Die Funktionsweise des pH-Meters

Das pH-Meter arbeitet nach dem Prinzip der potentiometrischen Messung, bei der die elektromotorische Kraft (EMF) einer galvanischen Zelle gemessen wird. Die pH-Messkette besteht aus zwei Elektroden: einer pH-sensitiven Glaselektrode mit einer speziellen Silikatglas-Membran, die für H⁺-Ionen permeabel ist und an deren Oberfläche sich durch Ionenaustausch eine dünne, gelartige Belegungsschicht ausbildet, sowie einer Referenzelektrode, typischerweise vom Typ Ag/AgCl, die ein stabiles Potential durch eine definierte Chloridionenaktivität in ihrer mit gesättigter Kaliumchloridlösung (3M oder gesättigt) gefüllten Kammer bereitstellt. Das Potential wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben:

$Nernst Equation for pH$

Der Medianfilter-Prozess

Quelle: KI-deepseek

Der Median, auch Zentralwert genannt, ist ein statistisches Lagemaß, das einen Datensatz in zwei gleich große Hälften teilt. Um den Median zu bestimmen, werden die Daten zunächst in eine aufsteigende Reihenfolge sortiert. Bei einer ungeraden Anzahl von Werten (n) ist der Median der Wert in der Mitte der sortierten Liste, genauer gesagt an der Position (n+1)/2, ansonsten das arithmetische Mittel der beiden mittleren Werte, also der Werte an den Positionen n/2 und n/2 + 1.

Visualisierung des Medianfilter-Prozesses

Rohmessungen (10 Werte):
[423, 510, 425, 432, 429, 430, 428, 1000, 431, 427]
↑ Störung durch elektrisches Rauschen
Nach Sortierung (aufsteigend):
[423, 425, 427, 428, 429, 430, 431, 432, 510, 1000]
↑ ↑ ↑ ↑
Die extremen Werte (2 niedrigste + 2 höchste) werden verworfen
Verbleibende Werte für Mittelwert (Index 2-7):
[427, 428, 429, 430, 431, 432] → Mittelwert = 429.5
Vergleich:
Ohne Filterung: Durchschnitt = 493.5 (stark verfälscht!)
Mit Filterung: Ergebnis = 429.5 (repräsentativer Wert)

 

		// 1. 10 Messwerte aufnehmen
		for(int i = 0; i < 10; i++) {
		messPuffer[i] = analogRead(A0); // Lies Wert von pH-Sensor
		delay(30); // Kurze Pause zwischen Messungen
		}

		// 2. Werte sortieren (Bubble-Sort, einfach aber langsam)
		for(int i = 0; i < 9; i++) {
		for(int j = i+1; j < 10; j++) {
		if(messPuffer[i] > messPuffer[j]) {
		// Werte tauschen
		int temp = messPuffer[i];
		messPuffer[i] = messPuffer[j];
		messPuffer[j] = temp;
		}
		}
		}

		// 3. Mittelwert der mittleren 6 Werte berechnen
		// Index 2-7 (6 Werte), da Index 0-1 und 8-9 wegfallen
		mittelwert = 0;
		for(int i = 2; i < 8; i++) {
		mittelwert += messPuffer[i];
		}

		// 4. Rohwert in pH umrechnen
		// Formel: pH = -5.70 * Spannung + 28.55 + Offset
		float spannung = (float)mittelwert * 5.0 / 1024 / 6;
		aktuellerPH = -5.70 * spannung + 28.55 + kalibrierOffset;
		}
		

Das Prinzip der State Machine

Quelle: KI-deepseek

Eine State Machine ist ein fundamentaler Entwurfsansatz in der Programmierung, der besonders für interaktive Systeme und Embedded-Devices unverzichtbar ist. Das Konzept basiert auf einem einfachen, aber mächtigen Prinzip: Ein System kann sich zu jedem Zeitpunkt nur in einem von mehreren klar definierten Zuständen befinden. Statt vieler if-Abfragen verwenden wir Zustände. Diese Technik ist besonders wertvoll für Systeme mit klar abgrenzbaren Betriebsmodi, wie sie in Messgeräten, Automatisierungssystemen und Benutzerinterfaces häufig vorkommen. Eine State machine basiert auf vier Kernelementen:

Zustände(States): Diskrete Betriebsmodi des Systems
Ereignisse (Events): Auslöser für Zustandsänderungen
Transitionen: Regeln für zulässige Zustandsübergänge
Aktionen: Operationen, die in bestimmten Zuständen ausgeführt werden

Vorteile der State Machine

Aspekt	Ohne State Machine	Mit State Machine
Programmstruktur	Viele verschachtelte if-Abfragen	Klare, getrennte Zustände
Wartbarkeit	Schwer zu erweitern und zu debuggen	Einfache Erweiterung durch neue Zustände
Fehlerbehandlung	Komplexe Fehlerbedingungen	Jeder Zustand definiert eigene Regeln
Lesbarkeit	Unübersichtlicher Code	Logisch strukturierter Code

Zustandsdiagramm des pH-Meters:

[ZUSTAND_NORMAL]
→ Display zeigt aktuellen pH-Wert
→ Taste A führt zur Kalibrierung
[ZUSTAND_KALIB_START]
→ "Kalibrierung starten?"
→ Taste C bestätigt, Taste D bricht ab
[ZUSTAND_ANZAHL_EINGABE]
→ "Wie viele Punkte? (1-3)"
→ Zahl eingeben + Taste C
[ZUSTAND_SOLLWERT_EINGABE]
→ "Punkt X Soll-pH?"
→ Wert eingeben + Taste C
[ZUSTAND_MESSUNG]
→ "Messpunkt X - B=Stop"
→ Taste B beendet Messung
[ZUSTAND_ERGEBNIS]
→ "Kalibrierung OK! Offset: X.XX"
→ Taste C zurück zum Normalmodus

Implementierungsmuster in C/C++

Zustandsdefinition

Die erste Implementierungsentscheidung betrifft die Repräsentation von Zuständen. Typischerweise verwendet man dazu Enumerationen:

 
		enum ProgrammZustand { ZUSTAND_NORMAL,	 // Normale pH-Messung 
		ZUSTAND_KALIB_START,						// Kalibrierung starten 
		ZUSTAND_ANZAHL_EINGABE,					// Anzahl Punkte eingeben 
		ZUSTAND_SOLLWERT_EINGABE,				// Soll-pH-Wert eingeben 
		ZUSTAND_MESSUNG, 					// Messung läuft ZUSTAND_ERGEBNIS 
											// Kalibrierergebnis anzeigen 
		};
		ProgrammZustand aktuellerZustand = ZUSTAND_NORMAL; // Startzustand
		

Diese Enumeration definiert den kompletten Zustandsraum des Systems. Jeder Zustand sollte eine klar umrissene semantische Bedeutung haben. Die VariableaktuellerZustand speichert, in welchem Zustand wir uns gerade befinden. Beim Starten beginnt das Programm immer im ZUSTAND_NORMAL.

Ereignisdefinition

Parallel zu den Zuständen definiert man Ereignisse, die Zustandswechsel auslösen können, wobei in diesem Fall implizit die Events durch Tastencodes definiert sind.

 
		typedef enum {
		EVENT_NONE,           // Kein Ereignis
		EVENT_BUTTON_PRESSED, // Benutzereingabe
		EVENT_TIMEOUT,        // Zeitereignis
		EVENT_MEASUREMENT_DONE, // Messung abgeschlossen
		EVENT_CALIBRATION_COMPLETE, // Kalibrierung fertig
		EVENT_ERROR_DETECTED  // Fehler erkannt
		} SystemEvent;
		

Die Hauptschleife-Der Dispatcher

Zustandhandler-Architektur: Die loop()-Funktion überprüft in jedem Durchlauf durch Switch-Case-Anweisungen in welchem Zustand sich das System befindet:

 
		void loop() {
		// 1. Prüfen, ob eine Taste gedrückt wurde 
		char gedrueckteTaste = meinKeypad.getKey();
		
		if (gedrueckteTaste) {
		verarbeiteTaste(gedrueckteTaste); // Taste verarbeiten
		}
		
		// 2. Je nach Zustand unterschiedliche Aktionen
		switch(aktuellerZustand) {
		case ZUSTAND_NORMAL:
		// Im Normalmodus regelmäßig pH messen
		messeRegelmaessigPH();
		break;
		case ZUSTAND_MESSUNG:
		// Im Messmodus Kalibrierung durchführen
		if (aktuellerPunkt < anzahlPunkte &&
				!kalibrierPunkte[aktuellerPunkt].erledigt) {
			messeKalibrierung();
			zeigeKalibrierMessung();
		}
		break;
		// In anderen Zuständen passiert im Loop nichts Besonderes
		default:
		break;
		}

		delay(10);
		}
		

Event-Handler: Tastenverarbeitung je nach Zustand

Event-Handler für Tastenereignisse:Die gleiche Taste kann in verschiedenen Zuständen unterschiedliche Aktionen auslösen:

		// Je nach Taste unterschiedliche Aktionen ausführen: 
		void verarbeiteTaste(char taste) { 							
		switch(taste) 
		{ 
		// Taste A: Kalibrierung starten (nur im Normalmodus) 
		case 'A': 
		if (aktuellerZustand == ZUSTAND_NORMAL) { 
		starteKalibrierung(); 
		} 
		break;
		
		// Taste B: Messung beenden (nur im Messmodus)
		case 'B':
		if (aktuellerZustand == ZUSTAND_MESSUNG) {
		beendeMessung();
		}
		break;
		
		// Taste C: BESTÄTIGEN (je nach Zustand unterschiedlich!)
		case 'C':
		bestaetigeEingabe();
		break;
		
		// Taste D: ABBRECHEN (wenn nicht im Normalmodus)
		case 'D':
		if (aktuellerZustand != ZUSTAND_NORMAL) {
		abbrechenKalibrierung();
		}
		break;
  
		// ... weitere Tasten je nach Zustand
		}
		}
		
		
		