基于SOC 单片机的pH 值检测与控制

　　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 1 pH 检测控制电路的框图

　　1.1 pH值信号放大电路设计

　　设计中采用pH复合玻璃电极，由于pH测量电极内阻大，要求前置放大器有较高的输入阻抗，设计中选用运放CA3140，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。pH值信号放大电路如图2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。

　　图3 50Hz陷波电路

　　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、被测溶液温度及被测溶液pH值之间满足如下关系：

　　式中：E为原电池输出电动势，mV；E0为常数，为与电极材料、内参比溶液、内参比电极以及液接电位有关的电位差，mV；K为常数，为nernst系数；T为被测溶液的温度，K；pHx是被测溶液的pH值；Ph0是常数，为复合玻璃电极内缓冲溶液的pH值。

　　由式(1)可知被测溶液的pH值和温度共同作用产生原电池输出电动势，因此同时测量原电池输出电动势和溶液温度就能根据式(1)计算出被测溶液的pH值。

　　由于玻璃电极的制造工艺等原因式(1)中参数E0和K的实际值与它们的理论会有差异并且随着电极的老化而改变，因此必须用pH值已知的标准缓冲溶液校正电极。由于水产养殖水环境呈碱性，故选用混合磷酸盐(pH=6.86)和硼砂(pH=9.18)的标准缓冲溶液进行校正，具体校正方法如下：设两个标准缓冲溶液的pH值分别为PH1、pH2输出电动势分别为E1和E2，在相同温度T下标定，由式(1)得到溶液输出电动势E与pH关系如下式所示：

　　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。

　　图4 自适应模糊PID的控制框图

　　将系统误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的域，e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊子集为e，ec={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。对于单片机构成的模糊控制器，考虑到占用CPU时间，节约存储空间，减少计算量等方面的问题，隶属度函数曲线采用三角形。根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算：在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正。

　　3 计算机仿真及结果

　　3.1 仿真模型的建立与算法实现

　　数字仿真模型如图4所示，其中被控制对象包括：电磁阀传递函数，pH传感器动态特性
，pH滴定曲线的非线性特性等。运用上述模糊PID参数自整定控制方法，将模糊逻辑工具箱(fuzzy logic tool box)与Matlab函数相结合，在Matlab7.1中Simulink环境下进行了仿真研究。其中，模糊推理方法采用Mamdani型推理，去模糊化采用加权平均值方法。

　　3.2 仿真结果分析

　　为了便于比较控制效果，在常规 PID 和模糊PID 控制中PID 的3 个参数kp，ki，kd 是相同的。图5 给出了常规PID 控制与模糊PID 参数自整定算法控制仿真曲线比较，图6 是在常规PID 控制与模糊PID 均达到稳定后，在t=80s 时加扰动仿真曲线。图5、图6 中虚线所标示的是常规PID 的仿真效果，实线标示的是模糊PID 的仿真效果。从仿真结果可看出：

　　（1）模糊PID 参数自整定控制具有较小的超调量和较短的调节时间，具有较好的动态响应特性和稳态特性，它优于常规的PID 控制；

　　（2）由于模糊PID 参数自整定控制能根据工况变化过程中偏差和偏差变化率自动进行PID 参数调整，因而具有较好的自适应能力。

　　由此可见，模糊PID 参数自调整对于pH 值的控制具有较好的控制效果，具有动态性能好，稳态高，抗干扰性能好及较强的鲁棒性的特点。

　　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。

  

参考文献:

[1]. C8051F020  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F020+_209830.html.
[2]. MCS-51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.
[3]. CA3140 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CA3140_211595.html.