專利名稱：用兩鍵操作的酸度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明創(chuàng)造屬于對溶液酸度(PH值)的測量儀器。
測量溶液酸度的PH計(jì)廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、生物、環(huán)保等領(lǐng)域。智能化PH計(jì)是傳統(tǒng)PH計(jì)的升級換代產(chǎn)品。微機(jī)控制測量電路對溫度和PH電極電位進(jìn)行采樣，再用數(shù)值計(jì)算求得校正因子進(jìn)行自動補(bǔ)償。省去了手動溫度補(bǔ)償、電極斜率和標(biāo)定三個(gè)調(diào)節(jié)電位器，使得儀器定標(biāo)過程和測量較為方便，并有自動查錯(cuò)功能?，F(xiàn)有技術(shù)可測量PH值并帶微機(jī)的儀器有兩類一類是只能測PH值，稱PH計(jì)；另一類稱離子計(jì)，除可測量PH值以外還可以測量多價(jià)離子濃度。但是PH計(jì)通常帶四個(gè)以上的按鍵開關(guān)，離子計(jì)按鍵至少十幾個(gè)，操作開關(guān)多、可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，并且離子計(jì)測PH值時(shí)，定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液PH值需要人工根據(jù)溶液溫度查表后把數(shù)值通過鍵盤輸入到儀器中，操作不方便，例如奧林公司(ORION RESEARCH INCORPORATED)811型PH計(jì)，它可測量電極電位、PH值、溫度、電極轉(zhuǎn)化率(斜率)，但經(jīng)常性使用的功能轉(zhuǎn)換開關(guān)采用了觸點(diǎn)多的指輪開關(guān)，比單觸點(diǎn)開關(guān)壽命短，可靠性差；并且該儀器采用兩片單片微機(jī)，并用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)分別對電極電位和溫度進(jìn)行采樣，用此電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。
本發(fā)明創(chuàng)造的目的是設(shè)計(jì)制造一種采用一片單片微機(jī)和少量外圍電路，并且僅有兩個(gè)操作按鍵的PH計(jì)，它能完成已有技術(shù)需要采用多個(gè)操作開關(guān)、復(fù)雜電路才能實(shí)現(xiàn)的功能。減少按鍵使儀器可靠性提高、電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。
本發(fā)明創(chuàng)造結(jié)構(gòu)方案的主要內(nèi)容將與溶液接觸的PH電極1輸出的電位經(jīng)阻抗變換器2和放大器3、4輸出電壓至模擬開關(guān)7；將溫度傳感器5輸出的電流信號經(jīng)放大器6也送入模擬開關(guān)7；然后只需通過操作兩個(gè)按鍵10、11，單片微機(jī)電路9按編好的專用程序控制模擬開關(guān)7選擇需測試的參數(shù)(包括mv值、PH值、溫度)進(jìn)行測量。將模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼經(jīng)單片微機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)值計(jì)算，并以掃描方式把測試結(jié)果顯示在數(shù)碼管12上，對于儀器的工作狀態(tài)和所測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定情況由功能和狀態(tài)顯示器13顯示。本發(fā)明采用8只發(fā)光二極管LED(13b)指示儀器的8種工作狀態(tài)。
參照附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)方案

圖1為本發(fā)明創(chuàng)造PH計(jì)的總體結(jié)構(gòu)方框圖。圖2為多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理電路圖。圖3為單片微機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本PH計(jì)外形立體示意圖。圖5為PH計(jì)后面板示意圖，圖中符號意義為1——PH電極、2——阻抗變換器、3——放大器、4——放大器、5——半導(dǎo)體溫度傳感器、6——放大器、7——模擬開關(guān)、8——模數(shù)轉(zhuǎn)換器、9——單片微機(jī)電路、其中9a為8031 CPU、9b為鎖存器74LS373、9c為只讀存貯器2732 EPROM、9d為可編程輸入輸出接口芯片8255 A、10——功能鍵、11——設(shè)置鍵、12——數(shù)碼顯示器，其中12a為驅(qū)動電路74LS06、12b為四位七段數(shù)碼管、13——功能和狀態(tài)顯示器、其中13a為3－8譯碼器74LS138、13b為八只LED發(fā)光二極管、13c為推動狀態(tài)顯示的NPN三極管、13d為一只LED發(fā)光二極管、14——儀器外殼、15——PH玻璃電極插座、16——PH參比電極接線柱、17——溫度探頭插座、18——保險(xiǎn)絲盒、19——電源插座。
如圖1所示，PH電極1輸出的電位經(jīng)阻抗變換器2、放大器3和放大器4輸出各種測試參數(shù)不同要求的電壓給模擬開關(guān)7；半導(dǎo)體溫度傳感器5輸出的電流信號經(jīng)放大器6也輸入到模擬開關(guān)7。經(jīng)功能鍵10或設(shè)置鍵11的操作使8031單片機(jī)9按程序要求控制模擬開關(guān)7以選擇所測參數(shù)進(jìn)行測量，將模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼經(jīng)單片機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并以掃描方式把結(jié)果顯示在4個(gè)LED數(shù)碼管12b上，由功能和狀態(tài)顯示器13可指示儀器工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定情況。
根據(jù)圖2所示，可清楚說明多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路原理。PH電極1輸出的電位先經(jīng)阻抗變換器2(CA3140高阻運(yùn)算放大器)輸出電位為分辨率1mV檔信號，由阻抗變換器輸出的電壓分別輸入到運(yùn)算放大器(LM747)3和4進(jìn)行電壓放大，作為分辨率0.1mV檔和PH值測量檔信號分別輸入模擬開關(guān)7(CD4051)的14腳和13腳。半導(dǎo)體溫度傳感器5(AD590)輸出的電流信號，經(jīng)I／V轉(zhuǎn)換器6(LM741運(yùn)算放大器)作為溫度測量信號，該信號輸至模擬開關(guān)7的15腳。模擬開關(guān)7的1、5腳接參考電壓、2、4腳接地，作為自檢模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓。模擬開關(guān)7受單片機(jī)9a(8031)的P1.5、P1.6和P1.7腳的控制，可選擇PH、0.1mV、1mV和溫度諸參數(shù)的測量，模擬開關(guān)7與一片高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器8(5G1443)相連接，可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)參數(shù)的測量。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器8的工作滿程為±1999mV，分辨率為±1mV。阻抗變換器2的放大倍數(shù)為1，所以從它輸出的電壓直接輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器8，其測量范圍為±1999±1mV；而放大器3電壓放大倍數(shù)為10倍，故其測量范圍變?yōu)椤?99.9±0.1mV；放大器4電壓放大倍數(shù)約4倍。為了充分利用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍來測量PH值，PH值的模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率達(dá)±0.005PH。I／V轉(zhuǎn)換器6輸出電壓為10mV／℃，其測量范圍受溫度傳感器限制，目前我們采用適合PH電極的溫度范圍0～100℃，分辨率為0.1℃。
本儀器的重要特征采用兩個(gè)操作鍵，其中鍵10為功能鍵、用來轉(zhuǎn)換選擇各個(gè)測試參數(shù)等包括時(shí)鐘、電極電位(mV)測量、溫度測量、電極斜率、以及對應(yīng)各種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的標(biāo)定和測量(本儀器有PH2、PH4、PH7和PH9四種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液)共有八種工作狀態(tài)，由八只LED發(fā)光二極管指示對應(yīng)的狀態(tài)；另一鍵11稱設(shè)置鍵，用于設(shè)置時(shí)鐘、手動／自動溫度補(bǔ)償設(shè)置、手動溫度補(bǔ)償時(shí)溫度值設(shè)置，以及對選定的某標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的一點(diǎn)或兩點(diǎn)定標(biāo)啟動和刪除某一已定標(biāo)過的點(diǎn)。
上述標(biāo)準(zhǔn)緩沖液PH值受溫度影響，本儀器采用四種標(biāo)準(zhǔn)PH緩沖溶液，即為0.05M四草酸氫鉀、0.05M鄰苯二甲酸氫鉀、0.025M混合磷酸鹽和0.01M硼砂。這四種緩沖溶液對應(yīng)于PH2、PH4、PH7和PH9四個(gè)定標(biāo)點(diǎn)，用戶可任意選取一種或兩種緩沖溶液進(jìn)行定標(biāo)，也稱一點(diǎn)或兩點(diǎn)定標(biāo)，緩沖液的PH值與溫度的變化關(guān)系都存入微機(jī)中。在定標(biāo)時(shí)，根據(jù)所測溶液溫度，由微機(jī)自動修正所選的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的PH值。
如圖3所示，微機(jī)9采用MCS51系列的芯片，它是由單片機(jī)(8031)9a，鎖存器(74LS373)9b，貯存器EPROM(2732)9c和可編程接口芯片(PIO 8255A)9d等組成。微機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，通過8255和8031的P1口實(shí)現(xiàn)多路模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、鍵盤接口、顯示輸出接口等所需的輸入輸出接口。所有軟件(約3.8KB)固化在EPROM2732 4KB容量9c內(nèi)。從模數(shù)轉(zhuǎn)換器8得到數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后通過8255的A口和上半個(gè)C口，再經(jīng)驅(qū)動器(74LS06)12a推動LED數(shù)碼管12b顯示結(jié)果。8255的B口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5G14433)8相連。8255下半個(gè)C口通過13a、13b、13c和13d用于功能和狀態(tài)顯示，其中三位輸出到譯碼器(74LS138)13a，分別點(diǎn)亮8個(gè)LED13b指示當(dāng)時(shí)儀器工作狀態(tài)，還有一位由一只NPN三極管13c放大，驅(qū)動一個(gè)LED13d指示測量結(jié)果穩(wěn)定情況，當(dāng)顯示結(jié)果穩(wěn)定后即被點(diǎn)亮，說明此時(shí)結(jié)果可靠。按鍵10、11連接在單片機(jī)8031的P1.0和P1.1腳。
圖4所示儀器外殼14的表面裝有八只LED發(fā)光二極管13b、發(fā)光二極管13d、四位七段數(shù)碼管12b以及功能鍵10和設(shè)置鍵11；電路和單片微機(jī)等構(gòu)件均裝在此外殼內(nèi)。
圖5所示PH玻璃電極插座15和PH參比電極接線柱16均與PH電極1相連接，溫度探頭插座與半導(dǎo)體溫度傳感器5相連。
本儀器采用的微機(jī)以高集成度的MCS 51系列單片機(jī)為核心，加之新的外圍電路設(shè)計(jì)。使本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、硬件元器件少，成本低，工作可靠的特點(diǎn)。采用一片高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路測量mV，PH值和溫度，充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍測量PH值，使儀器精度高，采用兩個(gè)鍵的操作方案完成參數(shù)測量和溫度、電極及標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的自動補(bǔ)償，使儀器操作很方便。根據(jù)本發(fā)明創(chuàng)造方案已制出功能強(qiáng)、智能化、操作方便、工作穩(wěn)定、成本低廉、精度高的PH計(jì)。
權(quán)利要求1.一種帶微機(jī)的用于測量溶液酸度計(jì)，包含有PH電極、阻抗變換器、放大器、溫度傳感器、模擬開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微機(jī)、操作開關(guān)及指示器，其特征是僅有兩個(gè)操作按鍵，即功能鍵[10]和設(shè)置鍵[11]，用8只發(fā)光二極管LED(13b)指示儀器的8種工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量溶液酸度 計(jì)，其特征是微機(jī)由單片機(jī)8031(9a)、鎖存器74LS373(9b)、貯存器EPROM2732(9c)和可編程接口芯片PIO 8255A(9d)所組成，通過8255和8031的P1口實(shí)現(xiàn)多路模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、鍵盤接口和顯示輸出接口，所有軟件固化在EPROM2732 4KB容量(9c)內(nèi)，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔8〕輸出數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后通過8255的A口和上半個(gè)C口，再經(jīng)驅(qū)動器74LS06(12a)推動LED數(shù)碼管(12b)顯示結(jié)果，8255的B口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5G14433〔8〕相連，8255下半個(gè)C口的三位輸出到譯碼器74LS138(13a)，分別點(diǎn)亮8個(gè)LED(13b)指示當(dāng)時(shí)儀器工作狀態(tài)，還有一位由一只NPN三極管(13c)放大驅(qū)動一個(gè)LED(13d)指示測量結(jié)果穩(wěn)定情況，按鍵〔10〕、〔11〕分別連接在單片機(jī)8031的P1.0和P1.1腳。
專利摘要一種帶微機(jī)的用于測量溶液酸度的pH計(jì)。它由pH電極、阻抗變換器、放大器、溫度傳感器、模擬開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微機(jī)、操作開關(guān)及指示器所組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是僅用兩個(gè)操作按鍵即可測量電極電位(mV)、溶液pH值以及溫度等參數(shù)并能實(shí)現(xiàn)溫度、電極和標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的自動補(bǔ)償；用八只發(fā)光二極管指示儀器的八種工作狀態(tài)。本儀器的優(yōu)點(diǎn)是智能化、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、操作方便、成本低廉、便于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01N27/416GK2080671SQ9021790
公開日1991年7月10日 申請日期1990年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月11日
發(fā)明者鄭平, 莫善正, 史紅兵, 張知廉 申請人:浙江大學(xué)