安徽中鼎金亞汽車管件制造有限公司 張培勇 唐之勝 陳小勇

基于STM8的PH測(cè)量模塊研制

安徽中鼎金亞汽車管件制造有限公司 張培勇 唐之勝 陳小勇

針對(duì)PH傳感器信息采集時(shí)驅(qū)動(dòng)程序多集成在儀表端的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種基于微型處理器在PH傳感器端進(jìn)行驅(qū)動(dòng)化處理并輸出幀格式數(shù)據(jù)的PH傳感模塊。該模塊支持藍(lán)牙通信，可將PH和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)；支持線纜直接將數(shù)據(jù)傳至電腦。經(jīng)過PH試紙對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量精度誤差控制在0．5%左右。本模塊具有成本低，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，可滿足相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求。

STM8S103；PH值；溫度；通信

1 引言

PH傳感器是水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，也成為各大院所和企業(yè)研制的重點(diǎn)，目前研制的傳感器通常把驅(qū)動(dòng)程序放在儀器端，使得儀器端驅(qū)動(dòng)負(fù)荷增加，在多傳感器情況下，儀器端出現(xiàn)端口資源被占較多的情況，且不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)此類情況，本文選取PH傳感器作為突破點(diǎn)，采用微型處理器：STM8S103，把驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)放在傳感器端，并研制了PH傳感模塊。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將PH值傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)放，放大輸入信號(hào)，再經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與單片機(jī)內(nèi)之前測(cè)量的PH-V（PH值與電壓）相比較，查出對(duì)應(yīng)的電壓值；同時(shí)讀取溫度傳感器的數(shù)值，經(jīng)過運(yùn)算后的結(jié)果通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端或者通過串口通信（RS232）發(fā)送至上位機(jī)（PC機(jī)）。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

電源采用12V供電，串聯(lián)一個(gè)100Ω的限流電阻，起到限流作用。并聯(lián)壓敏電阻可解決電源中的串入突波的問題。電路中通過反接二極管，可以防止電源正負(fù)反接，有效的保護(hù)電路。電源中設(shè)計(jì)有一個(gè)電感電容濾波電路，可以進(jìn)一步地消除紋波對(duì)PH值精度的影響。電路中電源采用市場(chǎng)上常用AMS1117-5.0，該芯片是精準(zhǔn)的、高性價(jià)比的穩(wěn)壓芯片，將電源穩(wěn)定至5V，對(duì)單片機(jī)和運(yùn)放進(jìn)行供電。

圖2 電源電路

3.2 單片機(jī)電路

本設(shè)計(jì)采用STM8S103F3P6,其內(nèi)部設(shè)置10位模數(shù)轉(zhuǎn)換，且內(nèi)部集成高速RC振蕩器，溫度變化對(duì)頻率影響不大，最高頻率可達(dá)16MHz。它支持四種節(jié)能模式而且可以自由切換，大大的節(jié)約了電能大大的提高了本PH計(jì)的續(xù)航能力。

圖3 單片機(jī)電路

3.3 PH傳感器電路

此電路主要是采集PH計(jì)輸出電極的電壓，輸出的值進(jìn)入集成運(yùn)放放大，放大倍數(shù)為3倍。放大后的電壓連STM8S103的PC4，應(yīng)用PC4的第二功能：AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后進(jìn)行查表運(yùn)算，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的PH值。此外，PH易受溫度變化的影響，所以最終的查表法應(yīng)該考慮溫度因素，因此，連接一個(gè)數(shù)字式溫度傳感器，可以較精準(zhǔn)地測(cè)量到水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境溫度值。PH值采集過程如下圖4：

圖4 PH采集流程

3.4 DS18B20電路

DS18B20是各個(gè)領(lǐng)域中最常用的數(shù)字溫度傳感器，只需要一條線就可以和單片機(jī)通信，甚至可以不接電源線與底線直接依賴于數(shù)據(jù)線上的能量正常工作。本溫度傳感器的精度是±0.5℃，轉(zhuǎn)換時(shí)間短反應(yīng)迅速，很好的滿足本設(shè)計(jì)的需求。如下圖5，設(shè)計(jì)中增加一個(gè)上拉電用來增加傳感器工作穩(wěn)定性。

圖5 DS18B20電路

3.5 XM-15B模塊

XM-15B模塊是串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙的一個(gè)無線模塊，因?yàn)橛布现恍枰B接RXD和TXD兩根線所以很大程度上減小了工程師的開發(fā)難度和縮短了開發(fā)周期。本文中將此模塊設(shè)置成9600波特率。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 STM8時(shí)鐘配置

將寄存器CLK_CKDIVR 配置成0X00，設(shè)置時(shí)鐘為HSI 16MHZ。

4.2 AD轉(zhuǎn)換設(shè)置

STM8S103F3P6 內(nèi)部集成10位ADC，具有兩個(gè)掃描通道，分別為PC4，PD3。本設(shè)計(jì)中只需一個(gè)通道，即PC4接PH傳感器。

4.3 串口發(fā)送數(shù)據(jù)

本設(shè)計(jì)通信采用串口。STM8S103F3P6帶有一個(gè)串口，管腳分布為：PD5（TXD），PD6（RXD）。本文在配置時(shí)設(shè)置有一個(gè)起始位，一個(gè)停止位。

4.4 串口中斷函數(shù)

4．4．1 精簡(jiǎn)模式

思路是手機(jī)發(fā)送查詢字符‘C’給藍(lán)牙模塊后，單片機(jī)接收到指令立即進(jìn)入中斷，在中斷內(nèi)部判斷接收到的內(nèi)容屬于什么指令。若是‘C’，則把接收到的溫度值、PH端口電壓值和對(duì)應(yīng)的PH值分別發(fā)送到手機(jī)上。如果不是‘C’指令，則發(fā)送一個(gè)未知指令的標(biāo)示給手機(jī)，請(qǐng)求手機(jī)再次發(fā)送正確指令。

4．4．2 自定義協(xié)議模式

本文為了突出兼容性，還設(shè)有自定義協(xié)議模式，這樣就可以和農(nóng)業(yè)手持設(shè)備進(jìn)行通訊。自定義協(xié)議包括以下的內(nèi)容：協(xié)議中包括了主機(jī)向傳感器發(fā)送的請(qǐng)求碼和傳感器收到主機(jī)的請(qǐng)求碼后發(fā)送的回應(yīng)碼。請(qǐng)求碼包括以0XAA作為第一個(gè)字節(jié)，后面接著兩位預(yù)留字節(jié)，然后是一個(gè)傳感器的地址字節(jié)，最后以0XA5作為一個(gè)完整請(qǐng)求碼的結(jié)束。傳感器接收到命令后將PH值用回應(yīng)碼的格式發(fā)送給主機(jī)。回應(yīng)碼是以0XAA作為第一個(gè)字節(jié)，后面接著一位預(yù)留字節(jié)，接著下一位是傳感器的地址字節(jié)，然后接著是兩到三位的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后以0XA5作為一個(gè)完整請(qǐng)求碼的結(jié)束。

5 結(jié)果

經(jīng)過測(cè)試，本傳感器可以準(zhǔn)確地得出被測(cè)溶液的PH值。測(cè)試結(jié)果如下：

圖6 酸性溶液測(cè)試對(duì)照結(jié)果

圖7 中性溶液測(cè)試對(duì)照結(jié)果

圖8 堿性溶液測(cè)試對(duì)照結(jié)果

如上，圖5.1為酸性溶液測(cè)試對(duì)照結(jié)果，5.2為中性溶液測(cè)試對(duì)照結(jié)果，5.3位堿性溶液測(cè)試對(duì)照結(jié)果。與PH試紙對(duì)照可以得出結(jié)論：本測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)期基本功能，且結(jié)果較為準(zhǔn)確，組建系統(tǒng)時(shí)靈活方便，成本低。該模塊支持藍(lán)牙通信，可將PH和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)；支持線纜直接將數(shù)據(jù)傳至電腦。經(jīng)過PH試紙對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量精度誤差控制在0.5%左右，可滿足相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求

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