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                                                                                        Wels, am 2022-04-03

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Wie lange hält eine pH Elektrode im Aquarium?

Warum wird bei der Kalibrierung des pH Meters bei pH 7 eine Spannung gemessen?

Ich habe kürzlich ein Arduino-pH-Sensor-Kit zur Messung des pH-Werts meines Hydroponik-Setups gekauft, es ist billig, hat aber nur sehr wenige Informationen / Dokumente zur Verwendung, also habe ich beschlossen, es selbst herauszufinden, wie es funktioniert und wie man es benutzt.

Beliebte pH-Messkits für Arduino
Wenn Sie im Internet nach einem pH-Sensor mit Arduino suchen, sehen Sie wahrscheinlich 3 große kommerziell erhältliche oder massenproduzierte Lösungen:

1)
Atlas Scientific bietet qualitativ hochwertige und gut gestaltete Sensorkits für die pH-Messung an.
Das Gravity-Analog-pH-Kit besteht aus einem verbrauchergerechten pH-Sensor und einer Schnittstellenkarte sowie 3 Paketen mit Kalibrierpufferlösungen und kostet 65,00 $.

Die Hardware von Atlas Scientific ist von hoher Qualität, scheint aber nicht Open Source zu sein.
2)
DFRobot hat auch eine Lösung mit dem gleichen Namen Gravity  wie Atlas Scientific.

Seine Version 1 Gravity: Analoges pH-Sensor-Kit besteht aus einer pH-Sonde plus Sensorplatine und kostet 29,50 $.

Es gibt eine Version 2 von Gravity: Analog pH Sensor Kit , die mit der Platine mit verbessertem Design für 39,50 $ geliefert wird, indem Pufferlösungen und Befestigungsschrauben für die Platine enthalten sind.

DFRobot veröffentlichte seinen Schaltplan, das PCB-Layout und den Arduino-Code für Version 1 auf seiner Website und github unter der GPL2-Lizenz.

Aber es veröffentlicht nur das PCB-Layout für Version 2 ohne Schaltplan, daher weiß ich nicht, was genau im Design für die Version 2 verbessert wurde.
3)
Das dritte allgemein verfügbare pH-Sensor-Kit für Arduino, das Sie fast auf allen E-Commerce-Marktplätzen wie Taobao, AliExpress und Amazon sehen, ist dieses „mysteriöse“ pH-Sensor-Kit, das ich gekauft habe.

Sie können es für nur 17,00 $ für eine pH-Sonde mit der Sensorplatine finden.

Es ist „mysteriös“, weil es scheint, dass es mehrere chinesische Hersteller gibt, die dasselbe Board produzieren, aber ich kann nicht wirklich herausfinden, welcher Firma das Design tatsächlich gehört.

Ich habe es trotzdem gekauft, weil ich dachte, wenn ich verstehen könnte, wie die pH-Sonde funktioniert, und mit ein wenig „Reverse-Engineering“ des Schaltungsdesigns, um mir zu helfen, die Schaltung besser zu verstehen, dann sollte ich in der Lage sein, es herauszufinden heraus, wie es funktioniert.

Das passt gut zu meinem Tüftlergeist !

Abgesehen von diesen drei allgemein erhältlichen pH-Sensor-Kits gibt es noch andere auf dem Markt, aber sie sind eine relative Nische mit begrenzter Verbreitung.

Wenn Sie sich für die pH-Messung oder das pH-Sensor-Board interessieren, lesen Sie vielleicht weiter unter 

A review on Seeed Studio pH and eC sensor kits – Part 1″.

PH-4502C  PH4502C   0-14 pH-Meter Wert Detektor modul   pH-Sensor with Module  TOL-0063  SKU: SEN-PH-01

pH Sensor Amplifier

https://www.diymore.cc/

https://www.diymore.cc/products/diymore-liquid-ph-value-detection-detect-sensor-module-monitoring-control-for-arduino-m?

Quelle:

https://deu.grandado.com/products/flussigkeit-ph-wert-erkennung-erkennen-sensor-modul-uberwachung-control-board-fur-arduino-bnc-elektrode-sonde-controller-1?

https://de.aliexpress.com/item/32797327021.html

https://de.aliexpress.com/item/32995322213.html

https://www.amazon.de/Liquid-PH0-14-Wert-Sensor-Modul-PH-Elektrode-Arduino/dp/B01LWLHPRR

Links

Wheatstone Bridge

https://en.wikipedia.org/wiki/Wheatstone_bridge

Wie funktioniert die pH-Sonde elektronisch?

Eine pH-Sonde besteht aus zwei Hauptteilen:
einer Glaselektrode und einer Referenzelektrode, wie im Bild unten gezeigt.

Ich bin nicht sehr gut in Chemie, also werde ich nicht versuchen, es so zu erklären, dieser Leitfaden zur pH-Theorie bietet eine sehr umfassende Erklärung der dahinter stehenden Theorie.

Kurz gesagt wird der pH-Wert im Wesentlichen durch Messen der Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden bestimmt. Source: AN-1852 Designing with pH Electrodes, Texas Instruments
Typische pH-Sonde und Eigenschaften

Die pH-Sonde ist ein passiver Sensor, d. h. es wird keine Erregerspannung oder Erregerstrom benötigt.

Es erzeugt eine Ausgangsspannung, die linear vom pH-Wert der zu messenden Lösung abhängt.

Eine ideale pH-Sonde erzeugt einen 0V Ausgang, wenn der pH Wert bei 7 liegt (reines Wasser), und sie erzeugt eine positive Spannung (einige hundert Millivolt  max. +420mV), wenn der pH-Wert sinkt, und einen negativen Spannungspegel (max -420mV), wenn der pH-Wert steigt, verursacht durch das Wasserstoffeisen sich an der Außenseite (und Innenseite) der Membranglasspitze der pH-Sonde bildet, wenn die Membran mit Lösung in Kontakt kommt.

Die Quellenimpedanz einer pH-Sonde ist sehr hoch, da der dünne Glaskolben einen großen Widerstand hat, der typischerweise im Bereich von 10M Ohm bis 1G Ohm liegt.

Welche Meßschaltung auch immer mit der Sonde verbunden ist, muß sehr hochohmig sein, um den Belastungseffekt der Schaltung zu minimieren.

Hardware – Die pH-Sensorplatine erklärt

Die gekaufte pH-Sensorplatine wurde ohne Benutzerhandbuch, Schaltplan oder Beispielcode geliefert.

Ich bat den kleinen chinesischen Anbieter um Informationen, aber vergebens.

Ich habe mich für das „Reverse-Engineering“ des Schaltplans entschieden, aber schließlich finde ich den Schaltplan im Anhang dieser Diskussion im Arduino-Forum . Die pH-Sensorplatine kann basierend auf ihrer Funktionalität in 3 verschiedene Abschnitte unterteilt werden.

Ich färbe die drei Schlüsselabschnitte für die Diskussion hier mit unterschiedlichen Farben ein.

grün  gelb  blau

Funktionshighlights der pH-Sensorplatine 

- pH-Messkreis
Der hellgrüne Teil mit dem hochohmigen Operationsverstärker TLC4502 besteht im Wesentlichen aus einem Spannungsteiler und einem Eins-Verstärker.

Der pH-Ausgang (Po) stellt einen analogen Ausgang für die pH-Messung bereit.

Da die pH-Sonde zwischen positiver und negativer Spannung schwingt und da der TLC4502 mit einer einzigen Stromquelle betrieben wird, wird die Hälfte des TLC4502 als Spannungsteiler verwendet, um eine Referenzspannung von 2,5 V bereitzustellen, um den Eingang der pH-Sonde so zu „schweben“, dass der Ausgang von Po beträgt +/-2,5 V basierend auf dem pH-Wert.

Ein Potentiometer RV1 wird für Kalibrierungszwecke verwendet, auf die ich später noch näher eingehen werde.

Dieser Teil der Schaltung ist gut durchdacht und reicht für die Messung des pH-Wertes aus.

Die anderen Teile des Boards sind meiner Meinung nach nicht gut gestaltet und eher in der Kategorie „nice-to-have“ und nicht unbedingt erforderlich.

- pH-Schwellenwert-Erkennungsschaltung
Der gelbe Abschnitt bietet eine pH-Schwellenerkennungs-/Benachrichtigungsschaltung.

Beispielsweise könnten Sie das Potentiometer RV2 so einstellen, dass, wenn der pH-Wert einen Schwellenwert erreicht (z. B. 7,5), die ROTE LED D1 eingeschaltet wird (der digitale Ausgang Do ändert sich von hoch nach niedrig).

Alternativ können Sie es verwenden, um den unteren pH-Wert-Schwellenwert zu erkennen, sagen wir, wenn der pH-Wert unter 5,5 liegt, wird die ROTE LED ausgeschaltet und Do wechselt von niedrig zu hoch.

Aber Sie können mit dieser Schaltung nicht sowohl untere als auch obere Schwellen einstellen.

Meiner Meinung nach wird es einfacher sein, nur eine Softwarelösung zu verwenden als diese Hardwarelösung für die Schwellenwerterkennung.

- Schaltkreis zur Temperaturmessung
Der hellblaue/cyanfarbene Abschnitt der Platine besteht aus anderthalb LM358 OpAmp und liefert einen analogen Messwert bei To .

U2B von LM358 fungiert als nicht so genauer Spannungsteiler und liefert eine Spannungsreferenz von 2,5 V an eine Wheatstone-Brücke , die aus R13 – R15 und einem Thermistor TH1 besteht.

Der U3A verhält sich wie ein differenzieller OpAmp, der Ausgang wird dann durch einen Tiefpassfilter geleitet und durch einen nicht invertierenden OpAmp U3B weiter verstärkt.

Diese ganze Schaltung hat nichts mit der pH-Messung zu tun, zumindest nicht direkt.

Ich werde darüber gegen Ende dieses Artikels sprechen.

Der einzige Grund für die Temperaturmessung im Zusammenhang mit der Messung des pH-Werts ist, dass sich die Steigung der pH-Kurve ändert, wenn sich die Temperatur zwischen 0 und 100 Grad Celsius ändert.

Es ist daher wichtig, die Temperatur der Lösung zu messen und den Temperaturkompensationsfaktor in die pH-Berechnung einzubeziehen.

Eine interessante Sache ist, dass alle Hersteller für dieses Platinendesign, die ich auf dem Markt gesehen habe, den Temperatursensor (Thermisto) auf der Platine hatten, anstatt eine wasserdichte Thermistorsonde zu haben, wie die, die ich in meinem vorherigen Beitrag beschrieben habe.

Durch Löten des Thermistors an Bord, d.h. der Thermistor misst die Umgebungstemperatur in der Nähe der Platine anstelle der Temperatur der Lösung, in der der pH-Wert gemessen wurde, macht dies einfach keinen Sinn.

Dies lässt mich denken, dass all diese chinesischen Hersteller einfach das Design aus einem Schaltplan kopieren oder rückentwickeln, ohne den Zweck des Thermistors zur Temperaturmessung im Kontext der pH-Messanwendung zu verstehen.

Jetzt habe ich den Schaltplan studiert und verstanden, es ist Zeit, den pH-Sensor zu kalibrieren und einen Code für die Messung des pH-Werts zu schreiben!

Wie wird der pH-Sensor kalibriert?
Wie bereits erwähnt, schwingt die pH-Sonde konstruktionsbedingt zwischen negativen und positiven Werten.

Wenn der pH-Wert 7,0 beträgt, wird der pH-Ausgang um 2,5 V versetzt, sodass sowohl negative als auch positive Werte, die von der pH-Sonde erzeugt werden, als positive Werte im gesamten Bereich dargestellt werden können.

Dies bedeutet, dass bei einem pH-Wert von 0 der Po würde bei 0 V sein,

und wenn der pH-Wert bei 7 liegt, würde der Po bei 2,5 V liegen.

und wenn der pH-Wert bei 14 liegt, würde der Po bei 5 V liegen.

Um sicherzustellen, dass der pH-Wert bei 7,0 liegt, können wir den Messwert kalibrieren, um sicherzustellen, dass Po bei 2,5 V liegt, indem wir die Sonde vom Stromkreis trennen und den inneren Stift des BNC-Steckers mit dem äußeren BNC-Ring kurzschließen.

Messen Sie mit einem Multimeter den Wert des Po -Pins und stellen Sie das Potentiometer auf 2,5 V ein.

Keine Sorge, wenn Sie kein Multimeter haben, können Sie eine Arduino-Sketch schreiben, um den analogen Eingang zu lesen, indem Sie den Po an den analogen Eingang A0 des Arduino anschließen.

Arduino-Sketch

ph_calibrate.ino

#include <Arduino.h>const int adcPin = A0;void setup() {  Serial.begin(115200);}void loop() {  int adcValue = analogRead(adcPin);  float phVoltage = (float)adcValue * 5.0 / 1024;  Serial.print("ADC = "); Serial.print(adcValue);  Serial.print(";  Po  = "); Serial.println(phVoltage, 3);  delay(1000);}

Verbinden Sie Po mit dem Analog-Eingang A0 auf Arduino und G mit Arduino GND.

Führen Sie den Arduino-Sketch aus und öffnen Sie den seriellen Monitor der Arduino IDE, um den Messwert zu beobachten.

Stellen Sie das Potentiometer RV1 (das in der Nähe des BNC-Anschlusses auf der Platine) langsam ein, bis der Po -Messwert 2,50 V entspricht.

Dies setzt voraus, dass alle pH-Sonden gleich sind und genau 0V bei einem pH-Wert von 7,0 erzeugen, aber in Wirklichkeit unterscheiden sich alle Sonden geringfügig voneinander, insbesondere bei pH-Sonden für Verbraucher.

Auch die Temperatur wirkt sich leicht auf die Messwerte des pH-Sensors aus, daher ist es besser, eine pH-Pufferlösung mit pH = 7,0 zu verwenden, um die Sonde zu kalibrieren.

Alle Pufferlösungen haben auf ihrer Verpackung Informationen zur Temperaturkompensation, die Sie für Ihre Kalibrierung berücksichtigen können. pH-Pufferlösung zur Kalibrierung


pH-Pufferpackungen für Kalibrierungszwecke sind in flüssiger Form oder in Pulverform erhältlich, die Flüssigkeitspackung ist einfach zu verwenden, aber die Pulverpackung ist gut für die Aufbewahrung.

Diese Lösungen werden in verschiedenen Werten verkauft, aber die gebräuchlichsten sind pH 4,01, pH 6,86 und pH 9,18.

pH-Werte sind über einen bestimmten Bereich (zwischen ph 2 bis ph 10) relativ linear, wir benötigen zwei Kalibrierungspunkte, um die lineare Linie zu bestimmen, und leiten dann die Steigung der Linie ab, sodass wir jeden pH-Wert mit einer bestimmten Ausgangsspannung berechnen können (siehe Diagramm in Abbildung 2 oben). Welcher Wert des pH-Puffers für diese zweite Kalibrierung zu verwenden ist, hängt von Ihrer Anwendung ab.

Wenn Ihre Anwendung die Messung einer sauren Lösung ist, verwenden Sie Pufferlösung für pH = 4,01 für die zweite Kalibrierung; buf Wenn Ihre Anwendung hauptsächlich zur Messung basischer/alkanischer Lösungen dient, verwenden Sie für die zweite Kalibrierung eine Pufferlösung mit pH = 9,18.

Da Hydroponik für den Gemüseanbau dazu neigt, mit einem pH-Wert zwischen 5,5 und 6,5 leicht sauer zu sein, verwende ich in meinem Fall eine Pufferlösung mit einem pH-Wert von 4,01 für meine Kalibrierung.

Um eine Kreuzkontamination zu vermeiden, tauchen Sie die Sonde einige Minuten in destilliertes Wasser, bevor Sie sie in verschiedene Pufferlösungen tauchen.

Um die Genauigkeit zu erhöhen, lassen Sie die Sonde einige Minuten in der Pufferlösung, bevor Sie den Messwert als Ergebnis übernehmen.

Verwenden Sie dieselbe Arduino-Sketch, um den Spannungswert für pH = 4,01 zu erhalten, und notieren Sie den Spannungswert.

In meinem Fall beträgt die Spannung 3,06 bei pH = 4,01.

Die Spannungsmesswerte bei ph von 4,01 Vph4 und bei pH von 7,0 Vph7 ermöglichen es uns, eine gerade Linie zu ziehen, und wir können die Spannungsänderung pro pH-Wert m erhalten als:

m = (ph7 - ph4) / (Vph7 - Vph4) /m = (7 - 4.01) / (2.5 - 3.05)m = -5.436

Der pH-Wert bei jedem Spannungsmesswert an Po lässt sich also mit dieser Formel ableiten:

pH = pH7 - (Vph7 - Po) * mi.e.pH = 7 - (2.5 - Po) * m

pH-Wert messen

Mit der Formel können wir den Arduino-Sketch erstellen, um den pH-Wert basierend auf dem Spannungsmesswert am Po zu messen .

#include <Arduino.h>const int adcPin = A0;  // calculate your own m using ph_calibrate.ino// When using the buffer solution of pH4 for calibration, m can be derived as:// m = (pH7 - pH4) / (Vph7 - Vph4)const float m = -5.436; void setup() {  Serial.begin(115200);}void loop() {  float Po = analogRead(adcPin) * 5.0 / 1024;  float phValue = 7 - (2.5 - Po) * m;  Serial.print("ph value = "); Serial.println(phValue);  delay(5000);}

Wie wäre es mit einer Temperaturmessung?
Wie ich bereits erwähnt habe, macht es keinen Sinn, die Umgebungstemperatur in der Nähe der Platine zu messen, also habe ich als erstes den On-Board-Thermistor ausgelötet und durch einen dieser wasserdichten Thermistoren ersetzt .

Eine Wheatstone-Brückenschaltung ist nichts anderes als zwei einfache Serien-Parallel-Anordnungen von Widerständen, die zwischen einer Referenzspannungsversorgung und Masse verbunden sind und im symmetrischen Zustand eine Nullspannungsdifferenz zwischen den beiden parallelen Zweigen erzeugen.

Wenn einer der Arme der Widerstandsanordnungen aus einem Thermistor besteht, ändert sich sein Widerstand, wenn sich die Temperatur ändert, wodurch ein Ungleichgewicht zwischen zwei Widerstandsarmen und eine zwischen den beiden parallelen Zweigen entwickelte Spannungsdifferenz entsprechend der Änderung des Thermistorwiderstands verursacht wird, die direkt ist im Zusammenhang mit der Änderung der Temperatur.

Speziell für diese Schaltung wird die Spannungsreferenz von U2B bereitgestellt, der einen Spannungsteiler bildet und eine Referenzspannung (nennen wir sie Vref) von 2,5 V an Pin 7 von U2B erzeugt. Gemäß den Eigenschaften des Thermistors hat der Thermistor einen Widerstand von 10k Ohm bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius.

Die Wheatstone-Brücke wird abgeglichen und die Ausgangsspannung Vd der Wheatstone-Brücke an den Anschlüssen der Widerstände R16 und R18 wird Null sein und wird über und unter 0 Volt schwingen, wenn sich die Temperatur ändert.

Die Vd wird dann durch U3A verstärkt, der ein Differenzverstärker zu sein scheint, der U3B ist ein typischer nicht invertierender Verstärker.

Da ich mir über den Gewinn von U3A nicht ganz sicher bin, habe ich mich entschieden, bei Elektrotechnik nachzufragen StackExchange, und meine Fragen wurden innerhalb einer Stunde beantwortet.

Die Schaltung hat eine Gesamtverstärkung von 14,33, wenn der Thermistor bei 10k liegt (d.h. wenn die Temperatur 25 Grad Celsius beträgt).

Die Verstärkung von U3A ändert sich jedoch, wenn sich der Thermistorwiderstand ändert, offensichtlich ist dies kein sehr gutes Design.

Ich wurde auch in meinem Verdacht bestätigt, dass zwischen Pin 3 von U3A und Masse auf dem Schaltplan ein 20k Widerstand fehlt, interessanterweise ist die Platine für diesen Widerstand ausgelegt, aber wo der Widerstand sein soll, ist leer gelassen (warum ?).

Untersuchen Sie die Schaltung weiter.

Ich habe festgestellt, dass der R12 auf der Platine tatsächlich einen Wert von 51,1 k anstelle von 100 k hat, wie im Schaltplan gezeigt.

Die Überverstärkung beträgt also 1,33 + 5,11 + 1 = 7,44.

Wir können Vd basierend auf der gemessenen Spannung von To ableiten und weiter den Widerstandswert von TH1 bei der Temperatur ableiten, bei der To gemessen wird:

    Vd = To / 7.44    Vd = Vref * (R14 / (R14 + R15)) - Vref * (R13 / (R13 + TH1))

Die absolute Temperatur T basierend auf der Steinhart-Hart-Gleichung für die Thermistorberechnung kann dann abgeleitet werden aus:

 T = 1 / (1/To + 1/B * ln(TH1/Ro))

Wobei:
T die zu messende absolute Temperatur in Kelvin ist;
To ist die Referenztemperatur in Kelvin bei 25 Grad Celsius;
Ro ist der Thermistorwiderstand bei To;
B ist Beta oder B-Parameter = 3950, angegeben vom Hersteller in seiner Spezifikation.

Theoretisch besteht der Hauptvorteil der Wheatstone-Brückenschaltung darin, dass sie im Gegensatz zu einem einfachen Spannungsteiler äußerst genaue Messungen liefert, da ein Spannungsteiler häufig von der Lastimpedanz der Messschaltung beeinflusst wird. In der tatsächlichen Anwendung hängt die Genauigkeit der Wheatstone-Brücke stark von der Genauigkeit der Widerstände ab, die zur Bildung der Wheatstone-Brücke verwendet werden, der Genauigkeit der Spannungsreferenz sowie der Schaltung, die mit der Wheatstone-Brücke verbunden ist.
Obwohl ich die Formel zum Messen der Temperatur herausgefunden habe, habe ich den Code nicht geschrieben, um die Temperatur zu berechnen, da die Verstärkung von U3A variiert, wenn sich der Wert des Thermistors entsprechend der Temperatur ändert.

Zusammenfassend
Insgesamt hat diese pH-Sensorplatine ein gutes Schaltungsdesign für die pH-Messung, die restlichen Teile der Schaltung sind ziemlich nutzlos und ein wenig überdimensioniert.

Indem der schlechte Teil des Schaltungsdesigns eliminiert und der gute Teil beibehalten wird, könnte es einfacher und vielleicht etwas billiger sein als das aktuelle Design für eine pH-Sensorplatine.

Verwandtes Thema:
Ein Überblick über pH- und EC-Sensorkits von Seeed Studio – Teil 1 (PH)“ .
Eine Übersicht über pH- und EC-Sensorkits von Seeed Studio – Teil 2 (EC) .

pH-Meter sind wissenschaftliche Instrumente zur Messung der Aktivität und Konzentration von Wasserstoffionen in wässrigen Lösungen mit dem Ziel, deren Säure- oder Alkalinität, ausgedrückt als pH-Wert, anzuzeigen.

Sie finden Anwendung in der Wasser- und Abwasserbehandlung, Pharmazie, Chemie und Petrochemie, Lebensmittel und Getränke, Bergbau und landwirtschaftlichen Prozessen, um nur einige zu nennen.

Für das heutige Tutorial werden wir versuchen, eine genaue DIY-Version dieses sehr nützlichen Tools zu erstellen.

DIY-pH-Meter
pH-Meter bestehen hauptsächlich aus einer Sonde und einer Verarbeitungseinheit, die die Daten von der Sonde interpretiert und in einem für Menschen lesbaren Format anzeigt.

Das pH -Meter misst im Wesentlichen die elektrische Potentialdifferenz zwischen einer pH-Elektrode und einer Referenzelektrode.

Aus diesem Grund werden pH-Meter manchmal auch als „potentiometrische pH-Meter“ bezeichnet.
Gravitations-Analog-pH-Meter-Breakout-Board

Während es im Internet mehrere DIY-pH-Meter-Beispiele gibt, basiert das heutige Projekt auf den von Atlas Scientific bereitgestellten Beispielen .

Wir werden die pH-Sonde von Atlas Scientific und ihr analoges Gravity-pH-Meter-Breakout-Board verwenden.

Das Breakout-Board für analoge pH-Meter von Gravity ist eine ziemlich genaue, kostengünstige pH-Meter-Lösung, die speziell für Studenten/Ausbildung, Proof-of-Concept-Entwicklungen und pH-Meter-Anwendungen entwickelt wurde, die eine mittlere Genauigkeit erfordern.

Es verfügt über einen BNC -Anschluss, über den es an die pH-Sonde von Atlas Scientific angeschlossen werden kann.

pH-Sonde von Atlas Scientific

Neben dem pH-Breakout und der Sonde verwenden wir ein Arduino Uno und ein 20 × 4-LCD-Display.

Der Arduino dient als Gehirn für das Projekt, das den pH-Wert von der Sonde erhält, während das LCD dazu dient, den Benutzern visuelles Feedback zu geben, da der vom Arduino erhaltene Wert auf dem LCD angezeigt wird.
Um das Projekt übersichtlich zu gestalten, hat Atlas Scientific auch ein schönes Gehäuse erstellt, und wir werden die von ihnen beschriebenen Schritte befolgen, um unser eigenes zu erstellen. 


Erforderliche Komponenten
Wir beginnen damit, dass wir zuerst Vorräte für unseren Bau besorgen.
Die folgenden Komponenten werden benötigt, um dieses Projekt zu erstellen;

1. Arduino Uno ix1
2. Schwerkraftanaloger pH-Sensor x1
3. pH-Sonde x1
4. 20×4 LCD-Modul
5. 158 x 90 x 60 mm Gehäuse
6. Mini-Steckbrett
7. Überbrückungsdrähte
8. Acrylglas (Plexiglas)
9. 11 mm Abstandshalter und Schrauben (im Lieferumfang des pH-Sensors enthalten) x4
10. Widerstände 220Ω $ 1kΩ

Um den Arbeitsaufwand zu reduzieren, der mit der Suche nach den genauen Komponenten verbunden ist, die für dieses Tutorial verwendet werden, habe ich Links eingefügt, über die die einzelnen Komponenten gekauft werden können.
Abgesehen von den Komponenten werden ein paar Werkzeuge benötigt, um das Gehäuse zu entwickeln, aber da das nicht so wichtig ist, belassen wir es, bis wir so weit sind.

Schema
Die Schaltpläne für das heutige Projekt sind recht einfach.

Wir verbinden das LCD im 4-Pin-Modus, während wir den Signalstift des PH-Sensors mit einem analogen Stift des Arduino verbinden, da sein Ausgang analog ist.
Verbinden Sie die Komponenten wie in den folgenden Schemata gezeigt:

Schemata

Um die Schaltpläne leicht verständlich zu machen, ist unten eine Pin-Karte angegeben, die zeigt, wie die Komponenten mit dem Arduino verbunden sind;

PH-Meter – Arduino

+/VCC - 5V-/GND - GNDA/OUT - A0

LCD – Arduino

K - GNDA - 3.3VD7 - D7D6 - D6D5 - D5D4 - D4E - D3RS - D2R/W - GNDVSS - GNDVDD - 5VVO - 5V Via Widerstände als Spannungsteiler
 
Gehen Sie die Verbindungen durch, wenn Sie fertig sind, um sicherzustellen, dass alles so ist, wie es sein sollte. 

Gehäusedesign 
Nachdem die Verbindungen fertig waren, wurde ein Gehäuse erstellt, um das Projekt ordentlich und vorzeigbar zu machen. 
Das Gehäuse basiert auf den beliebten ABS-Kunststoffgehäusen 
und wurde mit Bohrern und anderen Werkzeugen so modifiziert, dass es den Bildschirm aufnimmt und perfekt für andere Projekte passt. 
Ein Bild des fertiggestellten Gehäuses wird im Bild unten angezeigt.

DIY-pH-Meter

Um das ABS-Gehäuse für die gewünschte ordentliche und klare Form zu modifizieren, wie im Bild oben gezeigt, wurden verschiedene Arten von Werkzeugen verwendet, darunter; a Bohrer, Bohrer, Trockenbaufräser, Feilen, Schraubendreher, Schraubstock, Bandsäge, Klebepistole und Klebestift, Lötkolben und Lötzinn, digitaler Messschieber, Lineal.

Während diese Werkzeuge den Prozess der Erstellung des Gehäuses einfacher und schneller machen, können Sie auch Make-Shift-Werkzeuge verwenden, die auf die eine oder andere Weise dazu beitragen, das Ziel eines ordentlichen Gehäuses zu erreichen.

Alle am ABS-Gehäuse vorgenommenen Modifikationen basieren auf dem unten stehenden Diagramm.

Möglicherweise müssen Sie heranzoomen, um die Abmessungen richtig zu sehen.

Sie können die folgenden Schritte ausführen, um dies mit guter Genauigkeit zu erreichen.
Fühlen Sie sich frei, bei Bedarf andere Werkzeuge/behelfsmäßige Werkzeuge zu verwenden.

Schnittöffnung für das LCD

1. Das LCD befindet sich im oberen Teil (Abdeckung) des Gehäuses. Zentrieren Sie ein 98 x 40 mm großes Rechteck auf der Abdeckung.
2. Legen Sie das Teil in den Schraubstock und bohren Sie ein 3,2 mm (1/8″) Führungsloch in das markierte Rechteck.
3. Verwenden Sie dieses Pilotloch als Ausgangspunkt für den 3,2 mm (1/8″) Trockenbau-Schneideinsatz. Da dies eine kleine Arbeit ist, verwenden wir den Bohrer eher auf der Handbohrmaschine als auf einer Trockenbau-Schneidemaschine. Arbeiten Sie an der Innenseite des Rechtecks ​​statt an den Linien, da es etwas schwierig sein kann, mit diesem Bit auf dem Bohrer gerade zu schneiden.
4. Als nächstes verwenden Sie eine Handfeile, um das überschüssige Material zu entfernen und das Rechteck auf die erforderliche Größe zu formen.

Schneiden Sie Öffnungen für BNC-Stecker und Arduino-Ports

Die Öffnungen für den BNC-Stecker und die Arduino-Anschlüsse befinden sich seitlich am unteren Teil des Gehäuses.

1. Markieren Sie mit den oben angegebenen Maßen den Mittelpunkt für den Kreis und die Umrisse für die beiden Rechtecke.
2. Legen Sie das Stück in den Schraubstock und schneiden Sie die Öffnungen. Die kreisförmige Öffnung wird mit Bohrern hergestellt. Die rechteckigen werden nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt, das verwendet wird, um die Öffnung für das LCD herzustellen.

Rüsten Sie die Grundplatte zur Montage von Komponenten aus

Die Grundplatte dient zur Montage von Arduino, pH-Sensor und Mini-Breadboard. Es wird eine 6,4 mm (1/4″) dicke Acrylplatte verwendet.

1. Schneiden Sie die Acrylplatte mit einer Bandsäge auf 135 × 62,5 mm.
2. Markieren Sie die Positionen für die vier Löcher wie gezeigt. Bohren Sie Löcher mit einem Durchmesser von 2,38 mm (3/32″). Senken Sie die Löcher auf einer Seite der Platte auf eine Tiefe von 3 mm und einen Durchmesser von 4,4 mm (11/64″). Dies ist notwendig, um eine ebene Unterseite zu erhalten, wenn die Schrauben zum Halten der Abstandshalter eingesetzt werden.
3. Befestigen Sie die 11-mm-Abstandshalter mit den mitgelieferten Schrauben. Der pH-Sensor wird mit 4 Abstandshaltern und Schrauben geliefert. Verwenden Sie zwei davon für den Arduino.

Wenn das Gehäuse fertig ist, ordnen Sie die Komponenten darin so an, dass die Einrichtung wie in der Abbildung unten aussieht.

Zusammenbau der Komponenten im Gehäuse

Code

Der Code für das heutige Projekt ist recht einfach.

Unsere Aufgabe, wie in der Einführung erwähnt, besteht darin, den pH-Wert mit dem pH-Meter zu erfassen und auf dem angeschlossenen LCD anzuzeigen.

Wir werden die Arduino IDE für die Entwicklung des Codes verwenden und 2 Hauptbibliotheken verwenden; die Liquid Crystal Display-Bibliothek und die Atlas-Schwerkraftsensor-Bibliothek.

Die Bibliothek für Flüssigkristallanzeigen wird verwendet, um den Arbeits-/Codeaufwand zu reduzieren, der erforderlich ist, um das Arduino dazu zu bringen, mit dem LCD zu interagieren, während die Atlas Gravity Sensor Library es einfach macht, eine Schnittstelle mit dem PH-Messgerät herzustellen und Daten zu erhalten.

Die Liquid Crystal Library wird normalerweise mit der Arduino IDE geliefert, aber für den Fall, dass dies nicht der Fall ist, können Sie sie jederzeit über den Arduino Library Manager installieren.

Die Atlas Gravity Sensor-Bibliothek hingegen muss manuell installiert werden, daher müssen Sie sie über den beigefügten Link herunterladen, entpacken und ihren Inhalt in den Arduino Library-Ordner kopieren.

Der Bibliotheksordner befindet sich normalerweise im selben Ordner wie Ihre Arduino Sketches.

Nachdem die Bibliotheken installiert sind, können wir nun mit dem Schreiben des Codes fortfahren.

Der Sketch beginnt mit der Aufnahme der zu verwendenden Bibliotheken.

#include "ph_grav.h"       //Header-Datei für den Gravitations-pH-Sensor von Atlas Scientific#include "LiquidCrystal.h" //Header-Datei für Flüssigkristallanzeige (LCD)

Als nächstes deklarieren wir einige der Variablen, die während des Codes verwendet werden, deklarieren den analogen Pin des Arduino, mit dem der analoge Ausgangspin des PH-Sensors verbunden ist, und erstellen Instanzen sowohl der Atlas Gravity Sensor Library als auch der Liquid Crystal Library .

String inputstring = "";                  //a string to hold incoming data from the PCboolean input_string_complete = false;    //a flag to indicate have we received all the data from the PCchar inputstring_array[10];               //a char array needed for string parsingGravity_pH pH = A0;                       //assign analog pin A0 of Arduino to class Gravity_pH. connect output of pH sensor to pin A0LiquidCrystal pH_lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7);   //make a variable pH_lcd and assign arduino digital pins to lcd pins (2 -> RS, 3 -> E, 4 to 7 -> D4 to D7)

Wenn dies erledigt ist, fahren wir mit der Funktion void setup () fort .
Wir starten die Funktion, indem wir die serielle Kommunikation initialisieren, die für Debug-Zwecke verwendet wird, und das LCD-Display, auf dem ein Begrüßungs-/Initialisierungsbildschirm angezeigt wird.

void setup() {  Serial.begin(9600);                                 //enable serial port  pH_lcd.begin(20, 4);                                //start lcd interface and define lcd size (20 columns and 4 rows)  pH_lcd.setCursor(0,0);                              //place cursor on screen at column 1, row 1  pH_lcd.print("--------------------");               //display characters  pH_lcd.setCursor(0,3);                              //place cursor on screen at column 1, row 4  pH_lcd.print("--------------------");               //display characters  pH_lcd.setCursor(5, 1);                             //place cursor on screen at column 6, row 2  pH_lcd.print("pH Reading");                         //display "pH Reading" 

zuletzt wird das PH-Meter initialisiert und die Steuerbefehle zur Kalibrierung werden auf dem seriellen Monitor angezeigt.

if (pH.begin()) { Serial.println("Loaded EEPROM");}   Serial.println(F("Use commands \"CAL,4\", \"CAL,7\", and \"CAL,10\" to calibrate the circuit to those respective values"));  Serial.println(F("Use command \"CAL,CLEAR\" to clear the calibration")); }

Als nächstes kommt die Funktion void loop() .

Die Void-Loop-Funktion ist ziemlich einfach. Wir beginnen damit, zu prüfen, ob ein Kalibrierungsparameter über den seriellen Monitor empfangen wurde.
Wenn ja, werden die Daten als Argument in die parse_cmd- Funktion geparst, wo sie verwendet werden, um das erforderliche Kalibrierungsniveau einzustellen.

void loop() {  if (input_string_complete == true) {                //check if data received    inputstring.toCharArray(inputstring_array, 30);   //convert the string to a char array    parse_cmd(inputstring_array);                     //send data to pars_cmd function    input_string_complete = false;                    //reset the flag used to tell if we have received a completed string from the PC    inputstring = "";                                 //clear the string  }

Als nächstes wird der PH-Wert vom PHmeter unter Verwendung der Funktion ph.read_ph() erhalten .

Die erhaltenen Werte werden dann auf dem seriellen Monitor und auf dem LCD angezeigt.

  Serial.println(pH.read_ph());                       //output pH reading to serial monitor  pH_lcd.setCursor(8, 2);                             //place cursor on screen at column 9, row 3  pH_lcd.print(pH.read_ph());                         //output pH to lcd  delay(1000);}

Andere Teile des Codes sind die Funktion serialEvent() , die verwendet wird, um Benutzereingaben vom seriellen Monitor zu erhalten, und die Funktion parse_cmd() , die die Daten von der seriellen Schnittstelle übernimmt und sie verwendet, um den Kalibrierungspegel des PHmeters einzustellen.

void serialEvent() {                                  //if the hardware serial port_0 receives a char  inputstring = Serial.readStringUntil(13);           //read the string until we see a <CR>  input_string_complete = true;                       //set the flag used to tell if we have received a completed string from the PC}void parse_cmd(char* string) {                      //For calling calibration functions  strupr(string);                                   //convert input string to uppercase  if (strcmp(string, "CAL,4") == 0) {               //compare user input string with CAL,4 and if they match, proceed    pH.cal_low();                                   //call function for low point calibration    Serial.println("LOW CALIBRATED");  }  else if (strcmp(string, "CAL,7") == 0) {          //compare user input string with CAL,7 and if they match, proceed    pH.cal_mid();                                   //call function for midpoint calibration    Serial.println("MID CALIBRATED");  }  else if (strcmp(string, "CAL,10") == 0) {         //compare user input string with CAL,10 and if they match, proceed    pH.cal_high();                                  //call function for highpoint calibration    Serial.println("HIGH CALIBRATED");  }  else if (strcmp(string, "CAL,CLEAR") == 0) {      //compare user input string with CAL,CLEAR and if they match, proceed    pH.cal_clear();                                 //call function for clearing calibration    Serial.println("CALIBRATION CLEARED");  }}

Der vollständige Code für das Projekt wird unten bereitgestellt und auch im Downloadbereich angehängt.

/*Öffnen Sie nach dem Hochladen den seriellen Monitor, stellen Sie die Baudrate auf 9600 ein und hängen Sie "CR" an.Der Code ermöglicht es dem Benutzer, pH-Werte in Echtzeit zu beobachten und den Sensor zu kalibrieren.Es kann eine Ein-, Zwei- oder Dreipunktkalibrierung durchgeführt werden.Calibration commands: low-point: "cal,4" mid-point: "cal,7" high-point: "cal,10" clear calibration: "cal,clear"*/#include "ph_grav.h"                                  //header file for Atlas Scientific gravity pH sensor#include "LiquidCrystal.h"                            //header file for liquid crystal display (lcd)String inputstring = "";                              //a string to hold incoming data from the PCboolean input_string_complete = false;                //a flag to indicate have we received all the data from the PCchar inputstring_array[10];                           //a char array needed for string parsingGravity_pH pH = A0;                                   //assign analog pin A0 of Arduino to class Gravity_pH. connect output of pH sensor to pin A0LiquidCrystal pH_lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7);               //make a variable pH_lcd and assign arduino digital pins to lcd pins (2 -> RS, 3 -> E, 4 to 7 -> D4 to D7)void setup() {  Serial.begin(9600);                                 //enable serial port  pH_lcd.begin(20, 4);                                //start lcd interface and define lcd size (20 columns and 4 rows)  pH_lcd.setCursor(0,0);                              //place cursor on screen at column 1, row 1  pH_lcd.print("--------------------");               //display characters  pH_lcd.setCursor(0,3);                              //place cursor on screen at column 1, row 4  pH_lcd.print("--------------------");               //display characters  pH_lcd.setCursor(5, 1);                             //place cursor on screen at column 6, row 2  pH_lcd.print("pH Reading");                         //display "pH Reading"   if (pH.begin()) { Serial.println("Loaded EEPROM");}   Serial.println(F("Use commands \"CAL,4\", \"CAL,7\", and \"CAL,10\" to calibrate the circuit to those respective values"));  Serial.println(F("Use command \"CAL,CLEAR\" to clear the calibration")); }void loop() {  if (input_string_complete == true) {                //check if data received    inputstring.toCharArray(inputstring_array, 30);   //convert the string to a char array    parse_cmd(inputstring_array);                     //send data to pars_cmd function    input_string_complete = false;                    //reset the flag used to tell if we have received a completed string from the PC    inputstring = "";                                 //clear the string  }  Serial.println(pH.read_ph());                       //output pH reading to serial monitor  pH_lcd.setCursor(8, 2);                             //place cursor on screen at column 9, row 3  pH_lcd.print(pH.read_ph());                         //output pH to lcd  delay(1000);}void serialEvent() {                                  //if the hardware serial port_0 receives a char  inputstring = Serial.readStringUntil(13);           //read the string until we see a <CR>  input_string_complete = true;                       //set the flag used to tell if we have received a completed string from the PC}void parse_cmd(char* string) {                      //For calling calibration functions  strupr(string);                                   //convert input string to uppercase  if (strcmp(string, "CAL,4") == 0) {               //compare user input string with CAL,4 and if they match, proceed    pH.cal_low();                                   //call function for low point calibration    Serial.println("LOW CALIBRATED");  }  else if (strcmp(string, "CAL,7") == 0) {          //compare user input string with CAL,7 and if they match, proceed    pH.cal_mid();                                   //call function for midpoint calibration    Serial.println("MID CALIBRATED");  }  else if (strcmp(string, "CAL,10") == 0) {         //compare user input string with CAL,10 and if they match, proceed    pH.cal_high();                                  //call function for highpoint calibration    Serial.println("HIGH CALIBRATED");  }  else if (strcmp(string, "CAL,CLEAR") == 0) {      //compare user input string with CAL,CLEAR and if they match, proceed    pH.cal_clear();                                 //call function for clearing calibration    Serial.println("CALIBRATION CLEARED");  }}

// deutsch//Header-Datei für den Schwerkraft-pH-Sensor von Atlas Scientific//Header-Datei für Flüssigkristallanzeige (LCD)//ein String, um eingehende Daten vom PC zu halten// ein Flag, das anzeigt, ob wir alle Daten vom PC erhalten haben//ein char-Array, das für das Parsen von Strings benötigt wird// analogen Pin A0 von Arduino der Klasse Gravity_pH zuweisen. Verbinden Sie den Ausgang des pH-Sensors mit Pin A0// eine Variable pH_lcd erstellen und den LCD-Pins arduino digitale Pins zuweisen (2 -> RS, 3 -> E, 4 bis 7 -> D4 bis D7)// Serielle Schnittstelle aktivieren// LCD-Schnittstelle starten und LCD-Größe definieren (20 Spalten und 4 Zeilen)//Cursor auf dem Bildschirm in Spalte 1, Zeile 1 platzieren// Zeichen anzeigen//Cursor auf dem Bildschirm in Spalte 1, Zeile 4 platzieren// Zeichen anzeigen//Cursor auf dem Bildschirm in Spalte 6, Zeile 2 platzieren// Anzeige "pH-Messwert"um die Schaltung auf diese jeweiligen Werte zu kalibrieren"));(F ("Verwenden Sie den Befehl "CAL, CLEAR", um die Kalibrierung zu löschen"));//überprüfen, ob Daten empfangen wurden// Konvertiere den String in ein Char-Array// Daten an die Funktion pars_cmd senden// Setzen Sie das Flag zurück, das verwendet wird, um festzustellen, ob wir eine vollständige Zeichenfolge vom PC erhalten haben// Zeichenfolge löschen// pH-Wert an seriellen Monitor ausgeben//Cursor auf dem Bildschirm in Spalte 9, Zeile 3 platzieren// pH-Wert auf LCD ausgeben// wenn der serielle Hardware-Port_0 ein Zeichen empfängt//Lesen Sie den String, bis wir ein <CR> sehen// Setzen Sie das Flag, das verwendet wird, um festzustellen, ob wir eine vollständige Zeichenfolge vom PC erhalten haben//Zum Aufrufen von Kalibrierungsfunktionen// Eingabestring in Großbuchstaben umwandeln//Benutzereingabe-String mit CAL,4 vergleichen und bei Übereinstimmung fortfahren// Funktion für Tiefpunktkalibrierung aufrufen//Benutzereingabe-String mit CAL,7 vergleichen und bei Übereinstimmung fortfahren// Funktion für Mittelpunktkalibrierung aufrufen//Benutzereingabe-String mit CAL,10 vergleichen und bei Übereinstimmung fortfahren// Funktion für Highpoint-Kalibrierung aufrufen//Benutzereingabe-String mit CAL,CLEAR vergleichen und bei Übereinstimmung fortfahren// Funktion zum Löschen der Kalibrierung aufrufen Kalibrierung

Kalibration
Um die Genauigkeit der Ergebnisse des pH-Meters sicherzustellen, muss das Gerät genau kalibriert werden. pH-Meter sind über 3 Ebenen kalibriert; 4, 7 und 10 unter Verwendung von Standard-Pufferlösungen, die bereits bei diesem PH-Wert existieren.

Diese Standardlösungen werden manchmal von den Verkäufern des PH-Sensors bereitgestellt, aber wenn sie nicht bereitgestellt werden, können Sie sie jederzeit in Ihrem örtlichen Chemiegeschäft erhalten.

Um das Messgerät zu kalibrieren, laden Sie die oben entwickelte Skizze auf Ihren Arduino hoch. Nehmen Sie sich etwas Zeit, um sicherzustellen, dass die Komponenten richtig angeschlossen sind, bevor Sie dies tun.

Wenn das Hochladen der Skizze abgeschlossen ist, öffnen Sie den seriellen Monitor. Basierend auf unserem Code fordert Sie der serielle Monitor auf, die Kalibrierungswerte einzugeben, wobei Beispiele zeigen, wie Sie sie richtig eingeben.

Befolgen Sie in diesem Stadium die nachstehenden Schritte, um das Messgerät mit den drei Pufferlösungen zu kalibrieren.
Entfernen Sie die Tauchflasche und spülen Sie die pH-Sonde
Beginnen Sie mit der Standardpufferlösung für pH4. Gießen Sie etwas von der pH-4-Lösung, genug, um die Sonde zu bedecken, in eine Tasse.
Legen Sie die Sonde in die Tasse und rühren Sie sie um, um eingeschlossene Luft zu entfernen.

Beobachten Sie die Messwerte auf dem seriellen Monitor und lassen Sie die Sonde dort, bis sich die Messwerte stabilisieren.
Wenn die Messwerte stabil werden, geben Sie den Befehl cal,4 in den seriellen Monitor ein, um ihn anzuweisen, diesen Wert als Kalibrierwert für pH4 zu speichern.
Wiederholen Sie diese Schritte mit den pH7- und pH10-Lösungen und stellen Sie sicher, dass Sie die Sonde spülen, wenn Sie von einer Lösung zur anderen wechseln.

Damit ist das pH-Meter nun kalibriert und sollte in der Lage sein, den korrekten pH-Wert für jede Lösung anzugeben, mit der die Sonde getestet wird.

Die Kalibrierwerte werden auf dem EEPROM des Arduino gespeichert, damit sie nicht verloren gehen, wenn das Messgerät von der Stromversorgung getrennt wird. Dadurch ist eine Kalibrierung nicht vor jedem Gebrauch erforderlich, aber Sie sollten das System nach einiger Zeit erneut kalibrieren, damit Sie immer den Befehl cal,clear auf dem seriellen Monitor eingeben können, um die zuvor gespeicherten Kalibrierungswerte zu löschen und die oben erläuterten Schritte zu wiederholen.

Demo
Wenn der Code hochgeladen und die Kalibrierung abgeschlossen ist, können Sie jetzt fortfahren und die Sonde in eine beliebige Lösung eintauchen, und Sie sollten den pH-Wert auf dem LCD sehen, wie im Bild unten gezeigt. AtlasScientific    atlas-scientific.com

Die Genauigkeit des pH-Meters variiert mit der Temperatur, daher ist es wichtig zu beachten, dass der in diesem Projekt verwendete Sensor eine Genauigkeit von +/- 0,2 % hat und dass das pH-Meter mit dieser Genauigkeit arbeitet, wenn der Temperaturbereich dazwischen liegt 7 – 46 °C .

Außerhalb dieses Bereichs muss das Messgerät modifiziert werden, um dies zu kompensieren.

Während der Umfang dieses Projekts in Zukunft auf den pH-Wert beschränkt ist, können Sie mehrere andere Sensoren hinzufügen, um das Projekt nützlicher zu machen. Ein gutes Beispiel für Sensoren, die für mehr Wert hinzugefügt werden könnten, sind Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren .

Gibt es etwas, das ich übersehen habe, oder Sie haben das eine oder andere Problem bei der Umsetzung des Projekts?

 melde dich gerne über die Kommentarfunktion bei mir.

Downloads

Mitarbeiter der CircuitSchools1. Februar 2021

pH-Elektrode

Analog PH meter PH-4502C

pH-Signalumwandlungsplatine:

Pin-Beschreibung:
V+: 5 V DC-Eingang
G: Erdungsstift
Po: pH-Analogausgang
Do: 3,3 V DC-Ausgang
Bis: Temperaturausgang

Aufbau der pH-Elektrode:

E = E0  - 2.3 (RT/nF) ln QWhereQ= Reaction coefficientE = mV output from the electrodeE0 = Zero offset for the electrodeR = Ideal gas constant= 8.314 J/mol-KT = Temperature in ºKF = Faraday constant = 95,484.56 C/molN = Ionic Charge

Analog PH meter PH-4502C

#include <Wire.h>#include <LiquidCrystal_I2C.h>LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

float calibration_value = 21.34;

  lcd.init();  lcd.begin(16, 2);  lcd.backlight();  lcd.setCursor(0, 0);  lcd.print("   Welcome to      ");  lcd.setCursor(0, 1);  lcd.print(" Circuit Digest    ");  delay(2000);  lcd.clear();

for(int i=0;i<10;i++) { buffer_arr[i]=analogRead(A0); delay(30); }

 for(int i=0;i<9;i++) { for(int j=i+1;j<10;j++) { if(buffer_arr[i]>buffer_arr[j]) { temp=buffer_arr[i]; buffer_arr[i]=buffer_arr[j]; buffer_arr[j]=temp; } } }

for(int i=2;i<8;i++) avgval+=buffer_arr[i]; float volt=(float)avgval*5.0/1024/6; float ph_act = -5.70 * volt + calibration_value; lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("pH Val:"); lcd.setCursor(8, 0); lcd.print(ph_act); delay(1000);}

Inhaltsverzeichnis

Überblick

In der Chemie ist der pH -Wert eine Skala, die verwendet wird, um anzugeben, wie sauer oder basisch eine Lösung auf Wasserbasis ist. Saure Lösungen haben einen niedrigeren pH-Wert, während basische Lösungen einen höheren pH-Wert haben. Somit hat der pH-Sensor die Fähigkeit, den pH-Wert jeder Lösung zu bestimmen, dh er sagt, ob die Substanz sauer, basisch oder neutral ist. Indem wir den pH-Wert kennen, können wir die Wasserqualität in landwirtschaftlichen Betrieben und auch in der Fischzucht überwachen. In ähnlicher Weise hat der Ph-Sensor ein breites Anwendungsspektrum wie Abwasserbehandlung, Pharmazeutika, Chemikalien und Petrochemikalien.

In diesem grundlegenden Tutorial lernen wir, wie man den Gravity Ph Sensor mit Arduino verbindet . Wir werden ein einfaches Ph-Messgerät entwerfen und den Ph-Wert auf einem OLED/LCD-Display anzeigen . Wir werden auch etwas über den Aufbau und die Funktionsweise des Ph-Sensors erfahren. Schließlich lernen wir die Kalibrierungsmethode kennen, die die Richtigkeit und Genauigkeit des Sensors bestimmt. Der Ph-Sensor kann auch mit anderen übergeordneten Mikrocontrollern wie NodeMCU ESP8266 und STM32 verbunden werden, die ich in Zukunft besprechen werde.

Sie können diesem Projekt einige weitere zusätzliche Sensoren hinzufügen, z. B. TDS-Sensor , Trübungssensor und Sensor für gelösten Sauerstoff zur Überwachung der Wasserqualität.

Stückliste

Im Folgenden sind die Komponenten aufgeführt, die für die Erstellung dieses Projekts erforderlich sind. Alle Komponenten können einfach bei Amazon erworben werden . Der Link zum Kauf der Komponenten ist angegeben.

SN	Komponenten	Beschreibung	Menge
1	Arduino UNO	Arduino UNO R3 Entwicklungsboard	1	https://amzn.to/388eC7D
2	pH-Sensor-Kit	DFRobot Analog-Ph-Sensor-Kit	1	https://amzn.to/2Pjo7u8
3	OLED-Display	0,96" I2C OLED-Display	1	https://amzn.to/2HUxGeE
4	Verbindungsdrähte	Überbrückungsdrähte	10	https://amzn.to/2L8Xc1p
4	BreadBoard	-	1	https://amzn.to/2YM6YyS

Was ist Ph?

Der Begriff PH ist ein quantitatives Maß für die Acidität oder Basizität von wässrigen oder anderen flüssigen Lösungen . Der in Chemie, Biologie und Agronomie weit verbreitete Begriff übersetzt die Werte der Konzentration des Wasserstoffions , die normalerweise zwischen etwa 1 und 10−14 Grammäquivalenten pro Liter liegt, in Zahlen zwischen 0 und 14.

pH-Skala 0..7..14

In reinem Wasser , das neutral (weder sauer noch alkalisch) ist, beträgt die Konzentration des Wasserstoffions 10−7 Grammäquivalente pro Liter, was einem pH-Wert von 7 entspricht. Eine Lösung mit einem pH-Wert von weniger als 7 wird als sauer angesehen ; eine Lösung mit einem pH-Wert über 7 wird als basisch oder alkalisch 
betrachtet .

Was ist ein Ph-Meter?

Ein pH-Meter ist ein wissenschaftliches Instrument, das die Wasserstoffionenaktivität in Lösungen auf Wasserbasis misst und deren Säure- oder Alkalinität , ausgedrückt als pH-Wert, anzeigt. Das pH-Meter misst den Unterschied im elektrischen Potential zwischen einer pH-Elektrode und einer Referenzelektrode, weshalb das pH-Meter manchmal als „ potentiometrisches pH-Meter “ bezeichnet wird. Der Unterschied im elektrischen Potential bezieht sich auf die Acidität oder den pH-Wert der Lösung.

Bau und Funktion des Ph-Messgeräts

Der pH-Sensor hat eine stabförmige Struktur, die normalerweise aus Glas besteht, mit einer Glühbirne , die den Sensor an der Unterseite enthält. Die Glaselektrode zur Messung des pH-Werts hat einen speziell für die Wasserstoffionenkonzentration ausgelegten Glaskolben . Beim Eintauchen in die zu testende Lösung tauschen sich Wasserstoffionen in der Testlösung gegen andere positiv geladene Ionen auf dem Glaskolben aus, wodurch ein elektrochemisches Potential über dem Kolben erzeugt wird. Der elektronische Verstärker erfasst die bei der Messung entstehende elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden und rechnet die Potentialdifferenz in pH-Einheiten um. Die Größe des elektrochemischen Potentials über dem Glaskolben ist gemäß der Nernst-Gleichung linear mit dem pH-Wert verbunden .

Bau und Funktion des pH-Sensors

Die Referenzelektrode ist gegenüber dem pH-Wert der Lösung unempfindlich, da sie aus einem metallischen Leiter besteht, der mit der Anzeige verbunden ist. Dieser Leiter wird in eine Elektrolytlösung, typischerweise Kaliumchlorid , eingetaucht, die durch eine poröse Keramikmembran mit der Testlösung in Kontakt kommt .
Die Anzeige besteht aus einem Voltmeter , das die Spannung in pH-Einheiten anzeigt.

Fa. Gravity Analog-pH-Sensor/Meter-Kit

DFRobot Gravity : Das analoge pH-Meter V2 wurde speziell entwickelt, um den pH-Wert der Lösung zu messen und den Säure- oder Alkaligehalt wiederzugeben . Als aktualisierte Version des pH-Meters V1 verbessert der Sensor die Präzision und das Benutzererlebnis erheblich. Der Onboard-Spannungsregler-Chip unterstützt die breite Spannungsversorgung von 3,3 bis 5,5 V. Das hardwaremäßig gefilterte Ausgangssignal ist jitterarm . Mit diesem pH -Sensor können Sie schnell das pH-Meter bauen, um den pH -Wert der verschiedenen wässrigen Lösungen zu messen .

Merkmale

1. Eingangsspannung: 3,3 ~ 5,5 V
2. Hardware-gefiltertes Ausgangssignal, geringer Jitter
3. Schwerkraftanschluss und BNC-Anschluss
4. Einfache Kalibrierung
5. Einheitliche Größe von Sensor und Stecker für einfache mechanische Montage.

Spezifikationen

Das pH- Sensor-Kit verfügt über eine Signalumwandlungsplatine (Sender) V2 und eine pH-Sonde . Beide sind miteinander verbunden. Die Merkmale dieser beiden Teile sind wie folgt.

Signalumwandlungsplatine (Sender) V2

1. Versorgungsspannung: 3,3 ~ 5,5 V
2. Ausgangsspannung: 0 ~ 3,0 V
3. Sondenanschluss: BNC
4. Signalanschluss: PH2.0-3P
5. Messgenauigkeit : ± 0,1 bei 25 ℃
6. Abmessungen: 42 mm 32 mm/1,66 1,26 Zoll

pH-Sonde

1. Sondentyp: Laborqualität
2. Erkennungsbereich: 0~14
3. Temperaturbereich: 5~60°C
4. Nullpunkt: 7±0,5
5. Reaktionszeit: <2min
6. Innenwiderstand: <250 MΩ
7. Sondenlebensdauer: >0,5 Jahre (abhängig von der Nutzungshäufigkeit)
8. Kabellänge: 100 cm

Um mehr über den pH-Sensor zu erfahren, können Sie den offiziellen Artikel von DfRobot hier lesen:

Gravity: Analog pH Sensor/Meter Kit V2

 
Anbindung eines analogen Gravitations-PH-Sensors an Arduino

Lassen Sie uns nun den Ph-Sensor mit Arduino mit Simple Arduino Code verbinden . Die Verbindung ist ziemlich einfach und Schaltung / Schaltplan ist unten angegeben.

Schnittstelle des pH-Sensors mit dem ARDUINO UNO

Ph Sensor hat 3 Pins, die mit Arduino verbunden werden müssen. Verbinden Sie also den VCC-Pin mit 5 V von Arduino und GND mit GND. Verbinden Sie den analogen Pin mit A0 von Arduino, wie im Bild oben gezeigt.

Quellcode/Programm/Sketch

Der Quellcode für die Schnittstelle zwischen DFRobot Gravity Ph Sensor und Arduino ist unten angegeben.

Kopieren Sie einfach den Code und laden Sie ihn auf das Arduino Board hoch.

Wässrige Lösung zum Testen des pH-Wertes verschiedener Flüssigkeiten.

Zum Testen des oben entworfenen Ph-Meters habe ich 4 verschiedene Lösungen mit unterschiedlichen Ph-Werten verwendet.
Folgende Lösungen habe ich genommen

1. Seifenwasser : Der pH-Wert liegt zwischen 9 und 10.
2. Milch : Der pH-Wert liegt zwischen 6,5 und 6,7
3. Leitungswasser : Der pH-Wert liegt zwischen 6,5 und 8,5 .
4. Zitronensaft : Der pH-Wert liegt zwischen 2 und 3

Tests & Ergebnisse

Sobald der Code auf das Arduino Board hochgeladen wurde, können Sie den seriellen Monitor öffnen und mit dem Testen des pH-Sensors beginnen.
Ich habe den pH-Sensor mit allen 4 oben angegebenen Lösungen getestet und die folgenden Ergebnisse gefunden

COM10

pH:6.92
pH:3.36
pH:12.00

Schnittstelle des pH-Sensors mit Arduino und OLED-Display

Lassen Sie uns nun den pH-Wert auf dem OLED-Display anstelle des seriellen Monitors anzeigen. Dazu müssen wir dem Arduino Uno ein 0,96″ I2C OLED Display hinzufügen. Daher ist das Anschlussdiagramm unten dargestellt.

Der Anschluss ist wieder recht einfach. Verbinden Sie den Analog-Pin des Ph-Sensors mit dem Arduino A0-Pin und versorgen Sie ihn mit 5 V. Verbinden Sie außerdem 

den SDA SCL-Pin des OLED-Displays mit dem Arduino A4- bzw. A5-Pin.

Quellcode/Programm

Der Quellcode für die Verbindung des DFRobot-Schwerkraft-pH-Sensors mit Arduino und OLED-Display ist unten angegeben. Kopieren Sie einfach den Code und laden Sie ihn auf das Arduino Board hoch.

Tests & Ergebnisse
Sobald der Code hochgeladen ist, beginnt das OLED-Display mit der Anzeige des pH-Werts. Das Eintauchen der pH-Elektrode in verschiedene Lösungen ergibt
unterschiedliche Werte, wie in den Abbildungen unten gezeigt.


pH-Sensorkalibrierung

Stelle eine Frage .......

Arduino pH-Meter mit pH-Sensor

pH ist eine Skala, mit der wir feststellen können, ob die wässrige Lösung sauer oder basisch ist.
pH wird als die Kraft des Wasserstoffs oder das Potenzial des Wasserstoffs dargestellt (Quelle: Wikipedia ).
Mit Hilfe von Elektroden können wir den pH-Wert der Lösung elektronisch messen, was für die Messung und Automatisierung des pH-Werts des Aquariums oder der Hydroponik oder Aquaponik vorteilhafter sein könnte.
In diesem Artikel lernen wir also, wie man ein Arduino pH-Meter herstellt.

Video machen Teil 1: