- المكونات المطلوبة
- ما هي قيمة الرقم الهيدروجيني؟
- كيف يعمل حساس الأس الهيدروجيني التناظري بالجاذبية؟
- مخطط دائرة مقياس درجة الحموضة في اردوينو
- برمجة اردوينو لمقياس الأس الهيدروجيني
- معايرة قطب الأس الهيدروجيني
- اختبار Arduino pH Tester
يستخدم مقياس الأس الهيدروجيني لقياس حموضة السائل وقواعده. يمكن أن يكون لها قراءات تتراوح من 1-14 حيث يظهر 1 السائل الأكثر حمضية و 14 يظهر السائل الأساسي. 7 درجة الحموضة هي للمواد المحايدة التي ليست حمضية ولا قاعدية. الآن ، يلعب الأس الهيدروجيني دورًا مهمًا جدًا في حياتنا ويتم استخدامه في تطبيقات مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن استخدامه في حمام السباحة للتحقق من جودة المياه. وبالمثل ، يتم استخدام قياس الأس الهيدروجيني في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الزراعة ، ومعالجة مياه الصرف الصحي ، والصناعات ، والمراقبة البيئية ، إلخ.
في هذا المشروع ، سنقوم بصنع مقياس الأس الهيدروجيني في Arduino ونتعلم كيفية قياس الأس الهيدروجيني لمحلول سائل باستخدام مستشعر الأس الهيدروجيني بالجاذبية و Arduino. تُستخدم شاشة LCD مقاس 16 × 2 لإظهار قيمة الأس الهيدروجيني على الشاشة. سنتعلم أيضًا كيفية معايرة مستشعر الأس الهيدروجيني لتحديد دقة المستشعر. اذا هيا بنا نبدأ!
المكونات المطلوبة
- اردوينو اونو
- شاشة LCD أبجدية رقمية مقاس 16 * 2
- وحدة I2C لشاشات الكريستال السائل
- حساس الأس الهيدروجيني التناظري للجاذبية
- توصيل الأسلاك
- اللوح
ما هي قيمة الرقم الهيدروجيني؟
الوحدة التي نستخدمها لقياس حموضة مادة ما تسمى pH . يُعرَّف المصطلح "H" بأنه السجل السلبي لتركيز أيون الهيدروجين. يمكن أن يكون لنطاق الأس الهيدروجيني قيم من 0 إلى 14. قيمة الرقم الهيدروجيني 7 محايدة ، حيث أن قيمة الأس الهيدروجيني للمياه النقية تساوي 7 بالضبط. القيم الأقل من 7 هي القيم الحمضية والقيم الأكبر من 7 هي القيم الأساسية أو القلوية.
كيف يعمل حساس الأس الهيدروجيني التناظري بالجاذبية؟
تم تصميم مستشعر الأس الهيدروجيني التناظري لقياس قيمة الأس الهيدروجيني للمحلول وإظهار الحموضة أو القلوية للمادة. يستخدم بشكل شائع في العديد من التطبيقات مثل الزراعة ، ومعالجة مياه الصرف الصحي ، والصناعات ، والمراقبة البيئية ، وما إلى ذلك. تحتوي الوحدة على شريحة تنظيم الجهد على متن الطائرة والتي تدعم إمداد الجهد الواسع من 3.3-5.5 فولت تيار مستمر ، وهو متوافق مع 5 فولت و 3.3 فولت من أي لوحة تحكم مثل Arduino. يتم ترشيح إشارة الخرج بواسطة اهتزاز منخفض للأجهزة.
ميزات تقنية:
وحدة تحويل الإشارة:
- جهد العرض: 3.3 ~ 5.5 فولت
- موصل مسبار BNC
- دقة عالية: ±0.1@25 ° C
- نطاق الكشف: 0 ~ 14
قطب PH:
- نطاق درجة حرارة التشغيل: 5 ~ 60 درجة مئوية
- نقطة الصفر (محايدة): 7 ± 0.5
- معايرة سهلة
- المقاومة الداخلية: <250MΩ
لوحة تحويل إشارة الأس الهيدروجيني:
دبوس الوصف:
V +: إدخال 5V DC
G: دبوس الأرض
Po: الناتج التناظري الأس الهيدروجيني
افعل: 3.3 فولت تيار مستمر الإخراج
إلى: خرج درجة الحرارة
بناء قطب الأس الهيدروجيني:
يظهر بناء مستشعر الأس الهيدروجيني أعلاه. و الاستشعار درجة الحموضة يشبه قضيب عادة ما تكون مصنوعة من مادة الزجاج وجود طرف يسمى "الغشاء الزجاج". يُملأ هذا الغشاء بمحلول عازل من الأس الهيدروجيني المعروف (عادةً الرقم الهيدروجيني = 7). يضمن تصميم القطب الكهربائي هذا بيئة مع الارتباط المستمر لأيونات H + داخل الغشاء الزجاجي. عندما يتم غمس المسبار في المحلول المراد اختباره ، تبدأ أيونات الهيدروجين في محلول الاختبار بالتبادل مع أيونات أخرى موجبة الشحنة على الغشاء الزجاجي ، مما يخلق جهدًا كهروكيميائيًا عبر الغشاء يتم تغذيته إلى وحدة مكبر الصوت الإلكترونية التي تقيس الجهد بين القطبين الكهربائيين وتحويله إلى وحدات الأس الهيدروجيني. يحدد الفرق بين هذه الإمكانات قيمة الأس الهيدروجيني بناءً على معادلة نيرنست.
معادلة نرنست:
تعطي معادلة نرنست علاقة بين إمكانات الخلية للخلية الكهروكيميائية ودرجة الحرارة وحاصل التفاعل وإمكانات الخلية القياسية. في الظروف غير القياسية ، تُستخدم معادلة نرنست لحساب إمكانات الخلية في خلية كهروكيميائية. يمكن أيضًا استخدام معادلة نرنست لحساب القوة الدافعة الكهربائية الكلية (EMF) لخلية كهروكيميائية كاملة. تُستخدم هذه المعادلة لحساب قيمة PH للحل أيضًا. تخضع استجابة القطب الزجاجي لمعادلة نرنست على النحو التالي:
E = E0 - 2.3 (RT / nF) ln Q حيث Q = معامل التفاعل E = خرج بالسيارات من القطب E0 = الإزاحة الصفرية للقطب R = ثابت الغاز المثالي = 8.314 J / mol-K T = درجة الحرارة في ºK F = ثابت فاراداي = 95484.56 درجة مئوية / مول N = الشحنة الأيونية
مخطط دائرة مقياس درجة الحموضة في اردوينو
فيما يلي مخطط الدائرة لمشروع مقياس الأس الهيدروجيني من Arduino:
توصيل لوحة تحويل إشارة الأس الهيدروجيني مع Arduino:
يظهر الاتصال بين لوحة تحويل الإشارات PH و Arduino في الجدول أدناه.
|
اردوينو |
مجلس استشعار الأس الهيدروجيني |
|
5 فولت |
V + |
|
GND |
جي |
|
أ 0 |
بو |
برمجة اردوينو لمقياس الأس الهيدروجيني
بعد اتصالات الأجهزة الناجحة ، حان الوقت الآن لبرمجة Arduino. يتم تقديم الكود الكامل لمقياس الأس الهيدروجيني هذا مع Arduino في الجزء السفلي من هذا البرنامج التعليمي. الشرح التدريجي للمشروع موضح أدناه.
أول ما يجب فعله في البرنامج هو تضمين جميع المكتبات المطلوبة. هنا في حالتي ، قمت بتضمين مكتبة "LiquidCrystal_I2C.h" لاستخدام واجهة I2C لشاشة LCD و " Wire.h " لاستخدام وظيفة I2C على Arduino.
#تضمن
بعد ذلك ، يتم تحديد قيمة المعايرة ، والتي يمكن تعديلها حسب الحاجة للحصول على قيمة دقيقة للأس الهيدروجيني للحلول. (هذا موضح لاحقًا في المقالة)
تعويم calibration_value = 21.34 ؛
الإعداد الداخلي () ، تتم كتابة أوامر LCD لعرض رسالة ترحيب على شاشة LCD.
lcd.init () ، lcd.begin (16 ، 2) ؛ اضاءه خلفيه ال سى دى()؛ lcd.setCursor (0 ، 0) ؛ lcd.print ("مرحبًا بك في") ؛ lcd.setCursor (0 ، 1) ؛ lcd.print ("ملخص الدائرة") ؛ تأخير (2000) ؛ lcd.clear () ؛
داخل الحلقة () ، اقرأ 10 عينات من القيم التناظرية وقم بتخزينها في مصفوفة. هذا مطلوب لتنعيم قيمة الإخراج.
لـ (int i = 0 ؛ i <10 ؛ i ++) {buffer_arr = analogRead (A0) ؛ تأخير (30) ؛ }
ثم قم بفرز القيم التناظرية المستلمة بترتيب تصاعدي. هذا مطلوب لأننا نحتاج إلى حساب المتوسط الجاري للعينات في المرحلة اللاحقة.
لـ (int i = 0؛ i <9؛ i ++) {لـ (int j = i + 1؛ j <10؛ j ++) {if (buffer_arr> buffer_arr) {temp = buffer_arr؛ buffer_arr = buffer_arr ؛ buffer_arr = temp ؛ }}}
أخيرًا ، احسب متوسط القيم التناظرية المكونة من 6 عينة مركزية. ثم يتم تحويل هذه القيمة المتوسطة إلى قيمة فعلية للأس الهيدروجيني ويتم طباعتها على شاشة LCD.
لـ (int i = 2 ؛ i <8 ؛ i ++) avgval + = buffer_arr ؛ تعويم فولت = (تعويم) متوسط * 5.0 / 1024/6 ؛ تعويم ph_act = -5.70 * فولت + calibration_value ؛ lcd.setCursor (0 ، 0) ؛ lcd.print ("pH Val:") ؛ lcd.setCursor (8 ، 0) ؛ lcd.print (ph_act) ؛ تأخير (1000) ؛ }
معايرة قطب الأس الهيدروجيني
تعد معايرة القطب الكهربي PH مهمة جدًا في هذا المشروع. لهذا ، نحتاج إلى حل نعرف قيمته لنا. يمكن اعتبار هذا الحل المرجعي لمعايرة المستشعر.
لنفترض أن لدينا محلول قيمته PH 7 (ماء مقطر). الآن عندما يتم غمس القطب في المحلول المرجعي وتكون قيمة PH المعروضة على شاشة LCD 6.5. ثم لمعايرتها ، فقط أضف 7-6.5 = 0.5 في متغير المعايرة "calibration_value" في الكود. أي اجعل القيمة 21.34 + 0.5 = 21.84 . بعد إجراء هذه التغييرات ، قم بتحميل الكود مرة أخرى إلى Arduino وأعد فحص الأس الهيدروجيني عن طريق غمس القطب في الحل المرجعي. الآن يجب أن تعرض شاشة LCD قيمة الأس الهيدروجيني الصحيحة ، أي 7 (الاختلافات الطفيفة كبيرة) . وبالمثل ، اضبط هذا المتغير لمعايرة المستشعر. ثم تحقق من جميع الحلول الأخرى للحصول على الناتج الدقيق.
اختبار Arduino pH Tester
لقد جربنا مقياس الأس الهيدروجيني من Arduino عن طريق غمسه في الماء النقي وماء الليمون ، يمكنك رؤية النتيجة أدناه.
ماء نقي:
ماء الليمون:
هذه هي الطريقة التي يمكننا بها بناء مستشعر الأس الهيدروجيني باستخدام Arduino ويمكن استخدامه للتحقق من مستوى الأس الهيدروجيني للسوائل المختلفة.
الكود الكامل والفيديو التوضيحي معطى أدناه.