CN102706947B - 便携式pH仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式pH仪。本发明包括分别是主机部分和探测部分；主机部分共分六个小模块，即电源模块、信号处理模块、A/D转换模块、存储模块、液晶显示模块、单片机处理模块；探测部分包括了2个传感器；2路传感器的信号输入至信号处理模块；信号处理模块的输出接A/D转换模块的输入端；A/D转换模块的输出端接单片机处理模块；信号由单片机处理后连接到液晶显示模块显示；存储模块、复位模块、通信模块都与单片机处理模块相连；所述的电源模块为主机部分供电。本发明实现了高稳定性、高精度、便携式、低成本。

Description

便携式pH仪

技术领域

本发明涉及一种便携式检测仪，尤其是涉及一种便携式pH检测仪。

背景技术

pH测试仪主要是对溶液中氢离子的浓度进行测量。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。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，称为电位分析法，它是根据发生特定反应电池的电特性进行分析。与其他分析方法相比，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，并成为常规工业自动分析中一种不可缺少的手段。

采用电位分析法的仪器称为电位分析仪器，其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。高阻毫伏计是检测测量电池电动势的电子仪器。电位式分析仪器具读数直观、清晰、测量精度高的优点，应用日趋广泛。

目前工业pH 测试仪已经广泛地应用于工业、农业、环保等各个部门。例如石油、化工、钢铁、电力、食品、酿造、医药、纺织、制革、造纸、印染、水处理、锅炉系统等都离不开pH计； 酸碱度对印刷质量亦是一个比较大的影响因素；用便携式pH 计监测滴定终点的方法可敏感、快速测定铁矿石中铁含量, 克服了利用指示剂进行判断的主观性和不精确性。

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。另一方面，为便于不同环境下数据的快速采集分析，如日常溶液pH值检定，对pH计低功耗微型化便携化方面的要求也越来越高。

发明内容

本发明的目的是提供一款具有温度补偿功能的便携式pH计，专门检测溶液pH值。

本发明采用的技术方案是：

本检测仪共分两大部分，分别是主机部分和探测部分。主机部分共分六个小模块，即电源模块、信号处理模块、A/D转换模块、存储模块、液晶显示模块、单片机处理模块。探测部分包括了2个传感器。2路传感器的信号输入至信号处理模块；信号处理模块的输出接A/D转换模块的输入端；A/D转换模块的输出端接单片机处理模块；信号由单片机处理后连接到液晶显示模块显示。存储模块、复位模块、通信模块都与单片机处理模块相连。所述的电源模块为主机部分供电。

所述的电源模块包括第一接插口P3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、电压转换芯片J1。电压转换芯片J1的1管脚接地。电压转换芯片J1的2管脚与第一电容C1的正极、第三电容C3的一端相连，第一电容C1的负极接地，第三电容C3的另一端接地。电压转换芯片J1的3管脚与第一接插口P3的2脚、第二电容C2的一端相连，第一接插口P3的1脚接地，第二电容C2的另一端接地。其中，第一接插口P3的1脚接电池的负极，第一接插口P3的2脚接电池的正极，作为电源模块的输入。电压转换芯片J1的2脚作为电源模块的输出。所述的电压转换芯片J1的型号为LM1117-3.3。

所述的信号处理模块包括可编程模拟前端芯片J5、第二接插口P1、第三接插口P2、第四电容C10、第一电阻R4。可编程模拟前端芯片J5的1管脚与第四电容C10的一端、+3.3V电源相连，第四电容C10的另一端接地。可编程模拟前端芯片J5的2管脚与第一电阻R4的一端相连，第一电阻R4的另一端接地。可编程模拟前端芯片J5的3管脚与第二接插口P1的1脚相连，第二接插口P1的2脚接地。可编程模拟前端芯片J5的5管脚与第三接插口P2的2脚相连。可编程模拟前端芯片J5的8管脚与第三接插口P2的1脚相连。可编程模拟前端芯片J5的9、10管脚接地。可编程模拟前端芯片J5的11、13、14、15、16分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的16、15、14、13、12管脚相连。可编程模拟前端芯片J5的12管脚与A/D转换模块中A/D转换芯片J4的1管脚相连。所述的可编程模拟前端芯片J5的型号为LMP91200。

所述的A/D转换模块包括第五电容C8、第六电容C9、第二电阻R2、第三电阻R3、A/D转换芯片J4。A/D转换芯片J4的1管脚与信号处理模块中的可编程模拟前端芯片J5的12管脚、第六电容C9的一端相连，第六电容C9的另一端接地。A/D转换芯片J4的2管脚接地。A/D转换芯片J4的3管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的4管脚、第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接+3.3V电源。A/D转换芯片J4的4管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的3管脚、第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接+3.3V电源。A/D转换芯片J4的5管脚与+3.3V电源、第五电容C8的一端相连，第五电容C8的另一端接地。A/D转换芯片J4的6管脚接地。所述的A/D转换芯片J4的型号为ADS1100。

所述的存储模块包括第七电容C11、存储芯片J6。存储芯片J6的1、2、3管脚分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的17、18、19管脚相连。存储芯片J6的4管脚接地。存储芯片J6的5、6、7管脚分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的3、4、20管脚相连。存储芯片J6的8管脚与+3.3V电源、第七电容C11的一端相连，第七电容C11的另一端接地。所述的存储芯片J6的型号为AT24C16。

所述的液晶显示模块包括可变电阻R1、液晶J2。液晶J2的1管脚接地。液晶J2的2管脚接+3.3V电源。液晶J2的3管脚接可变电阻R1的可变电阻端，可变电阻R1的另外两端分别接+3.3V电源和地。液晶J2的4、5、6管脚依次与单片机处理模块中单片机芯片J3的51、50、49管脚相连。液晶J2的7、8、9、10、11、12、13、14管脚依次与单片机处理模块中单片机芯片J1的36、37、38、39、40、41、42、43管脚相连。液晶J2的15管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的46管脚相连。液晶J2的17管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的45管脚相连。液晶J2的19管脚接+3.3V电源。液晶J2的20管脚接地。所述液晶J2的型号为LCM128645ZK。

所述的单片机处理模块包括第八电容C4、第九电容C5、第十电容C6、第十一电容C7、第一晶振Y1、第二晶振Y2、单片机芯片J3。单片机芯片J3的1管脚引出两个分支，一支接+3.3V电源，另一支与第十一电容C7的一端相连，第十一电容C7的另一端接地。单片机芯片J3的3、4管脚依次与A/D转换模块中A/D转换芯片J4的4、3管脚相连。单片机芯片J3的8管脚与第二晶振Y2的一端相连，第二晶振Y2的另一端与单片机芯片J3的9管脚相连。单片机芯片J3的12、13、14、15、16管脚依次与信号处理模块中的可编程模拟前端芯片J5的16、15、14、13、11管脚相连。单片机芯片J3的17、18、19、20管脚依次与存储模块中的存储芯片J6的1、2、3、7管脚相连。单片机芯片J3的36、37、38、39、40、41、42、43、46、47、49、50、51管脚依次与液晶显示模块中液晶J2的7、8、9、10、11、12、13、14、17、15、6、5、4管脚相连。单片机芯片J3的52管脚与第一晶振Y1的一端相连，第一晶振Y1的另一端与单片机芯片J3的53管脚相连。第一晶振Y1的两端再分别接第八电容C4、第九电容C5的一端，第八电容C4、第九电容C5的另一端接地。单片机芯片J3的62、63管脚接地。单片机芯片J3的64管脚引出两个分支，一支接+3.3V电源，另一支与第十电容C6的一端相连，第十电容C6的另一端接地。所述的单片机芯片J3的型号为MSP430F149。

探测部分包括pH电极、Pt100铂电阻。

pH电极输出与信号处理模块中第三接插口P2相连。Pt100铂电阻的输出与信号处理模块中第二接插口P1相连。

本发明具有的有益效果是：

本发明仪器实现了高稳定性、高精度、便携式、低成本。高稳定性是指本发明中选用了LMP91200这款芯片，代替了传统pH计中电压跟随器、放大器、电压加法器等功能，大大简化了电路，优化了功能，提高了稳定性和精度。高精度是指本发明中选用16位的A/D转换芯片，分辨率高。便携式是指本发明仪器用电池供电，体积小，易于携带。低成本是指本发明使用了一些性价比很高的成熟器件，极大的降低产品成本。

附图说明

图1是本发明电路结构示意图；

图2是电源模块的硬件电路图；

图3是信号处理模块的硬件电路图；

图4是A/D转换模块的硬件电路图；

图5是存储模块的硬件电路图；

图6是液晶显示模块的硬件电路图；

图7是单片机处理模块的硬件电路图；

图8是系统的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本系统共分两大部分，分别是主机部分和探测部分。主机部分共分六个小模块，即电源模块、信号处理模块、A/D转换模块、存储模块、液晶显示模块、单片机处理模块。探测部分包括了2个传感器。2路传感器将采集到的信号输入至信号处理模块；数据选择模块的输出接A/D转换模块的输入端；A/D转换模块的输出端接在单片机处理模块上；信号由单片机处理后连接到液晶显示模块显示。存储也与单片机处理模块相连。可以将测得的数据保存，以便随时调用查看。所述的电源模块为主机部分供电。

如图2所示，电源模块包括第一接插口P3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、电压转换芯片J1。电压转换芯片J1的1管脚接地。电压转换芯片J1的2管脚与第一电容C1的正极、第三电容C3的一端相连，第一电容C1的负极接地，第三电容C3的另一端接地。电压转换芯片J1的3管脚与第一接插口P3的2脚、第二电容C2的一端相连，第一接插口P3的1脚接地，第二电容C2的另一端接地。其中，第一接插口P3的1脚接电池的负极，第一接插口P3的2脚接电池的正极，作为电源模块的输入。电压转换芯片J1的2脚作为电源模块的输出。所述的电压转换芯片J1的型号为LM1117-3.3。第一电容C1的电容值为22 uF，第二电容C2的电容值为0.1uF，第三电容C3的电容值为0.1 uF。 

如图3所示，信号处理模块包括可编程模拟前端芯片J5、第二接插口P1、第三接插口P2、第四电容C10、第一电阻R4。可编程模拟前端芯片J5的1管脚与第四电容C10的一端、+3.3V电源相连，第四电容C10的另一端接地。可编程模拟前端芯片J5的2管脚与第一电阻R4的一端相连，第一电阻R4的另一端接地。可编程模拟前端芯片J5的3管脚与第二接插口P1的1脚相连，第二接插口P1的2脚接地。可编程模拟前端芯片J5的5管脚与第三接插口P2的2脚相连。可编程模拟前端芯片J5的8管脚与第三接插口P2的1脚相连。可编程模拟前端芯片J5的9、10管脚接地。可编程模拟前端芯片J5的11、13、14、15、16分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的16、15、14、13、12管脚相连。可编程模拟前端芯片J5的12管脚与A/D转换模块中A/D转换芯片J4的1管脚相连。所述的可编程模拟前端芯片J5的型号为LMP91200，第四电容C10的电容值为0.1uF，第一电阻R4的电阻值为10KΩ。

如图4所示， A/D转换模块包括第五电容C8、第六电容C9、第二电阻R2、第三电阻R3、A/D转换芯片J4。A/D转换芯片J4的1管脚与信号处理模块中的可编程模拟前端芯片J5的12管脚、第六电容C9的一端相连，第六电容C9的另一端接地。A/D转换芯片J4的2管脚接地。A/D转换芯片J4的3管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的4管脚、第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接+3.3V电源。A/D转换芯片J4的4管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的3管脚、第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接+3.3V电源。A/D转换芯片J4的5管脚与+3.3V电源、第五电容C8的一端相连，第五电容C8的另一端接地。A/D转换芯片J4的6管脚接地。所述的A/D转换芯片J4的型号为ADS1100，第五电容C8的电容值为4.7uF，第六电容C9的电容值为100pF，第二电阻R2的电阻值为10K Ω，第三电阻R3的电阻值为10K Ω。

如图5所示，存储模块包括第七电容C11、存储芯片J6。存储芯片J6的1、2、3管脚分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的17、18、19管脚相连。存储芯片J6的4管脚接地。存储芯片J6的5、6、7管脚分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的3、4、20管脚相连。存储芯片J6的8管脚与+3.3V电源、第七电容C11的一端相连，第七电容C11的另一端接地。所述的存储芯片J6的型号为AT24C16，第七电容C11的电容值为0.1uF。

如图6所示，液晶显示模块包括可变电阻R1、液晶J2。液晶J2的1管脚接地。液晶J2的2管脚接+3.3V电源。液晶J2的3管脚接可变电阻R1的可变电阻端，可变电阻R1的另外两端分别接+3.3V电源和地。液晶J2的4、5、6管脚依次与单片机处理模块中单片机芯片J3的51、50、49管脚相连。液晶J2的7、8、9、10、11、12、13、14管脚依次与单片机处理模块中单片机芯片J1的36、37、38、39、40、41、42、43管脚相连。液晶J2的15管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的46管脚相连。液晶J2的17管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的45管脚相连。液晶J2的19管脚接+3.3V电源。液晶J2的20管脚接地。所述液晶J2的型号为LCM128645ZK，可变电阻R1的电阻值为10 K Ω。

如图7所示，所述的单片机处理模块包括第八电容C4、第九电容C5、第十电容C6、第十一电容C7、第一晶振Y1、第二晶振Y2、单片机芯片J3。单片机芯片J3的1管脚引出两个分支，一支接+3.3V电源，另一支与第十一电容C7的一端相连，第十一电容C7的另一端接地。单片机芯片J3的3、4管脚依次与A/D转换模块中A/D转换芯片J4的4、3管脚相连。单片机芯片J3的8管脚与第二晶振Y2的一端相连，第二晶振Y2的另一端与单片机芯片J3的9管脚相连。单片机芯片J3的12、13、14、15、16管脚依次与信号处理模块中的可编程模拟前端芯片J5的16、15、14、13、11管脚相连。单片机芯片J3的17、18、19、20管脚依次与存储模块中的存储芯片J6的1、2、3、7管脚相连。单片机芯片J3的36、37、38、39、40、41、42、43、46、47、49、50、51管脚依次与液晶显示模块中液晶J2的7、8、9、10、11、12、13、14、17、15、6、5、4管脚相连。单片机芯片J3的52管脚与第一晶振Y1的一端相连，第一晶振Y1的另一端与单片机芯片J3的53管脚相连。第一晶振Y1的两端再分别接第八电容C4、第九电容C5的一端，第八电容C4、第九电容C5的另一端接地。单片机芯片J3的62、63管脚接地。单片机芯片J3的64管脚引出两个分支，一支接+3.3V电源，另一支与第十电容C6的一端相连，第十电容C6的另一端接地。所述的单片机芯片J3的型号为MSP430F149，第八电容C4的电容值为56pF、第九电容C5的电容值为56pF，第十电容C6的电容值为0.1uF，第十一电容C7的电容值为0.1uF，第一晶振Y1的晶振值为8MHZ，第二晶振Y2的晶振值为32KHZ。

如图8所示，该仪器的具体工作过程是：探测模块中传感器浸入到被测溶液进行采集数据，采集到的数据通过信号处理模块后连接到A/D数据转换模块，进行数模转换，然后与微处理器连接，经微处理器处理后在液晶上显示检测到的数据。另外，系统还设计了存储模块，可以将测得的数据保存，以便随时调用、查看。

Claims (1)

1.便携式pH仪，包括主机部分和探测部分；主机部分共分六个小模块，即电源模块、信号处理模块、A/D转换模块、存储模块、液晶显示模块、单片机处理模块；探测部分包括了2个传感器；2路传感器的信号输入至信号处理模块；信号处理模块的输出接A/D转换模块的输入端；A/D转换模块的输出端接单片机处理模块；信号由单片机处理后连接到液晶显示模块显示；存储模块、复位模块、通信模块都与单片机处理模块相连；所述的电源模块为主机部分供电，其特征在于：

所述的电源模块包括第一接插口P3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、电压转换芯片J1；电压转换芯片J1的1管脚接地；电压转换芯片J1的2管脚与第一电容C1的正极、第三电容C3的一端相连，第一电容C1的负极接地，第三电容C3的另一端接地；电压转换芯片J1的3管脚与第一接插口P3的2脚、第二电容C2的一端相连，第一接插口P3的1脚接地，第二电容C2的另一端接地；其中，第一接插口P3的1脚接电池的负极，第一接插口P3的2脚接电池的正极，作为电源模块的输入；电压转换芯片J1的2脚作为电源模块的输出；所述的电压转换芯片J1的型号为LM1117-3.3；

所述的信号处理模块包括可编程模拟前端芯片J5、第二接插口P1、第三接插口P2、第四电容C10、第一电阻R4；可编程模拟前端芯片J5的1管脚与第四电容C10的一端、+3.3V电源相连，第四电容C10的另一端接地；可编程模拟前端芯片J5的2管脚与第一电阻R4的一端相连，第一电阻R4的另一端接地；可编程模拟前端芯片J5的3管脚与第二接插口P1的1脚相连，第二接插口P1的2脚接地；可编程模拟前端芯片J5的5管脚与第三接插口P2的2脚相连；可编程模拟前端芯片J5的8管脚与第三接插口P2的1脚相连；可编程模拟前端芯片J5的9、10管脚接地；可编程模拟前端芯片J5的11、13、14、15、16分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的16、15、14、13、12管脚相连；可编程模拟前端芯片J5的12管脚与A/D转换模块中A/D转换芯片J4的1管脚相连；所述的可编程模拟前端芯片J5的型号为LMP91200；

所述的A/D转换模块包括第五电容C8、第六电容C9、第二电阻R2、第三电阻R3、A/D转换芯片J4；A/D转换芯片J4的1管脚与信号处理模块中的可编程模拟前端芯片J5的12管脚、第六电容C9的一端相连，第六电容C9的另一端接地；A/D转换芯片J4的2管脚接地；A/D转换芯片J4的3管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的4管脚、第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接+3.3V电源；A/D转换芯片J4的4管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的3管脚、第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接+3.3V电源；A/D转换芯片J4的5管脚与+3.3V电源、第五电容C8的一端相连，第五电容C8的另一端接地；A/D转换芯片J4的6管脚接地；所述的A/D转换芯片J4的型号为ADS1100；

所述的存储模块包括第七电容C11、存储芯片J6；存储芯片J6的1、2、3管脚分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的17、18、19管脚相连；存储芯片J6的4管脚接地；存储芯片J6的5、6、7管脚分别与单片机处理模块中单片机芯片J3的3、4、20管脚相连；存储芯片J6的8管脚与+3.3V电源、第七电容C11的一端相连，第七电容C11的另一端接地；所述的存储芯片J6的型号为AT24C16；

所述的液晶显示模块包括可变电阻R1、液晶J2；液晶J2的1管脚接地；液晶J2的2管脚接+3.3V电源；液晶J2的3管脚接可变电阻R1的可变电阻端，可变电阻R1的另外两端分别接+3.3V电源和地；液晶J2的4、5、6管脚依次与单片机处理模块中单片机芯片J3的51、50、49管脚相连；液晶J2的7、8、9、10、11、12、13、14管脚依次与单片机处理模块中单片机芯片J1的36、37、38、39、40、41、42、43管脚相连；液晶J2的15管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的46管脚相连；液晶J2的17管脚与单片机处理模块中单片机芯片J3的45管脚相连；液晶J2的19管脚接+3.3V电源；液晶J2的20管脚接地；所述液晶J2的型号为LCM128645ZK；

所述的单片机处理模块包括第八电容C4、第九电容C5、第十电容C6、第十一电容C7、第一晶振Y1、第二晶振Y2、单片机芯片J3；单片机芯片J3的1管脚引出两个分支，一支接+3.3V电源，另一支与第十一电容C7的一端相连，第十一电容C7的另一端接地；单片机芯片J3的3、4管脚依次与A/D转换模块中A/D转换芯片J4的4、3管脚相连；单片机芯片J3的8管脚与第二晶振Y2的一端相连，第二晶振Y2的另一端与单片机芯片J3的9管脚相连；单片机芯片J3的12、13、14、15、16管脚依次与信号处理模块中的可编程模拟前端芯片J5的16、15、14、13、11管脚相连；单片机芯片J3的17、18、19、20管脚依次与存储模块中的存储芯片J6的1、2、3、7管脚相连；单片机芯片J3的36、37、38、39、40、41、42、43、46、47、49、50、51管脚依次与液晶显示模块中液晶J2的7、8、9、10、11、12、13、14、17、15、6、5、4管脚相连；单片机芯片J3的52管脚与第一晶振Y1的一端相连，第一晶振Y1的另一端与单片机芯片J3的53管脚相连；第一晶振Y1的两端再分别接第八电容C4、第九电容C5的一端，第八电容C4、第九电容C5的另一端接地；单片机芯片J3的62、63管脚接地；单片机芯片J3的64管脚引出两个分支，一支接+3.3V电源，另一支与第十电容C6的一端相连，第十电容C6的另一端接地；所述的单片机芯片J3的型号为MSP430F149；

探测部分包括pH电极、Pt100铂电阻，pH电极输出与信号处理模块中第三接插口P2相连；Pt100铂电阻的输出与信号处理模块中第二接插口P1相连。

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