Medidor de ph usando sensor de pH e Arduino com display OLED
Em química, pH é uma escala usada para especificar o quão ácida ou básica é uma solução à base de água. As soluções ácidas têm um pH mais baixo, enquanto as soluções básicas têm um pH mais alto. Assim, o sensor de Ph tem a capacidade de determinar o Ph de qualquer solução, ou seja, ele diz se a substância é de natureza ácida, básica ou neutra. Conhecendo o Ph, podemos monitorar a qualidade da água na Fazenda Agrícola e também na Piscicultura. Da mesma forma, o sensor de pH tem uma ampla gama de aplicações, como tratamento de águas residuais, produtos farmacêuticos, produtos químicos e petroquímicos.
Neste tutorial básico, aprenderemos como fazer a interface do sensor de pH de gravidade com o Arduino. Projetaremos um medidor de Ph simples e exibiremos o valor de Ph no display OLED/LCD. Também aprenderemos sobre a construção e funcionamento do sensor de pH. Finalmente, aprenderemos o método de calibração que determinará a correção e precisão do sensor. O sensor de pH também pode ser conectado a outros microcontroladores de nível superior, como NodeMCU ESP8266 e STM32, que discutirei no futuro.
Conteudo
Lista de Materiais
A seguir estão os componentes necessários para fazer este projeto. Todos os componentes podem ser facilmente adquiridos no MercadoLivre ou em Lojas no Brasil.
Componente | Descrição | Quantidade | |
---|---|---|---|
1 | Arduino UNO | Arduino UNO R3 Development Board | 1 |
2 | Ph Sensor Kit | Analog Ph Sensor Kit | 1 |
3 | OLED Display | 0.96″ I2C OLED Display | 1 |
4 | Fios de Conexão | Fios de Conexão | 10 |
5 | ProtoBoard | – | 1 |
O que é Ph?
O termo PH é uma medida quantitativa da acidez ou basicidade de soluções aquosas ou outras soluções líquidas. O termo, amplamente usado em química, biologia e agronomia, traduz os valores da concentração do íon hidrogênio, que normalmente varia entre cerca de 1 e 10-14 gramas-equivalentes por litro, em números entre 0 e 14.
Em água pura, que é neutra (nem ácida nem alcalina), a concentração do íon hidrogênio é de 10−7 gramas-equivalentes por litro, o que corresponde a um pH de 7. Uma solução com um pH inferior a 7 é considerada ácida; uma solução com pH superior a 7 é considerada básica ou alcalina.
O que é Ph Meter?
Um medidor de pH é um instrumento científico que mede a atividade do íon hidrogênio em soluções à base de água, indicando sua acidez ou alcalinidade expressa em pH. O medidor de pH mede a diferença de potencial elétrico entre um eletrodo de pH e um eletrodo de referência e, portanto, o medidor de pH é algumas vezes referido como um “medidor de pH potenciométrico“. A diferença no potencial elétrico está relacionada à acidez ou pH da solução.
Construção e funcionamento do medidor de pH
O sensor de pH tem uma estrutura semelhante a uma haste geralmente feita de vidro, com uma lâmpada contendo o sensor na parte inferior. O eletrodo de vidro para medir o pH tem um bulbo de vidro projetado especificamente para ser seletivo quanto à concentração de íons de hidrogênio. Na imersão na solução a ser testada, os íons de hidrogênio na solução de teste trocam por outros íons carregados positivamente no bulbo de vidro, criando um potencial eletroquímico através do bulbo. O amplificador eletrônico detecta a diferença de potencial elétrico entre os dois eletrodos gerados na medição e converte a diferença de potencial em unidades de pH. A magnitude do potencial eletroquímico através do bulbo de vidro está linearmente relacionada ao pH de acordo com a equação de Nernst.
O eletrodo de referência é insensível ao pH da solução, sendo composto por um condutor metálico, que se conecta ao display. Este condutor é imerso em uma solução eletrolítica, tipicamente cloreto de potássio, que entra em contato com a solução teste através de uma membrana cerâmica porosa. O display consiste em um voltímetro, que exibe a tensão em unidades de pH.
Kit de sensor/Medidor de pH analógico de gravidade
Sensor Ph Gravity: O medidor de pH analógico é projetado especificamente para medir o pH da solução e refletir a acidez ou alcalinidade. Como uma versão atualizada do medidor de pH V1, o sensor melhora muito a precisão e a experiência do usuário. O chip regulador de tensão integrado suporta o amplo fornecimento de tensão de 3,3 ~ 5,5V. O sinal de saída filtrado pelo hardware tem baixo jitter. Com este Sensor de Ph, você pode construir rapidamente o medidor de pH para medir o valor de Ph das diferentes soluções aquosas.
Características
1. Tensão de entrada: 3,3 ~ 5,5V
2. Sinal de saída filtrado por hardware, baixo jitter
3. Conector de gravidade e conector BNC
4. Calibração fácil
5. Tamanho uniforme do sensor e conector para fácil ajuste mecânico.
Especificações
O kit do sensor de pH possui placa de conversão de sinal (transmissor) V2 e também sonda de pH. Ambos estão conectados um com o outro. Os recursos de ambas as partes são os seguintes.
Placa de conversão de sinal (transmissor)
1. Tensão de alimentação: 3,3~5,5V
2. Tensão de saída: 0~3,0 V
3. Conector de sonda: BNC
4. Conector de sinal: PH2.0-3P
5. Precisão de medição: ± 0,1@25℃
6. Dimensão: 42 mm*32 mm/1,66*1,26 pol.
Sonda de pH
1. Tipo de Sonda: Grau de Laboratório
2. Faixa de detecção: 0~14
3. Faixa de temperatura: 5~60°C
4. Ponto Zero: 7±0,5
5. Tempo de resposta: <2min
6. Resistência interna: <250MΩ
7. Vida da sonda:> 0,5 anos (dependendo da frequência de uso)
8. Comprimento do cabo: 100 cm
Interface do sensor de pH analógico de gravidade com o Arduino
Agora vamos fazer a interface do sensor Ph com o Arduino usando o código simples do Arduino. A conexão é bastante simples e o circuito/esquema é fornecido abaixo.
O sensor Ph possui 3 pinos que precisam ser conectados ao Arduino. Portanto, conecte o pino VCC a 5V do Arduino e o GND ao GND. Conecte seu pino analógico ao A0 do Arduino, conforme mostrado na imagem acima.
Código Fonte/Programa
O código-fonte para a interface do sensor de gravidade Ph com o Arduino é fornecido abaixo. Simplesmente copie o código e carregue-o na placa Arduino.
#define SensorPin A0 //A saída analógica do medidor de pH está conectada com o analógico do Arduino unsigned long int avgValue; //Armazene o valor médio do feedback do sensor float b; int buf[10],temp; void setup() { pinMode(13,OUTPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("Ready"); //Teste o monitor serial } void loop() { for(int i=0;i<10;i++) //Obtenha 10 valores de amostra do sensor para suavizar o valor { buf[i]=analogRead(SensorPin); delay(10); } for(int i=0;i<9;i++) //classificar o analógico de pequeno para grande { for(int j=i+1;j<10;j++) { if(buf[i]>buf[j]) { temp=buf[i]; buf[i]=buf[j]; buf[j]=temp; } } } avgValue=0; for(int i=2;i<8;i++) //pegue o valor médio de 6 amostras de centro avgValue+=buf[i]; float phValue=(float)avgValue*5.0/1024/6; //converter o analógico em milivolt phValue=3.5*phValue; //converter o milivolt em valor de pH Serial.print(" pH:"); Serial.print(phValue,2); Serial.println(" "); digitalWrite(13, HIGH); delay(800); digitalWrite(13, LOW); }
Solução aquosa para testar o pH de diferentes soluções
Para testar o medidor de Ph projetado acima, usei 4 soluções diferentes com valores de Ph diferentes. Eu peguei as seguintes soluções
1. Água com sabão: o valor de pH está em torno de 9-10
2. Leite: o valor do pH está em torno de 6,5 a 6,7
3. Água encanada: o valor do pH está em torno de 6,5 a 8,5
4. Suco de limão: o valor do pH está entre 2 e 3
Teste e resultados
Depois que o código é carregado para a placa Arduino, você pode abrir o monitor serial e começar a testar o sensor de pH. Testei o sensor de pH com todas as 4 soluções fornecidas acima e encontrei os seguintes resultados
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Interface do sensor de ph com Arduino e display OLED
Agora, vamos exibir o valor Ph no display OLED em vez do monitor serial. Para fazer isso, precisamos adicionar um display OLED I2C de 0,96 ″ ao Arduino Uno. Portanto, o diagrama de conexão é mostrado abaixo.
A conexão é bastante simples novamente. Conecte o pino analógico do sensor de pH ao pino A0 do Arduino e forneça 5 V a ele. Além disso, conecte o pino SDA SCL do display OLED ao pino Arduino A4 e A5 respectivamente
Código Fonte/Programa
O código-fonte para fazer a interface do sensor de gravidade Ph com o Arduino e o display OLED é fornecido abaixo. Simplesmente copie o código e carregue-o na placa Arduino.
#include <Wire.h> #include <Adafruit_GFX.h> #include <Adafruit_SSD1306.h> #define SensorPin 0 //a saída analógica do medidor de pH está conectada com o analógico do Arduino unsigned long int avgValue; //Armazene o valor médio do feedback do sensor float b; int buf[10],temp; #define SCREEN_WIDTH 128 // Largura da tela OLED, em pixels #define SCREEN_HEIGHT 64 // Altura da tela OLED, em pixels #define OLED_RESET -1 // Redefina o pino nº (ou -1 se estiver compartilhando o pino de redefinição) Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET); void setup() { pinMode(13,OUTPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("Ready"); //Teste o monitor serial if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { Serial.println(F("Falha na alocação de SSD1306")); for(;;); // Não continue, faça um loop para sempre } display.display(); delay(2); display.clearDisplay(); display.clearDisplay(); display.setTextColor(WHITE); display.setTextSize(2); display.setCursor(0,5); display.print("PH Sensor"); display.display(); delay(3000); } void loop() { for(int i=0;i<10;i++) //Obtenha 10 valores de amostra do sensor para suavizar o valor { buf[i]=analogRead(SensorPin); delay(10); } for(int i=0;i<9;i++) //classificar o analógico de pequeno para grande { for(int j=i+1;j<10;j++) { if(buf[i]>buf[j]) { temp=buf[i]; buf[i]=buf[j]; buf[j]=temp; } } } avgValue=0; for(int i=2;i<8;i++) //pegue o valor médio de 6 amostras de centro avgValue+=buf[i]; float phValue=(float)avgValue*5.0/1024/6; //converter o analógico em milivolt phValue=3.5*phValue; //converter o milivolt em valor de pH Serial.print(" pH:"); Serial.print(phValue,2); Serial.println(" "); display.clearDisplay(); display.setTextSize(2); display.setCursor(20,0); display.println("Ph Value"); display.setTextSize(3); display.setCursor(30,30); display.print(phValue); display.display(); digitalWrite(13, HIGH); delay(800); digitalWrite(13, LOW); }
Teste e resultados
Assim que o código for carregado, o display OLED começará a mostrar o valor de Ph. Mergulhar o eletrodo de Ph em soluções diferentes resultará em valores diferentes, conforme mostrado nas imagens abaixo.
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Calibração do sensor de pH
Se você trabalhou com medição de PH antes, você saberá que os valores de PH variam de 0-14. Onde PH 0 é muito ácido, PH 7 será neutro e PH 14 muito alcalino. O maior problema ao usar o Sensor Ph é sobre a calibração. Uma vez que o sensor Ph é um sensor analógico, há uma necessidade de calibração, pois a saída depende da tensão. Portanto, precisamos de uma solução cuja força de Ph seja conhecida por nós. Existem várias soluções de buffer disponíveis no mercado cujo PH é fixo.
O método mais simples para calibrar o sensor de Ph é mergulhar o eletrodo de ph na solução de força conhecida e observar a leitura. Por exemplo, quando o eletrodo é mergulhado em uma solução cujo valor de pH é 7, a leitura deve mostrar 7. Caso não mostre a leitura correta, você precisa girar o potenciômetro colocado na placa de conversão de sinal (transmissor). Uma vez que a leitura corresponda, você pode parar de girar e, portanto, o sensor é calibrado.
Nota: No meu caso, usei Leite para calibrar o sensor, pois não tinha nenhuma solução tampão. O ph do leite está entre 6,5 e 6,7. Portanto, você também pode usar o Leite para calibração.
Precauções e coisas a seguir
1. O conector BNC e a placa de conversão de sinal devem ser mantidos secos e limpos, caso contrário, isso afetará a impedância de entrada, resultando em uma medição imprecisa. Se estiver úmido, precisa ser secado.
2. A placa de conversão de sinal não pode ser colocada diretamente em uma superfície úmida ou semicondutora, caso contrário, afetará a impedância de entrada, resultando em uma medição imprecisa. Recomenda-se a utilização do pilar de nylon para fixar a placa de conversão do sinal, deixando uma certa distância entre a placa de conversão do sinal e a superfície.
3. A bolha de vidro sensível na cabeça da sonda de pH deve evitar tocar no material duro. Qualquer dano ou arranhão fará com que o eletrodo falhe.
4. Após completar a medição, desconecte a sonda de pH da placa de conversão de sinal. A sonda de pH não deve ser conectada à placa de conversão de sinal sem a fonte de alimentação por muito tempo.