1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目： 土壤參數(shù)測(cè)試儀 摘 要土壤參數(shù)測(cè)試儀摘 要 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境至關(guān)重要，為了提高產(chǎn)量，對(duì)土壤的某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以便對(duì)農(nóng)作物環(huán)境得到控制。傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制。本文對(duì)土壤溫濕度及酸堿度的測(cè)量進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它的主要組成部分有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、溫濕度傳感器、pH值采集處理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換，顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。可以實(shí)時(shí)的顯示土壤溫濕度及酸堿度。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；土壤；pH電極Tester of the soil parameters Abstract In agricultur

2、al production, crop growth and environment is essential, in order to increase production, to measure certain parameters of the soil to the crop environment to be controlled. The sensor can a variety of physical, chemical content and bio-volume signals into electrical signals, so people can use compu

3、ters for automatic measurements, information processing and automatic control.This text is about the soil temperature and moisture and pH measurement system design. Its main components: the microcontroller, temperature and humidity sensors, pH, acquisition and processing circuit, analog-digital conv

4、ersion, display and data storage. It can display in real time the soil temperature, humidity and pH.Key Words MCU; Soil ; PH electrode目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc6276 第一章 緒 論1 HYPERLINK l _Toc21972 1.1 引言1 HYPERLINK l _Toc5422 1.2 設(shè)計(jì)研究背景及意義1 HYPERLINK l _Toc1135 2 HYPERLINK l _Toc13615 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)

5、4 HYPERLINK l _Toc21524 2.1 任務(wù)4 HYPERLINK l _Toc7652 2.2 要求4 HYPERLINK l _Toc24361 第三章 方案論證5 HYPERLINK l _Toc18607 3.1 溫濕度測(cè)量5 HYPERLINK l _Toc10190 3.2 酸堿度測(cè)量5第四 HYPERLINK l _Toc3151 章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l _Toc6751 4.1 硬件設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l _Toc14820 4.1.1 單片機(jī)AT89C516 HYPERLINK l _Toc18667 4.1.2 溫濕度傳感器SH

6、T119 HYPERLINK l _Toc13058 4.1.3 pH數(shù)據(jù)的采集11 HYPERLINK l _Toc20333 4.1.4 LCD輸出顯示18 HYPERLINK l _Toc18825 4.1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)19 HYPERLINK l _Toc3791 4.2 軟件設(shè)計(jì)及仿真20 HYPERLINK l _Toc32541 4.2.1 Keil C5120 HYPERLINK l _Toc7421 4.2.2 Proteus22 HYPERLINK l _Toc10608 第五章 結(jié)果測(cè)試與分析24 HYPERLINK l _Toc31375 第六章 總結(jié)與展望26 HYP

7、ERLINK l _Toc27065 參考文獻(xiàn)27 HYPERLINK l _Toc25305 致 謝28 HYPERLINK l _Toc6415 附 件29第一章 緒 論1.1 引言隨著“信息時(shí)代”的到來，傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。20世紀(jì)末，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)，單片機(jī)在工業(yè)控制，尖端武器，通信設(shè)備，信息處理，家用電器等各測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭。時(shí)下，家用電器

8、和辦公設(shè)備的智能化，遙控化，模糊控制化已成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)在使用單片機(jī)的前提下我們也還要用到A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換。隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的。本設(shè)計(jì)所介紹的土壤參數(shù)測(cè)試儀，具有讀數(shù)方便，測(cè)量范圍廣，測(cè)量準(zhǔn)確，其輸出采用數(shù)字液晶屏顯示。由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔?/p>

9、路調(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集是獲取信息的主要手段，數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的主要組成部分，它是以傳感器技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理、電子電路學(xué)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等方面技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一個(gè)綜合應(yīng)用技術(shù)學(xué)科，目前各種各樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍不斷涌現(xiàn)。并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有更為廣闊的發(fā)展前景。溫度和濕度的測(cè)量和控制是許多行業(yè)的重要工作目標(biāo)之一，不論是糧食倉庫、中藥材倉庫，還

10、是圖書保存，都需要有規(guī)定的溫度和濕度，然而溫度和濕度卻是最不易保障的指標(biāo)，針對(duì)這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫度和濕度檢測(cè)與控制系統(tǒng)就顯得非常重要。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)糧食的需求量越來越大。1.2 設(shè)計(jì)研究背景及意義隨著微型計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化。美國、日本的智能監(jiān)測(cè)設(shè)施近20年來發(fā)展很快，他們結(jié)合本國條件做出了具有創(chuàng)新特色的成就，其中環(huán)境調(diào)控技術(shù)均有較高水平。我國近年引進(jìn)了多達(dá)16個(gè)國家和地區(qū)的環(huán)境控制系統(tǒng)，對(duì)吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、推動(dòng)倉庫溫度濕度自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)生了積極的作用，但多因能耗過大，造價(jià)高，品種未能配套，未能達(dá)到很好的效果。溫濕度控制儀的發(fā)展相當(dāng)迅速，近幾十年內(nèi)

11、，由于電子行業(yè)的迅速發(fā)展和集成電路和高集成電路的產(chǎn)生，控制儀走向微型化、多功能化。在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的在多個(gè)領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。在工業(yè)、工程、生產(chǎn)車間等部門，尤其是在對(duì)信息實(shí)時(shí)性能要求較高或者惡劣的數(shù)據(jù)采集環(huán)境中更突出其應(yīng)用的必要性。例如：在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。溫濕度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。溫濕度測(cè)試儀目前普遍采用集溫濕度傳感器于一體的SHT11芯片為主要芯片的儀器。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用集溫濕度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器為一體的

12、SHT11芯片，通過單片機(jī)處理進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)的溫濕度測(cè)量就是基于此芯片，通過LCD顯示所測(cè)量的溫濕度值。對(duì)農(nóng)作物而言，土壤的參數(shù)對(duì)糧食的產(chǎn)量影響很大，比如，土壤溫濕度過高或過低會(huì)使糧食產(chǎn)量下降，酸堿度也是一個(gè)很大的因素，都可能使農(nóng)業(yè)導(dǎo)致無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。為提高作物的產(chǎn)量，要加強(qiáng)土壤參數(shù)的監(jiān)測(cè)工作，諸如土壤溫濕度和酸堿度的檢測(cè)，以便進(jìn)一步進(jìn)行操作。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的土壤參數(shù)測(cè)量?jī)x。本文的組織結(jié)構(gòu)是：第一章緒論部分主要介紹了論文的設(shè)計(jì)背景，闡述了設(shè)計(jì)的目的與意義。介紹了溫濕度對(duì)人們生活、生產(chǎn)、工作的影響，溫濕度測(cè)量的應(yīng)用和發(fā)展，以及溫濕度測(cè)量?jī)x的核心器件溫度傳感器的發(fā)

13、展前景。土壤酸堿度的測(cè)量的基本方法。第二章對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了概述，從而更加明確設(shè)計(jì)的流程。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心來對(duì)土壤溫濕度和酸堿度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢。各檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，同時(shí)能根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫濕度酸堿度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。并將采集來的信息通過液晶屏顯示，清晰的呈現(xiàn)出來。第三章主要介紹了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的方案，經(jīng)比較論證選擇出更加適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求的方案，各支路控制系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。方案比較和論證，介紹了溫濕度傳感器、控制芯片、輸出顯示設(shè)備的方案比較和選擇。第四章介紹了本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其中主要介紹了硬件部分各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法。介

14、紹了軟件編程的主流程圖。第五章利用Proteus軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試仿真，并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。最后一章對(duì)本文所做的工作進(jìn)行全面總結(jié)，并指出了工作中的不足。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1 任務(wù)本設(shè)計(jì)的任務(wù)是：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)土壤參數(shù)測(cè)試儀。該系統(tǒng)主要分為溫濕度，酸堿度數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后LCD顯示，并且具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。本設(shè)計(jì)核心部件為AT89C51，溫度信號(hào)的采集及處理部分由SHT11完成，進(jìn)入單片機(jī)后經(jīng)處理后通過LCD1604顯示溫濕度值，pH信號(hào)是顯示采用的液晶屏為57點(diǎn)陣，一行可顯示16字，四行1。軟件部分，開機(jī)后，所有器件初始化，溫濕度傳感器SHT11

15、開始進(jìn)行溫濕度測(cè)量和計(jì)算，酸堿度的測(cè)量是用對(duì)pH敏感的器件，由于采集到的信號(hào)很微弱，先要經(jīng)過放大處理，接著模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析、處理和控制顯示。2.2 要求設(shè)計(jì)本系統(tǒng)，最終要達(dá)到的目的是，能快速簡(jiǎn)單的測(cè)定土壤的溫度、濕度，酸堿度，具有液晶顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本功能。本文介紹了基于ATMEL公司的AT89C51系列單片機(jī)的土壤溫濕度及酸堿度實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括介紹了硬件結(jié)構(gòu)原理，各模塊的工作原理，并分析了相應(yīng)的軟件的設(shè)計(jì)及其要點(diǎn)，包括軟件設(shè)計(jì)流程及其程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，提高了測(cè)量精度和效率。方案論證 3.1 溫濕度測(cè)量由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變

16、為電信號(hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，首先要把土壤的溫濕度經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出顯示。本系統(tǒng)采用SHT11集成數(shù)字溫濕度傳感器檢測(cè)溫濕度。3.2 酸堿度測(cè)量至于酸堿度的測(cè)量，使用模擬電路，pH是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量，而卻受其它因素的影響，尤其受環(huán)境溫度影響最大。將pH信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出，因其pH數(shù)據(jù)不好采集，所以應(yīng)該選取對(duì)pH敏感的器件，由于采集到的信號(hào)很微弱，先要經(jīng)過放大處理，接著模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析、處理和控制顯示。本設(shè)計(jì)中就是在此基礎(chǔ)上，提出基于AT89C51單片機(jī)控制的比較簡(jiǎn)單而實(shí)用的pH檢測(cè)系統(tǒng)。此外，本系統(tǒng)

17、還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可存儲(chǔ)所測(cè)數(shù)據(jù)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而設(shè)計(jì)了這一土壤溫濕度和酸堿度的測(cè)試系統(tǒng)。第四章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器轉(zhuǎn)換芯片的性能，以單片機(jī)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中包括溫濕度檢測(cè)，pH數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、顯示、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)核心部件為單片機(jī)，溫濕度信號(hào)采集及處理部分由SHT11完成。pH測(cè)試采用電化學(xué)原理及單片機(jī)技術(shù)完成對(duì)土壤溶液中氫離子濃度的測(cè)定。可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、標(biāo)定、存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)等功能。儀器的標(biāo)定采用兩點(diǎn)標(biāo)定法對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。溫濕度檢測(cè) pH值檢測(cè) AT89C51LCD 顯示數(shù)據(jù)存

18、儲(chǔ) 圖4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫濕度傳感器，pH數(shù)據(jù)采集模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。主要實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度及酸堿度的檢測(cè)，溫濕度測(cè)量使用集成的數(shù)字傳感器，pH測(cè)量是將pH信號(hào)通過信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，為顯示電路提供信號(hào)。數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。該pH數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于ADC0831模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)的系統(tǒng)，可以把ADC采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過微處理器的簡(jiǎn)單處理而送LCD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示功能2。 單片機(jī)AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出

19、端為引腳。AT89C51是一種與MCS51單片機(jī)相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引腳DIP封裝，片內(nèi)帶有4KB的快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器3。是當(dāng)前較先進(jìn)的一種電擦除8位單片機(jī)，它與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容，片內(nèi)存儲(chǔ)器允許對(duì)程序存儲(chǔ)器在線重新編程，也可用常規(guī)的存儲(chǔ)器編程器編程，具有超強(qiáng)的加密功能。ATMEL公司生產(chǎn)的這種89C51微控制器，將具有多種功能的8位CPU與存儲(chǔ)器結(jié)合在同一芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)靈活且價(jià)格適宜的方案，深受用戶歡迎。此外,AT89C51還增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式及空閑和掉電兩種可選的省電模式,在空閑模式下,CPU停止工作,但

20、RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行口和中斷系統(tǒng)仍然工作。在掉電模式下,只保存RAM的內(nèi)容,振蕩器停振,關(guān)閉芯片的所有其它功能,直到下一次硬件復(fù)位為止。其空閑和掉電兩種工作方式，而在芯片外部之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為12MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。AT89C51的特點(diǎn)有

21、：4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；可以反復(fù)擦寫1000次；數(shù)據(jù)保留10年；全靜態(tài)工作；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32位可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；可編程全雙工串行。AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)FLASH存儲(chǔ)器有4KB，RAM只有128字節(jié)，加密位有三位，加密位為L(zhǎng)B1，LB2。AT89C51是一帶有2KB字節(jié)的閃速可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)器，低電壓，高性能的8位CMOS微型計(jì)算機(jī)，靜態(tài)工作方式，可外接024MHZ的晶體振蕩器。89C51程序存儲(chǔ)器大小的物理范圍為000H7FFH，包含128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存

22、儲(chǔ)器，這樣89C51中堆棧的深度局限于內(nèi)部RAM的128字節(jié)范圍內(nèi)，它既不支持外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問，也不支持外部程序存儲(chǔ)器的訪問的執(zhí)行，因此，程序中不應(yīng)該包含MOV 指令。AT89C51的端口如下：ALE端口：地址鎖存使能端，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下ALE輸出信號(hào)恒定為1/6振蕩頻率并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)，注意每次訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)一個(gè)ALE脈沖將被忽略，ALE可以通過置位SFR的禁止置位后ALE只能在執(zhí)行MOVX指令時(shí)被激活。PSEN端口：程序存儲(chǔ)使能端，當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí)，PSEN每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN無效，訪問內(nèi)部程序

23、存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN無效。EA/Vpp：外部尋址使能/編程電壓端，在訪問整個(gè)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須外部置低，如果EA為高時(shí)，將執(zhí)行內(nèi)部程序，除非程序計(jì)數(shù)器包含大于片內(nèi)FLASH的地址，該引腳在對(duì)FLASH編程時(shí)接5V/12V編程電壓(Vpp)，如果保密位1已編程，EA在復(fù)位時(shí)由內(nèi)部鎖存。RST：為復(fù)位輸入端，振蕩器工作時(shí)，該引腳上兩個(gè)周期的高電平復(fù)位。XTAL1：振蕩器反相放大器內(nèi)部工作時(shí)鐘電路輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。MCS-51有4個(gè)8位并行I/O接口，他們都是雙向端口，可以進(jìn)行輸入或者輸出操作，每個(gè)口都有口鎖存器和口驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。此外，它還有一個(gè)全雙工串行通信口

24、。這4個(gè)端口為MCS-51與外圍器件或外圍設(shè)備進(jìn)行信息（數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)）交換提供了多功能的輸入/輸出通道，也為MCS-51擴(kuò)展外部功能、構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)提供了必要的條件。P0口為漏極開路，P1、P2、P3口均具有內(nèi)部上拉電阻，它們有時(shí)被稱為準(zhǔn)雙向口。 4個(gè)并行口的32條I/O接口線都可以獨(dú)立地用于輸入或輸出操作。當(dāng)4個(gè)并行口的I/O接口線有作輸入操作時(shí)，必須對(duì)該口的鎖存器進(jìn)行寫1操作，以保證從I/O接口線輸入數(shù)據(jù)的正確性，這也是4個(gè)并行接口有時(shí)被稱為“準(zhǔn)”雙向的含義。I/O接口電路功能匯總MCS-51單片機(jī)內(nèi)部屬單總線結(jié)構(gòu)，因此使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了靈活性。通過總線，用戶可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行多功

25、能的系統(tǒng)擴(kuò)展，構(gòu)成用戶的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。MCS-51系列中的8031單片機(jī)，因其內(nèi)部在結(jié)構(gòu)上無程序存儲(chǔ)器，所以它的應(yīng)用系統(tǒng)必定為一個(gè)擴(kuò)展的系統(tǒng)。因此，MCS-51的4個(gè)并行I/O接口中的P0、P2、P3口基本上都具備有這兩項(xiàng)功能4。P0口是一個(gè)多功能口，除可以作為通用的輸入/輸出口外，還具備用于系統(tǒng)擴(kuò)展的第二功能。在MCS-51的進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，它作為地址/數(shù)據(jù)總線口。通過外接地址鎖存器，MCS-51的內(nèi)部單總線可從P0口被擴(kuò)展成8位的數(shù)據(jù)總線和16位地址總線的低8位。在實(shí)際應(yīng)用中，P0口先送出外部存儲(chǔ)器16位地址中的低8位至地址鎖存器鎖存，然后再由P0口進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的輸入或輸出。P1口作為通用

26、I/O接口，它的每一位都可以編程為通用I/O接口線。P2口也是一個(gè)多功能口，與P0口相似，它除可被用作I/O接口外，在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，還可以用于16位地址總線中的高8位，和P0口共同構(gòu)成16位的地址總線。當(dāng)然，在P0口和P2口用作地址/數(shù)據(jù)總線時(shí)，它們都不能再作為通用I/O接口。P3口也是一個(gè)多功能口，除可以作為通用I/O接口外，還具有多種控制功能，為通用I/O接口時(shí)和MCS-51其他具有控制功能的輸入/輸出引線在一起，共同形成MCS-51的控制總線。P3口在作為第二功能（控制功能）使用時(shí)，它的每一位功能定義是，比如一個(gè)信號(hào)引腳，既是第一功能又是第二功能，在使用時(shí)也不會(huì)引起混亂和造成錯(cuò)誤，是因

27、為對(duì)于各種型號(hào)的芯片，其功能的第一功能信號(hào)是相同的，所不同的只在引腳的第二功能信號(hào)上。對(duì)于9、30和31各引腳，由于第一功能信號(hào)與第二功能信號(hào)是單片機(jī)在不同工作方式下的信號(hào)，因此不會(huì)發(fā)生使用上的矛盾。P3口線的情況卻有所不同，它的第二功能信號(hào)都是單片機(jī)的重要控制信號(hào)。因此在實(shí)際使用時(shí)，總是先按需要優(yōu)先選用它的第二功能，剩下不用的才作為口線使用。復(fù)位電路，單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式5。上電復(fù)位是在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長(zhǎng)時(shí)間，

28、滿足復(fù)位操作的要求。按鍵復(fù)位是當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。單片機(jī)的復(fù)位電路在剛接通電時(shí)，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后，5V的電通過電阻給電容進(jìn)行充電，電容兩端的電會(huì)由0V慢慢的升到4V左右（此時(shí)間很短一般小于秒），RC構(gòu)成的微分電路在上電瞬間產(chǎn)生一個(gè)微分脈沖，其寬度大于兩個(gè)機(jī)器周期，89C51將復(fù)位。正因?yàn)檫@樣，復(fù)位腳的電由低電位升到高電位，引起了內(nèi)

29、部電路的復(fù)位工作，RST端電壓慢慢下降，降到一定電壓值以后，即為低電平，單片機(jī)開始正常工作（這是單片機(jī)的上電復(fù)位，也叫初始化復(fù)位）；當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，電容兩端放電，電容又回到0V了，于是又進(jìn)行了一次復(fù)位工作。 圖4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 溫濕度傳感器SHT11 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。溫濕度傳感器SHT11集溫度傳感器和濕度傳感器于一體，因此采用SHT11進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，另外SHT11芯片內(nèi)部集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器，且采用數(shù)字信號(hào)輸出，因此抗干擾能力也比同類芯片高。該芯片在溫濕度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域

30、均已得到廣泛應(yīng)用。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。溫度傳感器濕度傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換器二線串行數(shù)字接口和CRC校驗(yàn)校準(zhǔn)寄存器SCKDATAVCCGND圖4.3 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)SHT11高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；二線串行數(shù)字接口，其中DATA為數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線。溫濕度傳感器SHT11將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示6。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)

31、首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器；最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境里進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測(cè)量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)。此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(大于95RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。微處理器是通過二線串行數(shù)

32、字接口與SHT11進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O口模擬該通信時(shí)序。現(xiàn)代社會(huì)越來越多的實(shí)驗(yàn)都要求在嚴(yán)格的環(huán)境條件下完成，而溫度和濕度是實(shí)驗(yàn)室最基本的環(huán)境條件，也是對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大的因素。一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測(cè)量均采用熱敏電阻與濕敏電容，這種傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性等方面也存在一定問題。這種傳感器只適合那些測(cè)量點(diǎn)數(shù)較少,對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。因此設(shè)計(jì)出一款精度高、穩(wěn)定性好、成本低的溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)將具有一定的市場(chǎng)。本系統(tǒng)采用具有高精度、防干擾等

33、優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字式傳感器SHT11，不需要外部元件，可適配各種單片機(jī)。這為開發(fā)新一代的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)提供了有利條件，同時(shí)也有助于將溫濕度測(cè)控技術(shù)提高到新的水平。SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采用CMOS和傳感器技術(shù)的融合制造，其特點(diǎn)如下：有全量程標(biāo)定，二線數(shù)字輸出，濕度測(cè)量范圍為0100RH，溫度測(cè)量范圍為，濕度測(cè)量精度為3.0RH，溫度測(cè)量精度為，響應(yīng)時(shí)間小于4s，低功耗(30mW)，可完全浸沒。芯片能輸出經(jīng)過完全校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度的數(shù)字信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。SHT11芯片內(nèi)部包含相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器(EEPROM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(C

34、RC)寄存器、二線串行接口和低電壓檢測(cè)電路。SCK是SHT11和微控制器之間同步傳輸時(shí)鐘輸入端。SHT11的DATA端用來傳送輸入和輸出數(shù)據(jù)，它是個(gè)雙向三態(tài)端，DATA在SCK時(shí)鐘下降沿改變，上升沿有效。在傳輸期間當(dāng)SCK為高電平時(shí)，DATA線必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)，微控制器應(yīng)該只驅(qū)動(dòng)DATA低電平，其外部必須接一個(gè)上拉電阻，把信號(hào)拉為高電平，微控制器的上拉電阻通常包括在微控制器的I/O電路里。SHT11需要一個(gè)的供電電壓，加電后該器件需要一個(gè)11ms的睡眠延遲時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間之前，不應(yīng)該向傳感器發(fā)送命令。使用AT89C51直接對(duì)傳感器溫濕度測(cè)量值進(jìn)行讀寫，SHT11傳感器采用SCK、D

35、ATA進(jìn)行通信，分別連接單片機(jī)的與端口。串行時(shí)鐘輸入線SCK引腳用來同步微控制器和SHT11之間的通信，串行數(shù)據(jù)線DATA引腳用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，這里的數(shù)據(jù)包括溫濕度數(shù)字值及控制命令。DATA上的數(shù)據(jù)在SCK為低電平時(shí)改變，而在SCK為高電平時(shí)則被讀出或?qū)懭耄珼ATA引腳上需要加一個(gè)上拉電阻來產(chǎn)生高電平。 pH數(shù)據(jù)的采集在測(cè)量溶液中的氫離子濃度時(shí)用到電位分析法。電位分析法是通過三電極測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成的測(cè)量電池(原電池)的電動(dòng)勢(shì)，獲知被測(cè)溶液離子濃度的分析方法。電位式分析儀器主要由測(cè)量電池和高阻毫伏計(jì)(離子計(jì))兩部分組成。測(cè)量電池是由指示電極、參比電極和被測(cè)溶液構(gòu)成的原電池，參比電極

36、的電極電位不隨被測(cè)溶液濃度的變化而變化，指示電極對(duì)被測(cè)溶液中待測(cè)離子很敏感，其電極電位是待測(cè)離子濃度的函數(shù)，所以原電池的電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)離子的濃度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可見，原電池的作用是把難以直接測(cè)量的離子濃度轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電學(xué)量(測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì))。離子活度是指電解質(zhì)溶液中參與電化學(xué)反應(yīng)的離子的有效濃度。離子活度和濃度c之間存在定量的關(guān)系，其表達(dá)式為：，式中：為離子的活度；為離子的活度系數(shù)；c為離子的濃度。通常小于1，在溶液無限稀時(shí)離子間相互作用趨于零，此時(shí)活度系數(shù)趨于1，活度等于溶液的實(shí)際濃度。一般在水溶液中的濃度非常小，所以的活度基本和其濃度相等。根據(jù)能斯特方程，離子活度與電極電位成正比，因

37、此可對(duì)溶液建立起電極電位與活度的關(guān)系曲線，此時(shí)測(cè)定了電位，即可確定離子活度，所以實(shí)際上我們是通過測(cè)量電位來計(jì)算的濃度的。 （4-1） 能斯特方程： 公式中：E電位； E0電極的標(biāo)準(zhǔn)電壓； R氣體常數(shù)（焦耳/摩爾和）； T開氏絕對(duì)溫度（例：20相當(dāng)于（273.15+20）開爾文）； F法拉弟常數(shù)（96493庫化/當(dāng)量）。在水溶液中氫核基本不以自由態(tài)存在，實(shí)際的情況是：，自由態(tài)的基本可以忽略，水溶液中（水合氫離子）的濃度基本上和濃度相等，所以，上式通常簡(jiǎn)化為：。當(dāng)溶液中的離子濃度大于離子濃度時(shí)，我們稱其為酸性溶液，當(dāng)離子濃度小于 離子濃度時(shí)我們稱其堿性溶液。實(shí)際使用中，離子濃度很小，為了避免使用中

38、的不便，1909年生物學(xué)家澤倫森年建議將此不便使用的數(shù)值用對(duì)數(shù)代替，并定義為“pH值”。數(shù)學(xué)上定義pH值為氫離子濃度的常用對(duì)數(shù)負(fù)值。因此，pH值以濃度以10為底的負(fù)對(duì)數(shù)值。測(cè)量原理是對(duì)pH信號(hào)敏感的部件能在電阻極大的電路中測(cè)量出微小的電位差。電極有23部分組成：一個(gè)參比電極；一個(gè)指示電極（玻璃電極），其電位取決于周圍溶液的pH。參比電極的基本功能是維持一個(gè)恒定的電位，作為測(cè)量各種偏離電位的對(duì)照，銀-氧化銀電極是目前pH中最常用的參比電極。玻璃電極的功能是建立一個(gè)對(duì)所測(cè)量溶液的氫離子活度發(fā)生變化作出反應(yīng)的電位差。把對(duì)pH敏感的電極和參比電極放在同一溶液中，就組成一個(gè)原電池，該電池的電位是玻璃電極

39、和參比電極電位的代數(shù)和：。如果溫度恒定，這個(gè)電池的電位隨待測(cè)溶液的pH變化而變化，而測(cè)量pH計(jì)中的電池產(chǎn)生的電位是困難的，因其電動(dòng)勢(shì)非常小，且電路的阻抗又非常大1100M，因此，必須把信號(hào)放大。其中pH信號(hào)采集電路用高阻運(yùn)算放大電路，將高阻的pH信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，送到單片機(jī)進(jìn)行下一步操作，LCD顯示。參比電極指示電極接地電極高阻差分放大電路A/D 單片機(jī) 溫度補(bǔ)償圖4.4 pH值采集框圖三電極與放大電路構(gòu)成三電極系統(tǒng)，輸出pH信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，考慮到溫度對(duì)pH值測(cè)量的影響，進(jìn)行溫度補(bǔ)償換算，得出標(biāo)準(zhǔn)溫度下的pH值7。三電極測(cè)量電路，變送器的輸入級(jí)由兩個(gè)相同的高輸

40、入阻抗放大器組成。用一個(gè)放大器測(cè)量參比電極與溶液接地電極之間的電勢(shì),用另一放大器測(cè)量指示電極與溶液接地電極之間的電勢(shì)，這兩個(gè)電勢(shì)的代數(shù)和就是與待測(cè)溶液的pH相關(guān)的電勢(shì)差，放大器用來測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差。圖4.5 pH值信號(hào)采集調(diào)整系統(tǒng)中經(jīng)pH電極把pH信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)整電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。信號(hào)凋整電路采用多級(jí)集成運(yùn)放構(gòu)成，第一級(jí)采用放大器CA3140正相放大，為了提高輸入阻抗，第二級(jí)反相放大，采用可調(diào)電阻做反饋電阻，放大倍數(shù)可調(diào)，便于儀器的調(diào)試，第三級(jí)與第四級(jí)結(jié)合起來調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的零點(diǎn)，最后一級(jí)反相放大，將信號(hào)再進(jìn)行一次反相，得到與輸入信號(hào)同相的電壓信號(hào)8。在一定的溫度下只要知道了電壓

41、值，即可求出溶液的pH值，因此pH值的測(cè)量實(shí)際上就是電壓信號(hào)的測(cè)量。由于復(fù)合pH電極內(nèi)阻很高,前置放大器有較高的輸入阻抗，因此設(shè)計(jì)中選用了運(yùn)放CA3140，它兼有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)點(diǎn)，都集成在單獨(dú)的芯片上。在圖中，U1和U2構(gòu)成輸入級(jí)或第一級(jí)，而U3構(gòu)成輸出級(jí)或第二級(jí)，依據(jù)輸入電壓約束條件，在R3上的電壓為玻璃電極V1和參比電極V2電壓之差，即V1-V2，依據(jù)輸入電流約束條件，流過R1與R3是同一電流。 （4-2） 由歐姆定律得: （4-3） 輸入極也稱為差分輸入，U3為差分放大器，因此有： 將兩式結(jié)合在一起： （4-5） （4-4）此式表明總增益A是第一級(jí)A1和第二級(jí)A2的乘積

42、，輸入電路的增益取決于外部電阻的比值，所以采用合適的電阻,也就是調(diào)節(jié)合適的放大增益,使輸出電壓達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電壓范圍，送入ADC0831模/數(shù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。另外，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)U3中的電阻R,可以使共模抑制比CMRR達(dá)到最大,抑制共模噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。為了準(zhǔn)確的測(cè)定土壤溶液中氫離子濃度，除了需要性能優(yōu)良的電極外，還與儀器的前置運(yùn)算放大的選擇有密切的關(guān)系。以前影響測(cè)量?jī)x器發(fā)展的主要技術(shù)關(guān)鍵是前置運(yùn)算放大器的性能不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的需求，表現(xiàn)在性能上不穩(wěn)定,飄移大，噪音大，傳輸距離不遠(yuǎn)等。作為前置運(yùn)算放大器，應(yīng)具有放大器的輸入電流要小，高的輸入阻抗。放大器的輸入阻抗包括放大

43、器的阻抗和接插件的絕緣阻抗等，小的溫度漂移系數(shù)。所以本系統(tǒng)中使用美國無線電公司研制開發(fā)的CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器功能是保護(hù)MOSFET的柵極(PMOS上)中的晶體管輸入電路，提供非常高的輸入阻抗，具有極低的輸入電流和高速性能。為了提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)完成后，必須要進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法很多，標(biāo)定是用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液去校準(zhǔn)儀器，算出測(cè)量方程中的未知數(shù)，然后才能在測(cè)量過程中根據(jù)測(cè)量值和參數(shù)值算出被測(cè)試樣濃度值。對(duì)于實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)來說，能斯特方程響應(yīng)的實(shí)際曲線又往往偏離理想曲線，即實(shí)際響應(yīng)的曲線的斜率不等于理想曲線的斜率，所以只有知道實(shí)際的斜率，測(cè)量系統(tǒng)中的電極才能使用。標(biāo)定不僅在運(yùn)

44、行初期進(jìn)行，在運(yùn)行過程中，由于化學(xué)反應(yīng)的一些不確定因素發(fā)生的變化引起的測(cè)量值的漂移，一般必須由標(biāo)定來消除。對(duì)此，我們采用兩點(diǎn)標(biāo)定法。配制兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液，令其pH值分別為pH1和pH2，把pH探頭置于標(biāo)準(zhǔn)溶液中，則可以測(cè)得相應(yīng)的電壓值，如圖中的Pl、P2點(diǎn)。 （4-6） 依據(jù)電極理論:（4-7）（4-8）式中，K1，K2對(duì)應(yīng)T1、T2的電極斜率； pH0電極零電位的pH值； 電極溫度隨溫度的變化率（=）。 0P2(mV2,pH2,T2)P1(mV1，pH1,T1) mVpH0K1K2pH圖4.6 pH電極的mVpH曲線由前所述，式中僅有pH0, K1, K2為未知，因此可由上式求得電極的零電位點(diǎn)p

45、H0以及T1溫度下的斜率K1，并把K1換算成25時(shí)的斜率K25。儀表自動(dòng)完成上述過程并把pH0值和25時(shí)的斜率K25保存在EEPROM。常用的參比電極是甘汞電極，它是由汞和甘汞的糊狀物裝入一定濃度的KCl溶液中構(gòu)成的。汞上面插入鉑絲，與外導(dǎo)線相連，KCl溶液盛在底部玻璃管內(nèi)，管的下端開口用陶瓷塞塞住，通過塞內(nèi)的毛細(xì)孔，在測(cè)量時(shí)允許有少量KCl溶液向外滲漏，但絕不允許被測(cè)溶液向管內(nèi)滲漏，否則將影響電極讀數(shù)的重現(xiàn)性，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的結(jié)果9。為了避免出現(xiàn)這種結(jié)果，使用甘汞電極時(shí)最好把它上面的小橡皮塞拔下，以維持管內(nèi)足夠的液位壓差，斷絕被測(cè)溶液通過毛細(xì)孔滲入的可能性。在使用甘汞電極時(shí)還應(yīng)注意，KCl溶液要

46、浸沒內(nèi)部小玻璃管的下口，并且在彎管內(nèi)不允許有氣泡將溶液隔斷。甘汞電極做成下管較細(xì)的彎管，有助于調(diào)節(jié)與玻璃電極間的距離，以便在直徑較小的容器內(nèi)也可以插入進(jìn)行測(cè)量。甘汞電極在不用時(shí)，可用橡皮套將下端毛細(xì)孔套住或浸在KCl溶液中，但不要與玻璃電極同時(shí)浸在去離子水中保存。甘汞電極的電極電勢(shì)只隨電極內(nèi)裝的KCl溶液濃度而改變，不隨待測(cè)溶液的pH值不同而變化。通常所用的飽和KCl溶液的甘汞電極的電極電勢(shì)為。玻璃電極是由玻璃支桿、玻璃膜、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電極、電極帽、電線等組成。玻璃膜是由特殊成份組成的對(duì)氫離子敏感的玻璃膜組成。玻璃膜一般呈球泡狀，球泡內(nèi)充入內(nèi)參比溶液（中性磷酸鹽和氯化鉀的混合溶液），插入

47、內(nèi)參比電極（一般用銀/氯化銀電極），用電極帽封接引出電線，裝上插口，就成為一支pH指示電極。玻璃電極的關(guān)鍵部分是連接在玻璃管下端的、用特制玻璃(其組成：，和的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為和)制成的半圓球形玻璃薄膜，膜厚50m。在玻璃薄膜圓球內(nèi)裝有一定濃度的HCl溶液，并將覆蓋有一薄層AgCl的銀絲插入HCl溶液中，再用導(dǎo)線接出，即構(gòu)成一個(gè)玻璃電極。當(dāng)玻璃電極浸入待測(cè)pH值的溶液中時(shí)，玻璃薄膜內(nèi)外兩側(cè)都因吸水膨潤而分別形成兩個(gè)極薄的水化凝膠層，中間則仍為干玻璃層。在進(jìn)行pH測(cè)定時(shí)，玻璃膜外側(cè)與待測(cè)pH溶液的相界面上要發(fā)生離子交換，有離子進(jìn)出；同樣，玻璃膜內(nèi)側(cè)與膜內(nèi)裝的HCI溶液的相界面上也要發(fā)生離子交換，也有

48、進(jìn)出。由于玻璃膜兩側(cè)溶液中濃度的差異，以及玻璃膜水化凝膠層內(nèi)離子擴(kuò)散的影響，就逐漸在膜外側(cè)和膜內(nèi)側(cè)兩個(gè)相界面之間建立起一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電勢(shì)差，稱為膜電勢(shì)。由于膜內(nèi)側(cè)HCl溶液中濃度為定值，當(dāng)玻璃膜內(nèi)離子擴(kuò)散情況穩(wěn)定后，它對(duì)膜電勢(shì)的影響也為定值，因此膜電勢(shì)就只取決于膜外側(cè)待測(cè)pH溶液中的濃度。目前市場(chǎng)使用的電極為復(fù)合電極的情況越來越普遍，復(fù)合電極只是復(fù)合了以上兩種電極的功能，簡(jiǎn)易了操作功能。復(fù)合電極外殼為塑料的就稱為塑殼pH復(fù)合電極，外殼為玻璃的就稱為玻璃pH復(fù)合電極。pH復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)主要由電極球泡、玻璃支持桿、內(nèi)參比電極、內(nèi)參比溶液、外殼、外參比電極、外參比溶液、液接界、電極帽、電極導(dǎo)線、插口

49、等組成。電極球泡是由鋰玻璃熔融吹制而成，呈球形，膜厚在左右，電阻值小于250兆歐（在溫度25下）。玻璃支持管是支持電極球泡的玻璃管體,由電絕緣性優(yōu)良的鉛玻璃制成，其膨脹系數(shù)應(yīng)與電極球泡玻璃一致。內(nèi)參比電極為銀/氯化銀電極，主要作用是引出電極電位，要求其電位穩(wěn)定，溫度系數(shù)小。內(nèi)參比溶液是零電位為7pH的內(nèi)參比溶液，是中性磷酸鹽和氯化鉀的混合溶液，玻璃電極與參比電極構(gòu)成電池建立零電位的pH值，主要取決于內(nèi)參比溶液的pH值及氯離子濃度。電極塑殼是支持玻璃電極和液接界，盛放外參比溶液的殼體，由聚碳酸酯塑壓成型。外參比電極為銀/氯化銀電極，作用是提供與保持一個(gè)固定的參比電勢(shì)，要求電位穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，溫度

50、系數(shù)小。外參比溶液為的氯化鉀凝膠電解質(zhì)，不易流失，無需添加。砂芯液接界是溝通外參比溶液和被測(cè)溶液的連接部件，要求滲透量穩(wěn)定。電極導(dǎo)線為低噪音金屬屏蔽線，內(nèi)芯與內(nèi)參比電極連接，屏蔽層與外參比電極連接。它的原理是以電位法測(cè)定土壤懸液pH，通用pH玻璃電極為指示電極，甘汞電極為參比電極。此二電極插入待測(cè)液時(shí)構(gòu)成一電池反應(yīng)，其間產(chǎn)生一電位差，因參比電極的電位是固定的，故此電位差之大小取決于待測(cè)液的氫離子活度或其負(fù)對(duì)數(shù)pH。因此可用電位法測(cè)定電動(dòng)勢(shì)，再換算成pH。pH緩沖液配置：使用成套的pH緩沖試劑可配制250ml，配制溶液時(shí)，應(yīng)使用去離子水，并預(yù)先煮沸1530分鐘，以除去溶解的二氧化碳。剪開塑料袋將

51、試劑倒入燒杯中，用適量去離子水使之溶解，并沖洗包裝袋，再倒入250ml容量瓶中，稀釋至刻度，充分搖勻即可。一般及三種溶液使用時(shí)間可以長(zhǎng)一些，和pH1溶液由于吸收空氣中的，其pH值比較容易變化。電位測(cè)量法原理公式中，傳感器電極輸出電壓亦為溫度的函數(shù)，是由此計(jì)算出的pH值也是和溫度密不可分的，即我們通常所說的某溶液的pH值只是此溶液在某一特定溫度下的酸堿度，如溫度變化，此pH值將失去意義。故溫度補(bǔ)償是必不可少的過程，也是pH儀器鑒定過程中及其重要的環(huán)節(jié)。分為手動(dòng)溫度補(bǔ)償和自動(dòng)溫度補(bǔ)償，手動(dòng)溫度補(bǔ)償要求在硬件部分有專門的溫度補(bǔ)償電路，通常通過手動(dòng)調(diào)節(jié)有穩(wěn)定電壓的線性可調(diào)電位器來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在標(biāo)準(zhǔn)溶

52、液中調(diào)節(jié)此電位器以使其顯示正確pH值(已知)，再在此狀態(tài)下進(jìn)行正常測(cè)量，此種方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液溫度要求較高，即補(bǔ)償時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)溶液應(yīng)與被測(cè)溶液溫度一致，否則補(bǔ)償過程失去意義。自動(dòng)溫度補(bǔ)償是硬件不需要專門電路，通過軟件完成此過程。即根據(jù)原理公式，將參數(shù)帶入計(jì)算好的斜率，截距表達(dá)式寫入數(shù)據(jù)處理程序，在測(cè)量pH值時(shí)先將傳感器測(cè)出的溫度值帶入表達(dá)式計(jì)算出此溫度狀態(tài)下的參數(shù)值，用此參數(shù)來計(jì)算pH值。此種方法過于側(cè)重理論性，得到的參數(shù)值為純理論值，實(shí)際會(huì)隨傳感器電極的制作工藝，老化等因素產(chǎn)生誤差。接下來是把pH模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，能夠完成將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件叫模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器。通常是指一個(gè)將模

53、擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)的多少表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。 A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。在實(shí)際電路中，有些過程是合并進(jìn)行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉(zhuǎn)換過程中是

54、同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。 一般來說，AD比DA貴，尤其是高速的AD，因?yàn)樵谀承┨厥鈭?chǎng)合，如導(dǎo)彈的攝像頭部分要求有高速的轉(zhuǎn)換能力。一般那樣的AD要上千美元。還有通過AD的并聯(lián)可以提高AD的轉(zhuǎn)換效率，多個(gè)AD同時(shí)處理數(shù)據(jù)，能滿足處理器的數(shù)字信號(hào)需求了。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按位數(shù)來分，有8位、10位、12位、16位。位數(shù)越高，其分辨率也越高，但價(jià)格也越高。A/D轉(zhuǎn)換器就其結(jié)構(gòu)來分，有單獨(dú)的A/D轉(zhuǎn)換器，有的A/D轉(zhuǎn)換器帶多路開關(guān)，有的帶多數(shù)開關(guān)、數(shù)據(jù)放大器、采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換器，其本身就是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換器按轉(zhuǎn)換原理分為計(jì)算器式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分式A/D、并行A/

55、D轉(zhuǎn)換、串并行A/D轉(zhuǎn)換等。在這些轉(zhuǎn)換方式中，計(jì)數(shù)器式A/D線路比較簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度比較慢，所以現(xiàn)在應(yīng)用很少。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換精度高，多用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及精度比較高的場(chǎng)合。并行及串并A/D轉(zhuǎn)換速度比較快，多用于雷達(dá)及圖象處理等要求比較高的場(chǎng)合。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換既照顧了轉(zhuǎn)換速度，有具有一定的精度，是目前工業(yè)過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種。目前，絕大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器都采用這種轉(zhuǎn)換方法。本設(shè)計(jì)用到ADC0831，它是8位逐次逼近型類比模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有單輸入通道，串行輸出接口，比例轉(zhuǎn)換可以通過設(shè)置達(dá)到REF的輸入等于最大模擬輸入信號(hào)值，從而得到盡可能高的轉(zhuǎn)換分辨率。本pH測(cè)試，需要測(cè)的是溶液中的氫

56、離子濃度和溫度。根據(jù)測(cè)量的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用的是ADC0831芯片，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。ADC0831是主要對(duì)從輸入電路進(jìn)來的pH信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，在不要求高速轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)pH的測(cè)量目標(biāo)為便攜式產(chǎn)品，考慮到體積和標(biāo)準(zhǔn)溶液溫度的限制選用自動(dòng)溫度補(bǔ)償方法，此方法的缺點(diǎn)可以通過后續(xù)校正過程予以克服。 LCD輸出顯示LCD液晶屏是一種高分子材料，因?yàn)槠涮厥獾奈锢怼⒒瘜W(xué)、光學(xué)特性，20世紀(jì)中葉開始廣泛應(yīng)用在輕薄型顯示器上。液晶顯示的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合背部燈管構(gòu)成畫面。各種型號(hào)的液晶通常是

57、按照顯示字符的行數(shù)或液晶點(diǎn)陣的行、列數(shù)來命名的。比如：1602的意思是每行顯示16個(gè)字符，一共可以顯示兩行；類似的命名還有0801、0802、1601等，這類液晶通常都是字符型液晶，即只能顯示ASCII碼字符，如數(shù)字、大小寫字母、各種符號(hào)等。還有另一類液晶屬于圖形型液晶，如12232，它的意思是液晶由122列、32行組成，即共有12232個(gè)點(diǎn)來顯示各種圖形，我們可以通過程序控制這12232個(gè)點(diǎn)中的任何一個(gè)點(diǎn)顯示或不顯示。類似的命名還有12864、19264、192128、320240等。液晶體積小、功耗低、顯示操作簡(jiǎn)單，但是它有個(gè)致命的弱點(diǎn)，其使用的溫度范圍很窄，通用型液晶正常工作溫度范圍為0

58、+55，存儲(chǔ)溫度范圍為-20+60，即使是寬溫級(jí)液晶，其正常工作溫度范圍也僅為-20+70，存儲(chǔ)溫度范圍為-30+80。液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過軟件的修改來不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫比較復(fù)雜。由于本系統(tǒng)需要顯示溫濕度及酸堿度數(shù)值，所以用

59、字符型液晶LCD1602足以滿足要求，考慮到顯示三個(gè)數(shù)據(jù)，采用四行顯示的LCD1604液晶屏。LCD液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要23伏就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的，同時(shí)可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的數(shù)碼LED顯示器顯示的界面有了質(zhì)的提高。在儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。顯示質(zhì)量高，由于液晶顯示器的每一個(gè)點(diǎn)收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度恒定發(fā)光，因此液晶顯示器的畫質(zhì)高而且不會(huì)閃爍。數(shù)字式接口，液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單操作也很方便。功率消耗小，相比而言液晶顯示器的主要功耗在內(nèi)部電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因

60、而耗電量比其他器件要小很多。雖然LCD顯示器的價(jià)格比數(shù)碼管要貴，但它的顯示效果好，是當(dāng)今顯示器的主流，所以采用LCD作為顯示器。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)24C02是一個(gè)2K位CMOS EEPROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。具有工作電壓寬()、擦寫次數(shù)多(大于10000 次)、寫入速度快(小于10ms)、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點(diǎn)。它采用了總線規(guī)程，使主/從機(jī)雙向通信10。主機(jī)通過SCL引腳產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)并發(fā)出控制字，控制總線數(shù)據(jù)傳送的開始、方向和停止。無論是主機(jī)還是從機(jī)，接收到一個(gè)字節(jié)后必須發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。24