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20 分钟

使用EZO™ pH和STM32F446RE在各种应用中测量氢离子浓度(pH)

液体pH分析的首选解决方案!

EZO Carrier Click - pH with Nucleo 64 with STM32F446RE MCU

已发布 10月 08, 2024

点击板

EZO Carrier Click - pH

开发板

Nucleo 64 with STM32F446RE MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F446RE

确定液体的酸性或碱性,其范围从强酸到强碱。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

EZO Carrier Click - pH 基于 Atlas Scientific 的 EZO™ pH,这是一款 pH 测量接口电路板。它允许您通过将探头插入要测量 pH 的溶剂中来连接 pH 测量探头,该探头测量氢离子的浓度。EZO Carrier Click - pH 配有 BNC 连接器,用于连接适当的探头,MIKROE 也提供此类探头。EZO™ pH 需要与主机 MCU 隔离;因此,该 Click™ 板配备了 Skyworks 的双向隔离器 Si8400AB。该隔离器提供标准的双向和 I2C 通信,时钟频率高达 1.7MHz。EZO™ pH 电路是一种非

常灵敏的设备,灵敏度赋予 pH 电路其准确性。它能够读取泄漏到溶剂中的微电压。因此,除了 Si8400AB 隔离器外,为了消除电噪声,电源电压也被隔离。为此,该 Click™ 板配备了 Recom 的 ROE-0505S DC/DC 转换器。EZO™ pH 具有灵活的校准协议,允许单点、两点或三点校准。应考虑温度补偿。EZO™ pH 具有睡眠模式、连续操作、查找功能、导出/导入校准、模块状态 LED 等功能。EZO Carrier Click - pH 可以使用标准的 2 线 UART 接口与主机 MCU 通信,默

认波特率为 9600bps。在使用 UART 接口时,您可以使用我们提供的库或简单的 ASCII 命令集。您还可以通过 COMM SEL 跳线选择标准的 2 线 I2C 接口。此 Click™ 板可以通过 VCC SEL 跳线选择 3.3V 或 5V 逻辑电压级别进行操作。这样,具有 3.3V 和 5V 功能的 MCU 都可以正确使用通信线。另外,此 Click™ 板配有包含易于使用功能和示例代码的库,可用于进一步开发。

EZO Carrier Click - pH hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F446RE MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于 ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32F446RE MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

512

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

131072

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

SMA Male to BNC Female Adapter 是一种高性能连接器,旨在无缝连接具有 SMA 公头和 BNC 母头接口的设备。具有 50 欧姆阻抗和最高 4GHz 频率,此适配器确保可靠的信号完整性。其镀金中心接触点最大限度地减少信号损失,而镀镍黄铜外壳增强了耐腐蚀性。这种直式适配器应用广泛,散装包装,品牌为 Amphenol RF。其磷青铜接触材料增加了耐用性。无论是在同轴电缆改造应用中、同轴电缆延长中,还是在需要接口转换的 OEM 同轴设置中,此适配器都是不可或缺的。在简洁的设计中,它简化了不同接口类型设备的互连,使其成为测试实验室和现场环境中的必备工具。适配器的坚固结构和适应性解决了互连难题,为需要高质量同轴连接的各种场景提供了可靠的解决方案。

EZO Carrier Click - pH accessories 2 image

该探头可用于所有带有 BNC 连接输入的 pH 计,并配有 1 米长的电缆。探头的敏感部分(球形)部分由探头的塑料外壳保护,减少了机械损伤的可能性。EPH101 用于测量各种液体的 pH 值(由于塑料保护的存在),并且可以浸入系统中流动的液体中。它储存在一个具有非常长保质期的塑料凝胶瓶中。pH(氢离子浓度)探头测量液体中的氢离子活性。pH 探头尖端的膜允许液体中的氢离子扩散到膜的外层,而较大的离子则留在溶液中。探头外部与 pH 探头内部的氢离子浓度差异会产生一个与测量液体中氢离子浓度成比例的小电流。

EZO Carrier Click - pH accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
NC
NC
RST
ID COMM
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
NC
NC
PWM
NC
NC
INT
UART TX
PA2
TX
UART RX
PA3
RX
I2C Clock
PB8
SCL
I2C Data
PB9
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

EZO Carrier Click - pH Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F446RE MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Nucleo-64 with STM32XXX MCU Access MB 1 Mini B Conn - upright/background hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

该库包含 EZO Carrier Click - pH 驱动程序的 API。

关键功能:

  • ezocarrierph_send_cmd - 发送命令功能。

  • ezocarrierph_send_cmd_with_par - 带参数的发送命令功能。

  • ezocarrierph_send_cmd_check - 检查已发送的命令。

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * @file main.c
 * @brief EZO Carrier pH Click Example.
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of EZO Carrier pH click board by processing
 * the incoming data and displaying them on the USB UART.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the driver, performs the click default factory reset, and mid point calibration.
 *
 * ## Application Task
 * Reads and processes all incoming pH value data and displays them on the USB UART.
 *
 * ## Additional Function
 * - static void ezocarrierph_clear_app_buf ( void )
 * - static void ezocarrierph_log_app_buf ( void )
 * - static err_t ezocarrierph_process ( ezocarrierph_t *ctx )
 * - static err_t ezocarrierdo_rsp_check ( ezocarrierdo_t *ctx, uint8_t *rsp )
 * - static void ezocarrierdo_error_check ( err_t error_flag )  
 *
 * @author Stefan Ilic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "ezocarrierph.h"

// Application buffer size
#define APP_BUFFER_SIZE             200
#define PROCESS_BUFFER_SIZE         200

static ezocarrierph_t ezocarrierph;
static log_t logger;

static uint8_t app_buf[ APP_BUFFER_SIZE ] = { 0 };
static int32_t app_buf_len = 0;
static err_t error_flag;

/**
 * @brief EZO Carrier pH clearing application buffer.
 * @details This function clears memory of application buffer and reset its length.
 * @note None.
 */
static void ezocarrierph_clear_app_buf ( void );

/**
 * @brief EZO Carrier pH log application buffer.
 * @details This function logs data from application buffer to USB UART.
 * @note None.
 */
static void ezocarrierph_log_app_buf ( void );

/**
 * @brief EZO Carrier pH data reading function.
 * @details This function reads data from device and concatenates data to application buffer. 
 * @param[in] ctx : Click context object.
 * See #ezocarrierph_t object definition for detailed explanation.
 * @return @li @c  0 - Read some data.
 *         @li @c -1 - Nothing is read.
 * See #err_t definition for detailed explanation.
 * @note None.
 */
static err_t ezocarrierph_process ( ezocarrierph_t *ctx );

/**
 * @brief Response check.
 * @details This function checks for response and
 * returns the status of response.
 * @param[in] rsp  Expected response.
 * @return @li @c  0 - OK response.
 *         @li @c -1 - Error response.
 *         @li @c -2 - Timeout error.
 * See #err_t definition for detailed explanation.
 */
static err_t ezocarrierph_rsp_check ( ezocarrierph_t *ctx, uint8_t *rsp );

/**
 * @brief Check for errors.
 * @details This function checks for different types of
 * errors and logs them on UART or logs the response if no errors occured.
 * @param[in] error_flag  Error flag to check.
 */
static void ezocarrierph_error_check ( err_t error_flag );

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    ezocarrierph_cfg_t ezocarrierph_cfg;  /**< Click config object. */

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, " Application Init " );

    // Click initialization.
    ezocarrierph_cfg_setup( &ezocarrierph_cfg );
    EZOCARRIERPH_MAP_MIKROBUS( ezocarrierph_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( UART_ERROR == ezocarrierph_init( &ezocarrierph, &ezocarrierph_cfg ) ) 
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_printf( &logger, "Device status \r\n" );
    ezocarrierph_send_cmd( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_STATUS );
    error_flag = ezocarrierph_rsp_check( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_RSP_OK );
    ezocarrierph_error_check( error_flag );

    log_printf( &logger, "Factory reset \r\n" );
    ezocarrierph_send_cmd( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_FACTORY );
    error_flag = ezocarrierph_rsp_check( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_RSP_READY );
    ezocarrierph_error_check( error_flag );

    log_printf( &logger, "Device info \r\n" );
    ezocarrierph_send_cmd( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_DEV_INFO );
    error_flag = ezocarrierph_rsp_check( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_RSP_OK );
    ezocarrierph_error_check( error_flag );

    uint8_t n_cnt = 0;
    uint8_t last_reading[ APP_BUFFER_SIZE ] = { 0 };
    ezocarrierph_clear_app_buf( );
    ezocarrierph_send_cmd( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_SINGLE_READ );
    ezocarrierph_process ( &ezocarrierph );
    strcpy( last_reading, app_buf );
    log_printf( &logger, "Mid point calibration \r\n" );
    log_printf( &logger, "- - - - - - - - - - - - - - -\r\n" );
    log_printf( &logger, "Place probe into pH neutral solution \r\n" );
    Delay_ms( 5000 );
    log_printf( &logger, "Starting calibration \r\n" );
    log_printf( &logger, "- - - - - - - - - - - - - - -\r\n" );
    log_printf( &logger, "Waiting for stable readings \r\n" );
    while ( n_cnt <= 5 )
    {
        if ( EZOCARRIERPH_OK == ezocarrierph_process ( &ezocarrierph ) )
        {  
            if ( 0 == strstr( app_buf, last_reading ) )
            {
                n_cnt++;
            }
            else
            {
                strcpy( last_reading, app_buf );
                n_cnt = 0;
            }
        }
        log_printf( &logger, "- " );
        Delay_ms( 1000 );
        ezocarrierph_clear_app_buf( );
    }
    
    #define MID_POINT_CALIB         "mid,7.00"
    log_printf( &logger, "\r\n Calibration \r\n" );
    ezocarrierph_send_cmd_with_par( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_CAL, MID_POINT_CALIB );
    error_flag = ezocarrierph_rsp_check( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_RSP_OK );
    ezocarrierph_error_check( error_flag );

    #define DISABLE_CONT_READ       "0"
    log_printf( &logger, "Disable continuous reading mode \r\n" );
    ezocarrierph_send_cmd_with_par( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_CONT_READ, DISABLE_CONT_READ );
    error_flag = ezocarrierph_rsp_check( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_RSP_OK );
    ezocarrierph_error_check( error_flag );

    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void ) 
{
    log_printf( &logger, "Reading... \r\n" );
    ezocarrierph_send_cmd( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_CMD_SINGLE_READ );
    error_flag = ezocarrierph_rsp_check( &ezocarrierph, EZOCARRIERPH_RSP_OK );
    ezocarrierph_error_check( error_flag );
    Delay_ms( 5000 );
}

void main ( void ) 
{
    application_init( );

    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }
}

static void ezocarrierph_clear_app_buf ( void ) 
{
    memset( app_buf, 0, app_buf_len );
    app_buf_len = 0;
}

static void ezocarrierph_log_app_buf ( void )
{
    for ( int32_t buf_cnt = 0; buf_cnt < app_buf_len; buf_cnt++ )
    {
        log_printf( &logger, "%c", app_buf[ buf_cnt ] );
    }
}

static err_t ezocarrierph_process ( ezocarrierph_t *ctx ) 
{
    uint8_t rx_buf[ PROCESS_BUFFER_SIZE ] = { 0 };
    int32_t overflow_bytes = 0;
    int32_t rx_cnt = 0;
    int32_t rx_size = ezocarrierph_generic_read( ctx, rx_buf, PROCESS_BUFFER_SIZE );
    if ( ( rx_size > 0 ) && ( rx_size <= APP_BUFFER_SIZE ) ) 
    {
        if ( ( app_buf_len + rx_size ) > APP_BUFFER_SIZE ) 
        {
            overflow_bytes = ( app_buf_len + rx_size ) - APP_BUFFER_SIZE;
            app_buf_len = APP_BUFFER_SIZE - rx_size;
            memmove ( app_buf, &app_buf[ overflow_bytes ], app_buf_len );
            memset ( &app_buf[ app_buf_len ], 0, overflow_bytes );
        }
        for ( rx_cnt = 0; rx_cnt < rx_size; rx_cnt++ ) 
        {
            if ( rx_buf[ rx_cnt ] ) 
            {
                app_buf[ app_buf_len++ ] = rx_buf[ rx_cnt ];
            }
        }
        return EZOCARRIERPH_OK;
    }
    return EZOCARRIERPH_ERROR;
}

static err_t ezocarrierph_rsp_check ( ezocarrierph_t *ctx, uint8_t *rsp )
{
    uint32_t timeout_cnt = 0;
    uint32_t timeout = 10000;
    err_t error_flag = EZOCARRIERPH_OK;
    ezocarrierph_clear_app_buf( );
    while ( ( 0 == strstr( app_buf, rsp ) ) &&
    ( 0 == strstr( app_buf, EZOCARRIERPH_RSP_ERROR ) ) )
    {
        error_flag |= ezocarrierph_process( ctx );
        if ( timeout_cnt++ > timeout )
        {
            ezocarrierph_clear_app_buf( );
            return EZOCARRIERPH_ERROR_TIMEOUT;
        }
        Delay_ms( 1 );
    }
    Delay_ms( 100 );
    error_flag |= ezocarrierph_process( ctx );
    if ( strstr( app_buf, rsp ) )
    {
        return EZOCARRIERPH_OK;
     }
    else if ( strstr( app_buf, EZOCARRIERPH_RSP_ERROR ) )
    {
        return EZOCARRIERPH_ERROR;
    }
    else
    {
        return EZOCARRIERPH_ERROR;
    }
}

static void ezocarrierph_error_check ( err_t error_flag )
{
    switch ( error_flag )
    {
        case EZOCARRIERPH_OK:
        {
            ezocarrierph_log_app_buf( );
            break;
        }
        case EZOCARRIERPH_ERROR:
        {
            log_error( &logger, " Error!" );
            break;
        }
        case EZOCARRIERPH_ERROR_TIMEOUT:
        {
            log_error( &logger, " Timeout!" );
            break;
        }
        default:
        {
            log_error( &logger, " Unknown!" );
            break;
        }
    }
    log_printf( &logger, "- - - - - - - - - - - - - - -\r\n" );
    Delay_ms( 500 );
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

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