PH测量传感器电极信号转换模块设计原理介绍
时间：2022-11-01 04:30:00
1.模块简介：
本模块可将PH通过该单片机的10位，传感器电极信号通过运放放大输出，该模块载有8位单片机处理器ADC采样放大后的传感器信号，调整板载电位器输出信号的范围，并通过最小的二乘法软件算法计算信号和PH值得线性函数关系，然后使用线性函数关系来获取相应的信号PH值。另板载TTL串口接口，用户可通过串口设置校准及获取当前PH测量分辨率为0.1.串口功能用户可根据是否需要选择购买相应的套餐。
2.技术指标：
| 产品型号 |
KM-PH |
| 检测对象 |
PH传感器测量溶液PH值 |
| 通信方式 |
UART（TTL）是否需要可选 |
| 工作电压 |
5V (DC) |
| 默认信号输出量程 |
0-5V(电位器可调量程) |
| 支持PH输入电极接口 |
|
| 输出接口 |
PH电极放大信号，2.5V参考电压 |
| 外形尺寸 |
40*30（mm） |
| 串口通信参数 |
波特率9600，停止位1，无校验 |
| 串口输出PH分辨率 |
0.1 |
| 模块主控MCU |
ST8G（10位AD可选是否需要分辨率) |
3.使用说明：
用户可以通过两种方式获得PH值，第一种是串口读取法，利用本模块的串口接口直接获得输出PH值，第二种是AD用户采用外部采集计算法mcu或其它处理器ADC通过自编程计算模块输出的模拟量信号PH值。注意用户在购买时需要选择具有串口输出功能的模块。
模块可接入BNC接口的PH复合电极传感器，出厂默认PH电极放大信号输出范围0-5V。此外，用户可以根据自己的需要调整电位器PH电极放大信号的输出范围。
4.测量原理：
pH传感器电极输出的信号是信号电极和参考电极的相对电压。本设计的传感器参考电极为中性溶液，即当时pH当值为7时，输出电压理论为0，而其他情况则根据溶液的酸碱度而变化。根据操作放大器的工作原理，负电压输入与单电源供电存在矛盾。但由于输出信号是相对于参考电极的电压差，因此给出参考电极(pH给出合适的电压值，可以保证信号电极(pH电极正输入)电压恒定为正值， 单电源供电运输可满足要求。电极输出电压不符合单片机A/D转换输入要求，通过运输的基本放大功能可以使其达到模数转换所需的电压范围，可以送到单片机进行数据处理。
本设计中RW1电位器用于量程调节，常见的量程分为：
①量程0-3.3V，将电极放入7.0标准溶液中，调节电位器，使得运放1端输出电压为1.65V（根据溶液PH越大运放1端输出电压越小的关系，（14-7）/14*3.3V=1.65V），则电路采集的PH最小值对应的输出电压为3.3V.
②量程0-5V，将电极放入7.0标准溶液中，调节电位器，使得运放1端输出电压为2.5V（根据溶液PH越大运放1端输出电压越小的关系，（14-7）/14*5V=2.5V），则电路采集的PH最小值对应的输出电压为5V.
由于本模块板载的51单片机AD采集分为是0-5V，故本模块默认设置的量程为0-5V，即PH_Vol的默认输出量程为0-5V。
校准原理：依次将电极放入三种标准溶液中，记录对应输出电压值，并采用excel绘制PH值与电压的标准曲线，例如：
Y=-5.9647x+22.255即为得到的标准曲线表达式，其中Y为溶液PH，x为对应输出电压。这种曲线拟合方式称为最小二乘法，根据三组数据即可求出关系表达式，本模块板载的51单片机中利用C程序实现最小二乘法求出标准曲线表达式，从而即可计算PH值，用户第一次使用模块前，只需对模块进行串口发送相应的校准指令后，方可通过读取指令，获取模块返回的PH值。
如用户购买为非串口输出功能模块，则需自行采用以上绘制excel表格或采用软件算法计算得到标准曲线表达式，然后通过外接mcu的AD读取模块输出的模拟量来转换计算PH值。
关于采用软件实现最小二乘法可参考博客：行者 <的博客-csdn博客_c语言 拟合函数"> 最小二乘法求拟合曲线函数的C语言实际应用_>行者<的博客-CSDN博客_c语言 拟合函数
5.串口协议：（仅对支持串口输出功能的模块适用）
串口通讯为应答式查询方式。
初次使用模块或更换PH电极传感器后，需对模块进行PH校准，即对与模块连接的PH复合电极进行校准，校准一共分为三个步骤，如下。
第一步：首先将PH电极放入PH值为4.0的溶液中，然后向模块串口发送校准PH值4.0指令，模块会立即返回默认状态为0的响应指令，等待模块mcu检测溶液对应电压稳定后会返回状态为1的校准完毕指令，此时可将PH电极从4.0的溶液中取出，并放入清水中冲洗后，搽拭掉电极探头处的多余水分。
| 1 |
0x80 |
校准PH值4.0指令 |
|||||||
| 向模块发送 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
地址 |
命令 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x01 |
0x80 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x7F |
|
| EXP. |
FF 01 80 00 00 00 00 00 7F |
||||||||
| 模块返回 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
命令 |
-- |
状态 |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x80 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x80 |
|
| EXP. |
FF 80 00 00 00 00 00 00 80 //指令响应回复 |
||||||||
| EXP. |
FF 80 00 01 00 00 00 00 7F //校准完毕回复 |
||||||||
第二步：将PH电极放入PH值为7.0的溶液中，然后向模块串口发送校准PH值7.0指令，模块会立即返回默认状态为0的响应指令，等待模块mcu检测溶液对应电压稳定后会返回状态为1的校准完毕指令，此时可将PH电极从7.0的溶液中取出，并放入清水中冲洗后，搽拭掉电极探头处的多余水分。
| 1 |
0x81 |
校准PH值7.0指令 |
|||||||
| 向模块发送 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
地址 |
命令 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x01 |
0x81 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x7E |
|
| EXP. |
FF 01 81 00 00 00 00 00 7E |
||||||||
| 模块返回 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
命令 |
-- |
状态 |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x81 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x7F |
|
| EXP. |
FF 81 00 00 00 00 00 00 7F //指令响应回复 |
||||||||
| EXP. |
FF 81 00 01 00 00 00 00 7E //校准完毕回复 |
||||||||
第三步：将PH电极放入PH值为10.0的溶液中，然后向模块串口发送校准PH值10.0指令，模块会立即返回默认状态为0的响应指令，等待模块mcu检测溶液对应电压稳定后会返回状态为1的校准完毕指令，此时可将PH电极从10.0的溶液中取出，并放入清水中冲洗后，搽拭掉电极探头处的多余水分后即可开始正常测量读取PH值，此时板载mcu已经根据三点校准数据采用最小二乘法计算出标准曲线函数式，并将函数关系保存至单片机内部Flash中，掉电不丢失，重新上电使用则不必执行校准步骤。
| 1 |
0x82 |
校准PH值10.0指令 |
|||||||
| 向模块发送 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
地址 |
命令 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x01 |
0x82 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x7D |
|
| EXP. |
FF 01 82 00 00 00 00 00 7D |
||||||||
| 模块返回 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
命令 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x82 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x7E |
|
| EXP. |
FF 82 00 00 00 00 00 00 7E //指令响应回复 |
||||||||
| EXP. |
FF 82 00 01 00 00 00 00 7D //校准完毕回复 |
||||||||
串口读取PH值指令
| 1 |
0x86 |
读模块PH返回值 |
|||||||
| 向模块发送 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
地址 |
命令 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x01 |
0x86 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0x79 |
|
| EXP. |
FF 01 86 00 00 00 00 00 79 |
||||||||
| 模块返回 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| 起始位 |
命令 |
-- |
PH值 |
-- |
-- |
-- |
-- |
校验值 |
|
| 0xFF |
0x86 |
0 |
1字节 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-- |
|
| EXP. |
FF 86 00 44 00 00 00 00 36 |
||||||||
PH：0x44对应十进制为68，则PH值为6.8 （注：返回的PH值扩大了10倍，需要缩小10倍后保留一位小数）
校验值算法：
起始位后 86 00 44 00 00 00 00 到校验值前相加求和取低八位，再取反加一。
uint8_t getCheck(uint8_t *data,uint8_t iLength)
{
uint8_t sum=0; uint8_t iFor=0;
for(iFor=0;iFor {
sum+=data[iFor]; } return (0xff-sum+1); } 6.模块展示及接线图： 7.模块尺寸： 8.模块完整电路原理图： 模块链接： https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.50111debyZ88SJ&ft=t&id=677880984132
