摘 要：在水质分析中，溶液的pH值是衡量水质的重要指标之一，因此pH值的智能测量和在线分析在工业现代化测试计量领域起着十分重要的作用。本文以MSP430单片机为控制核心设计了pH智能分析仪，该仪器运用能斯特方程，可以及时、连续地监测溶液的pH值。经实验证实，该pH智能分析仪具有测量准确度高、稳定性好、操作简单、pH值显示清晰等优点。
关键词：MSP430单片机；pH值；智能分析仪；数据采集
中图分类号：TP216.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4076（2018）11-0042-03
Application of Single Chip Microcomputer in pH Intelligent Analyzer
LI Ying
（The Research and Development Department of Beijing TUNE VOLT Instrument Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）
Abstract：In water quality analysis，the pH value of solution is one of the important indexes to measure water quality，so intelligent measurement and on-line analysis of pH value play an important role in the field of modern industrial measurement. In this paper，an intelligent pH analyzer is designed with MSP430 single chip microcomputer as the control core. The instrument can monitor the pH value of solution in time and continuously by using Nernst equation. Experiments show that the pH intelligent analyzer has the advantages of high measurement accuracy，good stability，simple operation and clear pH value display.
Keywords：MSP430 microcontroller；pH value；intelligent analyzer；data acquisition
0 引 言
现阶段，pH值的测量与监控被广泛应用于各种行业的环境保护及过程控制等领域中。准确的pH值测控不仅可以提高生产加工的工艺精度，更有利于提高产品的质量和产能，并且能够有效降低生产成本，保护环境等。pH值的测量监控方法有很多种，应用最多的测量方法包括：化学分析法、试纸分析法和电位分析法。本次设计pH智能分析仪采用电位分析法，测量原理依据于能斯特方程，以MSP430F149单片机为核心控制处理器，充分利用该单片机的高集成、低功耗以及灵活高效的编程能力。分析仪采用全数字化的数据采集模块，LCD和按键作为人机接口模块，使其具有较高的准确性和稳定性，能够满足各种溶液的pH值测量需求。
1 pH值测量原理
pH智能分析仪的测量基本原理可以简单概括为：根据被测溶液中氢离子浓度得出被测溶液的pH值。因此，pH智能分析仪的主要设计任务就是利用单片机将放大处理传感器电极输出的信号准确还原为pH值。pH智能分析仪通过测量电极系统与被测溶液形成的测量电动势，进而得到被测量溶液的H+离子的浓度，H+离子的浓度的负对数即为pH值。
H+离子的浓度与电极系统中获得的电信号依据能斯特方程一一对应，即为电极反应中物质从一相转移到另一相时，过程中所消耗的功。
2 pH智能分析仪设计
2.1 pH智能分析仪的硬件设计
pH智能分析仪硬件总体设计结构如图2所示，主要包括数据采样模块、人机接口模块、电源/时钟/复位模块以及外扩存储器模块。总体过程为采样模块的pH电极传感器输出与溶液pH值相对应的电压信号，再由单片机上的A/D转换为数字信号，通过单片机的数据处理，输出测量结果由显示屏输出。
2.1.1 单片机的选择及应用
单片机作为pH智能分析仪的核心部件，它的性能决定了智能pH分析仪的智能化程度的强弱以及结构的繁简。为了保证pH智能分析仪的高智能化、低功耗、系统稳定以及强大的处理能力，本次选择了16位的MSP430F149单片机。MSP430F149单片机拥有超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、超强的处理能力、稳定性和可靠性高以及简便高效的开发环境等特点。该单片机的工作电压为1.8V-3.6V，在RAM数据保存方式下功耗只有0.1μA，响应时间也不超过6μs。MSP430F149单片机拥有8个12位独立A/D转换器并带有自动扫描、采样保持等功能，进而保证了数据信号采样的准确性。具有两个串口通讯模块，可以选择UART/SPI模式，完成各个模块的良好通信。将MSP430F149单片机应用于pH智能分析仪中完全能够满足pH值的智能分析和监控等功能。
2.1.2 采样模块设计
信号的采集模块是pH智能分析仪的工作基础，从pH电极采集到的信号和参比电极两端输出的信号为电压，进而根据电压值求出溶液的pH值。由此可见，pH值的测量实际上就是电压信号的测量。在数据采集过程中，将传感器采集的电压信号转换成相应的模拟信号，本电路设计中是采用ADC0804芯片以程序查询方式进行数据采集。ADC0804是用8位全CMOS集成工艺的逐次比较型A/D转换芯片。转换时间l00μs，输入电压范围为0V-5V，并且可以和单片机直接接口。数据采集模块ADC0804芯片外引脚和外设电路，如图3所示。
2.1.3 人机接口模块设计
人机接口模块主要包括按键电路设计和LCD显示电路设计。选用带有内置LCD点阵驱动芯片的液晶显示屏，可以直接连接在单片机的I/O口上，并且仅占用单片机的两个管脚，通过控制管脚和数字I/O传输指令，就可以控制点亮液晶的任意点。每个独立式按键直接占用一根I/O口线，形成单个按键电路，用户通过按键向单片机输入指令，进而控制整个分析仪工作。如图4所示。
2.2 pH智能分析仪的软件设计
软件设计部分根据pH智能分析仪的测试需求，采用结构化编程语言，可以实现pH值的测量和显示。pH智能分析仪的软件控制主要实现的功能包括：测量子程序、读取程序、数据处理、LCD显示等。pH智能分析仪主程序和中断程序流程图如图5所示。
测量子程序完成对溶液的采集测量以及如A/D转换、比较器的比较工作等相关任务，校正时根据被测标准溶液的电压输出判断其既定pH值，这些功能可以由子程序模块来实现，可供中断服务程序调用。数据处理程序包括根据所得电压信号还原出相应的pH值，计算在前两步过程中所需参数。中断处理程序的功能是处理各种服务请求，在需要的时候调用测量控制程序或数据处理程序。存储器读写程序用于存储传感器电极经过校正后的一些基本参数。
MSP430F149单片机内部集成的12位精度的A/D转换模块，能够满足控制器对外部信号进行数据采样。MSP430F149的FLASH存储器模块是有128段主存储器和2段信息存储器组成，在编写程序时可以将读和写分别用一个函数来完成，直接调用函数即可以完成存储读取功能。
3 结 论
本文着重介绍了MSP430F149单片机在pH智能分析仪中的应用，以MSP430F149单片机为控制核心设计的pH智能分析仪，有效降低了分析仪的体积和功耗，满足pH值的测试需要。软硬件的设计充分结合单片机的功能，大大提高了pH智能分析仪的准确性和重复性，从而满足各类环境的测试要求。
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作者简介：李英（1974.03-），女，汉族，吉林人，设计工程师，硕士。研究方向：智能化学分析仪器的研发。
