基于單片機控制的金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象電子檢測系統(tǒng)開發(fā)研究

1、    基于單片機控制的金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象電子檢測系統(tǒng)開發(fā)研究    鄭雯李健 王應(yīng)紅 左曉念 汪曉靖摘 要開發(fā)基于單片機控制器的監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)過程的下位機硬件，選取典型金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)實驗現(xiàn)象和實驗條件可控的電子硬件與軟件檢測系統(tǒng)的設(shè)計、制作、調(diào)試、優(yōu)化形成一套能實時跟蹤測量或控制氧化還原反應(yīng)變化條件的化學(xué)實驗檢測儀。系統(tǒng)由化學(xué)反應(yīng)器皿、典型化學(xué)實驗現(xiàn)象采集傳感器、數(shù)據(jù)采集處理適配器、自動控制器（cpu）、測試數(shù)據(jù)輸出顯示等組成。關(guān)鍵詞金屬與非金屬；氧化還原反應(yīng)；電子傳感器；單片機控制doi10.13939/ki.zgsc.2017.0

2、6.067本研究以提高無機化學(xué)實驗現(xiàn)象觀測的可視性、反應(yīng)速率（條件）的可控性、實驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集實時快速與檢測分析精確度高為研究重點，擬采用現(xiàn)代應(yīng)用電子、電子通信、單片機、自動控制技術(shù)1與化學(xué)測量技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計理念，通過實驗研究形成能直接運用于中學(xué)化學(xué)、大學(xué)無機化學(xué)實驗教學(xué)中，對金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象實驗檢測的硬件電路系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳統(tǒng)化學(xué)實驗中的金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象（反應(yīng)過程中）的密度、氣壓、濃度、速率、聲光、溫度等變化數(shù)據(jù)的自動檢測和實驗條件的控制。1 系統(tǒng)設(shè)計1.1 系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)功能的基本要求和實驗中所要對參與化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)變化過程、反應(yīng)速率變化時相關(guān)教學(xué)

3、內(nèi)容要求的觀察和采集處理數(shù)據(jù)的實時跟蹤監(jiān)測的需要，采用高耐熱玻璃材料作為盛放化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的器皿，其改進設(shè)計的氧化還原反應(yīng)實驗裝置容器工作原理，力求便于取放實驗中所需的溶液、溶質(zhì)、溶劑等物質(zhì)、不影響師生對氧化還原反應(yīng)實驗現(xiàn)象的直接觀察、對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)采集電子傳感器器件介入固定、實驗中對數(shù)據(jù)實時采集處理信息的傳輸與相關(guān)接口電路的安裝等要求，同時還能適應(yīng)更換不同的氧化還原反應(yīng)實驗內(nèi)容的要求等。關(guān)注的化學(xué)變化現(xiàn)象，如中學(xué)常見氧化還原反應(yīng) 2- 3：如ab（酸或堿）+c（金屬）=ac（鹽）+b（氫氣）反映主要化學(xué)變化物理量：壓強、密度、顏色、ph、溫度、濕度，通過實驗原理的深入分析，師生更好地觀察與體驗

4、實驗過程的化學(xué)變化。1.2 硬件模塊設(shè)計本系統(tǒng)以單片機為控制核心，通過電源模塊供電，以ph電極傳感器模塊、氣壓檢測模塊、紅外測溫模塊、濕度檢測模塊為檢測裝置，以蠕動泵作為滴定控制裝置，通過olde液晶和電腦顯示模塊顯示實時數(shù)據(jù)。1.2.1 ph復(fù)合電極傳感器模塊ph復(fù)合電極簡介：ph電極是ph計上與被測物質(zhì)接觸的部分，用來測電極電位的裝置。電位分析法所用的電極被稱為原電池。原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。此電池的電壓被稱為電動勢（emf）。此電動勢（emf）由兩個半電池構(gòu)成。1.2.2 氣體壓力檢測模塊氣體壓力模塊簡介：本氣體壓力檢測主要實現(xiàn)化學(xué)容器內(nèi)的變化，伴隨的反應(yīng)器

5、皿內(nèi)部壓強的變化速率的檢測。選用本功能模塊的目的是利用模塊提供的非常精確的壓力檢測數(shù)據(jù)快捷，并具有采樣頻率可調(diào)的技術(shù)特點。由于氣體壓力檢測模塊的功耗非常低，具有多種智能功能，不需要移動設(shè)備就能安全對容器內(nèi)部采集到的壓力數(shù)據(jù)進行處理。本壓力傳感器的智能功能包括數(shù)字輸出，用于自動喚醒的中斷、最小/最大閾值檢測及自動數(shù)據(jù)采集。1.2.3 紅外測溫模塊紅外線測溫模塊簡介：紅外測溫是根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，具有不擾動被測物體溫度分布場，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測溫范圍廣，穩(wěn)定性好等特點；通過調(diào)節(jié)脈沖的周期、寬度，以達到變壓、變頻的目的，數(shù)字式脈寬調(diào)制方式中，數(shù)字是

6、控制信號，通過改變高低電平數(shù)的比值達到改變占空比的目的。主要用于實施檢測化學(xué)反應(yīng)過程中，密閉容器內(nèi)部的溫度變化的數(shù)據(jù)量。1.2.4 濕度檢測模塊電容式數(shù)字濕度傳感器簡介：傳感器主要由濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。濕敏電容由玻璃底襯、下電極、濕敏材料、上電極幾部分組成。兩個下電極與濕敏材料，上電極構(gòu)成的兩個電容成串聯(lián)連接。濕敏材料是一種高分子聚合物，它的介電常數(shù)隨著環(huán)境的相對濕度變化而變化。當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕敏元件的電容量隨之發(fā)生改變，即當相對濕度增大時，濕敏電容量隨之增大，反之減?。娙萘客ǔＴ?8pf56pf間）。2 顯示界面介紹2.1 oled顯示屏的顯示oled顯示屏的顯示：ph值

7、為（ph）：14.0；溫度值為（temp）：20.7；濕度值為（hum）：43.4；氣壓值為（pressure）：101.60如圖1所示。串口示波器的顯示如圖2所示：2.2 串口示波器的顯示（通過曲線的變化表示反應(yīng)過程中各項值的變化）ph：（紅色通道）保持不變，ph值不變；氣壓：（黃色通道）保持不變，氣壓值不變；溫度：（藍色通道）先增大后減小，溫度先升高后降低后保持不變；濕度：（紫色通道）平穩(wěn)地變大，濕度升高后保持不變。3 系統(tǒng)應(yīng)用實施例通過上述硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與論證，以及對系統(tǒng)各功能模塊的制作、調(diào)試，系統(tǒng)集成優(yōu)化分析所形成的金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)自動監(jiān)測裝置，達到了設(shè)計論證的基本

8、要求，能自動控制參與氧化還原反應(yīng)實驗的反應(yīng)溶液量，實現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)速率的控制和相應(yīng)變化數(shù)據(jù)的采集，其設(shè)計的實驗裝置所實現(xiàn)的實驗實施如下：實例1 鎂（金屬）與稀鹽酸（非金屬）的反應(yīng)實驗的數(shù)據(jù)采集反應(yīng)物質(zhì)（鎂金屬）：參與反應(yīng)的溶液（稀鹽酸非金屬）通過上述實例，其實驗裝置可以對反應(yīng)過程中有關(guān)數(shù)據(jù)變化信號進行實時采集，適用于不同的金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)中，通過傳感器電纜輸出的信號作相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理。4 結(jié) 論本設(shè)計可以解決我國現(xiàn)行初高中和大學(xué)普通化學(xué)實驗教學(xué)中，學(xué)生在做氧化還原反應(yīng)實驗時，存在不能準確控制實驗條件（如實驗過程中的濃度、密度、溫度、壓強、反應(yīng)速率等），能實時跟蹤測試反應(yīng)過程中容器內(nèi)化合物前后變化現(xiàn)象，能精確量化檢測變化終極物質(zhì)當中的主要化學(xué)指標等突出問題，能解決對其反應(yīng)速率與條件的控制