Сообщений в теме: 79

[Карен]

Друзья, некоторое время назад я обещал выложить материалы по самодельному pH метру. Не прошло и полгода, наконец-то получил все детальки, решил отдельную тему сделать. Продвинутым электронщикам оно вряд-ли будет интересно, а остальные в основном подсели на "лего-конструкторы" в ардуино стиле - быстро, просто, незамысловато. Но все же может мой вариант кого-то заинтересует.

Это будет хороший pH-метр

 

В принципе, даже если у вас нет опыта возни с электроникой - берите и пробуйте. Все что будет нужно это заказать плату у китайцев на али (подскажу где если надо) и напаять на нее купленные там же детальки. Софт и прошивка будут чуть позже. Ну да, детальки мелкие, не имея опыта паять может быть трудновато... но это дело наживное, потренироваться и все получится.

 

Итак, чего хотелось от железа:

- точности измерений;

- минимизации всевозможных помех и наводок, минимум внутренних шумов чтоб показания не скакали от любого чиха - судя по первым тестам получилось;

- возможности использования не очень хороших pH электродов;

- писать логи в память в автономном режиме;

- чтобы все было собрано на одной плате, без этажерок из разных модулей (легкая аллергия на это...);

 

Чего не требовалось от железа:

- иметь большой экран с меню и прочими настройками. Всем этим я предпочитаю заниматься на компе с большим экраном, мне так удобнее, чем навигация по любым меню. Дисплей на приборе только для показа pH, не для настроек.

 

Чего хотелось от софта:

- калибровка по любому количеству любых калибровочных растворов и показ графика калибровки. График калибровки покажет какой из калибровочных растворов "уехал" и его пора вылить (а иначе как вы это узнаете?!)  

- возможность посмотреть реальное напряжение, выдаваемое электродом, а не только в условных попугаях и не только в пересчете на pH. Это дает возможность оценить качество и "износ" электрода. 

- все что связано с логами - графики и прочее;

- работа без "облаков" (сильная аллергия);

- много чего всякого что я забыл.

Софт пока не готов, пока только черновой вариант для проверки работоспособности и подбора оптимального режима. Но с написаниям софта проблем не вижу.

 

На текущий момент выглядит оно все вот так:

 

 

Схема, плата и прочее чуть позже будут, не успеваю сейчас.

 

 

 

 

 

[vahegan]

Карен, у тебя там радиомодуль отдельно, и процессор отдельно? Не проще ли было использовать какой нибудь ESP32? По идее, тут самая важная часть из дискретных компонентов это АЦП AD7793 с обвязкой, все остальное можно запихнуть в ESP - его и прошивать, и программировать намного проще, чем отдельно стоящий проц. И преобразователи напряжения - ты из 12В все конвертируешь для меньшего "хода"? По идее, точное напряжение нужно только для АЦП, можно использовать какой-нибудь хороший источник эталонного напряжения и питать все от банального USB - это бы сильно упростило схему. Идея очень интересная, но надо паять много мелких дискретных компонентов, да еще заказывать их по отдельности - по молодости я был бы очень рад такому варианту, а вот сейчас за такое уже бы не взялся... В текущем варианте устройство замечательное, если ты сподобишься его производить и предлагать всем желающим в готовом виде. А для воспроизведения на коленках, по мне, намного уж лучше нелюбимая тобой "этажерка" из готовой платки с AD7793, платка ESP32, и какой-нибудь маленький OLED экранчик - повторить такое было бы намного проще, а самое муторное - это, все же, писать софтверную поддержку всего этого добра (и тут тоже есть проблемы с портабельностью, если софт сугубо комповый - у меня, например, давно уже нет компов с виндой, а вот если все в меню, оно менее удобно, но зато от компа не зависит).

Кстати, по поводу софта - по скольким точкам ты его калибруешь?

[Карен]

Схема. 

В самом общем виде блок схема выглядит так. Подробную схему с платой можно выкладываю в зипе :   ph_shematic.zip   442,73К   27 скачиваний

 

 

Аналоговая часть скопирована из мануала Analog Devices CN-0326, но я удалил из нее часть, работающую с платиновыми термодатчиками. 

На входе стоит операционник AD8603 (по мануалу входной ток в норме 0.1-0.2 pA). Можно было бы с еще более низким током применить (типа LMC662), но был применен тот чип, который указан в мануале. 

Далее стоит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) AD7793. Довольно навороченный интересный чип, выдает честные 24 бита (то бишь три байта) на выходе. Плюс к этому он генерит фиксированный ток указанной (программно) величины, который приподнимает сигнал с электрода выше земли (что дает возможность измерять биполярный сигнал с электрода) и одновременно создает опорное напряжение для себя самого на прецизионном резисторе 5к. 

Всю эту аналоговую часть схемы, чувствительную к наводкам по питанию, изолирует от остальной схемы ADUM5401, 4-канальный изолятор. Он же генерит изолированное напряжение 3.3в для питания аналоговой части (из 5 вольт цифровой части схемы). Внутри аналоговой части схемы также разделено питание цифровой и аналоговой половинок чипа АЦП.

 

Цифровая микропроцессорная часть ничего особенного из себя не представляет - обычная ATMega328 (как в ардуинках), сверхточные часы DS3231 (ставлю на все свои схемы, на них завязан весь мой код), опционально, если надо писать логи, внешняя память EEPROM AT24C512. В качестве показывалки pH обычный 7-сегментный индикатор + дешифратор к нему TM1637. Ну и блютуска для связи с компом.

 

Два слова почему у меня ATMega + блютуска, а не ESP32 с вайфаем. ... Хотя нет, передумал, воздержусь пока от комментариев. Может потом и сделаю с вайфаем, но пока супер-надежная и гениально простая ATMega.  А ESP32 пусть полежит пока в ожидании.

 

Итого, по деталям,

чипы:

AD8603 - операционник 

AD7793 - АЦП

ADUM5401 - изолятор 

ATMega328 - процессор

DS3231 - часы 

JDY-31  - блютус модуль

TM1637 - дешифратор для индикатора

7-сегментный индикатор на 4 разряда  (я брал такие, с общим анодом, не перепутайте)

AT24C512 - внешняя память EEPROM, только если надо логи писать, не обязательно 

78L05 и 78L33 - два стабилизатора, на 5v (питание процессора) и 3.3v (питание блютуски). 

 

остальное:

- кварц на 16 мгц  в металлическом корпусе

- ионистор любой в районе 0.22А 5.5 вольт (см типоразмер на фото платы, чтоб на плату встал) - держать часы при отключении питания

- конденсаторы и резисторы, размер SMD 0805, номиналы смотрите на схеме или спрашивайте если непонятно. Конденсаторы по питанию в цифровой части схемы нарисованы по 1мкф, на деле лучше ставить 0.1 (а вообще пофиг, не влияют особо). Из резисторов интересен только один, R2, номинал 5к, точность 0.1%, брал в чип и дипе аж за целых 60 руб, вот такой . 

- три конденсатора С13, С15 и С15 по 10мкф танталовые (желтые на фото платы выше).

- два дросселя подавления помех, размер SMD 0805, вот такие.

Может еще что забыл, смотрите по схеме.

 

Детальки я частью брал на али, частью в дорогущем чип и дипе. Почему-то не рискнул брать на али чип АЦП и изолятор, не знаю почему. Мега и часовые чипы, и почти все остальное, у меня с али, проблем нет.

 

 

 

 

 

 

[Карен]

Забыл дописать. В архиве со схемой (в предыдущем моем сообщении) кроме схемы в pdf, лежит схема и плата в формате DipTrace. Это на тот случай если кто-то захочет что-то изменить в схеме или на плате (например переделать под имеющиеся у него детали иного размера). 

 

По поводу программы DipTrace. Я, как-то так устроен, что по люблю разбираться досконально в тех вещах, которые меня занимают. Так сказать, получаю удовольствие от процесса. По мне, лучше потерять какое-то время на то, чтобы вникнуть в тему по полной, чем сразу с ходу стараться сделать как проще и быстрее (в меру, конечно). Короче, мой совет - если вы решили заняться электроникой, крайне рекомендую потратить время на освоение DipTrace. Это пакет позволяющий рисовать схемы и переносить их на платы. Далее одним кликом генерится зип-архив (гербер, из которого вам сделают плату). Просто посылаете, например продавцу на али и получаете вашу плату. Да, с непривычки трудно даже просто линию на схеме провести, интерфейс у всех подобных программ весьма нетривиальный, но там отличный учебник в pdf.  Альтернативы пробовали, все гораздо хуже, либо заумно-профессиональные. Разработчики с соседней страны. Для предпоследней версии они на форумах электронщиков сами публиковали ключ для русскоязычной публики. Сейчас тоже есть официальный бесплатный ключ, там есть нюанс, учитывая страну, но ключ есть, официальный от разработчиков, можно найти. Или у меня попросить. Русификатор тоже есть. Альтернатива - этажерки ардуино Тоже вариант, не спорю. Не мой вариант, но вариант.

 

 

 

[Карен]

Карен, у тебя там радиомодуль отдельно, и процессор отдельно? Не проще ли было использовать какой нибудь ESP32?

Ваге, привет. Про ESP32 как раз написал выше, не хочу (пока) комментировать, потихоньку разбираюсь в вопросе. Мне ж  надо как следует, а не по быстрому с интерпретаторами   Пока что меня простенькая маленькая Atmega это устройство которое можно сравнить с маленьким, но абсолютно надежным, и главное, предсказуемым мощным мотоциклом, на котором я доеду куда угодно в любую подворотню. Надежный как швейцарские часы. Программировать на нем - просто песня. Четко, ясно, просто и понятно. Я не про простенькое программирование в среде ардуино. ESP32 - навороченный девайс с кучей возможностей, которые меге и не снились. Как самолет против мотоцикла. Но китайский самолет со всем вытекающими прибабахами. Которые наверняка обходятся. Но с вайфаем. Короче ответ на твой вопрос - нет, не проще. 
 

ESP - его и прошивать, и программировать намного проще, чем отдельно стоящий проц.

Вот тут не понял. У меня на рабочем столе как раз сейчас валяется и ESP32 и мой pH метр с ATmega. Воткнул шнурок в один, тык на кнопку в программе, esp прошился. Воткнул шнурок в другой, тык на батничек, ATMega прошилась. Я проблем не имею. А если у кого они есть, я ж не настаиваю, пишите код для ESP. Я лишь даю информацию - кому надо почитает, возьмет что надо, кому не надо - мне какое дело?

 

И преобразователи напряжения - ты из 12В все конвертируешь для меньшего "хода"? По идее, точное напряжение нужно только для АЦП, можно использовать какой-нибудь хороший источник эталонного напряжения и питать все от банального USB - это бы сильно упростило схему.

Э... не понял... 12 вольт у меня по дому проведено, к тому же любой БП из тех что в розетку втыкают. Питание любое можно на вход давать от 6 до 12, пофиг.
 
Про источник эталонного напряжения - вот это уже вопрос по делу, спасибо. Там ситуация такая - чип АЦП настраивается программно так, что выдает на спец выход ток фиксированной величины 210uA (там несколько вариантов). Ток этот подается на точный (0.1%) резистор 5к, получаем на нем 1.05 вольт. Это напряжение подано как эталонное обратно в АЦП. Это же самое напряжение используется как напряжение смещения для электрода. Иными словами, при pH 7, когда электрод должен выдавать 0 вольт, на АЦП от него поступает 1.05 вольта, что есть ровно середина диапазона измеряемого АЦП в этом конкретном режиме. Когда электрод выдает минус, АЦП видит не минус, а несколько ниже чем 1.05 вольта. То есть мы позиционируем электрод строго в центр диапазона АЦП, при этом электрод целиком в него помещается. И все это делается средствами самой АЦП. Применение сторонних источников референсного напряжения..., лишь усложнит схему не давая никаких преимуществ. Там еще какие-то замуты с этим связаны, я не вник до конца, в мануале пишут, что надо делать именно так.
 

Идея очень интересная, но надо паять много мелких дискретных компонентов, да еще заказывать их по отдельности

Ну не знаю. Заказать - что мелочь (с понятными фиксированными параметрами), что платки разных производителей (порой с непонятной документацией) времени посидеть и заказать. А паять - всю плату, от начала до конца я спаял, наверное, за пол часа. Ну может за час. Аналогичную плату в виде этажерок, где пришлось еще проводочками соединять вот этот вывод в вот тем, ах не с этим, а с вот этим... целый день провозился (когда делал pH метр ала ардуинка и пытался в него еще и гальваническую развязку примострячить. Сделал, раотает. Но удовольствия не получил.

[jusupoff]

На плату прям просится простенькая аварийная сигнализация, свистулька типа "Алярм! ВСЕ пропало!". Если мониторит, пишет лог, то и оперативно предупредить о выходе параметра за заранеее установленные пределы - было бы полезно.

[Карен]

На плату прям просится простенькая аварийная сигнализация, свистулька типа "Алярм! ВСЕ пропало!". Если мониторит, пишет лог, то и оперативно предупредить о выходе параметра за заранеее установленные пределы - было бы полезно.

Особенно ночью. Я сплю в той комнате, где аквариум стоит А так, там на всякий случай три полевика стоят (слева от индикатора) - включать или выключать какую-нибудь 12 вольтовую нагрузку постоянного тока. Ну так, тыкнул на оставшееся место, чтоб были, применения пока не придумал.

[Карен]

Гербер платы:   PH_gerber_new.zip   186,05К   17 скачиваний

 

Фото платы в нормальном качестве, если кому надо детали разглядеть. Гебрер чуток отличается от нее - поправлена ошибка с выводом блютуски (мне пришлось проводком подпаять - видно на фото в первом сообщении.

В связи с тем, что на тех сайтах, где я раньше заказывал платы, перестали посылать к нам продукцию, я заказал на али. Продавцы там тоже постоянно меняются, смысла давать ссылку нет.

 

Ищите на али по фразе типа "PCB Manufacturing". Скорее всего там  будет фото какой-то левой платы и внизу инструкция - написать продавцу на емайл, спросить сколько стоит сделать 5 плат (по моему меньше никто не делает, а если и делает, то за ту же цену) с отправкой в Россию. И сразу в том же письме послать ему гербер.  В ответ продавец пришлет цену. Я написал троим, выбрал лучшую цену. (мне обошлось в районе 1200р с доставкой за 5 плат). Через ТРИ(!) дня платы были сделаны и отправлены. Через неделю (!) я их получил. (А вот из родного чипа и дипа ждал отправки ТРИ месяца, а потом посылку 1.5 месяца. В следующий раз постараюсь все на али брать.

[Карен]

Итак, плата есть, детали есть, паяем.

 

Для совсем уж новичков в этом может быть единственная сложность, но немного руку набить и все будет нормально. Как езда на велике - чуток потренировался и дальше гоняешь не задумываясь.

Самая мелкая деталька на плате - чип АЦП, моя ручная пайка его выглядит так:

 

Я всю эту мелочь паяю обычным паяльником с али, как на фото, рекомендую. Температура регулируется, экранчик прямо на нем, легкий и удобный. Мелочь паяем под лупой на штативчике (я использую бинокуляр - глаза то уже не те, что в молодости). 

 

Припой - однажды нарвался купив катушку вроде нормального по составу припоя, который вообще не паял, мазался как э... как пластилин. Кто-то порекомендовал взять синюю Kaina, с ним все нормально.

 

Флюс - говорят, что хороший флюс сильно облегчает дело, но я в них не разбираюсь, мне частью хватает того что в припое, частью есть какая-то невнятная паста непонятного происхождения. Если что, то можно и по старинке - канифоль в спирте. 

 

В какой последовательности паять. (Пишу для совсем новичков из тех потенциальных героев, кто таки захочет ввязаться во все это дело). Сначала запаиваем все, что касается питания (стабилизаторы на 3.3 и 5 вольт и конденсаторы вокруг них). Включаем питание и смотрим, все ли нормально, нигде не бабахнуло? Это на случай, если что не так с питанием или ошибка на плате - чтобы не убить разом все остальные чипы высоким напряжением. Затем запаиваем самые мелкие чипы. Только потом все остальное. Если вы сначала припаяете высокий индикатор, то дальше будет трудно подлезть паяльником к рядом стоящему чипу. Ну и в конце отмываем от флюса - для аналоговой части это особенно важно. Салфетка со спиртом, изопропанолом, или ацетоном. 

[Карен]

Итак, все спаял (это я уже про себя), включаю. Через минуту плата начинает дико греться... Выключаю. Ага, припаял один из танталовых конденсаторов в обратной полярности, его и пробило, стабилизаторы ушли в защиту. Давно я таких ляпов не делал, старею. Замена конденсатора - пара-тройка минут с разогревом паяльника. Включаю снова - отлично, ничего не греется, диод мигает, значит проц работает и часики тикают. 

 

Дальше будет самое интересное - посмотрим что же в итоге получилось (из серии "ё-моё, что ж я сделал то?"). У центрального элемента схемы (чип АЦП) много разных режимов, мне не все в его даташите понятно (я ж не настоящий сварщик), дальше буду смотреть на практике. Для начала посмотрим насколько чип точен сам по себе, как сильно "шумит" в разных вариантах настроек. Включил, набираю статистику, чуть позже выложу графики шумов.

[Карен]

Ну что, смотрим что получилось.

Сначала смотрим качество чипа АЦП, насколько он сам по себе шумит и как сильно скачут у него показания. 

 

По исходным настройкам, для напряжения +1.05 вольт на входе чип должен выдать нам цифру 0xFFFFFF (16-ричный формат), для -1.05  выдать ноль, и для нуля вольт выдать ровно середину диапазона, 0х1000000 (что соответствует pH=7). Замкнул входы между собой (имитация идеального электрода при pH=7) и и запустил непрерывную конверсию на дефолтной частоте (16 замеров в секунду) с записью сырых данных с чипа в файл (в PC комп по блютусу).

 

За полтора часа набежало 100 тыс измерений. Пересчитываем в pH идеального электрода (у идеального электрода напряжение меняется на 58 mV на единицу pH).

 

16 измерений в секунду, 100 000тыс измерений:

Сказать честно, не ожидал - стандартное отклонение по pH = 0,00019 !!!! (примерно две десятитысячные). Это показывает, что по крайней мере по питанию в разводке ошибок нет и никакие помехи нам не помехи.

 

Дальше. Пробуем переключить скорость конверсии на самую медленную из доступных, примерно 4 раза в секунду. Это был один из непонятных для меня моментов, на что именно должна влиять эта скорость, понятно что чем ниже, тем точнее измерения и меньше шум. Не суть, поставил скорость 4 измерения в секунду и включил запись. пошел гулять на несколько часов. Набрал пол сотни измерений, выглядит так:

 

4 измерения в секунду, 50 тыс измерений:

Стандартное отклонение в пересчете на pH  еще меньше  = 0,00012 !

Отлично, значит сам чип никаких помех вносить не будет. 

 

Завтра буду смотреть какой вклад в точность вносит операционный усилитель, который стоит между АЦП и электродом. 

[Карен]

Да, еще крайне важный момент. Обратите внимание, с какой огромной точностью график совпадает с pH=7.0000. Нет ни намека ни на какой дейф. Для наглядности уменьшил масштаб по вертикали. Почему так? Из-за продуманной схемотехники с правильно устроенным напряжением смещения для электрода и опорным напряжением для АЦП. У китайских популярных модулей схемотехника другая, не буду в детали вдаваться, и так слишком много текста. Скажу только, что с ними так сделать не выйдет и дрейф нулевой точки (PH7) точно будет. Точнее сделать то можно, но перепаивать и проводочками... это как раз тот случай о котором я постоянно говорю - покупаясь на простоту конструирования из модулей вы в итоге получаете гораздо больше сложности, если вдруг вам захочется чего-то большего. А нормальное устройство на плате - сложность схемы не имеет значения, что 5 чипов запаять, что 10, какая разница? 

 

 

И еще один момент. Увеличим график и глянем на сам характер шумов АЦП

Видим абсолютно хаотичные изменения вокруг линии 7.0000. Это значит, что усредняя, например, всего по 4 замера (алгоритмом скользящее среднее), типа у нас не 4, а 1 замер в секунду, мы должны будем получить практически ровную линию. Но это так, полировка того, что и так выше крыши перекрывает наши нужды. (Но может для другого пригодится)

 

[Карен]

Тестируем дальше. Поставил перемычку вместо pH электрода (на схеме красным) чтобы посмотреть какой вклад в шумы вносит операционный усилитель AD8603.  Запускаю 50 000 измерений. 

 

 

Результат странный: шум не увеличился (даже уменьшился - стандартное отклонение 0,00006 - 6 стотысячных единиц pH), но появился сдвиг - должно было быть ровно 7.000. А имеем на 6 сотых меньше. В принципе это не проблема, сдвиг стабилен и не меняется со временем, устраняется установкой нуля при калибровке. Но хотелось бы понять, откуда этот сдвиг. В милливольтах сдвиг примерно 4mV (по даташиту должно быть максимум 0.05 mV). 

 

 

У кого-нибудь есть мысли, почему так могло получиться? 

 

[jusupoff]

Выпаять резистор 10к на выходе операционника и посмотреть что у него реально на выходе. И что на входе ain1+, который повиснет в воздухе.

[Карен]

Выпаять резистор 10к на выходе операционника и посмотреть что у него реально на выходе. И что на входе ain1+, который повиснет в воздухе.

Вот смотри. Чуть раньше я замыкал входы AIN1+ и AIN1- и получал на выходе АЦП цифру строго соответствующую нулевому потенциалу между этими входами. То есть, если потенциал на проводе AIN1+ (относительно AIN1-) равен нулю, то АЦП это показывает правильно и с очень большой точностью - это проверено.

Ставлю перемычку как на схеме выше - АЦП видит смещение на входе AIN1+ (относительно AIN1-) 4mV. Резистор выпаять не трудно, но своим мультиметром я не померю 4mV, у него погрешность больше (я так думаю, не доверяю я его цифрам).

 

Пока что, порывшись в интернете, нашел аналогичный случай, там в итоге проблема с чипом оказалась, то ли бракованный оказался, то ли подделка была. Мой чип был куплен в чип и дипе, там вроде на подделку трудно нарваться. Второго такого же у меня нет, но что-то другое есть, надо поискать, попробую навесным монтажом подпаять и посмотреть,  если получится. Самому интересно что получится.

[jusupoff]

Конкретно с этим ацп не знаком, а вообще из некоторого опыта:
Перемычкой замкнули аин+ и аин-, понятно, потенциал строго ноль. Но если аин+ повесить в воздухе, то на нем может быть потенциал, вплоть до напряжения источника питания. Но измерять его надо прибором с достаточно высоким входным сопротивлением. Мультиметр может и не прокатит.
Попробуйте вместо перемычки между аин+ и - поставить резистор 100к-1М. Если будет смещение по результату АДС, значит это оно. Т.е. есть паразитный потенциал на аин+. Это может быть особенность чипа (надо смотреть даташит, может это в пределах нормы) или брак.

[jusupoff]

Резистор 10к при этом выпаять, чтобы исключить влияние выхода операционника

[Вадим]

Карен, а можете подробнее рассказать про PH электроды.

Т. к. встречаются мнения, что качество измерения (срок службы и т. п.)  сильно зависят от качества самих PH электродов.

И что первостепенен именно сам электрод.

[Карен]

Попробуйте вместо перемычки между аин+ и - поставить резистор 100к-1М. Если будет смещение по результату АДС, значит это оно. Т.е. есть паразитный потенциал на аин+. Это может быть особенность чипа (надо смотреть даташит, может это в пределах нормы) или брак.

Спасибо большое, попробую, напишу результат.

[Карен]

Карен, а можете подробнее рассказать про PH электроды.

Т. к. встречаются мнения, что качество измерения (срок службы и т. п.)  сильно зависят от качества самих PH электродов.

И что первостепенен именно сам электрод.

Давайте я чуть позже про электроды напишу, разбирался с ними тоже. Просто голова сейчас полностью схемотехникой занята, первым пунктом надо нормальную электронику сделать. Конечно, электроды по качеству очень разные, чуть позже об этом.