实用电化学实验检测分析系统设计

郑卓雅，杨宇欣，李一凡，周志华，孙国峰，李健

(乐山师范学院化学学院，四川乐山，614000)

0 引言

在我国现行初、高中和大学普通化学实验教学中，学生在做原电池反应实验时，只是单纯地靠传统的化学实验器材和方法进行教学演示、分析等一般性探究（如只靠观察电流计指针偏转，就说明产生了电流），存在无法将抽象的化学能与电能相互转化的探究过程表现出来，不能准确控制实验条件问题，如：实验过程中的浓度、温度、压强和反应速率等。进而，也不能实时跟踪测量反应过程中，容器内生成新化合物前后变化现象，教学上需要检测的数据，以及变化终极物质中需要重点关注的实验指标的测量等突出问题。引导学生从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质，以及这种转化的综合利用价值。

1 总体设计

针对上诉突出的教学问题，课题组成员在指导教师的指导下进行了深入的理论分析和技术创新的研究。本研究项目将物理化学、物理学、电子信息工程等专业理论与实践技能相结合，利用电子信息工程、材料科学与工程、化学等三大专业实验室现有实硬件与软件测试分析仪器和购买元件，设计原电池反应现象实验检测可视、可控的硬件电路系统。实验数据如PH值、电流、压强、温度、压强，可以通过该系统，直观清晰地以曲线的方式显示出来，同时具体同步测量数值也可导出，这一点体现了该设计的强细节性；采用水泵并结合控制系统可任意改变电解液的流速，体现了该设计的强灵活性；采用透明仪器可清晰观察到两电极表面生成的附着物，体现了该设计的合理性。该项目重点研究实时快速的实验数据现场采集与高精确度检测分析，拟采用现代电子通信、单片机、应用电子、自动控制技术与原电池测量技术相结合的设计理念，设计研究能直接应用于初高中电化学实验教学演示和分组中氧化还原反应的实验检测硬件电路系统，其创新研制的检测系统电路设计原理如图1所示。

2 系统设计

2.1 系统化学反应装置结构的设计

所述原电池反应的自动检测教学装置为分体式装置，包括反应装置，反应装置固定器和自动检测装置。所述反应装置为一个定制密闭高耐热玻璃材料的五颈烧瓶玻璃器皿，玻璃器皿上设置有五个开口，所述开口为磨砂开口，开口中有瓶塞，中间瓶塞连接有蠕动管，化学反应物质通过蠕动管流入瓶内，两边瓶塞上安装有各个电子传感器，所述电子传感器包括探头组，探头组包括压强检测探头、

酸碱度检测探头和温度检测探头，另外两边瓶塞用于安插电解物质。电解物质通过导线与自动检测装置连接。所述自动检测装置包括电子传感器、电子转换器、数据采集器、CPU控制器和显示器，电子传感器与电子转换器连接，电子转换器与数据采集器连接，数据采集器与CPU控制器连接，CPU控制器与显示器连接。

图1 原电池反应自动检测系统工作原理设计框图

力求便于输送与放置实验中所需的溶液、溶质、溶剂等物质、不影响师生对原电池反应实验现象的观察、对相关实验数据采集电子传感器器件介入固定、实验中的观察和实验实时数据采集信息处理的传输与相关接口电路的安装等要求，还能应使用者需求任意更换不同的原电池反应实验电解质材料。该装置携带方便，节省空间，易于安置；装置结构简单，对仪器设备要求低，操作简单，流程短，能全程控制；利用CPU控制器自动控制反应速率，利用串口连接模块进行实时检测实验数据变化，实现实验信息能直观显示。

2.2 原电池反应实验实时检测装置设计原理简要分析

根据现高中教材中对原电池反应实验基本原理，我们认为目前中学化学教学中演示或分组进行一种金属（如镁、铝、锌、铁……）与另一种金属或非金属（铜、碳）实验观察和探究时，其实验的基本要求可以表述为如下化学反应方程式，以锌铜原电池为例：

其中负极上发生的是氧化反应，正极上发生的是还原反应，反应主要化学变量：压强、PH、温度、浓度。

2.3 硬件模块设计

本系统包含四个硬件模块：电源模块、检测模块、显示模块、电动泵模块。电源模块提供电源；检测模块包括pH电极传感器模块、气压检测模块、红外测温模块；显示模块包括OLED液晶显示和电脑显示模块，其作用是显示实时数据；电动泵模块作用是控制滴定速度。硬件系统原理框图如图2所示。其系统各电路功能模块的设计如下。

2.3.1 pH复合电极传感器模块

（1）pH复合电极简介

PH复合电极是PH玻璃电极和参比电极组合在一起的电极，不易损坏，使用方便。内参比电极与插头顶部相连接，为负极，引出电极电位；参比电极与插头的根部连接，为正极，作用是提供与保持一个固定的参比电势。

图2 硬件系统原理框图

当复合电极插入溶液时，玻璃球旁的素瓷芯起盐桥作用，将待测试液和参比电极的饱和KCl溶液沟通，电极内部的内参比电极通过玻璃球与待测试液接触。玻璃膜外侧与待测液的相界面发生离子交换，有H+进出；同样，玻璃膜内侧与膜内装0.1mol/L HCl溶液的相界面上也要发生离子交换，也有H+进出。由于玻璃膜两侧溶液中H+浓度的差异，以及玻璃膜水化凝胶层内离子扩散的影响，就逐渐在膜外侧和膜内侧两个相界面之间建立起一个相对稳定的电势差，此电势差只取决于膜外测PH溶液中H+浓度。

（2）主要功能

用于检测原电池反应过程中溶液酸碱度变化。

图3 PH复合电极结构示意图

2.3.2 气体压力检测模块

（1）气体压力模块简介

BOSCH BMP180气压传感器模块，该模块板载BMP180芯片，该芯片的特点具有高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，支持IIC通信协议，模块可以测试大气气温和大气压强，支持5V/3.3V电压输入，而且模块的常用的引脚如电源，信号线已经引出，插针为标准2.54mm，通过单片机通讯获得该模块提供非常精确的压力和海拔高度数据。

（2）功能

用于对化学反应生成的气体的大气压强进行检测

2.3.3 红外测温模块

（1）红外线测温模块简介

MLX90614-DCI红外测温模块使用内部低压差稳压模块供电3-5v；通信方式采用标准IIC通信协议；尺寸是11.5*16.5mm；该模块的特点是体积小，成本低；当由0到+50℃温度范围内，精度可达到0.5℃；且电源电压可从 8…16V调节；高精度无接触测量，根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，一般可用于工业移动元件温度控制，多区域温度控制，家电温度控制等等，应用广泛。

（2）功能

用于检测化学反应过程中温度的变化

2.3.4 显示模块

（1）0.96寸OLED模块简介

该模块通讯方式采用IIC通讯，操作简单；具有高分辨率，为128*64，且屏幕的单位面积像素点多；功耗低，正常显示的时候功耗为0.06W；采用宽电压供电，供电范围是直流3.3V到5V；且体积小，亮度、对比度都可以通过程序指令控制；该使用寿命长，一般不少于16000个小时；屏幕内部的驱动芯片采用的是SSD1306。

（2）电脑显示模块简介

使用LABVIEW软件，编程出上位机，使用串口和单片机通讯，单片机串口发送检测的各个数据到LABVIEW上位机上，然后在上位机上显示各个数据，以及数据的变化曲线，且上位机对各个数据进行存储成文档保存。

（3）功能

用于显示化学反应过程中检测的各个参数。

2.3.5 蠕动泵模块

（1）长寿型385水泵简介

使用385水泵，小型的滴水装置，内嵌内径3*5mm的硅胶管和过滤网，流量控制精度高，使用外部电压（6V或12V）供电，驱动电流低于1A，及通过外部脉冲波（0-10KHz）对滴水装置进行转速控制，流速控制档为10档，如表1所示。本系统使用外部脉冲波作为调速信号。

表1 385水泵流速与外部脉冲PWM占空比对照表

3 软件设计

3.1 控制系统设计

图4 软件流程图

3.2 各模块设计

3.2.1 pH复合电极传感器模块获得函数

3.2.2 红外控温模块获得函数

3.2.3 蠕动泵模块控制函数

3.2.4 气压传感器模块控制函数

3.2.5 串口示波器显示函数

3.2.6 温度气压显示函数

3.2.7 PH值显示，电流显示和蠕动泵流速显示函数

3.2.8 总函数

4 系统调试

4.1 原电池实验自动检测控制装置图

图5 主板装置图

（1）首先检查系统主板电源开关是否处于关闭状态，再仔细观察各个数据采集器的输入/输出联接电缆和化学电解材料与导线是否接触良好，最后将电源插头插入单相AC 220V 50Hz装有接地保护线的电源插座上，打开系统检测电源按钮（左开右关）。若如无异常现象，则说明系统处于正常待检测状态，可使用。

（2）准备好PH=6.86的磷酸缓冲液，PH=4.00的邻苯二甲酸氢钾缓冲液和浓盐酸备用。

（3）打开系统开关，待显示屏稳定后，取出PH复合电极准备校正，将其放入PH=6.86的磷酸缓冲液中，震荡悬摇一会儿后静止，观察显示屏上PH 值，若不是6.86，则校正。用蒸馏水清洗复合电极的玻璃小球，并用纸巾擦干，放入PH=4.00的邻苯二甲酸氢钾缓冲液中再次校正。

（4）校正完毕，冲洗小球并安装完各个橡胶塞后，即可开始试验。

图7 缓冲液

4.2 各模块调试结果

表2 各项指标反应前后变化表

4.3 显示界面

(1)OLED显示屏

pH值 (校正)：4.029；6.86

PH值（测试）：

图8 PH校正图

图9 PH校正图

气压值为（pressure）：96.947

温度（temp）：21.40

图10 锌铜原电池温度压强测试图

图11 锌铜原电池PH测试图wendu

图12 锌铜原电池反应上位机显示结果图

(2)串口示波器的显示

温度（白色曲线）：基本保持不变；

PH（绿色曲线）：逐渐增大；

气压（红色曲线）：基本保持不变，气压值不变；电流（蓝色曲线）：先增大后平稳地减小 ；

5 系统实例应用

5.1 锌铜与浓盐酸的反应实验的数据采集

正极：铜Cu 正极（Cu）： 2H＋＋2e-＝H2+↑（还原）

负极 ：锌 Zn 负极（Zn）： Zn － 2e-＝ Zn2＋（氧化）

电解液：浓盐酸 总反应 ： Zn2＋＋2H＋=Zn2+＋H2+↑

图13 PH随反应时间变化记录表

5.2 铁铜与浓盐酸的反应实验的数据采集

正极：铜Cu 正极（Cu）： 2H＋＋2e-＝H2+↑（还原）

负极：铁Fe 负极（Fe）：Fe－2e-＝Fe2+（氧化）

电解液：浓盐酸 总反应 ：Fe 2＋＋2H＋=Fe2+＋H2+↑

图14 电流随反应时间变化记录

图15 压强随反应时间变化记录

上述实验完成说明该系统可以正常工作，其实验装置可以对反应过程中有关数据变化信号进行实时采集，并且该装置应用于多种原电池反应装置均能适用。

6 结束语

该系统具有实际应用价值，能够解决学生单纯地靠传统的化学实验器材和方法进行教学演示、分析等一般性探究（如只靠观察电流计指针偏转，就说明产生了电流），能够将抽象的化学能与电能相互转化的探究过程表现出来，能够准确控制实验条件问题，如：实验过程中的浓度、温度、压强和反应速率等。同时能实时跟踪测量反应过程中，容器内生成新化合物前后变化现象，教学上需要检测的数据，以及变化终极物质中需要重点关注的实验指标的测量等突出问题。引导学生从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质，以及这种转化的综合利用价值。所采用的研究视角、设计理念与研究成果，能推广应用于电解与原电池实验检测类型相似的其它同类型电化学实验检测技术的研究之中为后续进一步推动同类型化学实验方法与技术的科学化、智能化的教学改革奠定良好地理论与实践基础。采用的新型化学物质变化类型的检测传感器、数据采集转换、单片机系统自动控制器相结合的电路设计方案，使检测系统能很好地实现定性观察与定量分析相结合、数据采集处理与现象显示同步检测的功能，对学生理解电解反应现象理论，提高教学质量能起到促进作用。