- Wymagane komponenty
- Co to jest wartość pH?
- Jak działa analogowy czujnik pH Gravity?
- Schemat obwodu miernika pH Arduino
- Programowanie Arduino dla pH-metru
- Kalibracja elektrody pH
- Testowanie testera pH Arduino
Skala pH służy do pomiaru kwasowości i zasadowości cieczy. Może mieć odczyty w zakresie od 1 do 14, gdzie 1 oznacza najbardziej kwaśną ciecz, a 14 najbardziej podstawową ciecz. 7 pH dotyczy substancji obojętnych, które nie są ani kwaśne, ani zasadowe. Obecnie pH odgrywa bardzo ważną rolę w naszym życiu i jest wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Na przykład można go używać w basenie do sprawdzania jakości wody. Podobnie, pomiar pH jest używany w wielu różnych zastosowaniach, takich jak rolnictwo, oczyszczanie ścieków, przemysł, monitorowanie środowiska itp.
W tym projekcie zamierzamy wykonać miernik pH Arduino i nauczyć się mierzyć pH roztworu płynnego za pomocą grawitacyjnego czujnika pH i Arduino. Wyświetlacz LCD 16x2 służy do pokazywania wartości pH na ekranie. Dowiemy się również, jak skalibrować czujnik pH, aby określić dokładność czujnika. Więc zacznijmy!
Wymagane komponenty
- Arduino Uno
- 16 * 2 alfanumeryczny wyświetlacz LCD
- Moduł I2C do LCD
- Gravity Analogowy czujnik pH
- Przewody łączące
- Płytka prototypowa
Co to jest wartość pH?
Jednostka, której używamy do pomiaru kwasowości substancji, nazywa się pH . Termin „H” definiuje się jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych. Zakres pH może mieć wartości od 0 do 14. Wartość pH 7 jest obojętna, ponieważ czysta woda ma wartość pH dokładnie 7. Wartości niższe niż 7 są kwaśne, a wartości większe niż 7 są zasadowe lub zasadowe.
Jak działa analogowy czujnik pH Gravity?
Analogowy czujnik pH jest przeznaczony do pomiaru wartości pH roztworu i wskazywania kwasowości lub zasadowości substancji. Jest powszechnie stosowany w różnych zastosowaniach, takich jak rolnictwo, oczyszczanie ścieków, przemysł, monitorowanie środowiska itp. Moduł ma wbudowany układ regulatora napięcia, który obsługuje szerokie napięcie 3,3-5,5 V DC, które jest kompatybilne z 5 V i 3,3 V dowolnej płyty sterującej, takiej jak Arduino. Sygnał wyjściowy jest filtrowany przez sprzętowy niski jitter.
Właściwości techniczne:
Moduł konwersji sygnału:
- Napięcie zasilania: 3,3 ~ 5,5 V.
- Złącze sondy BNC
- Wysoka dokładność: ± 0,1 @ 25 ° C
- Zakres wykrywania: 0 ~ 14
Elektroda pH:
- Zakres temperatur pracy: 5 ~ 60 ° C
- Punkt zerowy (neutralny): 7 ± 0,5
- Łatwa kalibracja
- Rezystancja wewnętrzna: <250MΩ
Płytka konwersji sygnału pH:
Opis pinów:
V +: wejście 5 V DC
G: Kołek uziemiający
Po: wyjście analogowe pH
Zrób: wyjście 3,3 V DC
Do: Wyjście temperatury
Budowa elektrody pH:
Konstrukcję czujnika pH pokazano powyżej. PH Sensor wygląda pręta zazwyczaj wykonane z materiału szklanego o nazwie końcówkę „membrana szklana”. Ta membrana jest wypełniona roztworem buforowym o znanym pH (zwykle pH = 7). Taka konstrukcja elektrody zapewnia środowisko ze stałym wiązaniem jonów H + po wewnętrznej stronie szklanej membrany. Gdy sonda jest zanurzona w badanym roztworze, jony wodoru w roztworze testowym zaczynają wymieniać się z innymi dodatnio naładowanymi jonami na szklanej membranie, co tworzy potencjał elektrochemiczny na membranie, który jest podawany do elektronicznego modułu wzmacniacza, który mierzy potencjał między obiema elektrodami i konwertuje je na jednostki pH. Różnica między tymi potencjałami określa wartość pH na podstawie równania Nernsta.
Równanie Nernsta:
Równanie Nernsta daje związek między potencjałem ogniwa elektrochemicznego, temperaturą, ilorazem reakcji i potencjałem standardowym ogniwa. W niestandardowych warunkach równanie Nernsta służy do obliczania potencjałów ogniwa w ogniwie elektrochemicznym. Równanie Nernsta można również wykorzystać do obliczenia całkowitej siły elektromotorycznej (EMF) dla pełnego ogniwa elektrochemicznego. Równanie to służy również do obliczania wartości PH rozwiązania. Odpowiedź elektrody szklanej jest regulowana równaniem Nernsta można podać jako:
E = E0 - 2,3 (RT / nF) ln Q gdzie Q = współczynnik reakcji E = mV na wyjściu elektrody E0 = zerowe przesunięcie elektrody R = idealna stała gazu = 8,314 J / mol-K T = temperatura w ºK F = Stała Faradaya = 95.484,56 C / mol N = ładunek jonowy
Schemat obwodu miernika pH Arduino
Schemat obwodu dla tego projektu miernika pH Arduino jest podany poniżej:
Połączenie płytki konwersji sygnału pH z Arduino:
Połączenie między Arduino a płytką konwersji sygnału PH pokazano w poniższej tabeli.
|
Arduino |
Płytka czujnika PH |
|
5V |
V + |
|
GND |
sol |
|
A0 |
Po |
Programowanie Arduino dla pH-metru
Po udanych połączeniach sprzętowych przyszedł czas na programowanie Arduino. Pełny kod tego miernika pH z Arduino znajduje się w dolnej części tego samouczka. Poniżej przedstawiono szczegółowe wyjaśnienie projektu.
Pierwszą rzeczą do zrobienia w programie jest dołączenie wszystkich wymaganych bibliotek. Tutaj, w moim przypadku, dołączyłem bibliotekę „ LiquidCrystal_I2C.h” do korzystania z interfejsu I2C wyświetlacza LCD oraz „ Wire.h ” do korzystania z funkcjonalności I2C na Arduino.
#zawierać
Następnie definiowana jest wartość kalibracji, którą można modyfikować w razie potrzeby, aby uzyskać dokładną wartość pH roztworów. (Jest to wyjaśnione w dalszej części artykułu)
float Calibration_value = 21,34;
Wewnątrz setup (), polecenia LCD są napisane w celu wyświetlenia komunikatu powitalnego na LCD.
lcd.init (); lcd.begin (16, 2); podświetlenie LCD(); lcd.setCursor (0, 0); lcd.print ("Witamy w"); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Circuit Digest"); opóźnienie (2000); lcd.clear ();
Wewnątrz pętli () odczytaj 10 przykładowych wartości analogowych i zapisz je w tablicy. Jest to wymagane do wygładzenia wartości wyjściowej.
for (int i = 0; i <10; i ++) {buffer_arr = analogRead (A0); opóźnienie (30); }
Następnie posortuj otrzymane wartości analogowe w porządku rosnącym. Jest to wymagane, ponieważ musimy obliczyć średnią bieżącą próbek na późniejszym etapie.
for (int i = 0; i <9; i ++) {for (int j = i + 1; j <10; j ++) {if (buffer_arr> buffer_arr) {temp = buffer_arr; tablica_bufora = tablica_bufora; bufor_arr = temp; }}}
Na koniec obliczyć średnią z 6 środkowych wartości analogowych próbki. Następnie ta średnia wartość jest konwertowana na rzeczywistą wartość pH i drukowana na wyświetlaczu LCD.
for (int i = 2; i <8; i ++) avgval + = buffer_arr; float volt = (float) avgval * 5,0 / 1024/6; float ph_act = -5,70 * volt +ibration_value; lcd.setCursor (0, 0); lcd.print ("pH Val:"); lcd.setCursor (8, 0); lcd.print (ph_act); opóźnienie (1000); }
Kalibracja elektrody pH
Kalibracja elektrody PH jest bardzo ważna w tym projekcie. W tym celu potrzebujemy rozwiązania, którego wartość jest nam znana. Można go przyjąć jako roztwór odniesienia do kalibracji czujnika.
Załóżmy, że mamy roztwór, którego wartość PH wynosi 7 (woda destylowana). Teraz, gdy elektroda jest zanurzona w roztworze referencyjnym, a wartość pH wyświetlana na LCD wynosi 6,5. Następnie, aby go skalibrować, wystarczy dodać 7-6,5 = 0,5 do zmiennej kalibracji „Calibration_value” w kodzie. tzn. zrób wartość 21,34 + 0,5 = 21,84 . Po wprowadzeniu tych zmian ponownie prześlij kod do Arduino i ponownie sprawdź pH, zanurzając elektrodę w roztworze odniesienia. Teraz wyświetlacz LCD powinien pokazywać prawidłową wartość pH, tj. 7 (niewielkie odchylenia są znaczne) . Podobnie dostosuj tę zmienną, aby skalibrować czujnik. Następnie sprawdź wszystkie inne rozwiązania, aby uzyskać dokładny wynik.
Testowanie testera pH Arduino
Wypróbowaliśmy ten miernik pH Arduino, zanurzając go w czystej wodzie i wodzie cytrynowej, wynik możesz zobaczyć poniżej.
Czysta woda:
Woda cytrynowa:
W ten sposób możemy zbudować czujnik pH za pomocą Arduino i użyć go do sprawdzenia poziomu pH różnych cieczy.
Pełny kod i film demonstracyjny znajdują się poniżej.