专利名称：pH值/电位智能分析测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电化学分析测试技术领域。
酸度值和电极电位是电化学中最常用的二种测量数据，目前一般采用PH/mV计或离子计来测量这二种参数，相应的仪表有电表指针式和数显式二种。其中，数显式仪表因具有自动极性变换，读数直观，易扩充功能等优点而逐渐取代指针式仪表。现有的数字式PH/mV计或离子计主要由输入阻抗变换电路、放大电路、模/数转换电路和数码显示等部分组成，其测试功能主要由硬件来完成，如对于温度补偿问题，或者采用温度补偿旋钮人工调节，或者采用热敏电阻补偿等，操作麻烦，精度差，适用的补偿范围也较小。此外，目前所有的仪表只能测量在实际温度下的酸度值和mV，若要进行电化学方面的比较，则只能通过人工计算或查阅曲线图表来换算成标准条件(25℃)下的相应数值。
本实用新型的目的就是开发研制一种以单片机8031为核心，尽可能用软件代替硬件功能，并且有数据处理、校正功能的智能式PH/mV分析测试仪。
本实用新型是由温度传感器、电极电位传感器、酸度值传感器、温度放大电路、酸度值放大电路、电极电位放大电路、多路切换电路、自动量程转换电路、模/数转换电路、单片机系统、键盘/显示电路、报警控制电路等组成。单片机8031根据键盘输入指令和程序存贮器的软件，对来自温度传感器、酸度值传感器、电极电位传感器的三种弱电压信号，进行放大、滤波、多路切换、自动量程转换和模/数转换，并将采集的数据进行存贮、计算和处理，最后由6位LED显示器顺序显示温度值，酸度值和电位值。此外，单片机8031利用实测的温度值和预先存贮在存贮器中的固定校正算式(由理论算式给出)，也可用自定义校正算式(其参数由键盘输入)，对实测的酸度值和电位值进行温度校正，并给出标准温度(25℃)下的标准电位值和酸度值。报警控制电路用来超限指示和控制。
本实用新型采用单片机技术和电化学测试技术相结合，简化了硬件电路，扩充了测量功能，降低了仪器成本，提高了整机的可靠性和测试精度，酸度与电位相对测量精度为酸度0.02PH/3PH，电位1％±1个字。本实用新型还可对实测的酸度值和电位进行数据校正，给出标准温度下的数据，便于电化学上的分析和比较，不需再靠人工计算或查阅曲线图表来换算成标准温度下的相应数据。
附
图1为本实用新型的硬件电路方框图。
附图2为本实用新型的三路信号输入部分和模/数转换部分的电气原理图。
附图3为本实用新型的三路信号输入部分和模/数转换部分的电气原理图。
附图4为本实用新型的单片机系统及报警控制部分的电气原理图。
附图5为本实用新型的单片机系统及报警控制部分的电气原理图。
附图6为本实用新型的键盘/显示部分的电气原理图。
附图7为本实用新型的键盘/显示部分的电气原理图。
本实用新型的实施例结合附图作进一步说明。
本实用新型由硬件和软件两大部分构成，参考附图1所示，硬件包括温度传感器11，电极电位传感器12，酸度值传感器13，温度放大电路1，电极电位放大电路2，酸度值放大电路3，多路切换电路4，自动量程转换电路5，模/数转换电路6，单片机8031(U12)，程序存贮器U14，数据存贮器U15，键盘/显示电路7，键盘8，显示器9，报警控制电路10等。所有硬件均焊接在一块双面印刷电路板上。固化在程序存贮器U14中的软件包括控制、采集、计算、处理程序和校正算式等。
参考附图4所示，本实用新型所需的工作电压±12V和+5V由插座Z2引入，-12V直流电压又经T1(7905)稳压，得到-5V直流电压。+12V电压又经插座Z1引出，为集成温度传感器11供电。
参考附图1、附图4所示由SL134集成温度传感器11输出的mV级电压信号由插座Z1的W9、W10两端引入到温度放大电路1，当温度变化范围为-5℃～+105℃时，温度传感器11输出的电压幅度在190mV～740mV之间。由金属电极和甘汞电极构成的电极电位传感器12输出的mV级电压信号(-1700mV～+1700mV)由插座Z1的W7、W8两端引入到电极电位放大电路2。由平板状玻璃电极和甘汞电极构成的酸度值传感器13输出的mV级电压信号(0～800mV)由插座Z1的W11、W12两端引入到酸度值放大电路3。
参见附图2所示，由电阻R1～R6、电容C1～C4、运放U1(OP07)构成的温度放大电路1，是将插座Z1的W9端经由R1、R2和C2构成的低通滤波器后接入到U1的3端，U1的1端经调零电阻R4接其8端，+5V分别经滤波电容C1接地、接U1的7端和接R4的可调端，-5V经滤波电容C3接地和接U1的4端，插座Z1的W10端分别接地和经R3接U1的2端，U1的2端经R5接其6端，U1的6端输出经R6、C4耦合送多路开关U4的12端。这里由R1、R2和C2构成的低通滤波器，是用来消除脉冲尖峰干扰，稳定放大器U1的输入电压；电阻R3、R5构成放大器U1的电压串联负反馈网络，且当R1//R2＝R5//R3时，可以减少放大器U1输入级偏置电流对失调的影响；U1的6端输出为-5V～+5V的电压信号。
由电阻R7～R12、电容C5～C8、运放U2(LF356)构成的电极电位放大电路2，是将插座Z1的W7端经由R7、R3和C6构成的低通滤波器后接入到U2的3端，U2的1端经调零电阻R11接其5端，-5V分别经滤波电容C5接地、接U2的4端和接R11的可调端，+5V经滤波电容C7接地和接U2的7端，插座Z1的W3端分别接地和经R9接U2的2端，U2的2端经R10接其6端，U2的6端输出经R12、C3耦合送多路开关U4的14端。这里由R7、R3和C6构成的低通滤波器，是用来消除脉冲尖峰干扰，稳定放大器U2的输入电压；电阻R9、R10构成放大器U2的电压串联负反馈网络，且当R7//R8＝R9//R10时，可以减少放大器U2输入级偏置电流对失调的影响；U2的6端输出为-5V～+5V的电压信号。
由电阻R13～R18、电容C9～C12、运放U3(LF356)构成的酸度值放大电路3，是将插座Z1的W11端经由R13、R14和C10构成的低通滤波器后接入到U3的3端，U3的1端经调零电阻R17接其5端，-5V分别经滤波电容C9接地，接U3的4端和接R17的可调端，+5V经滤波电容C11接地和接U3的7端，插座Z1的W12端分别接地和经R15接U3的2端，U3的2端经R16接其6端，U3的6端输出经R18、C12耦合送多路开关U4的15端。这里由R13、R14和C10构成的低通滤波器，是用来消除脉冲尖峰干扰，稳定放大器U3的输入电压；电阻R15、R16构成放大器U3的电压串联负反馈网络，且当R13//R14＝R15//R16时，可以减小放大器U3输入级偏置电流对失调的影响；U3的6端输出为-5V～+5V的电压信号。
由多路开关U4(4052)、锁存器U5(74LS373)、非门U9A(74LS04)、或门U10A(74LS32)构成的多路切换电路4，是将8031(U12)单片机U12的26端(P25)输出和U12的16端(WR线)一起经或门U10A和非门U9A后，送U5的11端，U5的1端接地，U5的D0～D7接8031的数据总线D0～D7，U5的2端(Q0端)输出接U4的9端，U5的5端(Q1端)输出接U4的10端；U4的7端接-5V，以保证U4既能传输正信号，又能传输负信号；U4的11端和6端接地，U4的12端、14端和15端分别接三路输入信号，U4的13端输出送自动量程转换电路5。这里锁存器U5是用来锁存单片机8031发来的通道切换命令，多路开关U4根据其9、10两端的状态三选一输出。
参见附图3所示，由多路开关U6(4052)、电阻R19～R22构成的自动量程转换电路5，是将U4的13端输出的信号送U6的12端和经电阻R19接U6的14端，U6的14端经电阻R20接其15端，U6的15端经R21接其11端，U6的11端经R22接其6端，U6的6端接地，U6的10端接8031单片机U12的7端(P16)，U6的9端接U12的8端(P17)，U6的7端接-5V，以保证既能传输正信号，又能传输负信号；U6的13端输出送A/D转换器U7的35端。这里8031的P16和P17是控制量程切换用的，电阻R19～R22起分压作用。
由A/D转换器U7(ICL7109)、或门U10B(74LS32)、缓冲器U3(74LS244)及电阻R23～R26、电容C13～C17等构成的模/数转换电路6，是将8031单片机U12的6端(P15)接U7的26端，对U7进行转换控制；U7的模拟信号输入端35端接来自多路开关U6的13端输出；U7的31端经调零电容C17后分别经积分电阻R26接其30端，经积分电容C14接其32端；U7的37端经基准电容C13接其38端；U7的1、20、21、24、33、34端接地；U7的28端接-5V，U7的40端接+5V；U7的22端经晶振E1接其23端；接U7的36、39两端的电阻R23、R24、R25是将±5V进行分压，为U7提供基准电压；来自8031单片机U12的4端(P13)输出接U7的19端，以控制U7的极性位、溢出位和高四位输出，U12的5端(P14)输出接U7的18端，以控制U7的低八位输出；U7的低八位输出DB0～DB7送缓冲器U8的八位输入端1A1～1A4、2A1～2A4，U7的高四位输出DB3～DB11送缓冲器U3的低四位输入端1A1～1A4，U7的4、3两端输出分别接U3的11、13两端(2A1、2A2)。来自8031单片机U12的17端(RD线)和27端(P26)经或门U10B后接缓冲器U8的1、19两端，U8的八位输出1Y1～1Y4、2Y1～2Y4接数据总线D0～D7。这样，12位双积分式模/数转换器U7和缓冲器U8在8031单片机U12的控制下，分别对三路输入信号进行A/D转换和送数。
参见附图4、附图5所示，由8031单片机U12、锁存器U13(74LS373)、EPROM程序存贮器U14(2764)，RAM数据存贮器U15(6116)等构成的单片机系统，是将U12的18、19两端接由电容C18、C19和晶振E2构成的时钟电路；U2的9端接由电阻R30、R31、电容C20、开关K1构成的上电复位电路；U12的31端接地，U12的30端(ALE线)接U13的11端，U12的29端(PSEN)接U14的22端，U12的P0口(P00～P07)分别接数据总线D0～D7和接U13的八位输入端D0～D7，U13的八位输出端Q0～Q7分别接U14和U15的低八位地址总线A0～A7；U12的P20～P24接U14的高五位地址线A8～A12，U12的P20～P22接U15的高三位地址线A3～A10；U13的1端接地，U14的20端接地，U14的1、27两端接+5V，U14的D0～D7接数据总线D0～D7；U15的18端接U12的24端(P23)，U15的20端接U12的17端(RD线)，U15的21端接U12的16端(WR线)，U15的D0～D7接数据总线D0～D7。
参考附图6、附图7所示，由可编程键盘/显示器接口U21(8279)、译码器U22(74LS138)、非门U9B、U9C(74LS04)、驱动器U16(75452)、U17(75452)、U13(75452)、U19(7406)、U20(7406)、键盘8、显示器9(6位LED)等构成的键盘/显示电路7，是将8031单片机U12的30端(ALE)经两级非门U9C、U9B整形后送U21的3端，U12的9端(RST线)送U21的9端，U12的16端(WR线)接U21的11端，U12的17端(RD线)接U21的10端，U12的28端(P27)接U21的22端；U13的Q0输出A0线)接U21的21端；U21的36、37两端接地，U21的DB0～DB7接数据总线D0～D7，U21的32、33、34三端分别对应接U22的1、2、3三端；U22的4、5两端接地，U22的6端接+5V；U21的扫描线SL0、SL1、SL2经译码器U22后输出Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5；由按键S1、S2、S3、S4、S5、S3、S7、S8、S9、S0、F1、F2、F3、F4、F5、F6构成的4×4键盘8，其键盘8的行线由U21的RL0～RL3控制，键盘8的列线由U22输出的Y0～Y3控制；由数码管L1、L2、L3、L4、L5、L6构成6位LED显示器9，6位LED显示器的段位线由U21的OUTA0～OUTA3和OUTB0～OUTB3经驱动器U20和U19驱动后控制，6位LED显示器的位选线由U22的Y0～Y5经驱动器U16、U17、U18驱动后控制，连接在6位LED显示器的段选线上的电阻R32～R39为上拉电阻，同时起限流作用。
这样8031单片机在固化在EPROM中的软件控制下，分别对温度信号、电极电位信号、酸度值信号进行自动采集、存贮、计算处理，最后由6位LED显示器顺序显示温度值、酸度值和电极电位值，并利用实测的温度值和预先存贮在EPROM中的固定校正算式(由理论算式给出)或采用自定义校正算式(其参数由键盘输入)，对实测的酸度值和电位值进行温度校正，给出标准温度(25℃)下的标准电位值和酸度值。
参考附图4所示由驱动器U11(7407)、发光二极管G1、G2、G3、二极管V1、V2、V3、继电器JQ1、JQ2、JQ3及电阻R27～R29构成的报警控制电路10，是将8031单片机U12的1端(P10)经驱动器U11A后分别经反接发光管G1、电阻R27接+5V，经顺接二极管V1接+12V，经继电器JQ1接+12V；U12的2端(P11)经驱动器U11B后分别经反接的发光管G2、电阻R28接+5V，经顺接二极管V2接+12V，经继电器JQ2接+12V；U12的3端(P12)经驱动器U11C后分别经反接的发光管G3、电阻R29接+5V，经顺接二极管V3接+12V，经继电器JQ8接+12V。继电器JQ1、JQ2、JQ3的三对常开接点W5与W6、W3与W4、W1与W2分别由插座Z1引出。当8031的P10、P11、P12端口输出为低电平时，发光管G1、G2、G3均点亮，继电器JQ1、JQ2、JQ3均动作，进行超限显示和控制。电阻R27、R28、R29起限流作用，二极管V1、V2、V3用来防止继电器线圈产生较大的反电势。
权利要求1.一种新型的酸度值与电位智能分析测试仪，是由温度传感器(11)、温度放大电路(1)、电极电位传感器(12)、电极电位放大电路(2)、酸度值传感器(13)、酸度值放大电路(3)、多路切换电路(4)、自动量程转换电路(5)、模/数转换电路(6)、单片机系统、键盘/显示电路(7)、报警控制电路(10)等组成，其特征在于a.由电阻R1～R6、电容C1～C4、运放U1(OP07)构成的温度放大电路(1)，是将温度传感器(11)输出的mV级电压信号从插座Z1的W9、W10两端引出，W9端经由R1、R2和C2构成的低通滤波器后接入到U1的3端，W10端分别接地和经R9接U1的2端，U1的1端经调零电阻R4接其8端，+5V分别经滤波电容C1接地、接U1的7端和接R4的可调端，-5V经滤波电容C3接地和接U1的4端，U1的2端经R5接其6端，U1的6端输出经R6、C4耦合送多路开关U4的12端；b.由电阻R7～R12、电容C5～C8、运放U2(LF356)构成的电极电位放大电路(2)，是将电极电位传感器(12)输出的mV级电压信号从插座Z1的W7、W8两端引出，W7端经由R7、R8和C6构成的低通滤波器后接入到U2的3端，W8端分别接地和经R9接U2的2端，U2的1端经调零电阻R11接其5端，-5V分别经滤波电容C5接地、接U2的4端和接R11的可调端，+5V经滤波电容C7接地和接U2的7端，U2的2端经R10接其6端，U2的6端输出经R12、C3耦合送多路开关U4的14端；c.由电阻R13～R13、电容C9～C12、运放U3(LF356)构成的酸度值放大电路(3)，是将酸度值传感器(13)输出的mV级电压信号从插座Z1的W11、W12两端引出，W11端经由R13、R14、C10构成的低通滤波器后接入到U3的3端，W12端分别接地和经R15接U3的2端，U3的1端经调零电阻R17接其5端，-5V分别经滤波电容C9接地、接U3的4端和接R17的可调端，+5V经滤波电容C11接地和接U3的7端，U3的2端经R16接其6端，U3的6端输出经R18、C12耦合送多路开关U4的15端；d.由多路开关U4(4052)、锁存器U5(74LS373)、非门U9A、或门U10A构成的多路切换电路4，是将8031单片机U12的26端(P25)输出和U12的16端(WR线)一起经或门U10A和非门U9A后送U5的11端，U5的1端接地，U5的D0～D7接8031的数据总线D0～D7，U5的2端(Q0端)输出接U4的9端，U5的5端(Q1端)输出接U4的10端，U4的7端接-5V，U4的11端和6端接地，U4的13端输出送自动量程转换电路(5)；e.由多路开关U6(4052)、电阻R19～R22构成的自动量程切换电路(5)，是将U4的13端输出的信号送U6的12端和经电阻R19接U6的14端，U6的14端经电阻R20接其15端，U6的15端经电阻R21接其11端，U6的11端经电阻R22接其6端和接地，U6的10端接8031单片机U12的7端(P16)，U6的9端接U12的8端(P17)，U6的7端接-5V，U6的13端输出送A/D转换器U7的35端；f.由A/D转换器U7(ICL7109)、或门U10B、缓冲器U3(74LS244)及电阻R23～R26、电容C13～C17等构成的模/数转换电路(6)，是将8031单片机U12的6端(P15)接U7的26端，U7的31端经调零电容C17后，分别经积分电阻R26接其30端和经积分电容C14接其32端，U7的37端经基准电容C13接其38端，U7的1、20、21、24、33、34端接地，U7的28端接-5V，U7的40端接+5V，U7的22端经晶振E1接其23端，接于U7的36、39两端的电阻R23、R24、R25是将±5V的电压进行分压，为U7提供基准电压，8031单片机U12的4端(P13)输出接U7的19端，U12的5端(P14)输出接U7的18端，U7的低八位输出DB0～DB7送缓冲器U8的八位输入端1A1～1A4、2A1～2A4，U7的高四位输出DB8～DB11送缓冲U13的低四位输入端1A1～1A4，U7的4、3两端输出分别接U8的11、13两端(2A1、2A2)，8031单片机U12的17端(RD线)和27端(P26)经或门U10B后接缓冲器U8的1、19两端，U8的八位输出1Y1～1Y4、2Y1～2Y4接数据总线D0～D7；g.由8031单片机U12、锁存器U13(74LS373)、EPROM程序存贮器U14(2764)、RAM数据存贮器U15(6116)等构成的单片机系统，是将U12的18、19两端接由电容C18、C19和晶振E2构成的时钟电路，U12的9端接由电阻R30、R31、电容C20、开关K1构成的上电复位电路，U12的31端接地，U12的30端(ALE线)接U13的11端，U12的29端(PSEN)接U14的22端，U12的P0口(P00～P07)分别接数据总线D0～D7和接U13的八输入端D0～D7，U13的八输出端Q0～Q7分别接U14和U15的低八位地址总线A0～A7，U12的P20～P22接U15的高三位地址线A8～A10，U13的1端接地，U14的20端接地，U14的1、27两端接+5V，U14的D0～D7接数据总线D0～D7，U14的高五位地址线A8～A12接U12的P20～P24，U15的18端接U12的24端(P23)，U15的20端接U12的17端(RD线)，U15的21端接U12的16端(WR线)，U15的D0～D7接数据总线D0～D7；h.8031单片机U12的P10、P11、P12端口分别控制三路报警控制电路10；i.8031单片机U12的控制线(P27口输出、RD线、WR线、ALE线、RST线)、数据总线D0～D7和最低位地址线A0线送键盘/显示电路(7)。
2.根据权利要求1所述的酸度值与电位智能分析测试仪，其特征在于由可编程键盘/显示器接口U21(8279)、译码器U22(74LS138)、非门U9B、U9C、驱动器U16、U17、U18、U19、U20、键盘(8)、显示器(9)等构成的键盘/显示电路(7)，是将8031单片机U12的30端(ALE线)经两级非门U9C、U9B整形后送U21的3端，U12的9端(RST线)送U21的9端，U12的16端(WR线)接U21的11端，U12的17端(RD线)接U21的10端，U12的28端(P27)接U21的22端，U13的Q0输出(A0线)接U21的21端，U21的36、37两端接地，U21的DB0～DB7接数据总线D0～D7，U21的32、33、34三端分别对应接U22的1、2、3三端，U22的4、5两端接地，U22的6端接+5V，U21的扫描线SL0、SL1、SL2经译码器U22后输出Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5；由按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S0、F1、F2、F3、F4、F5、F6构成的4×4键盘(8)，其键盘(8)的行线由U21的RL0～RL3控制，键盘(8)的列线由U22输出的Y0～Y3控制；由数码管L1、L2、L3、L4、L5、L6构成的6位LED显示器(9)，其6位LED的段位线由U21的OUTA0～OUTA3和OUTB0～OUTB3经驱动器U20和U19驱动后控制，6位LED的位选线由U22的Y0～Y5经驱动器U16、U17、U18驱动后控制，连线在6位LED显示器的段选线上的起限流作用的电阻R32～R39为上拉电阻。
3.根据权利要求1或2所述的酸度值与电位智能分析测试仪，其特征在于由驱动器U11(7407)、发光二极管G1、G2、G3、二极管V1、V2、V3、继电器JQ1、JQ2、JQ3及电阻R27～R29构成的报警控制电路(10)，是将8031单片机U12的1端(P10)经驱动器U11A后分别经反接的发光管G1、电阻R27接+5V，经顺接二极管V1接+12V，经继电器JQ1接+12V；U12的2端(P11)经驱动器U11B后分别经反接的发光管G2、电阻R23接+5V，经顺接二极管V2接+12V，经继电器JQ2接+12V；U12的3端(P12)经驱动器U11C后分别经反接的发光管G3、电阻R29接+5V，经顺接二极管V3接+12V，经继电器JQ3接+12V；继电器JQ1、JQ2、JQ3的三对常开接点W5与W6、W3与W4、W1与W2分别由插座Z1引出。
4.根据权利要求1或2所述的酸度值与电位智能分析测试仪，其特征在于温度传感器(11)是采用SL134集成温度传感器，当温度变化范围为-5℃～+105℃时，温度传感器(11)输出的电压幅度在190mV～740mV之间；电极电位传感器(12)是由金属电极和甘汞电极构成，其输出的电压信号为-1700mV～+1700mV；酸度值传感器(3)是由平板状玻璃电极和甘汞电极构成，其输出的电压信号为0～800mV。
5.根据权利要求1或2所述的酸度值与电位智能分析测试仪，其特征在于温度放大电路(1)中的电阻R3、R5构成放大器U1的电压串联负反馈网络，当R1//R2＝R5//R3时，可以减小放大器U1输入级偏置电流对失调的影响；电极电位放大电路(2)中的电阻R9、R10构成放大器U2的电压串联负反馈网络，当R7//R8＝R9//R10时，可以减小放大器U2输入级偏置电流对失调的影响；酸度值放大电路(3)中的电阻R15、R16构成放大器U3的电压串联负反馈网络，当R13//R14＝R15//R16时，可以减小放大器U3输入级偏置电流对失调的影响。
6.根据权利要求1或2所述的酸度值与电位智能分析测试仪，其特征在于非门U9采用74LS04集成芯片；或门U10采用74LS32集成芯片；驱动器U16、U17、U18是采用三片75452集成芯片；驱动器U19、U20是采用二片7406集成芯片。
专利摘要酸度值与电位智能分析测试仪，是由温度传感器及放大电路，电极电位传感器及放大电路、酸度值传感器及放大电路、多路切换电路、自动量程转换电路、模/数转换电路、单片机、EPROM、RAM、键盘/显示电路、报警控制电路等组成，单片机在软件的配合下，对三路被测信号分别进行采集、存贮、计算处理和显示，并利用实测的温度值和校正算式(已存贮或由键盘输入)，对实测的酸度值和电位进行校正，给出标准温度(25℃)下的标准电位值和酸度值。
文档编号G01N27/26GK2224420SQ9323750
公开日1996年4月10日 申请日期1993年8月21日 优先权日1993年8月21日
发明者何凤有, 许世范, 翁永基, 李湘怡 申请人:中国矿业大学