全自动PH值测量系统设计说明

1、 摘 要本论文设计用电化学原理和MSC51单片机技术对各种溶液中氢离子浓度进行测定。本论文详细论述了PH测量仪的设计，包括氢离子浓度的测量，标定方法，温度检测装置，测量电路和软件系统设计。PH测量仪用三电极检测系统，参比电极和指示电极对溶液中氢离子检测。三电极系统有良好地抗干扰能力。输入电路采用高阻差分电路，传感器的设计可以减少溶液中其他离子的干扰。仪器以MSC51单片机系统，可以完成仪器的自动校准，温度补偿等功能。采用人机对话可以实现自动测量，存储，显示等功能。在实际的测量系统中，能斯特方程相应的实际曲线往往偏离理想曲线，所以中有知道实际的曲线才能用测量系统中的电极。故采用两点标定法，计算出

2、实际的斜率和温度，才能正确测量。关键词：三电极检测，高阻，温度补偿 - 46 - / 51AbstractOn the basis of electrochemical principal and Instrument circuit system to MCS51 microcontroller core, this system can measure activity in solution .The paper details the design of the PH instrument. Including measuring principle, the calibration

3、way, the design of temperature transducer, measuring circuit software.The ph tester is equipped with threeelectrode measurement system. The concentration of hydrogen was determined by the appropriate reference electrode and indicator electrode measurement .the system can greatly reduce the impact of

4、 outside interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. The MCS51 microcontroller core can automatically adjust the scope, automatic temperature compensation etc. the use of man-machine dialogue can enable automatic measurement, storage, display dat

5、a functions. In the actual measurement system, the Nernst equation corresponding to the actual curve often deviate the ideal curve, with the use of two-point calibration method, we can actually calculate the actual slope and temperature.Key words: threeelectrode measurement system, high resistence，t

6、he temperature compensation. 目 录摘要IAbstract目录III第一章引言11.1课题背景11.2 PH测量系统研究的必要性11.3 PH测量系统的发展概况 21.4 PH测量系统的主要原理3第二章测量系统的整体设计42.1 测量原理42.2 三电极测量系统52.3 PH测量系统的测量方法52.3.1指示电极62.3.2参比电极72.4温度对测量的影响82.5本章总结9第三章 PH测量系统的硬件设计103.1 89C52介绍103.2 温度采集电路133.3 PH信号采集电路163.4 A/D，D/A转换器173.5 信号输出电路203.6键盘显示设计213.7

7、电源电路设计223.8总线扩展233.9本章总结27第四章基于MAX232通讯模块284.1 系统设计总体方案284.2串口通信基础理论284.3 两种接口方式294.3.1 串行接口方式294.3.2 并行接口方式294.4 51系列单片机串行口控制寄存器SCON294.5 RS-232串行接口标准304.6 单电源转化芯片MAX232314.7 MAX232外围连接电路314.8 通信程序设计324.9总结33第五章 PH测量系统的软件设计345.1 测量系统主要容345.2 测量系统主程序345.3 子程序的标定365.4 测量子程序375.5 本章小结37第六章误差分析与功能测试386

8、.1误差分析386.2数据分析40结论41致42参考文献43附录45第一章 引 言1.1课题背景PH值测量系统，用到电位分析法测量溶液中的氢离子浓度。测量三电极测量系统与被测溶液构成的电池（原电池）的电动势，可得被测溶液离子浓度。电位分析法是用电极电位和浓度的关系来测定物质浓度的一种电化学分析方法。因此可以借助于直流电位测量仪器由一指示电极与另一支参比电极在溶液中组成测量电池的电动势，然后测量计算出溶液中离子含量。电位分析法中的指示电极是能将非电量溶液的离子活度转化为点位的变化的电化学敏感器。在电位分析法中最常见的指示电极为PH电极和各种离子型选择电极。对溶液中参与半反应的离子的活度或不同氧化

9、态的离子的活度能产生能斯特响应的电极,称为指示电极。随着电子技术的发展，电位法测量仪器的更加精确，便捷和数字化。其电子线路由电子管电路进入晶体管电路再进入了集成电路。各种智能型芯片的应用，提高了仪器的智能化和测量精度，并且也简化了仪器的测量电路。随着计算机的发展与普与，出现了许多微机化电位测量仪器，它用软件来完成电位、PH浓度的测定。对于那些测量方便，而计算很复杂的方法，如多次添加法有重要的意义。同时，它能进行背景校正，以与温度自动补偿、自动校正等多种功能。这种仪器由于操作简便、测定速度快、灵敏度高、精度好，是电位法测量仪器的发展方向。1.2 PH测量系统研究的必要性酸碱度是表征氢离子活动的一

10、个重要参数，它对溶液性质，化学反应速率和微生物的新代都有影响。尤其在污水处理过程中，如果该值不符合要求，将带来巨大的环境污染。在测量过程中，影响其测量精度的因素很多，包括老化，电极测试水温的变化，测量仪器电路稳定本身会给测量结果的误差。通常测量液体的温度测量，温度补偿和电极的标定是测量仪器校准的高精度测量的关键问题的设计。目前，PH值的参数测量方法有很多种，最常用的化学分析法、试纸分析法和电位分析法。但化学分析方法和试验分析都不可以做在线自动测量。目前，虽然有许多文献探讨电位分析法的设计与实现。但如何设计精确测量，温度补偿精度，可靠性高，功耗低，成本低，功能齐全的检测仪器还需要进一步研究的问题

11、。目前工业PH值测试仪已广泛应用于石油，化工，钢铁，电力，食品，酿造，医药，纺织，皮革，造纸，印染，水处理，锅炉系统在各个工业部门。但是，越来越显示出工业机将成为工业部门的检测和控制是必不可少的有效工具。例如，在印染行业，酸碱值的精确度的染料在高吸收率是衡量印染工艺是一个重要的因素，既节约原材料，减少冲洗槽数，对于以后的污水处理来说，都十分有益。1.3 PH测量系统的发展概况世界上第一台商品PH计由Arnold Beckman于1936年研制生产的。工业PH计发展过程，以日本为例。1951年日本电气式化学计研究所(DKK 前身)研制生产的日本生产的第一台工业PH计。1953年日本横河电机开始研

12、制生产工业PH计。初期的PH 测定装置是由传感器亦称发送器(包括玻璃电极、参比电极、温度补偿元件)和阻抗变换、放大、指示的电子单元两部分组成。在70年代工业PH计取得了突破性的进展。1971年日本横河电机利用FET和IC组成的高输入阻抗变换器体积小的特点首次推出8511型。该仪器首次把2线式传输方式用于工业PH计系统，从而简化了本质安全防爆的结构设计。1975年，日立生产的K-7型工业PH计中,首次将玻璃电极、比较电极和温度补偿电极一体化，构成复合电极，这种复合电极的出现，无疑为PH传感器的小型化作出了贡献。在8511型PH 变送器的基础上,推出PH6F型PH变送器。1979年，横河电机H8F

13、型PH变送器。并由PH 8 F型变送器与PH传感器与其辅助设备构成了PH 系列。80年代是工业PH计微机化、智能化的年代。1984年日本电气化学计生产了HBM51型带微机的工业PH计。该仪器能够进行PH自动校正和电极的自动清洗。仪器采用液晶7段数字显示，具有校正时电极电位稳定性判断功能；检量线运算功能，用液晶显示校正异常和电极劣化功能；上下限调节功能，任意设定量程功能；输出同步功能与PH标准液在各温度下PH值的存储功能等。1987年9月，日本横河电机推出具有自诊断功能的TM20BG型工业PH计。该仪器为一体化结构，具有高可靠性、多功能、使用维护方便等特点。1989年月本横河电机又推出EXAPH

14、 PH 200 G型智能式工业PH计，仪器配有微处理机，据称该EXA型PH计是世界上第一台智能2线式工业PH计。90年代是工业PH计微机化、智能化普与的年代。主要功能与要求为：可靠性高、易维护、成本低、操作方便、小型、防爆且能在条件恶劣的场所使用。要求仪器具有传感器自诊断、标准液自动校正，电极自动清洗，以与具有人机对话和通讯功能。产品系列化，为满足不同用户的要求，仪器应具有多种电极清洗方式，可供用户选用。2线式传输，具有标准信号输出，便于和计算机联用。可以一种机器多种用途，仪器不仅可检测PH值，也可对ORP(氧化还原电位)、电导率、离子浓度、温度等一项或几项联合检测。随着科技进步和创新PH测量

15、系统正迈向智能化，人性化的方向发展。精确度越来越高。我们期待着它的发展。1.4 PH测量系统的主要原理用MSC-51单片机为核心的数据处理，和一些外围芯片，包括一个完整的自我检测，智能仪器的校准。具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，因此它可以应用到传统的测量。测量数据的电极电压信号，信号调整电路放大信号，调整。处理电路的多级放大器电路。设计的运算放大器CA3140，具有高电压PMOS管和高压二极管的优势。输入电路的研究提供了非常高的阻抗。具有很快的响应速度。它也有自己的补偿能力稳定放大增益；输出部分包含它们自己的保护电路保护负载短路造成的损害。可以完成阻抗匹配，减少噪音，提高系统的稳定性，非常适

16、合电路设计。温度传感器将热体部温度转换为电压信号。对温度信号的处理要求精度比较高。因此采用高精度运算放大器对其进行放大处理经处理后的两路信号与参比电极两路信号同时进入电子开关供CPU选择。图1-1 总体电路参比电极高阻差分放大电路89c52单片机系统AD转换DA转换数字控制开转换接地电极显示器键 盘串行通信温度放大电 路指示电极温度传感器第二章 测量系统的整体设计2.1 测量原理玻璃电极和参考电极是PH 计的重要组成部分，溶液的PH 值是由它们与待测溶液组成的原电池的电动势决定的。玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的，其厚度可以小于0.1mm,Ag-AgCl 为参考电极在部，由二者组成复合电极，之间是

17、PH 值一定的参比溶液，当玻璃电极放入待测溶液时，玻璃膜处于H+ 浓度一定参比溶液和待测溶液之间，形成很薄的水化层，二者之间形成新的H+平衡，产生了膜电位E（玻璃电极）和E（参比电极），则复合电极的E= E- E，恒定不变,E与溶液H+浓度, (2-1)令2.303RT/F=K，因为PH=lg得E=-KPH, (2-2)由上可看出，电极E 与PH 成线性关系，其中斜率k 是温度t 的函数，由实验资料得出其拟和直线为：K=54.20+0.1984t, (2-3)上式t 是温度传感器所测溶液的温度，当溶液PH=7时，两电极之间电势差为0，为了使电势的高低与PH 值一致,代入得： E- E=-K (

18、PH-7), (2-4)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来标定，取两种溶液。因为，在我国标准缓冲液中，没有PH=7.000。我们采用定标的中性溶液为PH=6.684，PH=4.003，PH=9.1

19、82。可得：, (2-5) , (2-6)进一步得：, (2-7)为玻璃电极再PH=6.864标准溶液产生的电动势。2.2 三电极测量系统电位测量溶液的玻璃电极为指示电极，银-氯化银电极为参比电极，双电极封装在一起，形成一个复合玻璃电极。将传感器插入被测溶液中，复合玻璃电极与被测溶液组成的原电池，组合式玻璃电极输出引线分别用于原电池的正电极和负电极。仪器测量电路，必须有一个高电阻的电路。这是由于固体电极的阻较高，和溶液接地电路。发射器输入电平由两根一样的高输入阻抗放大器。使用一个放大器测量参照电极和解决地电位电极之间；另一个放大器测量指示电极和地电极之间的电势。两个电势的代数和就是与待测溶液的

20、PH相关的电势差（等于指示电极和参比电极之间的电动势），放大器用来测量这个电势差。2.3 PH测量系统的测量方法本测量系统采用电位法进行测量。分析电极称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是把化学能转化为电能。电池的电压被称为电动势（电磁场）。此电动势（EMF）由二个半电池构成，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；另一个半电池为参比半电池，通常称为参考电极，它通常是测量溶液相通，并与测量仪器相连。例如，一个电极是由一个插在含银离子的盐溶液银线，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形成离子的充电过程，形成离子充电过程，并形成一定的电位差。银离子

21、在溶液中没有电子。当没有外部电流反向充电，这个过程将最终达到一个平衡。在平衡状态下存在的电压称为半电池电位或电极电位。这（如上所述）由金属和金属离子的溶液组成的电极称为第一类电极。此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这是独立测量的参考电极也被称为二电极。这种电极，金属线覆盖着一层金属的微溶盐，并插入含有这种金属盐离子的电解质溶液。半电池电位或电极电位取决于活动这一阴离子。2.3.1指示电极指示电极是组成电位分析仪的基本部件，大部分指示电极是离子选择性电极。它具有将溶液中某特定离子的活度转变成一定电位的功能。不同离子选择性电极都有一个所谓离子选择性膜的敏感元件。离子选择

22、性电极的性能主要取决于膜的种类与其制备技术，常用的离子选择性电极有晶体膜电极、液膜电极和玻璃膜电极等。理想的离子选择性电极的电位与离子活度的关系应符合能斯特方程, (2-8)a为溶液中此离子的活度值；S为电机的斜率项，是温度的函数；E0为电极等电势点的电位值。电极的响应斜率只在一定的活度围，保持其基本不变，当活度小于一定值时，斜率明显的变小。大多数指示电极是离子选择性电极，离子选择性电极是可以将溶液中某种特定离子的浓度转变成电位功能的电极。各种离子选择性电极的结构虽然各有其特点，但都有一个被称为离子选择性膜的敏感元件，离子选择性电极的性能主要取决于膜的种类与制备技术。离子选择性电极的敏感膜都有

23、渗透性，也就是说被测溶液中的特定离子可以进入膜，并在膜移动，从而可以传递电荷，在溶液和膜之间形成一定的点位。膜的渗透性是具有的选择性使非特定离子不能再其中进行渗透，这就是离子选择性电极对离子具有选择性响应的基本原因。321A2A1 A1图2-1 敏感膜电位的示意图1-参比电极；2-指示电极；测量离子选择性敏感膜电位的示意图，图中的1与2是完全一样的参比电极；膜两侧的溶液中含有该膜能响应的离子，且离子浓度分别为A1、A2；膜两侧的表面与相接触的溶液之间存在着电位差，分别为E1、E2.，通常称之为敏感膜相界面电位。在一定测量围，相界面电位与离子浓度关系符合能斯特方程：, (2-9)式中，敏感膜两边

24、溶液的离子浓度；离子浓度=1,温度为t时的电位值（温度不同，不同）。所谓离子选择性敏感膜的膜电位是指膜的两侧相界面电位之代数和，即膜电位E可表示为, (2-10)最常用的指示电极便是玻璃电极。2.3.2参比电极氯化银电极具有良好的重复性，稳定性。因为它是固体电极，使用方便，应用很广泛。甚至有取代甘汞电极的趋势，这是因为汞是有毒的，此外，甘汞电极温度变化所造成的电极电位的变化滞后现象是较大的，而氯化银电极的具有高温稳定性。1615234231-引线；2-KCL溶液；3-AgCl溶液；4-磨口接口；5-瓷芯；6-外盐桥液图2-2 参比电极结构图其中AgCl是Ag的固体难溶盐，溶液提供-（也可用来提

25、供）。电极反应为：-电极电位为：Ag沉淀容易堵塞参比电极管的多孔性封口，通常不采用饱和溶液作为Ag/电极的电解液。而是采用3.5 M 溶液作为电解液。此外，为了防止因研究体系溶液对Ag/电极稀释而造成的沉淀析出，可以在电极和研究体系溶液间放一个盛有溶液的盐桥。在使用参比电极时，为了防止溶液间的相互作用和玷污，常使用同种离子溶液的参比电极。在HSO溶液体系中采用硫酸亚汞电极，在碱性体系中用氧化汞电极，而在中性氯化物溶液中则采用氯化银电极等。2.4温度对测量的影响在代入R、F的值，并把换成2.303，则可变为如下形式, (2-11)对温度T求导数, (2-12)可理解为温度变化一个单位时测量电池电

26、动势的变化值，即测量电池的温度系数，式表明它由三部分组成。是电极的标准电位温度系数项，它是表示电极特性的项，它与电极的膜材料、充夜、外参比电极等的温度特性有关。是能斯特方程系数斜率项。当n=1,温度变化1，则斜率变.1984mV；n=2，则变化为0.0992mV。故PH测试仪都装有温度补偿器，在电路上采取措施，以补偿其对测量的影响。为溶液温度系数项，它受溶液中离子浓度的影响，而离子浓度又取决于它的浓度系数和离子强度。对弱电解质和溶液形成络合物的电解质溶液，还受它们的平衡常数的影响。可见这项是很复杂的，一般的离子计不能对该项进行补偿。所以在电位法测量中，在表明标准也和被测浓度的同时也应标明其温度

27、。因此一般的离子计只能对能斯特方程中的温度系数斜率项进行温度补偿，只能消除温度对测量的部分影响，因此若严格要求，测量应在恒温条件下进行。2.5本章总结实际测量系统，能斯特方程是顺应实际曲线往往偏离理想曲线，即实际响应曲线的斜率是不等于理想曲线的斜率，所以只知道实际的斜率，电极可用于测量系统。一般离子计不能对能斯特方程温度系数斜率温度补偿，只可以消除温度对测量的局部影响，所以如果严格要求，测量应进行恒温条件下。第三章 PH测量系统的硬件设计本系统采用MSC-51单片机作为数据处理的核心部件，并扩展一些外围芯片，组成一个可以完成自我检测，标定的智能仪器。具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，所以可以应

28、用于传统测量。3.1 89C52介绍主要性能参数：1、与MSC-51产品指令和引脚完全兼容；2、8K字节可重擦写Flash闪速存储器；3、1000次擦写周期；4、全静态操作：0Hz-24MHz;5、三级加密程序存储器；6、2568字节部RAM;7、32个可编程I/O口线；8、3个16位定时/计数器；9、8个中断源；10、可编程串行UART；11、低功耗空闲和掉电模式。功能特性介绍：AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列

29、的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52采用工业标准的C51核，在部功能与管脚排布上与通用的8xc52 一样，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 部寄存器、数据RAM与外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码与与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为

30、供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚与28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测与会聚调整状态进入的控制功能。图3-1 8952引脚图P0口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门

31、电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 是一个带部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P2 是一个带有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级

32、可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口是一组带有部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电

33、路。对P3 口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE

34、脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为00

35、00HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。X1振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端。X2振荡器反相放大器的输出端。3.2 温度采集电路本文设计采用DS18B20温度传感器，它是美国DALLAS公司推出的一线总线温度传感器。具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强等特点，可以直接将温度转化为数字信号。DS18B20温度传感器特性（1）.只

36、要求一个端口即可实现通信。（2）.在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）.实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）.测量温度围在55度到125度之间。（5）.数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）.部有温度上、下限告警设置。、图3-2 DS18B20引脚GND:地信号。DQ: 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。VDD: 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。使用方法：由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件

37、上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。其原理图3-3：图3-3 关于DS18B20与单片机连接的原理介绍方案论证如

38、下：在测量PH时，要有温度补偿和标定，所以要求对温度进行检测，应该先考虑用热电阻传感器。按照热敏电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。在测量PH时，要有温度补偿和标定，所以要求对温度进行检测，应该先考虑用热电阻传感器。按照热敏电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。方法1：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的变化。负温度系数热敏电阻器通常是由锰、钴的氧化物烧制成半导体瓷制成。其特点是，在工作温度围电阻阻值随温度的升高而降低。可满足40-90测量围，但热敏

39、电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。方法2：采用温度传感器铂电阻Pt100。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0-100时，最大非线性偏差小于0.5。铂电阻与温度的关系是=R0(1+At+Bt*t)其中是温度为t时铂热电阻的电阻值；R0是温度为0时铂热电阻的电阻值；t为任意温度值，A、B为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。若用其电路可设计如下：图3-4 铂电阻温度传感器相比之下，用DS18B20温度传感器方便简洁。3.3 PH信号采集

40、电路PH电极由玻璃电极和参考电极组成。玻璃电极厚度可以小于0.1mm，Ag-AgC1为参考电极在部，由二者组成复合电极，其是由特殊玻璃膜制成的。PH电极的玻璃电极和参考电极两端输出的信号为电压。在一定的温度下只要知道了电压值，即可求出溶液的PH值。由于复合PH电极阻很高。大约l012。要求前置放大器有较高的输入阻抗。设计中选用了运放CA3140，它具有高电压PMOS管和高压二极管的优点。输入电路PMOS提供非常高的阻抗。响应速度非常快。稳定的放大增益得益于它具有自身补偿能力；输出部分的自身保护电路可以来保护由于负载短路造成的损害。可完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等，非常适合此电路设

41、计。本文采用3个CA3140来构成双高阻抗差分输入电路。图3-5 输入电路图在图中，U1和U2构成输入级，而U3构成输出级，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。由欧姆定律得：输入级也称为差分输入，U3为差分放大器，因此有：两式结合起来得：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。作为前值运算放大器，应有以下几个要求：1.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； 2. 放大器的输入电流要小； 3.小的温度漂移系数。所

42、以仪器使用的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，极低输入电流和高速性能。3.4 A/D，D/A转换器集成A/D转换器很多，一般逐次比较型较多。ADC0804就是这类转换器。它采用CMOS工艺，分辨率为8位，转换时间100us。图3-6 ADC0804引脚DB7-DB0：具有三态数字信号输出口。AGND:模拟低信号。DGND:数字信号地。CLK:时钟信号输入端。CLKR:部时钟发生器的外接点阻端。CS:低电平有效，若如此，则可启动工作。WR:写信号输入。RD:读信号输入。INTR:工

43、作结束标志，低电平表示转换结束。 VIN(+)端的电压即为ADC0804的模拟输入电压，最好再接上个电阻，防止因电流过大而烧坏芯片。图3-7 DAC0832引脚DAC0832部的8位输入寄存器用于存放CPU送来的数字量，是由LE1端加以控制的，输入数字量得到缓冲和所存的场所，；8位DAC寄存器是由LE2端控制，用于存放待转换的数字量的地方。8位D/A转换电路由8位T型电阻网络和电子开关组成，电子开关受8位DAC寄存器输出的数字来能够控制，T型电阻网络能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，DAC0832通常需要外接运算放大器，进行电流/电压转换，才能得到模拟输出电压。DI0-DI7：8位数字信号

44、输入端，与单片机的数据总线相连，用于接受单片机送来的待转换的数字量，DI7为最高位；CS：片选段，当CS为低电平时，本芯片被选中；ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效；WR1：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。当CS=0、ILE=1、WR1=0时，数据信号被锁存到第一级8位输入寄存器；Xfer：数据传输控制，低电平有效；WR2：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。当 =0；WR2=0时；输入寄存器状态传入8位DAC寄存器中；Iout1：D/A转换器电流输出1端，输入数字量全为1时，Iout1输出最大，输入数字量全为0时，Iout1输出最小；Iout2：D/A转换器电流输出2端，Iou

45、t2+Iout1=常数；Rfb：外部反馈信号输入端，部已有反馈电阻 ，根据需要也可外接反馈电阻；Vcc：电源输入端，可在+5V-+15V围；DGND：数字信号地；AGND:模拟信号地，最好与基准电压共地。3.5 信号输出电路单片机微机系统输出的数字信号经DAC0832送入输出电路。输出电路转换可输出0-10mA或4-20mA的电流信号和0-5mV或0-10mV的电压信号。电流信号和电压信号的输出围可通过仪器部的切换开关进行切换。DAC0832用作程控放大器,需要放大的电压Vi和反馈输入端相接。运算放大器输出Vo还作为DAC0832的基准电压 ,数字量由CPU送来。DAC0832部Io一边和T型

46、电阻网络相连，另一边又通过反馈电阻和Vi相通，得到DAC的输出和输入之间的关系：当R=R，则有：注意：256B为其放大倍数，B不能为0，否则电路失去作用。信号经单片机后，需将信号再次模数转换，才能显示。图3-8 输出电路3.6键盘显示设计键盘选择7个按键的输入模式，包括电源、复位、菜单、回车、清除、上翻、下翻。 电源键按下为整个电路通电，所有模块、器件初始化，时钟开始计时。 复位键是强制单片机结束工作任务进行初始化。复位键通过+5V电源与开关接入单片机的RESET管脚，到开关按下则RESET管脚输入高电平，使单片机复位。 菜单键功能是提供仪器各种服务项目的清单，接入单片机P11管脚。 回车键即

47、为输入、确认键，接入单片机P10管脚。下翻、上翻即为翻页键，分别接入单片机P12、P13管脚。由单片机键盘子程序控制键盘的按键操作。 显示元件采用BJ19264D-1液晶显示，BJ19264D-1中文字库型液晶显示模块可以显示字母、数字、中文字型与图形，具有绘图与文字画面混合显示功能。可显示192（列）64（行）点阵。可完成图形显示，也可显示124个（1616点阵）中文汉字。该元件可提供三种控制接口： 8位微处理器接口、4位微处理器接口、串行接口。模块置2M-位元中文字型ROM (CGROM)，总共提供8192个中文字型(1616点阵)，16K-位元半宽字型ROM (HCGROM)，总共提供1

48、26个符号字型(168点阵)，6416位显示RAM(DDRAM)，另外绘图显示画面提供一个64256点的绘图区域，可以和文字画面混和显示。这里选择串行接口。图3-9 键盘显示电路3.7电源电路设计本设计系统中所用的供电为+5V,12V。三端固定集成稳压模块有三个端子：输入端，输出端和公共端。输入端接整流滤波电路，输出端接负载，公共端接输入输出的公共连接点。其部有采样、基准、放大、调整和保护等电路组成。保护电路就有过流，过热与短路保护功能。图3-10 电源电路图中，第一排电容是滤波电容;第二排电容用来改善输入电压波纹的；第三排是消除模块输出高频噪声，增强电压稳定的电容。设计步骤如下：首先，确定模

49、块的输入电压。7805输入电压为7到30V，7905的输入电压为-7到-30V。均按输入电压12V设计。其次，确定变压器。交流输入电压经过降压、全波整流和滤波后，两模块分别承受12V电压，则有0.9。即U2=26.6。于是匝数比=8:1。最后，选择整流二极管。整流二极管可承受最高反向电压为39V。所以，可选择反向击穿电压为78V以上的整流二极管。3.8总线扩展总线扩展电路包括：EPROM28C64、EPROM27256、译码器GAL16V8、地址锁存器74LS373、单行总线驱动器74LS244。图3-11 总线扩展电路本设计使用的复位电路为按键电平复位电路，它是通过RST段经电阻与电源VCC

50、接通而实现的。当时钟频率选用6MHz时，C取22uF，RS取200 ，RK取1K 。由于该最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元，这样不能满足本设计的要求，所以要外扩程序存储器。373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式。373为三态输出的8 D透明锁存器, 373的输出端O0-O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平

51、时，O被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。图3-12 74LS373引脚373引出端符号： D0D7-数据输入端 OE-三态允许控制端（低电平有效） LE-锁存允许端 O0-O7-输出端地址锁存器74LS373能够进行三态总线驱动输出；置数全并行存取；缓冲控制输入；使能输入有改善抗扰度的滞后作用。它的八个透明D型锁存器，当使能（G为）高时，Q输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将所存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这样电路可以驱动大电容或低阻

52、抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。图3-13 28C24引脚28C64主要用来存储标定数据、斜率、历史曲线。是可以电改写的只读存储器，工作时可以改写其中的数据，掉电以后EEPROM中数据不会丢失。程序存储器27256主要存储汉字库。它是32K*8字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流为40mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：A0-A15为16根地址线，可寻址32K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE/VPP为数据输出选

53、通线/编程电源。图3-14 74LS244引脚图总线驱动器74LS244能够驱动总线并控制芯片。74LS244由2组、每组四路输入、输出构成。每组有一个控制端G，由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开。表3-1 74LS244真值L=低逻辑电平；H=高逻辑电平；X=低或高逻辑电平；Z=高阻抗GAL16V8以最大3.5ns的传输延迟时间，结合高性能的CMOS工艺与电可擦悬浮栅工艺可为PLD市场提供最高速度的性能。高速擦写时间（100ns）允许快速和有效的重复编程。依靠输出逻辑宏单元（OLMC）允许用户来构建，这种通用的结构提供了最大的设计灵活性。作为GAL16V8的许多可能结构形式中最重

54、要的一个子集，PAL结构被列在宏单元描述部分的表里面。GAL16V8借助于全部功能/ 熔丝图/参数的兼容性能够仿真任何一种PAL结构。图3-15 GAL16V8引脚图译码器GAL16V8是可编程逻辑控制器，其对电路基本控制如图。这便简化电路，适应了单片机较高总线速度的要求。译码电路放弃了传统的门电路组合的方法，采用了可多次编程的通用阵列逻辑器件。这样可以减少元器件数量、降低线路复杂程度，同时降低故障机率与提高硬件设计的灵活性。3.9本章总结采用MSC-51单片机作为数据处理的核心部件，并扩展一些外围芯片，组成一个可以完成自我检测，标定的智能仪器。具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，所以可以应用于

55、传统测量。测量数据经PH电极转化为电压信号，信号调整电路对信号进行放大，调整。处理电路采用多级放大电路。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。输入电路PMOS提供非常高的阻抗。并且具有非常快的响应速度。还具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益；输出部分含有自身保护电路来保护由于负载短路造成的损害。可完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等，非常适合此电路设计。本文采用3个CA3140来构成双高阻抗差分输入电路。第四章 基于MAX232通讯模块现代信息网络技术的一个突出特点，是工业控制系统中的所有设备连接到网络，产生一个核心软件管理工作，形成一个有机的整体。整个网络模式在现代工业控制系统有一个传统的独立控制系统无法比拟的先进，不仅可以大大提高生产效率的工业设备，还可大大提高安全性和可靠性。单片机诞生以来，其性能稳定，价格低廉，功能