无机材料智能合成仪的设计

　　1　系统的硬件设计

　　本合成仪由pH传感器、温度传感器、ADC0809采样芯片、AT89C52单片机、键盘、LED显示数码管、外部数据存储器、“看门狗”、相关电路及现场控制设备(如恒流泵、加热器等)组成。pH、温度传感器将各自感应的非电信号转换为微弱的电信号,该信号经过各自的放大电路和输入滤波电路后变成1~5V标准的电压信号送到芯片ADC0809进行采样。微控制器89C52构成整个无机材料智能合成仪的核心,它将采样芯片采集到的数据进行一定的算法处理后,通过LED数码管进行显示并控制现场设备进而达到控制要求的目的。系统的原理框图如图1所示。

　　1.1　信号采集部分

　　信号采集部分的电路图如图2所示。为将被测溶液的pH非电量转换为电信号,本仪器采用了工业上使用最广泛的玻璃电极。这种pH传感器在相当宽的范围内具有良好的线性关系,并且在较强的酸碱溶液中也能稳定的工作。但是玻璃电极有一个显著的特点就是内阻比较高,可达到109Ω,所以要求信号检测电路的输入阻抗至少要达到1011Ω以上。由于电压跟随器具有输入阻抗高,输出阻抗低的特点,它能真实地将玻璃电极输出的信号传给后续的电路进行放大处理,这样就很好的解决了传感器阻抗和仪器输入阻抗相匹配的问题。本仪器的测温范围为(20~70℃),传感器采用分度号为Cu50铜热电阻。为提高温度测量的精确度,采用了四线制电路的接法。桥式电路输出的微弱电压信号经过差动放大后变成标准的1~5V的电压信号送到采样芯片进行相关的处理。

　　由于本仪器涉及到对温度和pH值分别进行采样,我们选用了ADC0809。该芯片可对八路模拟信号进行采样,但是它只能对1~5V正电压信号进行处理。由参考文献[1]可知,玻璃电极在酸性溶液中输出的是正电压信号,在碱性溶液中输出的是负电压信号,在中性溶液中输出的电压信号为零。由于本仪器测量pH值的范围为0~14,为使仪器正常工作,在硬件电路设一双切换开关(微继电器),解决了pH传感器的输出电压极性与采样芯片采样电压极性要求相矛盾的问题,无信号死区。

　　当玻璃电极放入碱性溶液时,输出的微弱的负电压信号经过反相放大后变成1~5V范围内正电压信号,三极管T处于导通状态,线圈带电使切换开关A与触点1相连、切换开关B与触点4相连,对通道1和通道2分别进行采样,通道1采样结果即为碱液采样值,通道2结果为零,这样既区分出酸碱液,有效的避免了负电压的影响,又用很低的采样位数实现了很精确的测量,降低了生产的成本。同理,当测量酸性溶液时,三极管T处于截止状态,开关A与触点2相连、切换开关B与触点3相连。传感器输出正电压经两级反相放大后送到通道2进行采样,通道1结果为零而通道2有采样值,即可计算出酸液pH值的大小。当两通道结果均为零时,此时可判断为中性溶液。