基于SOC單片機的pH值檢測與控制

　　圖3 50Hz陷波電路

　　此外，電路板表面的漏電流也是不能忽略的，在電路板上附著了灰塵、污質(zhì)，或者是在環(huán)境比較潮濕的地方電路板表面的漏電流都會變得不可忽略，會影響對pH值信號的檢測。

　　為減小電路板表面漏電流的影響，在電路板上CA3140的輸入端放置金屬環(huán)，并且在電路板的表層和底層都相應(yīng)放置。如圖2中虛線方框所示。

　　1.3 pH值測量原理

　　電位法測量溶液pH值常用玻璃電極作為指示電極，銀-氯化銀電極作為參比電極，將兩種電極封裝在起構(gòu)成復(fù)合玻璃電極。將電極插人待測溶液，復(fù)合玻璃電極和待測溶液組成原電池，復(fù)合玻璃電極的兩條輸出引線分別為原電池的正極和負(fù)極。依據(jù)nernst方程，原電池輸出電動勢、被測溶液絕對溫度及被測溶液pH值之間滿足如下關(guān)系：

　　式中：E為原電池輸出電動勢，mV；E0為常數(shù)，為與電極材料、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電極以及液接電位有關(guān)的電位差，mV；K為常數(shù)，為nernst系數(shù)；T為被測溶液的絕對溫度，K；pHx是被測溶液的pH值；Ph0是常數(shù)，為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液的pH值。

　　由式(1)可知被測溶液的pH值和溫度共同作用產(chǎn)生原電池輸出電動勢，因此同時測量原電池輸出電動勢和溶液溫度就能根據(jù)式(1)計算出被測溶液的pH值。

　　由于玻璃電極的制造工藝等原因式(1)中參數(shù)E0和K的實際值與它們的理論會有差異并且隨著電極的老化而改變，因此必須用pH值已知的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校正電極。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境呈堿性，故選用混合磷酸鹽(pH=6.86)和硼砂(pH=9.18)的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校正，具體校正方法如下：設(shè)兩個標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值分別為PH1、pH2輸出電動勢分別為E1和E2，在相同溫度T下標(biāo)定，由式(1)得到溶液輸出電動勢E與pH關(guān)系如下式所示：

　　將兩個標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的酸度pH1、pH2和對應(yīng)電動勢E1、E2及算出的參數(shù)K保存在E2PROM中。由式(3)得到待測溶液的pH值。

　　2 控制方法[4][5]

　　由于水產(chǎn)養(yǎng)殖最適合的pH值范圍為：7～8.5，而且pH值同水中溫度、溶解氧、浮游植物的光合作用、魚類呼吸作用、氨氮等因子相互作用。此外，酸堿中和反應(yīng)中pH值呈嚴(yán)重的非線性和滯后性，而且在中和點附近的斜率極大，而兩端的斜率急劇變小，在中和點附近具有極高的靈敏度，給控制造成很大困難；少量的雜質(zhì)會使過程特性發(fā)生嚴(yán)重畸變，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；pH傳感器的動態(tài)特性易受環(huán)境（溫度、壓力、電極的清潔度等）變化的影響，而且外部干擾具有復(fù)雜性。

　　由于常規(guī)PID控制器簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高而廣泛應(yīng)用于過程控制，但是常規(guī)PID控制器不能在線整定參數(shù), 因而不能很好地控制非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)。模糊控制器對復(fù)雜的和模型不清楚的系統(tǒng)能夠進(jìn)行簡單有效地控制。因此，結(jié)合傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點，同時考慮到模糊控制實現(xiàn)的特點，提出了自適應(yīng)模糊PID控制方法。

　　PID參數(shù)自整定就是先找出PID控制器的3個參數(shù)Kp，Ki和Kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制規(guī)則對3個參量進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的靜、動態(tài)性能。本文將偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，調(diào)節(jié)PID控制器的3個參數(shù)Kp，Ki和Kd，從而控制執(zhí)行機構(gòu)電磁閥調(diào)節(jié)輸出。根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則作出模糊推理改變3個PID參數(shù)的值，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，修正后的PID參數(shù)則被應(yīng)用到常規(guī)PID控制中用以提高系統(tǒng)的控制性能，這構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。