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(zhù)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(huì )變得不可忽略，會(huì )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放置。如圖2中虛線(xiàn)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成復合玻璃電極。將電極插人待測溶液，復合玻璃電極和待測溶液組成原電池，復合玻璃電極的兩條輸出引線(xiàn)分別為原電池的正極和負極。依據nernst方程，原電池輸出電動(dòng)勢、被測溶液絕對溫度及被測溶液pH值之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：

　　式中：E為原電池輸出電動(dòng)勢，mV；E0為常數，為與電極材料、內參比溶液、內參比電極以及液接電位有關(guān)的電位差，mV；K為常數，為nernst系數；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，為復合玻璃電極內緩沖溶液的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(dòng)勢，因此同時(shí)測量原電池輸出電動(dòng)勢和溶液溫度就能根據式(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E0和K的實(shí)際值與它們的理論會(huì )有差異并且隨著(zhù)電極的老化而改變，因此必須用pH值已知的標準緩沖溶液校正電極。由于水產(chǎn)養殖水環(huán)境呈堿性，故選用混合磷酸鹽(pH=6.86)和硼砂(pH=9.18)的標準緩沖溶液進(jìn)行校正，具體校正方法如下：設兩個(gè)標準緩沖溶液的pH值分別為PH1、pH2輸出電動(dòng)勢分別為E1和E2，在相同溫度T下標定，由式(1)得到溶液輸出電動(dòng)勢E與pH關(guān)系如下式所示：

　　將兩個(gè)標準緩沖溶液的酸度pH1、pH2和對應電動(dòng)勢E1、E2及算出的參數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(yú)類(lèi)呼吸作用、氨氮等因子相互作用。此外，酸堿中和反應中pH值呈嚴重的非線(xiàn)性和滯后性，而且在中和點(diǎn)附近的斜率極大，而兩端的斜率急劇變小，在中和點(diǎn)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(huì )使過(guò)程特性發(fā)生嚴重畸變，難以建立準確的數學(xué)模型；pH傳感器的動(dòng)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雜性。

　　由于常規PID控制器簡(jiǎn)單、穩定性好、可靠性高而廣泛應用于過(guò)程控制，但是常規PID控制器不能在線(xiàn)整定參數, 因而不能很好地控制非線(xiàn)性、時(shí)變的復雜系統和模型不清楚的系統。模糊控制器對復雜的和模型不清楚的系統能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單有效地控制。因此，結合傳統PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到模糊控制實(shí)現的特點(diǎn)，提出了自適應模糊PID控制方法。

　　PID參數自整定就是先找出PID控制器的3個(gè)參數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(guò)不斷檢測e和ec，根據模糊控制規則對3個(gè)參量進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同e和ec對控制器參數的不同要求，而使被控對象有良好的靜、動(dòng)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，調節PID控制器的3個(gè)參數Kp，Ki和Kd，從而控制執行機構電磁閥調節輸出。根據事先確定好的模糊控制規則作出模糊推理改變3個(gè)PID參數的值，利用模糊控制規則在線(xiàn)對PID參數進(jìn)行修改，修正后的PID參數則被應用到常規PID控制中用以提高系統的控制性能，這構成了自適應模糊PID，其結構如圖4所示。