鄭雯　李健 王應(yīng)紅 左曉念 汪曉靖

[摘 要]開發(fā)基于單片機(jī)控制器的監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)過程的下位機(jī)硬件，選取典型金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)條件可控的電子硬件與軟件檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、優(yōu)化形成一套能實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量或控制氧化還原反應(yīng)變化條件的化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀。系統(tǒng)由化學(xué)反應(yīng)器皿、典型化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象采集傳感器、數(shù)據(jù)采集處理適配器、自動(dòng)控制器（CPU）、測(cè)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(jī)控制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.067

本研究以提高無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)的可視性、反應(yīng)速率（條件）的可控性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)時(shí)快速與檢測(cè)分析精確度高為研究重點(diǎn)，擬采用現(xiàn)代應(yīng)用電子、電子通信、單片機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)[1]與化學(xué)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，通過實(shí)驗(yàn)研究形成能直接運(yùn)用于中學(xué)化學(xué)、大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)金屬與非金屬氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的硬件電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)條件的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能的基本要求和實(shí)驗(yàn)中所要對(duì)參與化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)變化過程、反應(yīng)速率變化時(shí)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容要求的觀察和采集處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)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(jìn)設(shè)計(jì)的氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置容器工作原理，力求便于取放實(shí)驗(yàn)中所需的溶液、溶質(zhì)、溶劑等物質(zhì)、不影響師生對(duì)氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直接觀察、對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集電子傳感器器件介入固定、實(shí)驗(yàn)中對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shí)還能適應(yīng)更換不同的氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)、密度、顏色、pH、溫度、濕度，通過實(shí)驗(yàn)原理的深入分析，師生更好地觀察與體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程的化學(xué)變化。

1.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)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(cè)模塊、紅外測(cè)溫模塊、濕度檢測(cè)模塊為檢測(cè)裝置，以蠕動(dòng)泵作為滴定控制裝置，通過OLDE液晶和電腦顯示模塊顯示實(shí)時(shí)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(jiǎn)介：pH電極是pH計(jì)上與被測(cè)物質(zhì)接觸的部分，用來(lái)測(cè)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(gè)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(dòng)勢(shì)（EMF）。此電動(dòng)勢(shì)（EMF）由兩個(gè)半電池構(gòu)成。

1.2.2 氣體壓力檢測(cè)模塊

氣體壓力模塊簡(jiǎn)介：本氣體壓力檢測(cè)主要實(shí)現(xiàn)化學(xué)容器內(nèi)的變化，伴隨的反應(yīng)器皿內(nèi)部壓強(qiáng)的變化速率的檢測(cè)。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(cè)數(shù)據(jù)快捷，并具有采樣頻率可調(diào)的技術(shù)特點(diǎn)。由于氣體壓力檢測(cè)模塊的功耗非常低，具有多種智能功能，不需要移動(dòng)設(shè)備就能安全對(duì)容器內(nèi)部采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)喚醒的中斷、最小/最大閾值檢測(cè)及自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

1.2.3 紅外測(cè)溫模塊

紅外線測(cè)溫模塊簡(jiǎn)介：紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來(lái)確定物體的溫度，不與被測(cè)物體接觸，具有不擾動(dòng)被測(cè)物體溫度分布場(chǎng)，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；通過調(diào)節(jié)脈沖的周期、寬度，以達(dá)到變壓、變頻的目的，數(shù)字式脈寬調(diào)制方式中，數(shù)字是控制信號(hào)，通過改變高低電平數(shù)的比值達(dá)到改變占空比的目的。主要用于實(shí)施檢測(cè)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(cè)模塊

電容式數(shù)字濕度傳感器簡(jiǎn)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(gè)下電極與濕敏材料，上電極構(gòu)成的兩個(gè)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(duì)濕度變化而變化。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，濕敏元件的電容量隨之發(fā)生改變，即當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，濕敏電容量隨之增大，反之減?。娙萘客ǔＴ?8pf～56pf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(xiàng)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(lán)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(shí)施例

通過上述硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與論證，以及對(duì)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(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，達(dá)到了設(shè)計(jì)論證的基本要求，能自動(dòng)控制參與氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溶液量，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置所實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)施如下：

實(shí)例1 鎂（金屬）與稀鹽酸（非金屬）的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)例，其實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)反應(yīng)過程中有關(guān)數(shù)據(jù)變化信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)作相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)可以解決我國(guó)現(xiàn)行初高中和大學(xué)普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在做氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，存在不能準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)條件（如實(shí)驗(yàn)過程中的濃度、密度、溫度、壓強(qiáng)、反應(yīng)速率等），能實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)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(cè)變化終極物質(zhì)當(dāng)中的主要化學(xué)指標(biāo)等突出問題，能解決對(duì)其反應(yīng)速率與條件的控制方法。

參考文獻(xiàn)：

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