CN1059032A - 用两键操作的酸度计 - Google Patents

Abstract

一种用于测量溶液酸度的仪器。本仪器的主要 特征是通过仅有的两个操作按键即可测量电极电位 (mV)、溶液pH值以及温度等参数并能实现温度、电 极和标准缓冲液的自动补偿。本仪器用8只发光二 极管指示仪器的8种工作状态。本仪器的优点是智 能化、精度高、结构简单、工作稳定可靠、操作方便、制 造成本低廉，便于推广应用。

Description

本发明创造属于对溶液酸度（pH值）的测量仪器。

测量溶液酸度的pH计广泛应用于化工、医疗、生物、环保等领域。智能化pH计是传统pH计的升级换代产品。微机控制测量电路对温度和pH电极电位进行采样，再用数值计算求得校正因子进行自动补偿。省去了手动温度补偿、电极斜率和标定三个调节电位器，使得仪器定标过程和测量较为方便，并有自动查错功能。现有技术可测量pH值并带微机的仪器有两类：一类是只能测pH值，称pH计;另一类称离子计，除可测量pH值以外还可以测量多价离子浓度。但是pH计通常带四个以上的按键开关，离子计按键至少十几个，操作开关多、可靠性低、结构复杂、成本高，并且离子计测pH值时，定标的标准缓冲液pH值需要人工根据溶液温度查表后把数值通过键盘输入到仪器中，操作不方便，例如奥林公司（ORION  RESEARCH  INCORPORATED）811型pH计，它可测量电极电位、pH值、温度、电极转化率（斜率），但经常性使用的功能转换开关采用了触点多的指轮开关，比单触点开关寿命短，可靠性差;并且该仪器采用两片单片微机，并用两个模数转换器（ADC）分别对电极电位和温度进行采样，用此电路结构复杂，成本高昂。

本发明创造的目的是设计制造一种采用一片单片微机和少量外围电路，并且仅有两个操作按键的pH计，它能完成已有技术需要采用多个操作开关、复杂电路才能实现的功能。减少按键使仪器可靠性提高、电路结构简单、操作方便。

本发明创造结构方案的主要内容：将与溶液接触的pH电极1输出的电位经阻抗变换器2和放大器3、4输出电压至模拟开关7;将温度传感器5输出的电流信号经放大器6也送入模拟开关7;然后只需通过操作两个按键11、12，单片微机电路9按编好的专用程序控制模拟开关7选择需测试的参数（包括mv值、pH值、温度）进行测量。将模拟信号经模数转换器8转换成数字信号，再将转换器输出的BCD码经单片微机进行转换和数值计算，并以扫描方式把测试结果显示在数码管12上，对于仪器的工作状态和所测数据的稳定情况由功能和状态显示器13显示。本发明采用8只发光二极管LED（13b）指示仪器的8种工作状态。

参照附图进一步说明本发明创造的结构方案：

图1为本发明创造pH计的总体结构方框图。图2为多路模数转换器原理电路图。图3为单片微机基本结构示意图。图中符号意义为：1-pH电极、2-阻抗变换器、3-放大器、4-放大器、5-半导体温度传感器、6-放大器、7-模拟开关、8-模数转换器、9-单片微机电路、其中9a为8031  CPU、9b为锁存器74LS373、9c为只读存贮器2732  EPROM、9d为可编程输入输出接口芯片8255A、10-功能键、11-设置键、12-数码显示器，其中12a为驱动电路74LS06、12b为四位七段数码管、13-功能和状态显示器、其中13a为3-8译码器74LS138、13b为八只LED发光二极管、13c为推动状态显示的NPN三极管、13d为一只LED发光二极管。

如图1所示，pH电极1输出的电位经阻抗变换器2、放大器3和放大器4输出各种测试参数不同要求的电压给模拟开关7;半导体温度传感器5输出的电流信号经放大器6也输入到模拟开关7。经功能键10或设置键11的操作使8031单片机9按程序要求控制模拟开关7以选择所测参数进行测量，将模拟信号经模数转换器8转换成数字信号，再将模数转换器输出的BCD码经单片机9进行数据处理，并以扫描方式把结果显示在4个LED数码管12b上，由功能和状态显示器13可指示仪器工作状态和测量数据的稳定情况。

根据图2所示，可清楚说明多路模数转换器的电路原理。pH电极1输出的电位先经阻抗变换器2（CA3140高阻运算放大器）输出电位为分辨率1mV档信号，由阻抗变换器输出的电压分别输入到运算放大器（LM747）3和4进行电压放大，作为分辨率0.1mV档和pH值测量档信号分别输入模拟转换器7（CD4051）的14脚和13脚。半导体温度传感器5（AD590）输出的电流信号，经I/V转换器6（LM741运算放大器）作为温度测量信号，该信号输至模拟开关7的15脚。模拟开关7的1.5脚接参考电压、2.4脚接地，作为自检模数转换器输入的标准电压。模拟开关7受单片机9a（8031）的P_1.5、P_1.6和P_1.7脚的控制，可选择pH、0.1mV、1mV和温度诸参数的测量，模拟开关7与一片高精度模数转换器8（5G1443）相连接，可实现多项参数的测量。

模数转换器8的工作满程为±1999mV，分辨率为±1mV。阻抗变换器2的放大倍数为1，所以从它输出的电压直接输入模数转换器8，其测量范围为±1999±1mV;而放大器3电压放大倍数为10倍，故其测量范围变为±199.9±0.1mV;放大器4电压放大倍数约4倍。为了充分利用该模数转换器的动态范围来测量pH值，pH值的模数转换分辨率达±0.005pH。I/V转换器6输出电压为10mV/℃，其测量范围受温度传感器限制，目前我们采用适合pH电极的温度范围0～100℃，分辨率为0.1℃。

本仪器的重要特征采用两个操作键，其中键10为功能键、用来转换选择各个测试参数等：包括时钟、电极电位（mV）测量、温度测量、电极斜率、以及对应各种标准缓冲溶液的标定和测量（本仪器有pH₂、pH₄、pH₇和pH，四种标准缓冲溶液）共有八种工作状态，由八只LED发光二极管指示对应的状态;另一键11称设置键，用于设置时钟、手动/自动温度补偿设置、手动温度补偿时温度值设置，以及对选定的某标准缓冲溶液的一点或两点定标启动和删除某一已定标过的点。

上述标准缓冲液pH值受温度影响，本仪器采用四种标准pH缓冲溶液，即为0.05M四草酸氢钾、0.05M邻苯二甲酸氢钾、0.025M混合磷酸盐和0.01M硼砂。这四种缓冲溶液对应于pH₂、pH₄、pH₇和pH，四个定标点，用户可任意选取一种或两种缓冲溶液进行定标，也称一点或两点定标，缓冲液的pH值与温度的变化关系都存入微机中。在定标时，根据所测溶液温度，由微机自动修正所选的标准缓冲溶液的pH值。

如图3所示，微机9采用MCS51系列的芯片，它是由单片机（8031）9a，锁存器（74LS373）9b，贮存器EPROM（2732）9c和可编程接口芯片（PIO8255A）9d等组成。微机结构简单紧凑，通过8255和8031的P₁口实现多路模数转换控制、键盘接口、显示输出接口等所需的输入输出接口。所有软件（约3.8KB）固化在EPROM（2732 4KB容量）9c内。从模数转换器8得到数字信号，经单片机数据处理后通过8255的A口和上半个C口，再经驱动器（74LS06）12a推动LED数码管12b显示结果。8255的B口与模数转换器（5G14433）8相连。8255下半个C口通过13a、13b、13c和13d用于功能和状态显示，其中三位输出到译码器（74LS138）13a，分别点亮8个LED13b指示当时仪器工作状态，还有一位由一只NPN三极管13c放大，驱动一个LED13d指示测量结果稳定情况，当显示结果稳定后即被点亮，说明此时结果可靠。按键10、11连接在单片机8031的P_1.0和P_1.1脚。

本仪器采用的微机以高集成度的MCS51系列单片机为核心，加之新的外围电路设计。使本产品具有结构简单、硬件元器件少，成本低。工作可靠的特点。采用一片高精度模数转换集成电路测量mV，pH值和温度，充分利用模数转换器动态范围测量pH值，使仪器精度高，采用两个键的操作方案完成参数测量和温度、电极及标准缓冲液的自动补偿，使仪器操作很方便。根据本发明创造方案已制出功能强、智能化、操作方便、工作稳定、成本低廉、精度高的pH计。

Claims (2)

1、一种带微机的用于测量溶液酸度的PH计，包含有PH电极、阻抗变换器、放大器、温度传感器、模拟开关、模数转换器、微机、操作开关及指示器，其特征是仅有两个操作按键，即功能键[10]和设置键[11]，用8只发光二极管LED(13b)指示仪器的8种工作状态。

2、根据权利要求1所述的测量溶液酸度的PH计，其特征是微机由单片机8031（9a）、锁存器74LS373（9b）、贮存器EPROM2732（9c）和可编程接口芯片PIO8255A（9d）所组成，通过8255和8031的P₁口实现多路模数转换控制、键盘接口和显示输出接口，所有软件固化在EPROM 27324KB容量（9c）内，从模数转换器〔8〕输出数字信号，经单片机数据处理后通过8255的A口和上半个C口，再经驱动器74LS06（12a）推动LED数码管（12b）显示结果，8255的B口与模数转换器5G14433〔8〕相连，8255下半个C口的三位输出到译码器74LS138（13a），分别点亮8个LED（13b）指示当时仪器工作状态，足有一位由一只NPN三极管（13c）放大驱动一个LED（13d）指示测量结果稳定情况，按键〔10〕、〔11〕分别连接在单片机8031的P_1.0和P_1.1脚。

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