基于SOC 单片机的pH 值检测与控制

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                    　　摘要：基于SOC 单片机C8051F020 设计了pH 值的信号放大电路和抗干扰电路，并依据pH值的测量原理nerNSt 方程对pH 值进行校正。针对多因子水环境反应过程中pH 值滞后、非线性、时变、耦合性等特点，采用模糊PID 控制算法控制电磁阀调节水环境中的pH 值，并且将模糊逻辑工具箱与Matlab 函数相结合，在Matlab 中Simulink 环境下进行了仿真研究，仿真结果表明模糊PID 参数自调整对于pH 值的控制具有良好的控制效果，具有动态性能好，稳态精度高，抗干扰性能好及较强的鲁棒性。
　　0 引言
　　随着科技的进步和工农业生产的发展，水产养殖这一传统的行业也在向工厂化和智能化方向发展。水质监控仪器的设计是实现工厂化水产养殖的关键设备。其中pH 值就是多因子水环境中一个重要的因子，本文设计了基于SOC 单片机C8051F020 的pH 值的检测电路，并通过控制算法实现了对多因子水环境中pH 值的控制调节。
　　1 硬件电路设计和pH 测量原理
　　本设计采用高速SOC 单片机C8051F020 既能提高仪表可靠性又能提高系统性能。C8051F020是集成的混合信号片上系统，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。设计中采用了C8051F020 提供的12 位A/D、D/A，能有满足设计要求。pH 检测控制电路框图如图1 所示。






　　图2 pH值信号放大电路
　　1.2 pH值信号放大电路抗干扰设计
　　由于信号调理电路很容易受到其他信号的干扰，主要表现为工频干扰，不仅仅是50Hz，50Hz的整数倍谐波频率的干扰也不能忽视，其幅值比50Hz的干扰小。另外，50Hz工频干扰漂移的存在使得包括这个范围的频率都应视为工频干扰。对于谐波的干扰可通过低通滤波器去掉，而要去掉49.5～50.5Hz的干扰则需要设计出性能好的陷波器。下面是笔者在pH值信号抗干扰电路中所设计的陷波电路，电路图如图3所示。






　　此外，电路板表面的漏电流也是不能忽略的，在电路板上附着了灰尘、污质，或者是在环境比较潮湿的地方电路板表面的漏电流都会变得不可忽略，会影响对pH值信号的检测。
　　为减小电路板表面漏电流的影响，在电路板上CA3140的输入端放置金属环，并且在电路板的表层和底层都相应放置。如图2中虚线方框所示。
　　1.3 pH值测量原理
　　电位法测量溶液pH值常用玻璃电极作为指示电极，银-氯化银电极作为参比电极，将两种电极封装在起构成复合玻璃电极。将电极插人待测溶液，复合玻璃电极和待测溶液组成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别为原电池的正极和负极。依据nernst方程，原电池输出电动势、被测溶液绝对温度及被测溶液pH值之间满足如下关系：






　　将两个标准缓冲溶液的酸度pH1、pH2和对应电动势E1、E2及算出的参数K保存在E2PROM中。由式(3)得到待测溶液的pH值。
　　2 控制方法[4][5]
　　由于水产养殖最适合的pH值范围为：7～8.5，而且pH值同水中温度、溶解氧、浮游植物的光合作用、鱼类呼吸作用、氨氮等因子相互作用。此外，酸碱中和反应中pH值呈严重的非线性和滞后性，而且在中和点附近的斜率极大，而两端的斜率急剧变小，在中和点附近具有极高的灵敏度，给控制造成很大困难；少量的杂质会使过程特性发生严重畸变，难以建立准确的数学模型；pH传感器的动态特性易受环境（温度、压力、电极的清洁度等）变化的影响，而且外部干扰具有复杂性。
　　由于常规PID控制器简单、稳定性好、可靠性高而广泛应用于过程控制，但是常规PID控制器不能在线整定参数, 因而不能很好地控制非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统。模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统能够进行简单有效地控制。因此，结合传统PID控制器的优点，同时考虑到模糊控制实现的特点，提出了自适应模糊PID控制方法。
　　PID参数自整定就是先找出PID控制器的3个参数Kp，Ki和Kd与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制规则对3个参量进行在线修改，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，而使被控对象有良好的静、动态性能。本文将偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，调节PID控制器的3个参数Kp，Ki和Kd，从而控制执行机构电磁阀调节输出。根据事先确定好的模糊控制规则作出模糊推理改变3个PID参数的值，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，修正后的PID参数则被应用到常规PID控制中用以提高系统的控制性能，这构成了自适应模糊PID，其结构如图4所示。



，pH传感器动态特性




　　图 5 常规PID 控制与模糊PID 控制效果比较






　　图 6 存在扰动时的控制效果比较
　　4 结论
　　基于 SOC 高性能单片机C8051F020 设计pH 值检测控制仪器具有性能好、抗干扰性强、有较高的性价比，针对pH 值滞后、非线性、时变、耦合性等特点采用的模糊PID 在线自适应控制方法具有动态性能好，稳态精度高，抗干扰性能好和具有较强的鲁棒性。
　　本文作者创新点：根据 pH 传感器信号检测的特点设计了pH 信号放大电路、抗干扰电路；根据pH 值测量原理提出了pH 电极的校正方法；根据水环境pH 值的特点采用了模糊PID 控制方法并仿真，同时与常规PID 控制效果做了比较。