论文总字数：15444字

摘 要

在我们的生活当中每一种物质都具有pH值且它们的pH各不相同，pH值对物质的性质有很重要的影响。在环境治理、表面处理、水处理、制药食品等方面pH值的测量与监控具有广泛的应用。本文首先由pH传感器对电压信号进行采集。通过可编程增益仪表放大器进行采集的信号进行放大，然后通过单芯片同步电压频率转换器将电路中的电压信号转变为频率信号，在经过MC14060对单芯片同步电压频率转换器中的频率信号进行分频处理。模拟pH传感器的信号进行电路的调试与分析。对实际溶液测量出的电信号值与模拟pH传感器信号输出的电信号进行对比。通过万用表测量出硬件电路中的输出信号能够满足测量的基本要求。

关键词：PH传感器; 放大电路; 模拟传感器信号

Research and Application of PH E-201-9 Sensor Display Circuit

Abstract

In our lives each kind of matter with pH and their pH is different, have very important influence on the pH value of the nature of matter. In environmental governance, surface treatment, water treatment, has been widely applied to the measurement and monitoring of pharmaceutical food and other aspects. Firstly, pH value by the pH sensor to voltage signal collection through Programmable Gain Instrumentation Amplifier acquisition of the signal amplification, and then through the single chip synchronous voltage to frequency converter circuit of the voltage signal into frequency signal after the MC14060 frequency of the frequency signal processing single chip synchronous voltage to frequency converter. The circuit debugging and analysis of analog signal of PH sensor. The actual solution to signal the measured values were compared with the analog signal PH output signal of the sensor. The multimeter measuring the output signal in hardware circuit Number to meet the basic requirements of the measurement.

Keywords: PH Sensor; Amplifier Circuit; Analog Sensor Signal

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1课题背景及意义 1

1.2 pH传感器国内（外）发展的现状 1

1.3 pH传感器显示电路的研究指导思想和采用的相关理论与方法 1

1.4 课题应解决的主要问题 2

1.5课题的设计目的 2

1.6设计任务 2

第二章 pH传感器 3

2.1 pH值的概念 3

2.2 pH传感器特点 3

2.3 pH传感器的应用 3

2.4 pH测量的工作原理 3

2.5 E-201-9 pH传感器 4

第三章 硬件电路的设计 6

3.1 设计流程 6

3.2可编程增益仪表放大器（AD625） 6

3.2.1概述 6

3.2.2 AD625的工作原理 6

3.2.3 AD625在硬件电路设计中的作用 7

3.3单芯片同步电压频率转换器 8

3.3.1概述 8

3.3.2 AD652的工作原理 9

3.3.3 AD652在硬件电路中的作用 10

3.4摩托罗拉MC14060 11

3.4.1概述 11

3.4.2 MC14060的工作原理 11

3.4.3 MC14060在硬件电路中作用 11

3.5硬件电路设计的供电方式 12

3.5.1直流稳压电源的基本功能 12

3.6硬件电路原理图和PCB图设计 13

3.6.1 仿真原理图 13

3.6.2 PCB图 13

第四章 电路的调试与分析 15

4.1 模拟传感器信号 15

4.2 模拟pH传感器信号进行电路调试 15

4.3 pH传感器信号调试电路 16

4.4 电路调试过程遇到的问题 17

第五章 总结 18

5.1 本文总结 18

5.2 今后展望 18

致谢.....................................................................................................................................................................20

参考文献 21

第一章 引言

1.1课题背景及意义

随着科学技术的不断发展，对pH值的测量与监控的技术不断的提升。在实际的工业生产当中严格要求pH值必须控制在一定的范围当中。否则会给产品带来产率低下甚至不符合生产要求。在环境保护方面如果空气中雨水的pH值小于5.6时形成酸雨。酸雨对人体健康、建筑物以及生态环境都造成了不同程度的危害，同时也影响农作物的产量。因此对PH值的监控对我们的生活与生产都带来了重要的影响。利用传统的方式测量pH值时，能够产生一定困难。例如使用玻璃电极测量酸度过高的溶液时会产生酸差且玻璃电极容易损坏。使用比色卡测量时由于测量的人不同会产生视觉误差同时比色卡不能够重复使用。面对之前测量pH值的不足进行不断的弥补和创新。复合电极E201型pH传感器测量时，不需要添加KCL溶液具有使用方便、容易进行清洗、响应的时间小于等于一分钟、抗干扰能力强、稳定性和重复性好、。它以实时监控的数据为生产控制带来了极大的方便，解决了化验室跟踪分析数据严重滞后的问题。^[1]

1.2 PH传感器国内（外）发展的现状

目前，针对不同领域中的用途。各式各样的PH传感器已经在农业、工业、医疗、生物工程、环境治理、考古、传统武器试验呈现出万紫千红的景象。任何新的科研成果取代传统技术的同时，他也存在一些新的缺陷。目前已经发展了的pH试纸法、光化学传感器和电化学传感器3种测定方法，也普遍存在一些问题。pH试纸法存在不能够重复性的使用和测量出来的PH值不是准确值并且精确度不高。电化学传感器可以很好的处理PH试纸法所出现的问题，但同时存在着使用的过程当中信号发生漂移、受电磁干扰以及难以微型化等限制了其在生理、卫生、高酸碱环境特殊领域的应用。光化学传感器的重要研究便是指示固定技术，单页存在着指示剂泄漏等缺点。所以针对现实的生产领域的需要，我们除了继续研究出合适与该领域的生产要求之外，还应该努力的研究出可以应用于更广范围的。具有更高稳定性、重复性和更快的响应时间的新pH传感器。随着科技技术的不断发展迫切的需要新的pH传感器应用在实际生产中。因此对于pH传感器的研究将会有一个光明的发展前景。

1.3 PH传感器显示电路的研究指导思想和采用的相关理论与方法

本课题主要的指导思想首先通过老师对我们前期进行电路知识的上课，让我们了解到电路中的欧姆定律、戴维南定律、基尔霍夫定律、二极管的工作原理等理论知识以及自己上网查阅相关知识。主要采用的方法是不断地通过实验研究，然后在将实验研究的结果与理论相结合进行分析。就具体的方法而言，为了更好的了解整个实验的电路硬件部分通过利用protel软件将电路的原理图和PCB图绘制出来然后再通过实验来了解可编程放大器的工作原理及主要的技术指标。实验方案部分模拟PH传感器信号部分通过放大器将微弱信号放大后求出测量值与实际值的对应关系从而来调试PH传感器显示电路。

1.4 课题应解决的主要问题

本次课题解决的问题首先是从硬件电路中元器件的选型方面选择什么样的放大器、绘制电路的原理图和PCB图、通过多组实验得出电路中的信号与实际的pH值之间的对应关系。能够采用多组不同pH值溶液进行试验对硬件电路进行调试与改进。

1.5课题的设计目的

设计目的主要通过PH测量硬件电路研究更加的深入对自动化课程的理解，认识电路中常用的电子元器件，例如电阻、电容、二极管等。对元器件的工作原理及主要的技术指标进行了详细的了解。提出硬件电路设计的方案然后使用Protel绘制电路的PCB板图、电路原理图。了解印刷电路板的制作过程及相关内容，掌握电子元器件的选型及工作原理（如类型、功率、参数），了解传感器显示电路主要实现的功能和存在的必要性。通过电路的调试发现硬件电路设计过程中存在的问题，能够采取有效的方法可克服这些问题。

1.6设计任务

本次设计分为以下部分进行：pH传感器的工作原理了解与熟悉、设计pH传感器硬件电路部分及进行与pH传感器的信号端的连接、对设计好的电路进行调试及设计显示pH测量值。首先要通过pH显示电路设计，解决pH值与电路中电压的对应关系。利用protel画出显示电路设计的原理图、PCB板图、直流稳压电源电路图、AD625、AD652、MC14060的工作原理图。设计用两个电阻和两个二极管一个电位器模拟pH传感器信号来调试电路的实验方案。

第二章 PH传感器

2.1 PH值的概念

pH值是溶液酸度的标定单位，即用来表示测量溶液呈酸性或碱性程度的数值。它是指测量的溶液中所含氢离子的总数和总的物质的量的比。1970年丹麦的科学家伦森提出了测量溶液中的pH值实际上就是测量溶液中所含氢离子的浓度。它的定义就是测量溶液中氢离子所含浓度的负对数。如式2-1所示

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