开题报告---PH监测系统.doc

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毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目： 基于VB与单片机的pH值
监测系统设计
院 系 名 称： 电气与信息工程学院
专 业 班 级： 测控技术与仪器10-1班
学 生 姓 名：
导 师 姓 名：
开 题 时 间： 2014年3月30日

指导委员会审查意见：

签字： 年 月 日

-可编辑修改-
一、课题研究目的和意义
随着社会不断发展和人民生活水平的不断提高，人们开始不断的关注自己的及人类所处环境的问题。水是生命的起源，但由于近代工业的飞速发展，对我们赖以生存的水资源造成了严重污染，由于水的pH值偏酸性或偏碱性，在人体内都可能引起中毒。
在工业生产中，溶液酸碱度的检测同样具有重要意义。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。这样才能更好的解决和处理水污染问题。因此，设计一套简单可行的水pH值监测系统将在今后的环境保护与治理中将起到重要作用[1]。
该课题可以锻炼本专业学生的传感器应用电路设计、智能化仪器、通讯电路设计以及简单产品的开发能力。
二、 文献综述（课题研究现状及分析）
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[2]，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[3]。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[4]。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[5]。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[6]。
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[7]。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，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[8]。
90年代是工业pH计微机化、智能化普及的年代[9]。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[10]。
三、基本内容、拟解决的主要问题；
设计的基本内容：
本pH监测系统，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。
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。
电位式测量仪器，它用软件来完成电位、pH浓度的测定。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。
本pH监测系统设计是一个可以检测及显示当前液体pH值的便携仪器。该仪器应能独立检测测量值，同时应具有与PC机通讯功能，即可通过PC显示并检测测量值。此装置应具有一定的存储能力可以存储一段时间内的测量数据。
对于本设计的分析以及解决方法如下：
1、PH值的定义：
PH值是水溶液最重要的理化参数之一。凡涉及水溶液的自然现象，化学变化以及生产过程都与pH值有关。
水的pH值是表示水中氢离子活度的负对数值，表示为：
pH=-lg aH+
pH值有时也称氢离子指数，由于氢离子活度的数值往往很小，在应用上很不方便，所以就用pH值这一概念来作为水溶液酸性、碱性的判断指标。而且，氢离子活度的负对数值能够表示出酸性、碱性的变化幅度的数量级的大小，这样应用起来就十分方便，并由此得到：
(1)中性水溶液，pH=-1g aH+=-1g 10^(-7)=7
(2)酸性水溶液，pH<7，pH值越小，表示酸性越强;
(3)碱性水溶液，pH>7，pH值越大，表示碱性越强。
2、pH标度：
pH测量是一种相对测量，它仅仅指示标准溶液与未知溶液之间的pH差别，实际测量时，需要用标准缓冲溶液定期进行校准。因此，为了达到量值的一致，必须建立pH标度。pH表度范围定为0～14pH，pH标度的量值由基准缓冲溶液的pHs值确定。因此，pH标度的含义可表达为：根据pH定义，在0～14pH范围内选择若干个pH缓冲溶液作为pH标度的固定点，并且采用当代技术能达到的最准确的方法测定它们的pHs值。国际上有二种pH标度，即多种基准pH标度和单种基准pH标度。
3、pH测量标定校准：
pH测量通常有比色法和电极法二种。比色法不需要标定，而电极法一定要标定，因为电极法pH测量就是将未知溶液与已知pHs值的标准溶液在测量电池中作比较测定，这是电极法pH测量的“操作定义”所决定的。
4、pH标准缓冲溶液及其特点：
pH缓冲溶液是一种能使pH值保持稳定的溶液。如果向这种溶液中加入少量的酸或碱，或者在溶液中的化学反应产生少量的酸或碱，以及将溶液适当稀释，这个溶液的pH值基本上稳定不变，这种能对抗少量酸或碱或稀释，而使pH值不易发生变化的溶液就称为pH缓冲溶液。
pH标准缓冲溶液具有以下特点：
(1)标准溶液的pH值是已知的，并达到规定的准确度
(2)标准溶液的pH值有良好的复现性和稳定性，具有较大的缓冲容量，较小的稀释值和较小的温度系数。
(3)溶液的制备方法简单
5、正确使用pH复合电极：
(1)球泡前端不应有气泡，如有气泡应用力甩去。
(2)电极从浸泡瓶中取出后，应在去离子水中晃动并甩干，不要用纸巾擦拭球泡，否则由于静电感应电荷转移到玻璃膜上，会延长电势稳定的时间，更好的方法是使用被测溶液冲洗电极。
(3)pH复合电极插入被测溶液后，要搅拌晃动几下再静止放置，这样会加快电极的响应。尤其使用塑壳pH复合电极时，搅拌晃动要厉害一些，因为球泡和塑壳之间会有一个小小的空腔，电极浸入溶液后有时空腔中的气体来不及排除会产生气泡，使球泡或液接界与溶液接触不良，因此必须用力搅拌晃动以排除气泡。
(4)在粘稠性试样中测试之后，电极必须用去离子水反复冲洗多次，以除去粘附在玻璃膜上的试样。有时还需先用其他溶液洗去试样，再用水洗去溶剂，浸入浸泡液中活化。
(5)避免接触强酸强碱或腐蚀性溶液，如果测试此类溶液，应尽量减少浸入时间，用后仔细清洗干净。
(6)避免在无水乙醇、浓硫酸等脱水性介质中使用，它们会损坏球泡表面的水合凝胶层。
(7)塑壳pH复合电极的外壳材料是聚碳酸酯塑料(PC)，PC塑料在有些溶剂中会溶解，如四氯化碳、三氯乙烯、四氢呋喃等，如果测试中含有以上溶剂，就会损坏电极外壳，此时应改用玻璃外壳的pH复合电极。
6、pH计的二点校准：
对于精密级的pH计，除了没有定位和温度补偿调节外，还设有电极斜率调节，它就需要用二种标准缓冲液进行校准。一般先以pH6.86和pH7.00进行定位校准，然后根据测试溶液的酸碱情况，选用pH4.00(酸性)或pH9.18和pH10.01(碱性)缓冲溶液进行斜率校正，具体步骤为：
(1)电极洗净并甩干，浸入pH6.86或pH7.00标准溶液中，仪器温度补偿旋钮置于溶液温度处。待示值稳定后，调节定位旋钮使仪器示值为标准溶液的pHs值
(2)取出电极洗净甩干，浸入第二种标准溶液中。待示值稳定后，调节仪器斜率旋钮，使仪器示值为第二种标准溶液的pHs值
(3)取出电极洗净并甩干，再浸入pH6.86或pH7.00缓冲溶液中。如果误差超过0.02pH，则重复第(1)、(2)步骤，直至二种标准溶液不需要调节旋钮都能显示正确的pHs值。
(4)取出电极并甩干，将pH温度补偿旋钮调节至样品溶液温度，将电极浸入样品溶液，晃动后静止放置，显示稳定后读数。
7、温度对pH测量精度的影响：
对pH电极，温度的影响每一个pH为0.003pH/℃，例如一个0.2级的pH计，在30℃pH7.00缓冲溶液中进行校准，然后测试60℃的溶液(假定溶液的pH范围在pH6～8之间与pH7.00相差一个pH单位)，则温度影响的最大误差就是30×0.003=0.09pH.如果是3个pH单位(在pH4～10范围内)，最大误差就是0.27pH,从中可以看出温度对pH的影响是很大的。为了减少温度对pH测量的误差，应注意以下三点：
(1)尽量选择接近被测溶液pH值的缓冲溶液校准pH计
(2)尽量使校准溶液的温度与被测溶液的温度一致或接近。
(3)应该选择有温度补偿的pH计
精度高于0.1pH的pH计都有温度补偿调节，而0.2级的pH计就不带有温度补偿。有些0.2级的pH计也号称有0.1级的精度，其实这是不可能的，有人是将分辨率0.1pH和精度0.1pH这二个概念进行了混淆。即使以一个pH单位来说，相隔60℃的pH误差就是0.003×60=0.18pH，因此，没有温度补偿的pH计，最高的精度也只有0.2pH。
8、pH感器的选用：
其工作原理为pH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器，通常由化学部分和信号传输部分构成。
9、通讯电路的选用：
由于单片机UART为TTL电平，故需将RS-232电平与TTL电平转换，可直接使用 MAX232，MC1489等实现电平转换功能。
结合以上几点，本设计的结构如图1所示。

单片机
pH感器
按键
显示
通讯电路
PC在线监测

图1 结构示意图
四、技术路线或研究方法
本设计的技术路线实现图如图2所示。
Y
N
Y
N
Y
N
资料检索
确定总体方案、指标
软硬件分配
硬件结构框图设计
元器件选择
电路原理图设计
布线仿真
通过？
元器件焊接、电路板测试
软件总体设计
模块化框图设计
源程序设计及调试
编译通过？
模块链接并形成目标程序
软硬件联合调试
程序固化
系统运行测试
通过？
撰写论文
结束
课题启动

图2 技术路线实现图
(1)确定总体设计方案、指标，然后确定软硬件实现方案；
(2)根据设计方案进行硬件设计，进行电路参数的计算，选择元器件，绘制电路原理图；
(3)硬件焊接、硬件调试；
(4)根据软件方案进行软件流程图设计，软件源代码的编写、调试；
(5)软硬件联合调试；
(6)撰写毕业设计论文，完成毕业设计。

五、进度安排
第01-03周：查找资料，开题报告；
第04-06周：方案论证，总体设计；
第07-09周：硬件设计；
第10-12周：软件设计；
第13-14周：毕业设计说明书的撰写及相关文档整理；
第15-16周：修改毕业设计、准备答辩。
六、主要参考文献
[1] 彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社. 2003，11
[2] 张春霞. pH计的温度补偿. 医疗卫生装备. 2000，3
[3] 承慰才. 电厂化学仪表. 中国电力出版社. 2009，4
[4] 刘欣荣. 通用离子计的研究. 东北电力大学硕士论文. 2003
[5] 张文政. 智能pH—9000酸度计的研制. 北京理工大学学报. 1996，4
[6] 杨成忠. 高精度pH测量仪表的研制. 机电工程. 1997
[7] 单片机原理及应用. 高等教育出版社.2008,12
[8] 陈立春. 仪器分析. 中国轻工业出版社. 2002
[9] 承慰才，王中甲. 电厂化学仪表. 北京. 水利电力出版社. 1998
[10] 张友德. 单片微型机原理应用与实验. 复旦大学出版社. 1991
[11] 何立民. 单片机应用技术选编. 北京航空航天大学出版社. 1996
[12] 董金伟,朱维涛,吴寅．pH计研制与开发．现代科学仪器.2006
[13] 杨素英,尹景鹏,崇仲全等.pH智能测量技术的研究.仪表技术与传感器,2003
[14] 侯传嘉，张艳群.pH测量.北京.中国计量出版社，1993
[15] 刘均华. 智能传感器系统. 西安.西安电子科技大学出版社.1999
[16] 王桂英. pH计不稳定原因的剖析.福州大学学报：自然科学版.1996
[17] 周湄生.pH测量中的电极问题.中国计量，2000
[18] 卢国华，杨万生，李蘅珊.基于AduC812的新型智能酸度计的研制.化工自动化及仪表，2002
[19] 阎石．数字电子技术基础．5版．北京：高等教育出版社，2010
[20] 张永枫，王静霞．单片机应用实训教程．北京：清华大学出版社，2008

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