论文总字数：20135字

目 录

1 系统方案 3

1.1 系统设计背景及意义 3

1.2 方案论证 3

1.2.1 pH测量方法的选择 3

1.2.2 pH电极传感器材质的选择 3

2 pH测量仪的检测原理 4

2.1 电位法测量原理及温度补偿 5

2.1.1 电位法原理 5

2.1.2 温度补偿 6

2.2 两点法标定 6

2.2.1 标准溶液的选择 6

2.2.2 标定方法 7

3 硬件设计 7

3.1 系统硬件设计 7

3.2 单片机主芯片 8

3.2.1 MSP430F149单片机特点 9

3.2.2 MSP430F149单片机最小系统 9

3.3 pH传感器模块 10

3.4 温度传感器模块 11

3.5 运放模块 13

3.6 A/D转换模块 13

3.7 液晶显示模块 15

3.8 硬件误差降低措施 16

4 软件设计 17

4.1 IAR C430应用 17

4.2 程序流程图 18

4.2.1 主程序流程图 18

4.2.2 子程序流程图 19

4.3 单片机内部存储 20

5 实验数据和结果 21

5.1 实验过程及数据 21

5.2 误差分析及应对 24

6 总结 25

参考文献 25

致谢 27

附录1：整体电路图 28

附录2 :系统主程序 29

基于MSP430单片机pH值测量仪的设计

洪强

，China

Abstract: Today, many aspects of production and life depend on the measurement and control of pH value. pH measurement is widely used in power, chemical, medicine and environmental protection departments. The purpose of this paper is to introduce the design of a pH measuring instrument based on MSP430 microcontroller. This design measured the pH value of liquid by the electric potential method. The voltage signal collected by the pH sensor was first amplified, then transferred to the internal A/D conversion of MCU, and through the program algorithm, accurate pH value was obtained. The temperature signal was collected through temperature sensor, then transferred to microcomputer to realize hexadecimal conversion, and displayed through the liquid crystal display. Taking into account the pH measurement error caused by temperature changes, the temperature compensation is added in the design, so that it can monitor the pH value of the liquid more accurately.

Keywords: MSP430; measurement of pH; the liquid crystal display; temperature compensation; potential method

1 系统方案

1.1 系统设计背景及意义

如今生产、生活的各个方面都离不开pH的测量与控制，pH的测定在电力、化工、医药和环保等部门被广泛应用。国内外都已经研制出各式各样的pH测量仪，仪器的设计和研制朝着便携化、智能化的趋势发展。价格低廉的测量仪普遍存在精度不高、测量幅度有限、产品技术落后于的问题；而精度较高的产品动辄上千，也大都存在体积偏大的问题。因此设计一种精度高、测量范围广且价格低廉的便携式pH测量仪成为这次设计的主要任务。本次设计主要是着眼于控制设计成本，降低产品功耗，提升测量的范围和精度。本设计通过电位法测量液体pH值，对pH传感器采集的电压信号进行放大，再传入单片机内部进行A/D转换，经过程序算法得到精确的pH值。将由温度传感器采集到的温度信号传入单片机进行进制转换，并通过液晶显示出来。考虑到由于温度变化带来的pH测量误差，故在设计中加入温度补偿校正，使其能够更加准确地监测液体的pH。

1.2 方案论证

1.2.1 pH测量方法的选择

pH测量仪主要由pH测量电池（由一对电极与溶液组成）和pH指示器（电位计）两部分组成。一般的pH计的型号和产品多种多样，在测量方法上主要有玻璃电极法、饱和甘汞电极法、复合电极法等^[15]。

方案一、玻璃电极法：玻璃电极法测量的优点是测定简便，快速，但是在测量pH高于9的溶液时，指示的pH值相比于实际值偏低，且在使用之前至少需要将其浸泡在蒸馏水中24小时，不适合即测即用，因此不适用于该设计方案。

方案二、饱和甘汞电极法：由于饱和甘汞电极电位受温度影响最大，因此在使用时注意温度变动不宜太大。当温度在短时间内降低幅度较大的时候，甘汞电极的电位需要很长时间才能达到稳定数值，不符合快速测量，因此也不适用本次设计方案。

方案三、复合电极法：复合电极由pH参比电极和玻璃电极两种电极组成，在测量时不用选择参比，具有精确度高的特点，目前测定pH值都用此电极。综上所述，因此在测量方法上选用复合电极的方法测量pH。

1.2.2 pH电极传感器材质的选择

在材质应用方面，pH测量电极的构成材质主要分为金属和玻璃两大类。其中玻璃材质电极被广泛用于实验室测量和工业测量，且生产成本较低；而金属电极大多用于环境苛刻的工业测量中，由于用来制作金属电极的金属（锑、钽等稀有金属）比较昂贵，因此其生产成本要高于玻璃电极^{[16] [17]}。

方案一、采用玻璃材质：玻璃材质的电极在几乎所有的pH值范围内都对氢离子（H ）具有特殊的选择性。玻璃电极的下端由锂/钠玻璃吹制而成的具有氢离子功能（能指示氢离子活度，测定溶液pH值）的敏感薄膜，膜厚一般在0.1mm左右，电阻值在兆欧数量级。经过推算，玻璃电极输出电压的变化与被测溶液中pH的值成线性关系，推算过程在下文中阐述。

方案二、采用金属材质：由于大多数金属的化学性质比硅酸盐类（玻璃电极）都要活泼，它们不但与氢离子（H ）发生反应，同时也可能与其它离子发生反应。在实际的测量中，普通的金属电极表面容易产生结垢，而在条件更加苛刻的工业pH测量对于金属电极的材质要求更高。目前，用来pH测量值的商品金属电极有锑和钽这两种稀有金属材质。

玻璃电极与金属电极在pH值的实际测量中均有良好的表现，且均能在很宽的范围内具有可以接受的准确度，得到被测溶液的pH值。但两种电极在抗干扰性、反应原理和测量范围等方面存在区别如下所示：

（1） 金属电极的测量原理建立在原电池反应原理（即：氧化—还原反应）的基础上，在测量的过程中，金属电极的金属表面直接参与化学反应；而玻璃电极的玻璃膜表面不参与化学反应，化学性能稳定。

（2）金属电极的内阻很小，且仅取决于参比电极的内阻（约为10KΩ ~ 30KΩ），优点是接收信号能力好，而且对仪表及环境要求不高，抗干扰能力好；而玻璃电极的内阻大，高达10MΩ甚至100MΩ，缺点是信号微弱，对仪表及环境要求高，在短时间内pH值变化较大的溶液环境下（工业环境）抗干扰能力差。

（3）玻璃电极的测量范围很宽，pH值在0 ~ 14之间变化都可以轻松应对。而金属电极的测量pH值最佳范围一般只能维持在4 ~ 12，如果超出这个范围，金属电极很容易受到强酸和强碱的腐蚀。

（4）金属电极在使用时可以采用摩擦清洗的方式清除电极表面的结垢以保证在线测量的连续性，使用起来比较方便；而玻璃电极材质因为其易碎的特性，不适合采用此方法。金属电极能在测量条件恶劣的介质中进行连续测量，擅长在容易产生坚硬结垢的工艺流程中以及污水处理等场合工作。

综上所述，本次pH测量仪的设计采用在材质方面选择玻璃材质，在测量方法上选择复合电极的方案，在一般的生产、生活和民用的测量环境下都可以广泛使用。

2 pH测量仪的检测原理

pH测量仪的测量流程：温度传感器将待测溶液的温度值采集后转换成数字信号送到单片机中，pH传感器通过电位法测量溶液中氢离子（H ）浓度得到的电压值，经过TLC4502运算放大器的放大处理，放大后的电压值送入MSP430F149单片机中经由单片机内的A/D模块进行A/D转换，最后程序算法对信号进行运算，根据温度值对pH值进行温度补偿，得到准确的pH值。测量采用的原理是电位法原理，下面对这种测量原理进行详细地阐述。

2.1 电位法测量原理及温度补偿

2.1.1 电位法原理

原理：在测量pH值的时候，被测溶液与pH电极形成一个原电池，其电动势与溶液的pH值有关，因此通过对原电池电动势的测量即可得出溶液的pH值。

根据pH值的定义：

（2.1）

H 表示为氢离子（H ）的浓度，根据实验表明，在任意温度和任意酸碱度情况下，溶液的氢离子（H ）和氢氧根离子（OH^-）的浓度的乘积为定值，即：

（2.2）

任意的可逆原电池反应（氧化－还原反应）的化学反应式为：

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