第一部分：pH探針

pH值定義

水溶液可分為酸性、堿性和中性三類。在化學(xué)中，酸堿度通過一種數(shù)值尺度來衡量，稱為pH值。依據(jù)嘉士伯基金會(huì)的定義，pH值代表氫離子濃度。此尺度是一個(gè)對(duì)數(shù)尺度，范圍為1到14。pH值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

pH = –log(H+)

因此，如果氫離子濃度為1.0 × 10–2摩爾/升，則

pH = –log(1.0 × 10–2) = 2

蒸餾水等水溶液的pH值為7，這是一個(gè)中性值。pH值小于7的溶液為酸性溶液，大于7的溶液為堿性溶液。對(duì)數(shù)尺度反映了一種溶液相對(duì)于另一種溶液的酸性程度。

例如，pH值為5的溶液，其酸度是pH值為6的溶液的10倍，是pH值為8的溶液的1000倍。

pH指示器

有很多辦法可測(cè)量水溶液的pH值，包括通過石蕊試紙指示器或使用玻璃探針。

石蕊試紙

石蕊試紙指示器通常由從地衣提取的染液制成，可用來指示pH水平。一旦與溶液接觸，試紙就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其顏色改變，由此指示pH水平。這一類大體上包括兩種方法：

· 

將已知pH值對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)顏色與利用緩沖溶液浸入測(cè)試液體的指示器顏色進(jìn)行比對(duì)；

· 

· 

將pH試紙先浸沒在指示器中，然后浸入測(cè)試液體中，將其顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行比對(duì)。雖然上述兩種方法很容易實(shí)現(xiàn)，但是溫度和測(cè)試溶液中的雜質(zhì)很容易引起誤差。

· 

pH玻璃探針

最常用的pH指示器是pH探針。它由一個(gè)玻璃測(cè)量電極和一個(gè)參比電極構(gòu)成。典型玻璃探針由玻璃薄膜及其中封入的鹽酸(HCl)溶液組成。外殼內(nèi)部有一根鍍AgCl的銀線，其充當(dāng)參比電極并與HCL溶液接觸。玻璃膜外部的氫離子擴(kuò)散通過玻璃膜，置換相應(yīng)數(shù)量的鈉離子(Na+)，多數(shù)玻璃中一般都存在鈉離子。這種正離子很敏銳，大部分限定在玻璃表面上濃度較低的一側(cè)薄膜上。Na+的多余電荷在傳感器輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓。

探針類似于一塊電池。當(dāng)把探針置于溶液中時(shí)，測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，其大小取決于溶液中氫的活性，然后將該電壓與參比電極的電位進(jìn)行比較。隨著溶液酸性的增強(qiáng)（pH值變低），玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陽性增強(qiáng)(+mV)；隨著溶液堿性的增強(qiáng)（pH值變高），玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陰性增強(qiáng)(-mV)。這兩個(gè)電極之差即為測(cè)得電位。在理想情況下，典型的pH探針在25°C下會(huì)產(chǎn)生59.154 mV/pH單位，通常用能斯脫方程表示如下：

其中：

E = 氫電極電壓，活性未知

a = ±30 mV，零點(diǎn)容差

T = 環(huán)境溫度(25°C)n = 1（25°C），價(jià)（離子上的電荷數(shù)）

F = 96485庫(kù)侖/摩爾，法拉第常數(shù)

R = 8.314 伏特-庫(kù)侖/°K摩爾，阿伏加德羅氏數(shù)

pH = 未知溶液的氫離子濃度

pHISO = 7，參比氫離子濃度

方程表明，產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度和堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會(huì)改變其氫離子的活性。當(dāng)溶液被加熱時(shí)，氫離子運(yùn)動(dòng)速度加快，結(jié)果導(dǎo)致兩個(gè)電極間電位差的增加。另外，當(dāng)溶液冷卻時(shí)，氫活性降低，導(dǎo)致電位差下降。根據(jù)設(shè)計(jì)，在理想情況下，當(dāng)置于pH值為7的緩沖溶液中時(shí)，電極會(huì)產(chǎn)生零伏特電位。典型pH探針的規(guī)格如下表所示。

表1. pH玻璃探針的典型規(guī)格

pH探針在本研究中起著重要作用，因?yàn)閿?shù)據(jù)可靠性取決于傳感器的精度和可靠性。選擇pH探針時(shí)，有兩個(gè)重要因素需要考慮：

· 

緩沖溶液溫度改變之后的穩(wěn)定時(shí)間

· 

· 

pH值改變之后的穩(wěn)定時(shí)間

表4. PA輸出功率與收發(fā)器IDD電流消耗小結(jié)

許可

Sub-GHz包括433 MHz、868 MHz和915 MHz的免許可ISM頻段。它廣泛用于工業(yè)中，非常適合各種無線應(yīng)用。它可以用在世界上的不同地區(qū)，因?yàn)樗蠚W洲ETSI EN300-220法規(guī)、北美FCC Part 15法規(guī)及其他類似監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

第三部分：微控制器

如圖2所示，RF系統(tǒng)的核心是一個(gè)處理器單元或微控制器(MCU)，其處理數(shù)據(jù)并運(yùn)行與收發(fā)器（用于RF傳輸）和pH參考設(shè)計(jì)(RD)板（用于傳感器測(cè)量）接口的軟件堆棧。

圖2. 無線傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸框圖

選擇微控制器必須考慮如下因素：

· 

外設(shè)

· 

微控制器應(yīng)集成SPI總線之類的外設(shè)。收發(fā)器和pH參考設(shè)計(jì)板均通過SPI連接，因此需要兩個(gè)SPI外設(shè)。

· 

· 

存儲(chǔ)器

· 

借助適當(dāng)大小的存儲(chǔ)器，微控制器執(zhí)行協(xié)議處理和傳感器接口任務(wù)。Flash和RAM是微控制器的兩個(gè)極重要組成部分。為確保系統(tǒng)不會(huì)用盡存儲(chǔ)空間，使用128 kB內(nèi)存。這必定會(huì)讓應(yīng)用和軟件算法流暢運(yùn)行，并且為可能的升級(jí)和功能增加（以便消除系統(tǒng)問題）留有余地。

· 

· 

架構(gòu)和處理能力

高精度帶寬 1.6M 運(yùn)算放大器 OK8538（雙通道）,OK8539（雙通道）,OK8540（四通道）

替代兼容產(chǎn)品：

ADI：      AD8538,AD8539

MAXIM:     MAX9617,MAX9618,MAX9619,MAX9620,MAX4236A

Linear Technology:  LTC2054,LTC20255

高精度帶寬 0.35M 運(yùn)算放大器 OK8521（單通道）,OK8522（雙通道）,OK8524（四通道）

替代兼容產(chǎn)品：

3PEAK(思瑞浦):    TP5531,TP5532,TP5534

TI：             OPA330，OPA2330，OPA4330

ST:              OP1ZHA,OP2ZHA,OP4ZHA,TSZ121,TSZ122,TSZ124

通用 帶寬 0.15M 運(yùn)算放大器 OK121(單通道），OK122(雙通道）,OK124（四通道）OK123

替代兼容產(chǎn)品：

圣邦微電子：SGM8521 SGM8522 SGM8524

Microchip: MCP6041  MCP6042  MCP6044  MCP6043

思瑞浦:   TP1511,TP1511U，TP1221（5V 應(yīng)用）TP1512,TP1222（5V 應(yīng)用）TP1514,TP1224（5V 應(yīng)用）TP1511N

通用 帶寬 0.5M 運(yùn)算放大器 OK221(單通道），OK222(雙通道）,OK224（四通道）OK123

替代兼容產(chǎn)品：

圣邦微電子：SGM8531 SGM8532 SGM8534

Microchip:MCP6241R MCP6241 MCP6241U MCP6242  MCP6244

安森美:  NCS20091  NCS20092  NCS20094

通用帶寬1M運(yùn)算放大器 OK321/OK6331 OK358/OK6332OK324/OK6334OK323/OK6333

 替代兼容產(chǎn)品：

德州儀器：LMV321 OPA348 LMV358 OPA2348 LMV324 OPA4348

ADI：    AD8541  AD8542  AD8544

意法半導(dǎo)體： LMV321  LMV358  LMV324

思瑞浦：TP321 LMV321A TP1541 LMV321TP TP1541A TP358 LMV358A TP1542 LMV358TP TP1542A TP324 LMV324A TP1544 LMV324TP TP1544A TP1543

圣邦微電子： SGM321 SGM8541 SGM358 SGM8542 SGM324 SGM8544 SGM8543

Microchip： MCP6001 MCP6001R MCP6001U MCP6401 MCP6401R MCP6401U MCP6002 MCP6402 MCP6004 MCP6404

羅姆：LMR321  LMR358  LMR324

通用 帶寬 3.6M 運(yùn)算放大器 OK521單通道 OK522雙通道 OK524四通道 OK523

替代兼容產(chǎn)品：

德州儀器：TLV314 TLV341 TLV341A TLV2314 TLV342 TLV342A TLV4314  TLV342S

圣邦微電子：SGM8621  SGM8622  SGM8624  SGM8623

Microchip：MCP601 MCP601R MCP6L1R MCP602 MCP6L2 MCP604 MCP6L4 MCP603 MCP603R

思瑞浦： TP1561 TP2431 TP1562 TP2432 TP1564 TP2434 TP1561N

Intesil：ISL28113  ISL28213  ISL28413

RENESAS：HA1630Q4

通用 帶寬 7M 運(yùn)算放大器 OK621單通道 OK622雙通道 OK624四通道 OK623

替代兼容產(chǎn)品：

德州儀器：OPA374 LMV821-N TLV2361 LMV710 OPA2374 LMV822-N TLV2362 LMV712 OPA4374 LMV824-N

圣邦微電子：SGM8631  SGM8632  SGM8634  SGM8633

Microchip：MCP6491  MCP6492  MCP6494

思瑞浦：TP2421  TP2422  TP2424

安森美：NCS2003 NCS2003A NCS20032  NCS20034

意法半導(dǎo)體：TSV91x TSV91xA TSV91x TSV91xA TSV91x TSV91xA