====== Датчик кислотности жидкости (pH-метр): инструкция, схемы и примеры использования ======
Используйте [[amp>product/troyka-ph-sensor?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|pH-сенсор]] 
для определения уровня кислотности жидкости. Сенсор поможет контролировать комфортную среду для выращивания растений, мониторить уютные условия для рыбок в аквариуме и приготовить настоящий квас.

{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor.1.jpg?nolink |}}

===== Принцип работы =====

В состав pH-датчика входит измерительный щуп и плата управления.

{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-probe.png?nolink |}}

Щуп сенсора выполнен в пластиковом герметичном цилиндре с двумя электродами на конце. При погружении в измеряемый раствор или воду между электродами возникает разность потенциалов, которое фиксирует и обрабатывает плата управления. А теперь немного подробнее.

Плата управления считывает разность потенциалов между электродами. При погружении в жидкость, между электродами возникает сопротивления, которое пропорционально электропроводности раствора. Далее сигнал стабилизируется и усиливается с помощью операционных усилителей. На выходе сигнал проходит фильтрацию и поступает на выходной сигнал платы.

Датчик измеряет водородный показатель рН (лат. _potentia Hydrogenii_) — мера кислотности, которая отражает концентрацию ионов водорода в жидкости. Различают три степени кислотности водных растворов:

  * pH<7 — кислотная среда;
  * pH=7 — нейтральная среда;
  * pH>7 — щелочная среда.
===== Пример работы для Arduino и XOD =====

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформу из серии [[amp>collection/arduino?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Arduino]], например, [[amp>product/arduino-uno?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Arduino Uno]].

<WRAP center round tip 50%>
  * [[amp>page/arduino-ide?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Как начать работу с Arduino?]]
  * [[amp>page/xod-ide?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Как начать работу с XOD?]]
</WRAP>

==== Схема устройства ====
  - Подключите измерительный pH-щуп к плате обработки сигнала через BNC-разъём.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-probe.png?nolink |}}
  - Выберите один из вариантов коммуникации:
    - Подключите датчик кислотности с щупом к аналоговому пину ''A0'' платформы Arduino. Для коммуникации понадобятся [[amp>product/wire-fm?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|соединительные провода «мама-папа»]].{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-arduino.png?nolink |}}
    - Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения [[amp>product/arduino-troyka-shield?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Troyka Shield]], которая одевается сверху на Arduino Uno методом бутерброда. Для коммуникации используйте [[amp>product/3-wire-cable-digital-troyka?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|трёхпроводной шлейф «мама-мама»]], который идёт в комплекте с датчиком. {{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-arduino-troyka-shield.png?nolink |}}
    - С [[amp>product/arduino-troyka-slot-shield?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Troyka Slot Shield]] провода не понадобятся вовсе.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-arduino-troyka-slot-shield.png?nolink |}}


==== Код для Arduino IDE ====

Прошейте платформу Arduino скетчем, приведённым ниже.

<code C troyka-ph-sensor-example-arduino-read-data.ino>
// Определяем ядро платы Arduino
// для установки рабочего напряжения и
// коэффициента смещения нуля
#if defined(__AVR__)
#define OPERATING_VOLTAGE   5.0
#define ZERO_SHIFT          0
#else
#define OPERATING_VOLTAGE   3.3
#define ZERO_SHIFT          1.1
#endif

// Коэффициент перевода напряжения в концентрацию pH
#define CALIBRATION_FACTOR  3.5

// Назначаем пин для подключения датчика
constexpr auto pinSensor = A0;
 
void setup() {
  // Открываем Serial-порт
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
  // Считываем аналоговое значение с датчика кислотности жидкости
  int adcSensor = analogRead(pinSensor);
  // Переводим данные сенсора в напряжение
  float voltageSensor = adcSensor * OPERATING_VOLTAGE / 1023;
  // Конвертируем напряжение в концентрацию pH
  float pHSensor = CALIBRATION_FACTOR * (voltageSensor + ZERO_SHIFT);
  // Выводим данные в Serial-порт
  Serial.print("Voltage: ");
  Serial.print(voltageSensor);
  Serial.print(" V");
  Serial.print("\t");
  Serial.print("Value: ");
  Serial.print(pHSensor);
  Serial.println(" pH");
  delay(1000);
}
</code>

После загрузки скетча, в Serial-порт будут выводиться текущие показания кислотности жидкости.


===== Пример для Espruino =====

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформы из серии [[amp>collection/espruino?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Espruino]], например, [[amp>product/iskra-js?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Iskra JS]].

<WRAP center round tip 50%>
[[:js:ide|Как начать работу с Espruino?]]
</WRAP>

==== Схема устройства ====
  - Подключите измерительный pH-щуп к плате обработки сигнала.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-probe.png?nolink |}}
  - Выберите один из вариантов коммуникации:
    - Подключите датчик кислотности жидкости к аналоговому пину ''A0'' платформы Iskra JS. Для коммуникации понадобятся [[amp>product/wire-fm?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|соединительные провода «мама-папа»]].{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-espruino.png?nolink |}}
    - Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения [[amp>product/arduino-troyka-shield?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Troyka Shield]], которая одевается сверху на Iskra JS методом бутерброда. Для коммуникации используйте [[amp>product/3-wire-cable-digital-troyka?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|трёхпроводной шлейф «мама-мама»]], который идёт в комплекте с датчиком.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-espruino-troyka-shield.png?nolink |}}
    - С [[amp>product/arduino-troyka-slot-shield?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Troyka Slot Shield]] провода не понадобятся вовсе.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-espruino-troyka-slot-shield.png?nolink |}}
==== Исходный код ====

Прошейте платформу Iskra JS скриптом, приведённым ниже.

<code javascript troyka-ph-sensor-example-espruino-read-data.js>
// Коэффициент смещения нуля
var zeroShift = 1.1;
// Коэффициент для вычисления pH
var calibrationFactor = 3.5;
// Назначаем пин для подключения датчика
var pinSensor = A0;

// Выводим показания датчика каждую секунду
setInterval(function() {
  // Считываем аналоговое значение с датчика кислотности жидкости
  var adcSensor = analogRead(pinSensor);
  // Переводим данные сенсора в напряжение
  var voltageSensor = adcSensor * 3.3;
  // Конвертируем напряжение в концентрацию pH
  var pHSensor = (voltageSensor + zeroShift) * calibrationFactor;
  // Выводим данные в консоль
  print('Voltage:', voltageSensor.toFixed(2), 'V', 'Value:', pHSensor.toFixed(2), 'pH');
}, 1000);

</code>

После загрузки скрипта, в консоль будут выводиться текущие показания кислотности жидкости.
===== Пример для Raspberry Pi =====

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим одноплатные компьютеры [[amp>collection/raspberry-pi?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Raspberry Pi]], например, [[amp>product/raspberry-pi-4-model-b-4-gb?utm_source=man&utm_campaigtroyka-ph-sensorn=sensor-soil-moisture-resistive&utm_medium=wiki|Raspberry Pi 4]].

<WRAP center round tip 50%>
[[articles:rpi-guide|Подготовь Raspberry Pi]]
</WRAP>

==== Схема устройства ====
<WRAP center round info 85%>
К сожалению, в компьютере Raspberry Pi нет встроеенного аналого-цифрового преобразователя. Используйте плату расширения [[amp>product/raspberry-troyka-cap?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Troyka Cap]], которая добавит малине аналоговые пины.
</WRAP>
  - Подключите измерительный pH-щуп к плате обработки сигнала через BNC-разъём.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-probe.png?nolink |}}
  - Подключите датчик кислотности к Raspberry Pi через плату расширения [[amp>product/raspberry-troyka-cap?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Troyka Cap]] к пину ''3''. Для коммуникации используйте [[amp>product/3-wire-cable-digital-troyka?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|трёхпроводной шлейф «мама-мама»]], который идёт в комплекте с датчиком.{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-wiring-raspberry-pi-troyka-cap.png?nolink |}}
==== Программная настройка ====

  - [[articles:rpi-guide|Подготовь Raspberry Pi]]
  - [[продукты:raspberry-troyka-cap|Настройте плату расширения Troyka Cap]]

==== Исходный код ====

Запустите на малине скрипт, приведённый ниже.

<code python troyka-ph-sensor-example-raspberry-pi-read-data.py>
# Библиотека для работы со временем и задержками
import time
# Библиотека для работы с расширителем портов GPIO Expander на плате Troyka Cap
import gpioexp
# Создаём объект для работы с расширителем портов
exp = gpioexp.gpioexp()

# Пин к которому подключён pH-датчик
# Любой GPIO пин платы расширения Troyka Cap
pinSensor = 3
# Коэффициент для вычисления pH
calibrationFactor = 3.5
# Коэффициент смещения нуля
zeroShift = 1.1

while True:
    # Считываем аналоговое значение с датчика кислотности жидкости
    adcSensor = exp.analogRead(pinSensor)
    # Переводим данные сенсора в напряжение
    voltageSensor = adcSensor * 3.3
    # Конвертируем напряжение в концентрацию pH
    pHSensor = (voltageSensor + zeroShift) * calibrationFactor
    # Выводим показания датчика в консоль
    print('Voltage: ', voltageSensor, ' pH', 'Value: ', pHSensor, ' pH')
    # Ждём 1000 мс
    time.sleep(1)

</code>

После загрузки скрипта, в консоль малины будут выводиться текущие показания кислотности жидкости.
===== Элементы платы =====
Датчик кислотности жидкости состоит из измерительного pH-щупа и платы обработки сигнала.
{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-annotation.png?nolink |}}

==== Измерительные электроды ====

Для контакта с жидкостью на щупе сенсора расположены два электрода, которые необходимо опустить в измеряемую жидкость для считывания концентрации кислотности.


==== Разъём подключения pH-щупа ====
Измерительный щуп подключается к плате управления через BNC-разъём Female и Male соответственно.

==== ОУ для обработки сигнала  ====

На плате расположена схема, которая усиливает электрохимическую разность потенциалов, создаваемую на щупе тестируемым электролитом. Ключевыми элементами схемы являются два операционных усилителя:
 
  * {{ :products:troyka-ph-sensor:ca3140amz-datasheet.pdf |CA3140AMZ}} включен по схеме интегрирующего усилителя, для фиксирования сигнала на некотором интервале времени.
  * {{ :products:troyka-ph-sensor:tl081bcd-datasheet.pdf |TL081BCD}} усиливает выходной сигнал для последующего считывания внешними контроллерами.





==== Регулятор напряжения ====

В схеме используется двухполярное питание с двумя плечами и общей точкой GND: 
  * положительное плечо Vcc: поступает от внешнего источника питания через контакт V. Диапазон рабочего напряжения от 3,3 до 5 вольт.
  * отрицательное плечо -Vcc (Vss): поступает с выхода инвертирующего регулятора {{:products:troyka-ph-sensor:tps60403dbvr-datasheet.pdf |TPS60403}}. Входное напряжение на регулятор подаётся с положительного плеча Vcc и инвертируется преобразователем в -Vcc (Vss) с максимальным выходным током 60 мА.


==== Troyka-контакты ====

Датчик подключается к управляющей электронике через три провода.

  * Сигнальный (S) — выходной сигнал сенсора. Подключите к аналоговому пину микроконтроллера. Напряжение на выходе датчика прямо пропорционально уровню pH. Диапазон выходного напряжения: 0–4 В при питании 5 В и 0–2,6 В при питании 3,3 В. 
  * Питание (V) — соедините с рабочим напряжением микроконтроллера.
  * Земля (G) — соедините с землёй микроконтроллера.




===== Принципиальная и монтажная схемы =====

{{:products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-schematic.png?direct&510 |}}
{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-layout-top.png?direct&160|}}
{{ :products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-layout-bottom.png?direct&160|}}

<WRAP clear></WRAP>

===== Габаритный чертёж =====

==== Плата обработки сигнала ====
[[this>_media/products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-dimensions.pdf|{{:products:troyka-ph-sensor:troyka-ph-sensor-dimensions.png}}]]

==== Измерительный щуп ====
[[this>_media/products:troyka-ph-sensor:ph-probe-dimensions.pdf|{{:products:troyka-ph-sensor:ph-probe-dimensions.png}}]]

===== Характеристики =====

  * Напряжение питания: 3,3–5 В
  * Потребляемый ток: до 25 мА
  * Интерфейс: аналоговый сигнал
  * Диапазон выходного сигнала:
    * При питании 5 В: 0–4 В
    * При питании 3,3 В: 0–2,6 В
  * Диапазон измерений: 0–14 pH
  * Длина кабеля щупа: 0,9 м
  * Габариты модуля: 25×25×39 мм
  * Габариты щупа: 144×20×20 мм
===== Ресурсы =====
  * [[amp>product/troyka-ph-sensor?utm_source=man&utm_campaign=troyka-ph-sensor&utm_medium=wiki|Датчик кислотности жидкости]] в магазине.
  * [[https://github.com/amperka/hardware-drawings/blob/master/troyka-ph-sensor.svg|Векторное изображение датчика]]