引言

隨著科技的進步和工農業生產的發展，水產養殖這一傳統的行業也在向工廠化和智能化方向發展。水質監控儀器的設計是實現工廠化水產養殖的關鍵設備。其中pH 值就是多因子水環境中一個重要的因子，本文設計了基于SOC 單片機C8051F020 的pH 值的檢測電路，并通過控制算法實現了對多因子水環境中pH 值的控制調節。

1 硬件電路設計和pH 測量原理

本設計采用高速SOC 單片機C8051F020 既能提高儀表可靠性又能提高系統性能。C8051F020是集成的混合信號片上系統，具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051 的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。設計中采用了C8051F020 提供的12 位A/D、D/A，能有滿足設計要求。pH 檢測控制電路框圖如圖1 所示。

圖 1 pH 檢測控制電路的框圖

1.1 pH值信號放大電路設計

設計中采用pH復合玻璃電極，由于pH測量電極內阻大，要求前置放大器有較高的輸入阻抗，設計中選用運放CA3140，它具有輸入阻抗高、低偏置電流、低噪聲、高增益等特點，主要用來完成阻抗匹配、降低測量噪聲、提高系統穩定性等。pH值信號放大電路如圖2所示。

圖2 pH值信號放大電路

1.2 pH值信號放大電路抗干擾設計

由于信號調理電路很容易受到其他信號的干擾，主要表現為工頻干擾，不僅僅是50Hz，50Hz的整數倍諧波頻率的干擾也不能忽視，其幅值比50Hz的干擾小。另外，50Hz工頻干擾漂移的存在使得包括這個范圍的頻率都應視為工頻干擾。對于諧波的干擾可通過低通濾波器去掉，而要去掉49.5～50.5Hz的干擾則需要設計出性能好的陷波器。下面是筆者在pH值信號抗干擾電路中所設計的陷波電路，電路圖如圖3所示。

圖3 50Hz陷波電路

此外，電路板表面的漏電流也是不能忽略的，在電路板上附著了灰塵、污質，或者是在環境比較潮濕的地方電路板表面的漏電流都會變得不可忽略，會影響對pH值信號的檢測。

為減小電路板表面漏電流的影響，在電路板上CA3140的輸入端放置金屬環，并且在電路板的表層和底層都相應放置。如圖2中虛線方框所示。

1.3 pH值測量原理

電位法測量溶液pH值常用玻璃電極作為指示電極，銀-氯化銀電極作為參比電極，將兩種電極封裝在起構成復合玻璃電極。將電極插人待測溶液，復合玻璃電極和待測溶液組成原電池，復合玻璃電極的兩條輸出引線分別為原電池的正極和負極。依據nernst方程，原電池輸出電動勢、被測溶液絕對溫度及被測溶液pH值之間滿足如下關系：

式中：E為原電池輸出電動勢，mV；E0為常數，為與電極材料、內參比溶液、內參比電極以及液接電位有關的電位差，mV；K為常數，為nernst系數；T為被測溶液的絕對溫度，K；pHx是被測溶液的pH值；Ph0是常數，為復合玻璃電極內緩沖溶液的pH值。

由式(1)可知被測溶液的pH值和溫度共同作用產生原電池輸出電動勢，因此同時測量原電池輸出電動勢和溶液溫度就能根據式(1)計算出被測溶液的pH值。

由于玻璃電極的制造工藝等原因式(1)中參數E0和K的實際值與它們的理論會有差異并且隨著電極的老化而改變，因此必須用pH值已知的標準緩沖溶液校正電極。由于水產養殖水環境呈堿性，故選用混合磷酸鹽(pH=6.86)和硼砂(pH=9.18)的標準緩沖溶液進行校正，具體校正方法如下：設兩個標準緩沖溶液的pH值分別為PH1、pH2輸出電動勢分別為E1和E2，在相同溫度T下標定，由式(1)得到溶液輸出電動勢E與pH關系如下式所示：

將兩個標準緩沖溶液的酸度pH1、pH2和對應電動勢E1、E2及算出的參數K保存在E2PROM中。由式(3)得到待測溶液的pH值。

2 控制方法[4][5]

由于水產養殖最適合的pH值范圍為：7～8.5，而且pH值同水中溫度、溶解氧、浮游植物的光合作用、魚類呼吸作用、氨氮等因子相互作用。此外，酸堿中和反應中pH值呈嚴重的非線性和滯后性，而且在中和點附近的斜率極大，而兩端的斜率急劇變小，在中和點附近具有極高的靈敏度，給控制造成很大困難；少量的雜質會使過程特性發生嚴重畸變，難以建立準確的數學模型；pH傳感器的動態特性易受環境（溫度、壓力、電極的清潔度等）變化的影響，而且外部干擾具有復雜性。

由于常規PID控制器簡單、穩定性好、可靠性高而廣泛應用于過程控制，但是常規PID控制器不能在線整定參數, 因而不能很好地控制非線性、時變的復雜系統和模型不清楚的系統。模糊控制器對復雜的和模型不清楚的系統能夠進行簡單有效地控制。因此，結合傳統PID控制器的優點，同時考慮到模糊控制實現的特點，提出了自適應模糊PID控制方法。

PID參數自整定就是先找出PID控制器的3個參數Kp，Ki和Kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制規則對3個參量進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求，而使被控對象有良好的靜、動態性能。本文將偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，調節PID控制器的3個參數Kp，Ki和Kd，從而控制執行機構電磁閥調節輸出。根據事先確定好的模糊控制規則作出模糊推理改變3個PID參數的值，利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改，修正后的PID參數則被應用到常規PID控制中用以提高系統的控制性能，這構成了自適應模糊PID，其結構如圖4所示。

圖4 自適應模糊PID的控制框圖

將系統誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的域，e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。對于單片機構成的模糊控制器，考慮到占用CPU時間，節約存儲空間，減少計算量等方面的問題，隸屬度函數曲線采用三角形。根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入下式計算：在線運行過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線自校正。

3 計算機仿真及結果

3.1 仿真模型的建立與算法實現

數字仿真模型如圖4所示，其中被控制對象包括：電磁閥傳遞函數，pH傳感器動態特性，pH滴定曲線的非線性特性等。運用上述模糊PID參數自整定控制方法，將模糊邏輯工具箱(fuzzy logic tool box)與Matlab函數相結合，在Matlab7.1中Simulink環境下進行了仿真研究。其中，模糊推理方法采用Mamdani型推理，去模糊化采用加權平均值方法。

3.2 仿真結果分析

為了便于比較控制效果，在常規 PID 和模糊PID 控制中PID 的3 個參數kp，ki，kd 是相同的。圖5 給出了常規PID 控制與模糊PID 參數自整定算法控制仿真曲線比較，圖6 是在常規PID 控制與模糊PID 均達到穩定后，在t=80s 時加擾動仿真曲線。圖5、圖6 中虛線所標示的是常規PID 的仿真效果，實線標示的是模糊PID 的仿真效果。從仿真結果可看出：

（1）模糊PID 參數自整定控制具有較小的超調量和較短的調節時間，具有較好的動態響應特性和穩態特性，它優于常規的PID 控制；

（2）由于模糊PID 參數自整定控制能根據工況變化過程中偏差和偏差變化率自動進行PID 參數調整，因而具有較好的自適應能力。

由此可見，模糊PID 參數自調整對于pH 值的控制具有較好的控制效果，具有動態性能好，穩態精度高，抗干擾性能好及較強的魯棒性的特點。

圖 5 常規PID 控制與模糊PID 控制效果比較

圖 6 存在擾動時的控制效果比較

4 結論

基于 SOC 高性能單片機C8051F020 設計pH 值檢測控制儀器具有性能好、抗干擾性強、有較高的性價比，針對pH 值滯后、非線性、時變、耦合性等特點采用的模糊PID 在線自適應控制方法具有動態性能好，穩態精度高，抗干擾性能好和具有較強的魯棒性。