基于SOC单片机的pH值检测与控制

　　0 引言

　　随着科技的进步和工农业生产的发展，水产养殖这一传统的行业也在向工厂化和智能化方向发展。水质监控仪器的设计是实现工厂化水产养殖的关键设备。其中pH 值就是多因子水环境中一个重要的因子，本文设计了基于SOC 单片机C8051F020 的pH 值的检测电路，并通过控制算法实现了对多因子水环境中pH 值的控制调节。

　　1 硬件电路设计和pH 测量原理

　　本设计采用高速SOC 单片机C8051F020 既能提高仪表可靠性又能提高系统性能。C8051F020是集成的混合信号片上系统，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。设计中采用了C8051F020 提供的12 位A/D、D/A，能有满足设计要求。pH 检测控制电路框图如图1 所示。

　　图 1 pH 检测控制电路的框图

　　1.1 pH值信号放大电路设计

　　设计中采用pH复合玻璃电极，由于pH测量电极内阻大，要求前置放大器有较高的输入阻抗，设计中选用运放CA3140，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。pH值信号放大电路如图2所示。

　　图2 pH值信号放大电路

　　1.2 pH值信号放大电路抗干扰设计

　　由于信号调理电路很容易受到其他信号的干扰，主要表现为工频干扰，不仅仅是50Hz，50Hz的整数倍谐波频率的干扰也不能忽视，其幅值比50Hz的干扰小。另外，50Hz工频干扰漂移的存在使得包括这个范围的频率都应视为工频干扰。对于谐波的干扰可通过低通滤波器去掉，而要去掉49.5～50.5Hz的干扰则需要设计出性能好的陷波器。下面是笔者在pH值信号抗干扰电路中所设计的陷波电路，电路图如图3所示。

　　图3 50Hz陷波电路

　　此外，电路板表面的漏电流也是不能忽略的，在电路板上附着了灰尘、污质，或者是在环境比较潮湿的地方电路板表面的漏电流都会变得不可忽略，会影响对pH值信号的检测。

　　为减小电路板表面漏电流的影响，在电路板上CA3140的输入端放置金属环，并且在电路板的表层和底层都相应放置。如图2中虚线方框所示。

　　1.3 pH值测量原理

　　电位法测量溶液pH值常用玻璃电极作为指示电极，银-氯化银电极作为参比电极，将两种电极封装在起构成复合玻璃电极。将电极插人待测溶液，复合玻璃电极和待测溶液组成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别为原电池的正极和负极。依据nernst方程，原电池输出电动势、被测溶液绝对温度及被测溶液pH值之间满足如下关系：

　　式中：E为原电池输出电动势，mV；E0为常数，为与电极材料、内参比溶液、内参比电极以及液接电位有关的电位差，mV；K为常数，为nernst系数；T为被测溶液的绝对温度，K；pHx是被测溶液的pH值；Ph0是常数，为复合玻璃电极内缓冲溶液的pH值。

　　由式(1)可知被测溶液的pH值和温度共同作用产生原电池输出电动势，因此同时测量原电池输出电动势和溶液温度就能根据式(1)计算出被测溶液的pH值。

　　由于玻璃电极的制造工艺等原因式(1)中参数E0和K的实际值与它们的理论会有差异并且随着电极的老化而改变，因此必须用pH值已知的标准缓冲溶液校正电极。由于水产养殖水环境呈碱性，故选用混合磷酸盐(pH=6.86)和硼砂(pH=9.18)的标准缓冲溶液进行校正，具体校正方法如下：设两个标准缓冲溶液的pH值分别为PH1、pH2输出电动势分别为E1和E2，在相同温度T下标定，由式(1)得到溶液输出电动势E与pH关系如下式所示：

　　将两个标准缓冲溶液的酸度pH1、pH2和对应电动势E1、E2及算出的参数K保存在E2PROM中。由式(3)得到待测溶液的pH值。

　　2 控制方法[4][5]

　　由于水产养殖最适合的pH值范围为：7～8.5，而且pH值同水中温度、溶解氧、浮游植物的光合作用、鱼类呼吸作用、氨氮等因子相互作用。此外，酸碱中和反应中pH值呈严重的非线性和滞后性，而且在中和点附近的斜率极大，而两端的斜率急剧变小，在中和点附近具有极高的灵敏度，给控制造成很大困难；少量的杂质会使过程特性发生严重畸变，难以建立准确的数学模型；pH传感器的动态特性易受环境（温度、压力、电极的清洁度等）变化的影响，而且外部干扰具有复杂性。

　　由于常规PID控制器简单、稳定性好、可靠性高而广泛应用于过程控制，但是常规PID控制器不能在线整定参数, 因而不能很好地控制非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统。模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统能够进行简单有效地控制。因此，结合传统PID控制器的优点，同时考虑到模糊控制实现的特点，提出了自适应模糊PID控制方法。

PID参数自整定就是先找出PID控制器的3个参数Kp