先升高后降低后保持不變；

濕度：（紫色通道）平穩(wěn)地變大，濕度升高后保持不變。

3 系統(tǒng)應用實施例

通過上述硬件和軟件系統(tǒng)的設計、仿真與論證，以及對系統(tǒng)各功能模塊的制作、調試，系統(tǒng)集成優(yōu)化分析所形成的金屬與非金屬氧化還原反應自動監(jiān)測裝置，達到了設計論證的基本要求，能自動控制參與氧化還原反應實驗的反應溶液量，實現(xiàn)對化學反應速率的控制和相應變化數(shù)據(jù)的采集，其設計的實驗裝置所實現(xiàn)的實驗實施如下：

實例1 鎂（金屬）與稀鹽酸（非金屬）的反應實驗的數(shù)據(jù)采集

反應物質（鎂金屬）：參與反應的溶液（稀鹽酸非金屬）

通過上述實例，其實驗裝置可以對反應過程中有關數(shù)據(jù)變化信號進行實時采集，適用于不同的金屬與非金屬氧化還原反應中，通過傳感器電纜輸出的信號作相應轉換處理。

4 結 論

本設計可以解決我國現(xiàn)行初高中和大學普通化學實驗教學中，學生在做氧化還原反應實驗時，存在不能準確控制實驗條件（如實驗過程中的濃度、密度、溫度、壓強、反應速率等），能實時跟蹤測試反應過程中容器內(nèi)化合物前后變化現(xiàn)象，能精確量化檢測變化終極物質當中的主要化學指標等突出問題，能解決對其反應速率與條件的控制方法。

參考文獻：

[1]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等.Proteus教程——電子線路設計、制版與仿真[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]宋心琦.化學必修1[M].北京：人民教育出版社，2004.

[3]戴安邦.配位化學[M].北京：科學出版社，1987.