pH测试仪的设计毕业论文

长 春 工 业 大 学

毕业设计、毕业论文

题 目: pH测试仪的设计

学 院: 电气与电气工程学院

专业班级: 生物医学工程060312

指导教师: 陈戈华

2010年6月10日

摘要

本文设计的pH测试仪采用电化学原理及单片微型计算机技术完成对各种溶液中氢离子浓度的测定。本论文详细地论述了pH测试仪的设计，包括氢离子浓度的测量原理、标定方法、传感器设计，测量电路原理图和系统软件的设计。

pH测试仪配用适当的参比电极和指示电极能够对氢离子的浓度进行测定。采用的三电极测量系统可大大降低外界干扰的影响。输入电路采用高阻差分放大电路，输入电阻可高达1012。传感器的独特设计可以降低参比电极内溶液的离子干扰。仪器电路以MCS-51单片机系统为核心，使本仪器的智能化程度高。这样，使其具有校准记忆，能自动调节斜率，温度自动补偿的能力及检测时间定时等功能。采用人机对话方式，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。

关键词：三电极；两点标定；高阻；温度补偿

TITLE：The Design of the pH Instrument

Abstract

On the basis of electrochemical principle and single-chip microcomputer techniques, this system can measure activity in solution. The paper details the research and design of intelligent versatile ion meter, including the measuring principle, the calibration way, the design of transducer, measuring circuit software scheme .

The pH tester is equipped with the appropriate reference electrode and indicator electrode to the concentration of hydrogen ions was determined. We used three-electrode measurement system can greatly reduce the impact of outside interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. Instrument circuit system to MCS-51 microcontroller core, is the instrument of high intelligence. Thus, it has a calibration memory, can automatically adjust the slope, automatic temperature compensation capability and the detection time timer functions. The use of man-machine dialogue, enabling automatic measurement, calibration, storage, display data functions. We use two points of calibration to calibrate the instrument.

Key words: pH value; Temperature Compensation; The correct calibration of

pH Meter

目 录

第一章 绪论 ........................................................ - 1 -

1.1 课题背景 ...................................................... - 1 -

1.2 PH测试仪研究的必要性 ......................................... - 2 -

1.3 PH测试仪的发展概况 ........................................... - 3 -

1.4主要内容 ...................................................... - 4 -

第二章 PH测试仪的整体设计 .......................................... - 5 -

2.1 PH测试仪的测量原理 ........................................... - 5 -

2.1.1 三电极测量系统 ............................................ - 6 -

2.1.2 两点标定法 ................................................ - 6 -

2.2 PH测试仪的测量方法 ........................................... - 8 -

2.2.1指示电极 .................................................. - 8 -

2.2.2 参比电极 ................................................. - 10 -

2.2.3 测量电池的电动势 ......................................... - 11 -

2.3 温度对测量的影响 ............................................. - 13 -

2.4 检测下限与测量范围 ........................................... - 13 -

2.5 方案论证 ..................................................... - 14 -

2.6 本章小结 ..................................................... - 16 -

第三章 PH测试仪的硬件设计 ......................................... - 17 -

3.1 PH测试仪的电路原理图 ........................................ - 17 -

3.2 输入电路 ..................................................... - 18 -

3.2.1温度采集电路 ............................................. - 18 -

3.2.2 pH信号采集电路 .......................................... - 19 -

3.3 模拟转换开关 ................................................. - 20 -

3.4 A/D转换器 ................................................... - 21 -

3.5 D/A转换器 ................................................... - 23 -

3.6 标准信号输出电路 ............................................. - 24 -

3.7电源模块的设计 ............................................... - 25 -

3.8键盘和显示的设计 ............................................. - 25 -

3.9 总线扩展电路 ................................................. - 26 -

3.10 本章小结 .................................................... - 28 -

第四章 PH测试仪的软件设计 ......................................... - 29 -

4.1 软件控制程序设计的主要内容 ................................... - 29 -

4.2系统主程序 ................................................... - 29 -

4.3 标定子程序 ................................................... - 31 -

4.4 测量子程序 ................................................... - 32 -

4.5 本章小结 ..................................................... - 32 -

第五章 仪表的功能测试及误差分析 ................................... - 34 -

5.1 数据分析 ..................................................... - 34 -

5.2 误差分析 ..................................................... - 34 -

5.2 结 论 ........................................................ - 35 - 参考文献 .......................................................... - 37 - 致 谢 .............................................. 错误！未定义书签。 附 录 .......................................................... - 40 -

第一章 绪论

1.1 课题背景

本文所设计的pH测试仪，归属于电位式分析仪器。在测量溶液中的氢离子浓度时用到电位分析法。电位分析法是指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。用于该分析法的仪器成为电位式分析仪器。[1]

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）。高阻毫伏计是检测测量电池电动势的电子仪器，如果它兼有直接读出待测离子浓度的功能，就是离子计。[2]

电位式分析仪器具有读数直观、清晰和测量精确度高的优点。随着化学传感器(电极）、电子技术和计算机的发展应用日趋广泛。

电子技术的发展，促进了电位法测量仪器的不断更新。数字式直流电压表的普及，使仪器能够很快的数字化。这也使电位法测量仪器的发展进入了一个崭新领域。 pH测试仪随着化学仪表的发展，也不断地更新换代。在电子技术飞速发展的基础上，pH测试仪的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。各种智能型芯片被应用于分析仪器中[3]，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。

微型计算机技术的发展使得制造智能化的新型电位分析仪器成为了可能。随着计算机的发展与普及，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，以及温度自动补偿、自动校正等多种功能。[4]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。

pH测试仪主要是对溶液中氢离子浓度的测量。它是工业生产中的重要分析内容之一，在生产过程中经常要分析中间产物及生产过程中各种离子活度。[5]例如：在电厂水汽分析中，测定氢离子含量，过去我们常用化学分析法、如容量法，但是这种分析方法周期长，不能满足自动化的要求。利用电化学原理，通过在零电流条

件下对非极化电极的电位进行测定，可以准确获得被测溶液氢离子浓度。这种方法是近代发展起来的一类分析方法，成为电位分析法，它是根据发生特定反应电池的电特性进行分析。与其它分析方法相比，具有准确、可靠、迅速等优点，已成为分析化学中的一个重要方面，在自然科学的许多领域里得到了应用，并成为常规和工业自动分析中的一种不可缺少的手段。[6]

1.2 pH测试仪研究的必要性

溶液酸碱度的检测，在工业生产中具有重要的意义。例如：测量工业废水的酸碱度，以便选择合适的化学物质进行中和，使其生成无毒无污染便于沉淀或蒸发的物质。过程用pH测试仪在各行各业的原材料测定、管理、制造工程中，对反应条件的控制、监视，以及对产品质量的检测等方面起了极其重要的作用。除此以外，为了防止公害，pH测试仪作为排水监测仪表，作用也很大。随着现代化的工业生产向大型、高效、快速的方向发展和自动化程度的提高,工业pH测试仪的应用领域和需求量也日益扩大。[7]目前工业pH测试仪已广泛的应用于石油、化工、钢铁、电力、食品、酿造、医药、纺织、制革、造纸、印染、水处理、锅炉系统等各个工业部门。而且越来越显示出工业pH测试仪将成为上述工业部门中检测和控制所必不可少的有效工具。例如，在印染行业，pH值的精确度对染料的高吸收率是衡量印染过程是否有效的重要因素之一，这无论对于节省原材料，减少冲洗槽的数量，还是对于以后的污水处理来说，都十分有益。染料的吸收率取决于纤维材料，终点pH终点温度，染色深度以及染色时间，特别是终点温度及终点pH尤其重要。通常通过仪器对时间和温度曲线进行自动控制，而对pH值只是简单的通过加入染料进行调节。在最终检查pH值的时候经常会发现变化很大。即使使用了缓冲染料后, 终点pH 值都不尽准确并且各个罐批之间差值很大，这是就需加入例外的酸进行调节。终点pH值的重复性不好会直接影响染料吸收的效率及均匀度。

离子选择性电极法，在工业生产中也得到了广泛的应用。电极法简单易行，便于重复测定，标准偏差小，因而分析结果比较准确。电极法不需要许多昂贵的度数设备，例如曲线的线化电路、积分器和图纸记录仪等，通过离子计可直接读取浓度值。电极法分析还可以节省时间，仅需几分钟，典型的单词分析时间为1分钟。在许多情况下，用电极进行多样分析比其他自动分析以更快。由于电极可以携带，故测量并不局限在实验室进行。质量控制分析可以直接在工厂现场完成，所用方法是相同的。采样可以在水库、江河、溪流的岸边进行，实验室外所用的方法与实验室内的相同。[8]电极法是灵敏的，可测量低μg/L。电极直接测量法与样品体积无关。

我们使用离子电极分析发来测量离子的浓度，具有简便、快速的特点。另外，由于离子电极分析法所依据的电位变化可供连续显示与自动记录，因而使用这种方

法有利于实现连续与自动分析。在这方面，电子计算机技术的迅猛发展，微处理机、微型计算机等的应用，更加速了离子电极测试仪表与数据处理的计算机化进程，所以研究新型的pH测试仪是必要的。二十世纪七十年代后期国外出现了许多微机化pH测试仪，这些pH测试仪的功能全面，但其价格比较昂贵，维护量比较大。所以研究一种经济实用型pH测试仪是很有必要的。[9]

1.3 pH测试仪的发展概况

pH测试仪在日本发展很快，特别是70年代和80年代，日本的产品紧跟时代潮流，每个时期的产品都具有时代的特点，都具有代表性及世界的先进性。

世界上第一台商品pH计[21]，是Arnold Beckman于1936年研制生产的。工业pH计的问世约于4O年代末期。日本生产的第一台工业pH计是于1951年由日本电气式化学计研究所(DKK 前身)研制生产的，1953年日本横河电机开始研制生产工业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。人们习惯上把阻抗变换、放大、指示部分叫pH计或pH变送器。而现代的工业pH测定装置，或称为工业pH计，则应包括pH传感器、支架、pH变送器，安全保持器、电极清洗单元、配电箱等一个完整的系统。

70年代是工业pH测试仪具有突破性进展的年代。由于生产过程监测和控制的实际需要和先进的科学技术的开发，IC和FET的出现，使工业pH计在7O年代取得了突破性的进展。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，于1971年首次推出由pH传感器、高阻变换器和指示器构成一体化结构的8511型(流通式)pH变送器，并由pH变送器、超声波振荡器和安全保持器组成小型工业pH 系统。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。[10]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。1979年，横河电机在8511型pH 变送器的基础上,推出pH6F型pH变送器；后又于1982年推出pH8F型pH变送器。并由pH 8 F型变送器与pH传感器及其辅助设备构成了pH Σ系列。该pHΣ系列曾在我国1983年多国仪器仪表展览会上展出，受到好评。

80年代是工业pH计微机化、智能化的年代。自从1971年微处理机问世以来，由于其独特的功能，引起了人们极大的兴趣。科研生产单位首先研制生产了带微处理机的实验室pH计。而工业pH计的微机化约于1983年。1984年日本电气化学计生产了HBM—51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；输出同步功能及pH标准液在各温度下pH值的存储功能等。1987年9月，日本横河电机在pHΣ系列的基础上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 pH 200 G型智能式工业pH计，[11]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、智能化普及的年代。90年代用户对工业pH计的要求为：①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。②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，以及具有人机对话和通讯功能。③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。④2线式传输，具有标准信号输出，便于和计算机联用。⑤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。

1.4主要内容

pH测试仪是一种利用电化学原理设计制造的新型电位式测量仪器，在本课题研制过程中，设计了pH测试仪的pH信号输入电路和温度采集电路，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；而温度采集电路用AD590温度传感器的放大电路完成温度采集功能。用4051对进来的温度和pH信号进行选择并送入MC14433，MC14433将其中之一的模拟信号转换为数字信号，并将其送入单片机进行下一步操作。最后仪器将所得的pH值存储到单片机，并由LCD显示。文中对相应的输入、输出电路进行计算。并列举了系统主程序、键盘子程序、标定子程序和测量子程序等流程框图。

第二章 pH测试仪的整体设计

2.1 pH测试仪的测量原理

数学模型的建立:水溶液的酸碱度与被测溶液的pH值关系，可以用能斯特方程表示为

EE02.303RT/F*pH （2-1）

E0：电极的标准点位；

R：气体的常数R=8.314焦耳/摩；

T：绝对温度T=273.15+t；

F：法拉第常数F=96500库/摩。

把常数带入（2-1）

EE0（54.20+0.1984t）*pH

EE0pH （2-2） 54.200.1984t

我们采用电极的零电位pH=7,则 E pH （2-3） 754.200.1984t

由（2-3）式可知，pH值与电极产生的电势呈线性，并且与温度有关。

随着电极的使用，其转换率降低，pH响应时间变长。因此，必须对其电极的转换率进行修正，一般电极的转换率低于94%就不能使用了，再考虑电极的固有误差，则（2-3）式变为 pHKx(EEx) （2-4） 754.200.1984t

Kx：电极的补偿斜率；

Kx，Ex都是由固定溶液测定的。 Ex：电极的固有误差；

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=9.182。把pH=6.864代入（2-4）得 6.8647

ExE6.86

Kx(E6.86Ex)E理2-E理1（理论mV数）Kx (2-5) 54.200.1984tE实2-E实2（实际mV数）0.136(54.200.1984t) Kx

把（2-5）代入（2-4）得 pH6.864Kx(EE6.86) (2-6) 54.200.1984t

E6.86为玻璃电极再pH=6.864标准溶液产生的电动势。

2.1.1 三电极测量系统

因为固体电极的内阻较高，测量池中又增设了溶液接地电极，所以仪器的测量

电路中，必须中必须有双高阻电路。图2-1是这种三电极测量电路的示意。由图2-1

可知，变送器的输入级由两个相同的高输入阻抗放大器3、6组成。用放大器3测

量参比电极与溶液接地电极之间的电势；用放大器6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（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。从图2-1可知，这样

的测量系统可消除由于大地回路漏电流引起的测量误差，具有较强的抗干扰能力。

图2-1 三电极系统

2.1.2 两点标定法

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。

过程如下：

（1）配制两种标准溶液，令其pH值分别为pH1和pH2。

（2）把pH探头与温度传感器置于标准溶液中，则可以测得相应的电压和温度

值，如图2-1中的P1、P2点。

依据电极理论：

mV2(pH2pH0) K 2 (2-7)

pH0) K 1 (2-8) 1(pH1 mV

) K K2K1(T2T1 (2-9)

式中K1、K2——对应T1、T2的电极斜率；

pH0——电极零电位的pH值；

K——电极斜率随温度的变化率（K=0.1984073）。

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。

电极标定过程即求电极的零点和确定温度下的斜率。选用两点标定方法来实现

自动标定。如图2-2所示。

图2-2 pH电极的mV-pH曲线

2.2 pH测试仪的测量方法

测量pH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得PH值。试纸法是通过pH试纸颜色的变化来测量溶液的pH值。是采用有些指示剂在不同的酸碱度下能呈现变化或变化为不同颜色这一特性来测量溶液酸碱度的一种方法。它方便、快捷。但会受到溶液本身颜色或蛋白质等物质的干扰而被限制采用．只适用于分辨力大于0.5pH值的测量；而对于分辨力小于0.5pH的测量，我们均采用电位法即用pH测试仪进行测量。这里主要介绍这种测量方法。

电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。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，如H+；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是测量溶液相通，并且与测量仪表相连。例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成，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，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。这种（如上所述）由金属和含有此金属离子的溶液组成的电极被称为第一类电极。

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。这种具有独立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极，金属导线都是覆盖一层此种金属的微溶性盐（如：Ag/AgCl），并且插入含有此种金属盐限离子的电解质溶中。此时半电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。

pH测试仪是根据pH实用定义采用氢离子选择性电极测量水溶液pH值的一种广泛使用的化学分析仪器，是用其电势法测量pH值的。

2.2.1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。各种离子选择性电极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及其制备技术，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

EE0Slga（式中阳离子取“+”号，阴离子取“-”）

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范围内维持基本不变，当活度小于一定值时，斜率明显的变小。如下图，当离子活度从大变小直到无限稀时，E-lga曲线与直逐渐弯曲，直至与水平轴平行。这说明在活度低时，测量受到一定的限制。指示电极的测量范围上限，一般为1mol/L.这并不是说电极在更浓的溶液中不能响应，主要考虑液接电位难稳定。此外，有些液膜电极在浓溶液中无响应，还有固体膜电极在浓溶液中受腐蚀严重。

最常用的pH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃管。

指示电极是组成电位式分析仪器的基本部件，大部分指示电极是离子选择性电极。离子选择性电极是具有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及制备技术。

离子选择性电极的敏感膜都有渗透性，也就是说被测溶液中的特定离子可以进入膜内，并在膜内移动，从而可以传递电荷，在溶液和膜之间形成一定的点位。而膜的渗透性是具有选择性的，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根本道理。

1— 参比电极；2—参比电极；3—敏感膜

图2-3 膜电位示意

图2-3是测量离子选择性敏感膜电位的示意图，图中的1与2是完全相同的参

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。在一定测量范围内，相界面电位与离子浓度关系符合能斯特方程：

RTlnanF (2-10) RTE2E0lna2nFEE0

式中a1，a2——敏感膜两边溶液的离子浓度；

E0——离子浓度a=1，温度为t时的电位值（温度不同，E0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

EE2E1RTRTlna2lna1 (2-11) nFnF

2.2.2 参比电极

同样测量离子选择性电极电位必须有参比电极。在压力、温度一定的条件下，当被测液的组成改变时，参比电极的电极电位（不包括液接电位）应保持恒定。参比电极应具有可逆性、重现性和稳定性。常用的参比电极有氢电极、甘汞电极、银-氯化银电极、固体参比电极和其他参比电极

本设计使用的是银-氯化银电极，它是一种方便可靠的电极，在电位稳定性和重现性方面都比较好，特别是在高温下电极电位仍然比较稳定。虽然它的温度系数较大，但“热滞后”现象比甘汞电极下。现在离子选择性电极的内参比电极多采用银-氯化银电极。

(a) 单接界 (b) 双结界1—引线；2—KCl溶液；3—AgCl丝；4—磨口接口；5—陶瓷芯；6—外盐桥液

图2-4 银-氯化银外参比电极结构示意图

银-氯化银电极表示为KCl，AgCl（饱和）|AgCl（固体），Ag

其中AgCl是Ag的固体难溶盐，KCl溶液提供Cl-1（也可用HCl来提供）。电极反应为：

AgCleAgCl

电极电位为： -

RTlnacl （2-12） F

- 当Cl浓度和温度一定时，电极电位是一常数。尽管KCl内充液的浓度可以 EE0

不同，但所用的KCl溶液必须是AgCl的饱和溶液，否则覆盖在银表面的一层AgCl将溶解到KCl溶液中，这将引起电极电位漂移或缩短电极的使用寿命。

甘汞电极和银-氯化银电极的内充液都可以做成凝胶形式这样可以不用添加

KCl补充液。

2.2.3 测量电池的电动势

在使用pH测试仪进行测定时，总是将待测溶液作为化学电池的一个组成部分而进行分析工作的。

化学电池是一个换能器，它是一个化学电源，将化学能转变为电能，它由两个电极和接通两电极的电解质溶液组成。在外电路没有接通时，两电极存在电位差，该电位差等于原电池的电动势。正是这一电动势的存在，在外电路接通时，才能有电流在内外电路中流动。原电池的电动势与两电极各自的电位有关，通常把金属和它插入的该金属的盐溶液构成的体系称为半电池，并称该金属为电极。金属与溶液间的电位差叫做该电极的电位。电极电位不仅与金属的种类有关，而且与该溶液中金属的离子浓度有关。

测量电池各部的电位如图2-5所示。测量电池的电动势可写为

E=（ED+E不对称+E1+E2+ E内参） (2-13)

对于确定的测量电池，ED、E不对称、E1、E内参、E外参、E液接为常数，所以上式可表示为

RTlna外 (2-14) nF

式中E0= ED+E不对称+E1+E2+ E内参-E外参+ E液接 。这里的E0与温度有关，只有在温度不变时，E才仅由a外决定。 EE0

1— 指示电极；2—参比电极；3—被测溶液；E—测量电池电动势；Ed—膜内扩散电位；E不对称

—膜内不对称电位；E内参—内参比电极；E外参—外参比电极；E液接—外参比电极的内充夜与待测液间的液接电位；E1—敏感膜内侧的相界面电位；E2—敏感膜外侧的相界面电位。

图2-5 测量电池电位示意

2.3 温度对测量的影响 RTlna代入R、F的值，并把lna换成2.303lga，则可变为如下形式 nF

T EE00.1984lga (2-15) n

对温度T求导数

dEdE00.19840.1984Tdlgalga (2-16) dTdTnndT

dE可理解为温度变化一个单位时测量电池电动势的变化值，即测量电池的温度dT

系数，式表明它由三部分组成。

dE0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、dT

内充夜、内外参比电极等的温度特性有关。

0.1984lga是能斯特方程系数斜率项。当n=1,温度变化1℃，则斜率变0.1984mV；n

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。

0.1984Tdlga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ndT在EE0

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，严格地说，在表明标准也和被测浓度的同时也应标明其温度。

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。

2.4 检测下限与测量范围

电极的响应斜率只在一定的浓度范围内维持不变，当浓度小于一定值时，斜率明显变小。当选择性离子浓度从大变小直至无限稀时，E-lna曲线由直线逐渐弯曲，直至与水平轴平行。这说明在低浓度时，测量受到一定限制。国际纯化学与应用化学协会规定，检测下限指在低浓度方向斜率值为理论斜率70%时曲线上的点对应的浓度值。由于此点不易确定，又推荐用下述方法确定检测下限：把E-lna直线部分外推，再在电极的选择性离子的浓度为无限低时，由E-lna曲线上的对应点作平行于浓度对数轴的直线，两直线交点所对应的浓度值即为检测下限，如图2-6中A点对应的a0点。

图2-6 Elga曲线

测量范围的上限一般用经验方法确定，大多数以a=1mol/L作为测量范围上限。这并不是电极在更浓的溶液中不能响应，主要考虑液接电位难稳定。此外，有些液膜电极在浓溶液中无响应，有些固膜电极在浓溶液中受腐蚀严重，影响使用寿命。因此，根据各电极的具体情况，也可以把电极的测量上限规定小于1mol/L。

2.5 方案论证

本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。电化学测量三电极：指示电极，辅助电极(对电极)，参比电极。

参比电极的作用是在测量过程中提供一个稳定的电极电位，对于一个三电极的测试系统，之所以要有一个参比电极，是因为有些时候指示电极和辅助电极(对电极)的电极电位在测试过程中都会发生变化的，为了确切的知道其中某一个电极的电位(通常我们关心的是工作电极的电极电位)，我们就必须有一个在测试过程中电极电位恒定的电极作为参比来进行测量。如果可以确定辅助电极的电极电位在测试过程中是不发生变化或者变化可以忽略不计时，我们就不必使用参比电极.这就是所谓的双电极测试系统，辅助电极的作用是在整个测试中形成一个可以让电流通过的回路，只有一个电极外电路上是不可能有稳定的电流通过的。这就好比电路里面必须要有火线和零线一样。因此辅助电极对于电化学测试是必须的，而参比电极则可以根据具体情况进行选择，并不是一定要有的。参比电极(Reference electrode)：参比

电极具有已知恒定的电位，为研究对象提供一个电位标准。测量时，参比电极上通过的电流极小，不致引起参比电极的极化。 由于体系中有电流通过，产生了溶液电压降和对电极的极化，因此工作电极的电位难以准确测定，由此引入参比电极。参比电极有着非常稳定的电位，且电流不经过参比电极不会引起极化，从而工作电极的电位可以由参比电极得到，而电流由工作电极-辅助电极回路得到。当体系中没有电流通过，工作电极的电位可以由对电极直接准确测定，因此可以用双电极体系。

由此可得，如果体系中没有电流通过，都可以用双电极体系。一旦有电流通过,要采用三电极体系，以同时测得工作电极的电位和电流。所以本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。

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。

方案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陶瓷制成。其特点是，在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。可满足40℃-90℃测量范围，但热敏电阻精度、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。

方案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：

Rt=R0(1+At+Bt*t) (2-17) 其中Rt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。

方案3：采用集成温度传感器AD590。它是电流型温度传感器。这种器件以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1A/K。它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输线上的电压信号损失和噪音干扰问题，因此特别适合作为远程测量或控制用。另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光调技术校准，使得AD590具有很高的精度。并且应用电路简单，便于设计。

方案选择：选择方案3。理由：电路简单稳定可靠、无需调试，与A/D连接方便。

2.6 本章小结

本章主要介绍pH测量仪的测量原理和两点标定法标定原理。其中还介绍了介绍参比电极和指示电极的基本概念和基本工作原理以及温度对测量的影响以及测量下限与测量范围。

本章对三电极测量系统和双电极测量系统进行了对比。如果体系中没有电流通过，都可以用双电极体系。一旦有电流通过,要采用三电极体系，以同时测得工作电极的电位和电流。所以本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。

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。所以必须用两点标定方法，即在此标定过程中，计算出电极零点和确定温度下的斜率，从而计算得出pH值。

第三章 pH测试仪的硬件设计

具有计算机的功能的芯片成为单片机，它体积小，重量轻，抗干扰能力强，开发较为容易，所以可以把它应用于传统的仪器中。本系统就是以MCS-51型单片微型计算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检、运行、标定等功能的智能型仪器。

3.1 pH测试仪的电路原理图

测量数据经pH电极转化为的电压信号，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CA314O正相放大。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人信号的零点。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。温度传感器将液体内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。电子开关采用4051芯片。本设计控制位只需2位，此将A、B信号接单片机，用来控制12、13、14、l5的4路输入，4051其他几路输入接地，INH禁止端接地。由于单片机采用+5V 电压。电子开关为±6V。器件之间需要光电隔离进行抗扰。被选信号通过LM33l进行幅频转换。经过光电隔离输入单片机。单片机以一段时间为基准读取频率数值．将频率数值换算成pH数值，用以操作。

图3-1 p H测试仪电路原理框图

3.2 输入电路 3.2.1温度采集电路

方案选择温度传感器将液体内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。本文设计的温度采集电路运用AD590温度传感器。AD590是美国模拟器件公司生产的单片机集成两端感温电流源，它的主要特性如下： 1、每增加1℃，它会增加1μA输出电流； 2、可测量范围-55℃至150℃； 3、供电电压范围+4V至+30V。 AD590的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此室温25℃时，其输出电流Ioutt=（273+25）=298μA。

图3-2所示是一个电压串联负反馈电路中，由于输入电流（即信号电流）等于反馈电流，集成运放的两个输入端电位均为零，称为“虚地”。电压放大倍数

R13(R12R11)

W1R13

（3-1）

A

3.2.2 pH信号采集电路

测量数据经pH电极转化为微弱的电压信号，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CA314O正相放大。提高输入阻抗。增强抗干扰能力；第二级反相放大，采用可调电阻做反馈电阻，放大倍

在图（3-3）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。

由欧姆定律得：

Vo1Vo21(R1R2)/R3(V1V2) （3-5）

输入级也称为差分输入，U3为差分放大器，因此有：

Vo(R2/R1)(Vo2Vo1) （3-6）

将两式结合在一起：

VoA(V2V1) （3-7）

AA1A21(R1R2)/R3(R2/R1) （3-8）

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V0达到模数转换所需的电压范围，送入单片机DAC0832模／数端进行数据处理。另外，通过适当调节U3中的电阻Rw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。作为前值运算放大器，应有以下几个要求： 1.放大器的输入电流要小；

2.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；

3.小的温度漂移系数。

所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。

3.3 模拟转换开关

CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH

4051主要将输入的pH信号和温度信号进行选择，选择其中之一进入A/D转换器进行A/D转换。主要因为A/D转换器一次仅能转换一个信号，而且价格较贵，若采用两个A/D转换器，则设计成本将会增加。故用4051进行信号选择。

3.4 A/D转换器

本pH测试仪，测量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MC14433芯片，作为模数转换电路。MC14433是主要对从输入电路进来的pH和温度信号经模拟电子开关选择的信号进行模数转换。MC14433信号双积分型的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，约1-10次/s。在不要求高速转换的数据采集系统中，被广泛应用。它的被转换电压量程为

千位，DS4对应各位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，2个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期；

Q1-Q3：BCD码数据输出线。其中Q0为最低位，Q3为最高位。当DS2、DS2和DS4选通期间，输出3位完整的BCD码数，但在DS1（千位）选通期间，输出端Q0-Q3除了表示千位的0或1外，还表示被转换电压的正负极性（Q2=1为正）以及欠量程还是过量程。

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Xfer=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，Iout2+Iout1=常数；

Rfb：外部反馈信号输入端，内部已有反馈电阻Rfb，根据需要也可外接反

馈电阻；

Vcc：电源输入端，可在+5V-+15V范围内；

DGND：数字信号地；

AGND:模拟信号地，最好与基准电压共地。

DAC0832内部的8位输入寄存器用于存放CPU送来的数字量，是输入数字量得到缓冲和所存，由LE1端加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，

选R=Rfb，则上式变为

Vo

Vi

256 （3-10）

B

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。回车键即为输入、

长春工业大学学士学位毕业论文

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。如图3-9所示。

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、中文字型及图形，具有绘图及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12×4个（16×16点阵）中文汉字。

址32K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE/VPP为数据输出选通线/编程电源。

译码器GAL16V8是可编程逻辑控制器，可加密。为了简化电路，以及适应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(generic array logic)GAL16V8。这样可以减少元器件数量、降低线路复杂程度，同时降低故障机率及提高硬件设计的灵活性。

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内部工作，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。

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。

3.10 本章小结

本章主要讲pH测试仪的硬件设计。单片机89C52通过发送地址信号将27256

和28C64之一选通，其中28C64主要用来存储标定数据、斜率、历史曲线，程序存储器27256主要存储汉字库。译码器GAL16V8是可编程逻辑控制器，可加密。地址锁存器74LS373作为这些芯片的驱动器，能够进行三态总线驱动输出。

输入电路包括温度采集电路和pH信号采集电路。温度采集电路用的温度传感器采用AD590，其输出电流与K氏温度基准为1μA /℃，然后通过温度放大电路将温度信号进行放大。pH信号测量选用三电极测量系统，电路采用2个CA3140来构成双高阻抗差分输入电路。温度信号和pH信号进入4051，进行信号选择，再将选择的信号通入MC14433进行A/D转换，送入单片机进行各项处理。单片机微机系统输出的数字信号经DAC0832送入输出电路，输出电路可输出0-10mA或4-20mA的电流信号和0-5mV或0-10mV的电压信号。

第四章 pH测试仪的软件设计

4.1 软件控制程序设计的主要内容

要设计一台pH测试仪，除了进行硬件设计外，还要进行软件编程，许多过去用硬件电路实现的功能现在也可以用软件来实现，这样不仅可以增强仪器的功能，还可以提高仪器的精密度，使仪器结构紧凑节省投资。

pH测试仪的特点就是将电极在溶液中的电位信号送入计算机后，用软件功能代替传统的pH测试仪中功能调节的功能，如电极系数矫正器，定位调节器和温度补偿等一切硬件调节全部用软件功能代替。

通过单片机的应用，仪器进行了智能化，使得增加了一些硬件所难以实现的功能。在采用二次标准添加法时，可以采用迭代法求解的数据处理功能。这样pH测试仪性能会很强，分析精度得到提高，操作也比较简单。

系统采用MCS-51单片机作为中央处理器，监控程序由MCS-51单片机汇编语言编制，整个程序由主程序测量子程序，自动标定子程序及键盘中断显示子程序组成。由于整个程序控制软件较庞大，为了便于编写、调试、修改和增减，

4.2系统主程序

系统主程序的作用是完成系统自检，初始化，处理键盘命令，并完成显示等功能，是控制系统按预定方式运转的程序，能实现人机对话，标定及报警等功能。 系统中自检程序的作用是确保系统能够自动运行的前提，它包括检测指令系统中断功能，显示器LED检测、检测RAM、检测A/D、检测放大电路等，指令系统检测方案是执行一段计算程序，其指令包括：数据传送指令、逻辑运算指令、位操作指令、控制转移指令。然后判断运算结果与已知值是否相等，如果相等就顺序执行程序，如果不相等就产生报警。检测中断的方案是以定时中断为代表，设置定时器中断，在中断子程序中设置标志，执行延时程序（延时时间等于定时器定时）延时时间，查询是否有标志，如果正常就继续，否则就报警。检测RAM方案，它是让每个字节都写入55H再读出比较，每个字节都写入0AAH，在读出比较，如果正常就继续，如果不正常就报警。其它的检测方案和上述类似。

图4-1 系统主程序

4.3 标定子程序

在进入定标之后，首先判断定标是初次定标还是再次定标，如果是初次定标，只有定完pH=7这点，才能进入定pH=4（或10），如果是再次定标，则可pH=7或pH=4（或10）选择定标。

当操作者按标定键，仪器即得到执行两点标定法的命令，这时“标1”灯亮，是提示操作者将已知值为pH的标样注人测量池，操作者按提示完成后，需按输人键通知仪器此项操作已完成。当“标2”灯亮，是提示操作者将测量池中的标样l排掉，将已知值为pH2的标样2注入测量池，操作者按提示完成后需按输入键通知仪器此项操作已完成。当“排液”灯亮，是提示操作者标定程序已完成，可排掉标样2，将测量池清洗后注人被测水样，操作者按提示操作后需按输人键通知仪器

此项操作已完成，仪器即自动进人两点标定法的测量状态，执行相应的测量程序。

图4-2 标定子程序

4.4 测量子程序

用两点标定法完成定标后，就可以进入测量了。pH测试仪通过相应的亮点标定

程序软件算出测量所需的E0和斜率K值，根据输入进来的温度进行温度补偿，然后修改斜率K值，计算pH值，进行显示。

图4-3 测量子程序

4.5 本章小结

本章节主要介绍pH测试仪的软件设计包括系统主程序流程图、标定子程序和测量子程序流程图。主程序主要是系统初始化；进行显示器清零；判断是否有键按下，若有键按下，则执行相应安检任务，若没有键按下，则进行AD转换，进入pH计算子程序，然后进行显示，再进行D/A输出，最后返回到初始化状态进行反复以上操作。标定子

程序就是标定P1点进行存储，标定P2点进行存储。计算标准电极电位和斜率。用两点标定法完成定标后，就可以进入测量了。pH测试仪通过相应的亮点标定程序软件算出测量所需的E0和斜率K值，根据输入进来的温度进行温度补偿，然后修改斜率K值，计算pH值，进行显示。

第五章 仪表的功能测试及误差分析

为了检测本次课题设计的仪器的功能和可靠性，对该仪器进行了功能测试。

5.1 数据分析

注：上表酸碱度的值均为25℃下的标准值。上表中仪器测量值为所设计的pH测试仪的实际测试值。

与传统的酸碱度计相比，本文设计具有更加强大的功能有多种强大的功能，有多种接口，便于模块化；在整个设计中充分考虑了电磁干扰，严格按照相应的标准布局和布线，具有较强的抗干扰能力，适用于环境比较恶劣的情况；本设计中采用一块32K的FLASH，它可以在程序运行的过程中进行读写，因此可以用来存储pH电极在标准液中的修正数据，从而避免了传统仪器每次开机人工校正的过程，简短了测量周期，符合测量仪器快速检测的原则；通过设置相应的参考值，本设计可以在线监测相关参数，并且具有报警和自动清洗功能。本设计采用高精度电容和电阻，提高整个系统的稳定性和精确性。

5.2 误差分析

pH测试仪的误差引起原因主要有：

1. 来自放大器的零漂。尽管采用高性能运算放大器及高精度优质阻容器件，如果零漂仍然存在，可采用零点自动补偿消除。其方法为，设零漂为：V0=Vik其中：V0为输入信号为零时，运放的输出量Vi折算到运算输入端的等效零漂，K为放大器的放大倍数。零位补偿就是定时自动短路运放输入端后，得到此刻运放输出端零漂值V0，并在测量V值时减去V0采用这种方法，能去掉输入电路、放大电路及A/D转换电路本身的偏差和随时间及温度而发生的各种漂移的影响，从而降低对这些器件的偏差值的要求，降低硬件成本。

2. 来自A/D转换器的量化误差。pH测试仪采用三位半BCD码的转换器，分辨率为1/2000。可以采用全自动校准电路校准误差：其基本思想是在系统开机后或

每隔一定时间自动测量基准参数和零电压，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。

3. 由于没有足够重视仪器的保养或使用不当和使仪器性能降低，造成仪器本身不稳定性，产生仪器内各元器件的骚动，导致误差的产生。就仪器本身精度要求来说 pH1-pHl0范围内其误差范围基本上在1%～0.1% 之间，如果不加以重视，则其误差就可能增大，从而导致测量数据不准。

4. 忽视了电极的保养。测试pH值除了要仪器各项指标稳定外，对电极的要求也非常严格，而这一点也恰是人们容易疏忽的，主要原因如下：

（1）清洗不够，不能将玻璃泡上的污染物彻底清除，而带到下一次测量中引起误差。

（2）平衡时间不够，电极的玻璃液界面还未能达到平衡时就进行测量而引起误差。

（3）搅拌不均匀，浓液中产生浓度差而引起的误差。 （4）电极老化使平衡响应缓慢，出现复校滞后现象造成误差。

5.2 结 论

通过设计硬件电路并结合软件编程设计，使设计pH测试仪测试pH值完成温度补偿和标定功能等，并达到预定的精度。

本文设计的pH测试仪的智能化程度高，仪器的检查、控制数据处理都可以由微处理器来完成，当执行标定程序的时候，可实现人机对话引导式操作。它的一些技术指标如下：

pH测量范围：1-13pH; 精度：0.1pH； 温度测量范围：0-60； 精度：0.5℃；

系统工作环境：室温10℃-45℃，0-99%RH，AC220V15%； 标定方法：两点标定法； 测量系统：三电极法测量。 本文设计的pH测试仪具有以下功能：

a．采用软件温度补偿和电极校正，pH电极电动势和温度的测量电路是独立的，互不影响，调试容易。

b．具有自诊断功能。可自动检查电极是否失效。软件校正计算时，如发现斜率超出范围，就给出提示，以便及时更换电极。

c．由于具有计算功能，使电极校正操作简单。在二点式校正时，用软 校正只

需将电极置于两种标准溶液中各测量一次就可方便、快捷、准确地完成操作，这对于在线控制仪表尤为重要。

d．具有数据存储功能。可以将不同温度下标准溶液的DH值存入程序常数区。校正时根据测得的温度值自动查用标准溶液相应温度的pH值，也可以将有代表性的已处理废水的pH值对温度的曲线存人计算机，根据废水温度对设定值进行修正。 e .可方便地实现温度补偿。不同温度下，标准缓冲溶液的pH值是不同的，微机可将它们列表存入程序常数区。校正时，根据测得的温度值自动查用标准缓冲溶液相应温度的pH值。

通过设计pH测试仪，我学会了很多东西。能够主动学习和查找相关资料，并将其

运用到我所设计的电路中。

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长春工业大学学士学位毕业论文

附 录