摘要
本系统采用PIC18F4550核心板作为主控板，采用液面传感器来检测水的高度，采用pH值传感器和高精度信号前级放大电路，信号滤波电路组成pH值检测系统，采用DS18B20温度传感器和高精度信号放大电路组成温度检测系统，采用低功耗OLED显示屏对采集到的pH值、温度、水位高度、电池电压等数据进行显示。综合考虑电路参数设计性能要求和经济效益，液面传感器采用高精度超声波传感器，其稳定性好，可以不接触液体进行测量。本传感器测量方式是将传感器放置于容器的底部，精度可以达到1 mm。数据返回方式为串口，能更好地与单片机通信。pH电极的选择采用普通的pH电极，可以测量0-24 pH的酸碱溶液，适合普通实验使用，价格适中。温度传感器采用DS18B20，其测量温度范围广(-55C-+125 C)、温度延迟低、灵敏度高、抗干扰能力强、“一线总线”的数据传输方式。
关键词: PIC18F4550; 液面传感器; pH 值传感器; DS18B20 温度传感器; OLED显示屏
一、系统方案
1.系统基本方案
为实现题目要求采用Microchip公司的PIC18F4550单片机作为主控芯片，采用pH值传感器来检测水中的酸碱浓度，pH值传感器的输出值经过TLC4502高精度运放的放大之后送到CA3140AMZ96线性缓冲放大器，最后数据被送到主控的ADC端口。液面传感器输出串口数据给单片机处理，进行处理后显示在OLED显示屏上。
2.各部分方案的选择梁用方案
1)主控板的选择
方案一:采用PIC18F4550,其供电电压为2.6~6.2V，自带ADC、SPI、CCP、PWM、UsB,适用于大电流、大电压及不稳定场合下的精密控制。
方案二:采用STC15F2K60S2,其供电电压为3.8~5.5V， 自带ADC、自带SPI、 看门狗、掉电唤 醒，有党限定、电源电压明确、AVD转换要求精度不高的场合。
方案三：采用STM32F103RBT6，其供电电压为3~3.3V，自带ADC、MSSP控制器，USB2.0全速控制器、以太网控制器。
综合以上考虑，选择方案一。
2)液面传感器的选择
方案一:采用普通超声波传感器，把传感器立在水面之上向下测量，可以粗略检测到水面的高度，但是达不到本设计的要求。
方案二:采用液面高度传感器，单块模块的高度为4 cm,题目要求容器高度至少在20 cm以上，只能将5块模块拼接在一起使用，软件和硬件的难度都有一定 程度的增加，这样设计还需占用单片机5个I/O口资源。
方案三:采用高精度超声波传感器，其稳定性好，可以不接触液体进行测量。本传感器测量方式是将传感器放置于容器的底部，精度可以达到1 mm。数据返回方式为串口，能更好地与单片机通信。
综合以上考虑，选择方案三。
3) pH电极的选择方案
方案一：采用四氟电极，适用于强酸强碱环境，但价格昂贵，不适合本次设计。
方案二: 采用普通的出 电板，可以测量0- 240的酸碱溶液，适合普通实验使用，价格适中。
综合以上考虑，选择方案二。
4) 温度传感器的选择
方案一：采用DS18B20，其测量温度范围广（-55℃~+125℃），温度延迟低，灵敏度高，抗干扰能力强，“一线总线”的数据传输方式。
二、系统理论分析与计算
pH值传感器输出电压与温度的关系如图1所示。
| 图1 pH 值传感器温度曲线表（pH=4.0，T=25℃） |
由图1得知，同等pH值液体中，温度越高，pH值相对于25℃ 下的值越小。
pH值传感器在各个标准pH缓冲溶剂中的模拟电压输出见表1。
图1 pH 值传感器在各个标准pH缓冲溶剂中的模拟电压输出
| pH | 4.00 | 6.86 | 9.18 | | 电压/mV | 3532.50 | 3152.22 | 2678.13 |
经过计算，pH值的增加与减少并不是线性增量的关系。例如，在0~1pH时，每增加0.1 pH值，电压下降17 mV;在1-2 pH时，每增加0. lpH值，电压下降18 mV。再经过测试，其关系为分段函数。
例如，0当前pH值传感器返回3 121 mV,则当前测量pH值= (3 177.5-3 121) / [ (3177.5-3000) /10]= 56.5/17.75= 3.2,得到的为小数部分，又因为它在6~7 pH之间，所以现在测得的pH值为6. 32 pH。
利用PLC单片机的内部ADC,基准电压通过TL431设置的2.5 V,这样可以降低误差值。
pH值传感器的输出电压通过5/5的电阻电压平分，得到一半的电压，再通过LM324 运放搭建的滤波器滤掉共模信号和干扰信号，最后通过2.5 kQ阻抗匹配输人A/D转换通道0，再经过上面的算法得到当前的pH值。
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