TitraLab Week 2: pH and Pump Calibration

TitraLab สัปดาห์ที่ 2: การสอบเทียบเซ็นเซอร์ pH และปั๊ม

รายวิชา: 2302311 Integrated Chemistry Laboratory I ภาควิชา: เคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย Department of Chemistry, Faculty of Science, Chulalongkorn University

สารบัญ (Table of Contents)

หมวด	เนื้อหา
1	Quick Start - เริ่มต้นที่นี่
2	ความรู้พื้นฐานจาก Week 1
3	วัตถุประสงค์หลัก
4	หลักการทางเคมี
5	ตารางเวลาการสอน
6	โครงสร้างโฟลเดอร์
7	เคล็ดลับการปฏิบัติ
8	ไฟล์สอบเทียบหลัก
9	GPIO Pin Reference
10	ทักษะ OOP สนับสนุน
11	ผลลัพธ์การเรียนรู้

Quick Start - เริ่มต้นที่นี่

สำหรับนิสิต: หน้านี้คือแผนที่นำทางของคุณสำหรับ Week 2 เริ่มจาก 2 ไฟล์หลักด้านล่าง For Students: This page is your roadmap for Week 2. Start with the 2 CORE files below.

2 ไฟล์หลักที่ต้องทำ (2 CORE Files to Complete)

ลำดับ	ไฟล์	คำอธิบาย	เวลา
1	`01_pH_Sensor/02_calibration_3point.py`	สอบเทียบ pH 3 จุด - ใช้สารละลายบัฟเฟอร์ pH 4, 7, 10	40 นาที
2	`02_Pump_Control/01_flow_rate_calibration.py`	สอบเทียบ Flow Rate - วัดปริมาตรและเวลาจากปั๊ม	20 นาที

ความสำเร็จที่ต้องการ (Success Criteria)

เมื่อจบ Week 2 นิสิตต้องได้:

ผลลัพธ์	ไฟล์ที่ได้	เกณฑ์ผ่าน
ค่าสอบเทียบ pH	`/workspace/data/ph_calibration.txt`	R-squared >= 0.99
ค่า Flow Rate	`/workspace/data/flow_calibration.txt`	%RSD < 5%

เส้นทางการเรียนรู้ 3 ขั้นตอน (3-Step Learning Path)

  ╔═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
  ║                         WEEK 2 LEARNING PATH                              ║
  ║                    เส้นทางการเรียนรู้สัปดาห์ที่ 2                            ║
  ╚═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝

     STEP 1                      STEP 2                      STEP 3
     ชั่วโมงที่ 1                   ชั่วโมงที่ 2                   ชั่วโมงที่ 3
  ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

  ┌───────────────────┐      ┌───────────────────┐      ┌───────────────────┐
  │  01_pH_Sensor/    │      │  02_Pump_Control/ │      │  03_OOP_Advanced/ │
  │  ─────────────────│      │  ─────────────────│      │  ─────────────────│
  │  การสอบเทียบ pH    │      │  การสอบเทียบปั๊ม   │      │  ทฤษฎี OOP        │
  │  ----------------  │      │  ----------------  │      │  ----------------  │
  │  - Nernst Equation │ ───> │  - PWM Control    │ ───> │  - Inheritance    │
  │  - Linear Regress. │      │  - Flow Rate      │      │  - Composition    │
  │  - R-squared       │      │  - %RSD           │      │  - @property      │
  └───────────────────┘      └───────────────────┘      └───────────────────┘
       [60 นาที]                  [45 นาที]                  [60 นาที]

       ต่อยอดจาก:                  ต่อยอดจาก:                  ต่อยอดจาก:
       03_adc_ph_basics.py        04_pwm_pump_basics.py      Week_1 OOP basics

ความรู้พื้นฐานจาก Week 1 (Prerequisites from Week 1)

Week 2 ต่อยอดจากความรู้ที่เรียนใน Week 1 โดยเฉพาะ:

1. ADC (Analog-to-Digital Converter) - จาก `Week_1/core/03_adc_ph_basics.py`

Week 1 Content	Week 2 Application
ADC 12-bit (0-4095)	ใช้อ่านค่าจาก pH Sensor ที่ GPIO32 (ADC1 — ห้ามใช้ GPIO25)
การตั้ง ATTN_11DB	ตั้งค่าย่านวัด 0-3.3V สำหรับ pH probe
การแปลงเป็น mV	ใช้สมการ Nernst คำนวณ pH

การเชื่อมโยงทางเคมี:

pH Probe (mV) --> ADC (0-4095) --> แปลงเป็น mV --> ใช้สมการ Nernst --> ค่า pH

2. PWM (Pulse Width Modulation) - จาก `Week_1/core/04_pwm_pump_basics.py`

Week 1 Content	Week 2 Application
PWM Duty Cycle 10-bit (0-1023)	ใช้ควบคุมความเร็วปั๊มที่ GPIO21
ตัวอย่างควบคุมปั๊มเบื้องต้น	พื้นฐานสำหรับ Flow Rate Calibration

การเชื่อมโยงทางเคมี:

Duty Cycle (0-1023) --> ความเร็วปั๊ม --> อัตราการไหล (mL/s) --> ปริมาตรสารไทแทรนต์

3. OOP พื้นฐาน - จาก `Week_1/core/`

Week 1 Content	Week 2 Application
`08_intro_oop.py` - Class และ Object	ขยายเป็น Inheritance และ Composition
`01_led_class.py` - สร้าง Class เบื้องต้น	ใช้เป็นแม่แบบสำหรับ Sensor classes

วัตถุประสงค์หลัก (Primary Objectives)

หลังจากเรียนจบบทเรียนนี้ นิสิตจะสามารถ:

วัตถุประสงค์ด้านเคมีวิเคราะห์ (Analytical Chemistry Objectives)

เข้าใจสมการ Nernst และการสอบเทียบ pH
- อธิบายสมการ Nernst: E = E0 - (2.303RT/nF) x pH
- เข้าใจว่าความชันทฤษฎีที่ 25C คือ -59.16 mV/pH
- ทำการสอบเทียบ 3 จุดด้วยสารละลายกันชนมาตรฐาน (pH 4, 7, 10)
คำนวณและประเมินคุณภาพการสอบเทียบ
- คำนวณสมการถดถอยเชิงเส้น (Linear Regression): E = m x pH + b
- ประเมินค่า R-squared (ค่าที่ดีต้อง >= 0.99)
- คำนวณ Nernst Slope Efficiency (ค่าที่ดีต้องอยู่ในช่วง 95-105%)
สอบเทียบอัตราการไหลของปั๊ม
- คำนวณ flow rate จากปริมาตรและเวลา: flow_rate = volume / time
- ประเมินความสม่ำเสมอด้วย %RSD (ค่าที่ดีต้อง < 5%)
- เข้าใจผลกระทบของ flow rate ที่ไม่แม่นยำต่อการไทเทรต

วัตถุประสงค์ด้านทักษะโปรแกรม (Supporting Programming Objectives)

ใช้ OOP จัดระเบียบโค้ดสำหรับการสอบเทียบ
- ใช้ Inheritance สำหรับเซ็นเซอร์ (BaseSensor -> pHSensor, TempSensor)
- ใช้ Composition สำหรับตัวกระตุ้น (Pump มี PWMController)
- ใช้ @property สำหรับการห่อหุ้มข้อมูลสอบเทียบ

หลักการทางเคมี (Chemistry Principles)

สมการ Nernst (Nernst Equation)

หัววัด pH ให้สัญญาณแรงดันไฟฟ้าตามสมการ Nernst:

E = E0 - (2.303RT/nF) x pH

จัดรูปใหม่เป็นสมการเส้นตรง:

E (mV) = m x pH + b

โดย:

m (slope) = ความชัน (mV/pH)
- ค่าทฤษฎีที่ 20C = -58.17 mV/pH
- ค่าทฤษฎีที่ 25C = -59.16 mV/pH (ค่ามาตรฐาน)
- ค่าทฤษฎีที่ 30C = -60.15 mV/pH
b (intercept) = ศักย์ไฟฟ้าที่ pH = 0 (mV)

ทำไมต้องสอบเทียบ 3 จุด?

สารละลายกันชน	ค่า pH	ความสำคัญ
Potassium hydrogen phthalate	4.00	ตัวแทนช่วงกรด
Phosphate buffer	7.00	จุด isopotential (ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ)
Carbonate-bicarbonate buffer	10.00	ตัวแทนช่วงเบส

เกณฑ์คุณภาพการสอบเทียบ

ตัวชี้วัด	ดีเยี่ยม	พอใช้ได้	ต้องสอบเทียบใหม่
R-squared	>= 0.999	>= 0.99	< 0.99
Slope Efficiency	95-105%	90-110%	< 90% หรือ > 110%
%RSD (flow rate)	< 2%	< 5%	>= 5%

ตารางเวลาการสอน 3 ชั่วโมง (3-Hour Teaching Schedule)

ช่วงเวลา	หัวข้อ	ไฟล์	เวลา
ชั่วโมงที่ 1	การสอบเทียบเซ็นเซอร์ pH		60 นาที
0:00-0:15	ทฤษฎี: สมการ Nernst และหลักการสอบเทียบ	-	15 นาที
0:15-0:55	ปฏิบัติ: สอบเทียบ 3 จุดด้วย pH 4, 7, 10	`01_pH_Sensor/02_calibration_3point.py`	40 นาที
0:55-1:00	อภิปราย: วิเคราะห์ R-squared และ Slope Efficiency	-	5 นาที
ชั่วโมงที่ 2	การสอบเทียบปั๊ม		45 นาที
1:00-1:15	ทฤษฎี: PWM และผลต่ออัตราการไหล	-	15 นาที
1:15-1:35	ปฏิบัติ: วัด flow rate 3-5 ครั้ง	`02_Pump_Control/01_flow_rate_calibration.py`	20 นาที
1:35-1:45	ปฏิบัติ: ตรวจสอบความแม่นยำ	`02_Pump_Control/02_pump_validate_continuous.py`	10 นาที
ชั่วโมงที่ 3	OOP สำหรับระบบไทเทรต		60 นาที
1:45-2:15	Inheritance: BaseSensor -> pHSensor	`03_OOP_Advanced/01_inheritance_sensors.py`	30 นาที
2:15-2:35	Composition: Pump มี PWMController	`03_OOP_Advanced/02_composition_pump.py`	20 นาที
2:35-2:45	@property สำหรับข้อมูลสอบเทียบ	`03_OOP_Advanced/03_property_decorator.py`	10 นาที
แบบฝึกหัด	รวมความรู้		15 นาที
2:45-3:00	รวม concepts และสรุป	`03_OOP_Advanced/04_combined_demo.py`	15 นาที

โครงสร้างโฟลเดอร์ (Folder Structure)

Week_2/
├── README.md                   # เอกสารนี้
├── pins.py                     # Wrapper นำเข้าจาก Week_1/pins.py
│
├── 01_pH_Sensor/               # [ปฏิบัติการ 1] การวัดและสอบเทียบ pH
│   ├── 01_basic_ph_read.py         # การวัดค่า pH แบบต่อเนื่อง
│   └── 02_calibration_3point.py    # *** การสอบเทียบ pH 3 จุด ***
│
├── 02_Pump_Control/            # [ปฏิบัติการ 2] การควบคุมและสอบเทียบปั๊ม
│   ├── 01_flow_rate_calibration.py     # *** การสอบเทียบ flow rate ***
│   ├── 02_pump_validate_continuous.py  # การตรวจสอบ: ปั๊มต่อเนื่อง
│   └── 03_pump_validate_stepwise.py    # การตรวจสอบ: ปั๊มเป็นช่วง
│
├── 03_OOP_Advanced/            # [บทเรียน OOP] แนวคิด OOP ขั้นสูง
│   ├── 01_inheritance_sensors.py   # Inheritance: BaseSensor -> pHSensor
│   ├── 02_composition_pump.py      # Composition: Pump มี PWMController
│   ├── 03_property_decorator.py    # @property และ Encapsulation
│   ├── 04_combined_demo.py         # รวม concepts
│   └── 05_class_static_methods.py  # @classmethod และ @staticmethod
│
├── lib/                        # [ห้องสมุดคลาส] OOP classes สำหรับอ้างอิง
│   ├── __init__.py             # Package initialization
│   ├── base_sensor.py          # Abstract Base Class สำหรับเซ็นเซอร์
│   ├── ph_sensor.py            # คลาส pHSensor สืบทอดจาก BaseSensor
│   ├── temp_sensor.py          # คลาส TempSensor สืบทอดจาก BaseSensor
│   ├── pump.py                 # คลาส Pump ใช้ Composition
│   └── buzzer.py               # คลาส Buzzer ใช้ PWM
│
├── exercises/                  # [แบบฝึกหัด] สำหรับนิสิตทำเอง
│   ├── exercise_01_inheritance_starter.py
│   ├── exercise_01_inheritance_solution.py
│   ├── exercise_02_property_starter.py
│   ├── exercise_02_property_solution.py
│   ├── exercise_03_composition_starter.py
│   └── exercise_03_composition_solution.py
│
└── archive/                    # [เก็บถาวร] ไฟล์เก่า/ตัวอย่างเพิ่มเติม
    ├── Old/                        # Legacy code
    │   ├── cal_flowrate.py
    │   └── cal_pH.py
    └── root_demos/                 # ไฟล์ demo จาก root (สำหรับอ้างอิง)
        ├── 01_sensor_inheritance.py
        ├── 02_composition_demo.py
        └── 03_properties_demo.py

ลำดับการเรียนรู้ที่แนะนำ (Recommended Learning Path)

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  ชั่วโมงที่ 1: ปฏิบัติการ pH                                 │
│  01_pH_Sensor/ -> เริ่มที่นี่!                               │
│  ├── 01_basic_ph_read.py (ทำความเข้าใจ)                     │
│  └── 02_calibration_3point.py (ปฏิบัติสำคัญ)                │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
                            ↓
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  ชั่วโมงที่ 2: ปฏิบัติการปั๊ม                                │
│  02_Pump_Control/                                           │
│  ├── 01_flow_rate_calibration.py (ปฏิบัติสำคัญ)            │
│  └── 02_pump_validate_continuous.py (ตรวจสอบ)              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
                            ↓
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  ชั่วโมงที่ 3: ทฤษฎี OOP                                    │
│  03_OOP_Advanced/                                           │
│  ├── 01_inheritance_sensors.py                              │
│  ├── 02_composition_pump.py                                 │
│  └── 03_property_decorator.py                               │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
                            ↓
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  แบบฝึกหัด: ทดสอบความเข้าใจ                                 │
│  exercises/                                                 │
│  └── exercise_01_* -> exercise_02_* -> exercise_03_*       │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

เคล็ดลับการปฏิบัติ (Practical Tips)

การสอบเทียบ pH

การเตรียมสารละลายกันชน
- ใช้สารละลายกันชนมาตรฐานที่ยังไม่หมดอายุ
- เก็บรักษาในภาชนะที่ปิดสนิท ห่างจากความร้อนและแสง
- ตรวจสอบอุณหภูมิของสารละลายกันชน (ค่า pH เปลี่ยนตามอุณหภูมิ)
การล้างหัววัด
- ล้างด้วยน้ำกลั่น (deionized water) ระหว่างเปลี่ยนสารละลายกันชน
- ซับน้ำเบาๆ ด้วยกระดาษทิชชู่ ห้ามถูแรง
- ไม่ควรปล่อยให้หัววัดแห้ง
เวลารอให้ค่าเสถียร (Stabilization Time)
- รอ 30-60 วินาทีหลังจากแช่หัววัดในสารละลายกันชน
- สังเกตค่าแรงดันไฟฟ้า (mV) ที่แสดงบนจอ
- ค่าควรหยุดเปลี่ยนแปลงหรือเปลี่ยนช้ามาก (< 1 mV/นาที) ก่อนกดบันทึก
การแก้ไขเมื่อ R-squared < 0.99
- ตรวจสอบสารละลายกันชน (อาจเสื่อมสภาพ)
- ทำความสะอาดหัววัด pH
- ตรวจสอบการเชื่อมต่อสายสัญญาณ
- รอให้ค่าเสถียรนานขึ้น

การสอบเทียบปั๊ม

การเตรียมอุปกรณ์
- ใช้กระบอกตวงที่มีความละเอียด 0.1 mL หรือดีกว่า
- ตรวจสอบว่าท่อปั๊มไม่มีฟองอากาศ (purge ก่อนสอบเทียบ)
- วางกระบอกตวงให้ตั้งตรง
การวัด Flow Rate
- ทำซ้ำ 3-5 ครั้งเพื่อหาค่าเฉลี่ย
- ปั๊มครั้งละ 10-20 วินาทีเพื่อให้ได้ปริมาตรที่วัดง่าย
- อ่านกระบอกตวงที่ระดับสายตา (meniscus)
เกณฑ์ยอมรับ %RSD
- %RSD < 5% = ใช้งานได้
- %RSD >= 5% = ตรวจสอบปั๊มและท่อ
การตรวจสอบความแม่นยำ (Validation)
- หลังสอบเทียบ ให้รัน 02_Pump_Control/02_pump_validate_continuous.py เพื่อปั๊มปริมาตรที่กำหนด
- เปรียบเทียบปริมาตรที่วัดได้กับค่าที่คำนวณ
- % error < 5% ถือว่าผ่าน

ไฟล์สอบเทียบหลัก (Key Calibration Files)

1. การสอบเทียบ pH: `01_pH_Sensor/02_calibration_3point.py`

วัตถุประสงค์: สอบเทียบหัววัด pH ด้วยสารละลายกันชนมาตรฐาน 3 จุด

ขั้นตอนการทำงาน:

แช่หัววัดในสารละลายกันชน pH 4.00 -> รอค่าเสถียร -> กดปุ่มบันทึก
แช่หัววัดในสารละลายกันชน pH 7.00 -> รอค่าเสถียร -> กดปุ่มบันทึก
แช่หัววัดในสารละลายกันชน pH 10.00 -> รอค่าเสถียร -> กดปุ่มบันทึก
โปรแกรมคำนวณ Linear Regression และแสดงผล

ผลลัพธ์:

ไฟล์ /workspace/data/ph_calibration.txt: slope, intercept, R-squared, อุณหภูมิ
ไฟล์ calibration_log.txt: รายละเอียดการสอบเทียบ

โค้ดสำคัญ - การคำนวณ Linear Regression:

def linear_regression(x_values, y_values):
    """
    คำนวณการถดถอยเชิงเส้น y = mx + b พร้อมค่า R-squared
    สำหรับเซ็นเซอร์ pH: E(mV) = m * pH + b
    """
    n = len(x_values)

    # คำนวณค่าที่ต้องใช้ (Calculate required sums)
    sum_x = sum(x_values)
    sum_y = sum(y_values)
    sum_xy = sum(x * y for x, y in zip(x_values, y_values))
    sum_x2 = sum(x ** 2 for x in x_values)

    # คำนวณความชัน (Calculate slope)
    denominator = n * sum_x2 - sum_x ** 2
    slope = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / denominator

    # คำนวณจุดตัดแกน y (Calculate intercept)
    intercept = (sum_y - slope * sum_x) / n

    # คำนวณ R-squared
    y_mean = sum_y / n
    ss_tot = sum((y - y_mean) ** 2 for y in y_values)
    ss_res = sum((y - (slope * x + intercept)) ** 2
                 for x, y in zip(x_values, y_values))
    r_squared = 1 - (ss_res / ss_tot)

    return slope, intercept, r_squared

2. การสอบเทียบ Flow Rate: `02_Pump_Control/01_flow_rate_calibration.py`

วัตถุประสงค์: หาอัตราการไหลที่แท้จริงของปั๊ม

ขั้นตอนการทำงาน:

กดปุ่ม 1 เริ่มปั๊ม (จับเวลาอัตโนมัติ)
ปั๊มน้ำลงกระบอกตวงประมาณ 10-20 วินาที
กดปุ่ม 1 หยุดปั๊ม
อ่านปริมาตรจากกระบอกตวง -> แก้ไข MEASURED_VOLUME ในโค้ด
กดปุ่ม 2 บันทึกผลการวัด (ทำซ้ำ 3-5 ครั้ง)
กดปุ่ม 3 บันทึกค่า flow rate ลงไฟล์

ผลลัพธ์:

ไฟล์ /workspace/data/flow_calibration.txt: ค่า flow rate เฉลี่ย (mL/s)

โค้ดสำคัญ - การคำนวณ Flow Rate:

def record_measurement():
    """
    บันทึกผลการวัดและคำนวณ flow rate
    สูตร: flow_rate = volume / time (mL/s)
    """
    global calibration_data, current_volume

    # ใช้ค่าจากตัวแปร MEASURED_VOLUME
    current_volume = MEASURED_VOLUME

    # คำนวณ flow rate
    flow_rate = current_volume / elapsed_time

    # บันทึกข้อมูล
    calibration_data.append((elapsed_time, current_volume, flow_rate))

    # แสดงค่าเฉลี่ยและ RSD
    if len(calibration_data) >= 2:
        avg_flow_rate = sum(d[2] for d in calibration_data) / len(calibration_data)
        variance = sum((d[2] - avg_flow_rate) ** 2 for d in calibration_data) / len(calibration_data)
        std_dev = variance ** 0.5
        rsd = (std_dev / avg_flow_rate) * 100  # %RSD

        if rsd > 5:
            print("*** คำเตือน: RSD > 5% - ค่าไม่สม่ำเสมอ ***")

3. การตรวจสอบความแม่นยำ: `02_Pump_Control/02_pump_validate_continuous.py` และ `03_pump_validate_stepwise.py`

02_pump_validate_continuous.py - ปั๊มต่อเนื่อง:

ปั๊มน้ำจนถึงปริมาตรเป้าหมาย (เช่น 5 mL) แบบต่อเนื่อง
ใช้ในช่วงเริ่มต้นการไทเทรต (pH ยังห่างจากจุดสมมูล)

03_pump_validate_stepwise.py - ปั๊มเป็นช่วง:

ปั๊ม -> หยุด -> (อ่าน pH) -> ปั๊ม -> ...
ใช้ในช่วงใกล้จุดสมมูล (equivalence point)
รอให้ pH stabilize ก่อนปั๊มครั้งถัดไป

GPIO Pin Reference / ตารางอ้างอิงขา GPIO

ตารางนี้ตรงกับ MicroPython/Week_1/pins.py:

ขา GPIO ที่ใช้ใน Week 2

อุปกรณ์	GPIO	ค่าคงที่ใน pins.py	ประเภท	หมายเหตุ
Sensors (เซ็นเซอร์)
pH Sensor	32	`PH_PIN`	ADC Input	อ่านแรงดัน 0-3.3V จากหัววัด pH (ADC1 — ห้ามใช้ GPIO25 เพราะ ADC2 ชนกับ Wi-Fi)
Temperature (DS18B20)	16	`DS18B20_PIN`	OneWire	ต้องใช้ pull-up resistor 4.7K
Actuators (ตัวกระตุ้น)
Pump	21	`PUMP_PIN`	PWM Output	ความถี่ 1000 Hz, 10-bit duty (0-1023)
Buzzer	26	`BUZZER_PIN`	PWM Output	สำหรับ feedback เสียง
LEDs
Red LED	2	`LED_RED`	Output	แสดงสถานะ error / ปั๊มทำงาน
Green LED	4	`LED_GREEN`	Output	แสดงสถานะ OK / เสร็จสิ้น
Buttons (ปุ่มกด)
Button 1	34	`BUTTON1`	Input-only	ต้องใช้ external pull-down 10K
Button 2	35	`BUTTON2`	Input-only	ต้องใช้ external pull-down 10K
Button 3	39	`BUTTON3`	Input-only	ต้องใช้ external pull-down 10K

ข้อควรระวัง GPIO34/35/39

# GPIO34, 35, 39 เป็น Input-Only Pins
# ไม่รองรับ internal pull-up/pull-down resistor
# ต้องใช้ external pull-down resistor (10K ohm)

button_1 = Pin(34, Pin.IN)  # ถูกต้อง
button_1 = Pin(34, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)  # ผิด! ไม่รองรับ

ทักษะ OOP สนับสนุน (Supporting OOP Skills)

1. Inheritance/การสืบทอด

แนวคิดทางเคมี:

หัววัด pH (pH electrode) เป็น ประเภทหนึ่งของ electrode ทั่วไป
หัววัดอุณหภูมิ (Temperature sensor) เป็น ประเภทหนึ่งของ sensor ทั่วไป

Syntax:

class pHSensor(BaseSensor):
    def __init__(self, pin=25, slope=-5.7901, intercept=16.769):
        # เรียก constructor ของคลาสแม่
        super().__init__(pin, "pH Sensor")

        # เพิ่ม attributes เฉพาะของ pHSensor
        self._slope = slope
        self._intercept = intercept

2. Composition/การประกอบ

แนวคิดทางเคมี:

ปั๊มไทแทรนต์ ประกอบด้วย มอเตอร์และตัวควบคุม PWM
ระบบไทเทรต ประกอบด้วย หัววัด pH, ปั๊ม, และจอแสดงผล

Syntax:

class Pump:
    def __init__(self, pin=21, flow_rate=0.2772):
        # Composition: Pump มี PWMController
        self._pwm_controller = PWMController(pin)
        self._flow_rate = flow_rate

3. @property Decorator

แนวคิดทางเคมี:

ค่า slope ของการสอบเทียบ - อ่านได้ แต่ควรเปลี่ยนผ่านกระบวนการสอบเทียบเท่านั้น
ค่า R-squared - อ่านได้อย่างเดียว เกิดจากการคำนวณ

Syntax:

class pHSensor:
    @property
    def slope(self):
        """Getter - อ่านค่า slope"""
        return self._slope

    @slope.setter
    def slope(self, value):
        """Setter - กำหนดค่า slope พร้อม validation"""
        if -100 < value < 0:
            self._slope = value
        else:
            raise ValueError("Slope must be between -100 and 0")

ผลลัพธ์การเรียนรู้ (Learning Outcomes)

ใช้ checkbox ด้านล่างเพื่อติดตามความก้าวหน้า:

การสอบเทียบ pH (pH Calibration) - 60 นาที

เข้าใจสมการ Nernst และความสัมพันธ์ระหว่าง mV กับ pH
ทำการสอบเทียบ 3 จุดด้วยสารละลายกันชน pH 4, 7, 10 สำเร็จ
ได้ค่า R-squared >= 0.99
เข้าใจความหมายของ Nernst Slope Efficiency
บันทึกค่าสอบเทียบลงไฟล์ได้

การสอบเทียบปั๊ม (Pump Calibration) - 45 นาที

เข้าใจความสำคัญของ flow rate ที่แม่นยำต่อการไทเทรต
คำนวณ flow rate จากปริมาตรและเวลาได้
ได้ค่า %RSD < 5%
ตรวจสอบความแม่นยำด้วย pumpValidate สำเร็จ

ทักษะ OOP (OOP Skills) - 60 นาที

สร้าง child class ที่สืบทอดจาก parent class ได้
ใช้ super().__init__() ได้ถูกต้อง
สร้างคลาสที่ใช้ Composition ได้
ใช้ @property สำหรับ getter และ setter ได้

ความรู้พื้นฐาน (Prerequisites)

ความรู้ทางเคมี (Chemistry Knowledge)

หลักการไทเทรตกรด-เบส (Acid-base titration)
สมการ Nernst: E = E0 - (2.303RT/nF) x pH
การใช้สารละลายกันชนมาตรฐาน (Standard buffer solutions)
ความหมายของจุดสมมูล (Equivalence point) และจุดยุติ (Endpoint)

ความรู้จาก Week 1 (Week 1 Knowledge)

Python พื้นฐาน: Variables/ตัวแปร, Functions/ฟังก์ชัน, Loops/ลูป
การสร้าง Class และ Object เบื้องต้น
การทำงานกับ GPIO, ADC, PWM บน ESP32
การอ่าน/เขียนไฟล์

การเชื่อมต่อกับ Week 3 (Connection to Week 3)

Week 3 นำค่าสอบเทียบจาก Week 2 มาใช้ในระบบไทเทรตอัตโนมัติ:

Week 2	Week 3
ค่า slope, intercept จาก `/workspace/data/ph_calibration.txt`	ใช้ใน `titration.py` เพื่อแปลง mV เป็น pH
ค่า flow_rate จาก `/workspace/data/flow_calibration.txt`	ใช้คำนวณเวลาเปิดปั๊มต่อโดสใน `01_titration_auto.py`
Inheritance concept	พื้นฐานสำหรับอ่านโค้ดคลาสใน Week 3 (เช่น TitrationUI)
Composition concept	การแยกโมดูล `titration.py` + `experiment.py` ที่ `01_titration_auto.py` เรียกใช้

ตารางสรุปแนวคิด OOP

แนวคิด	Syntax	เปรียบเทียบเคมี	ตัวอย่างใน Week 2
Inheritance	`class Child(Parent):`	pH electrode เป็นประเภทของ electrode	pHSensor(BaseSensor)
super()	`super().__init__()`	เรียกขั้นตอนมาตรฐานก่อน	เรียก constructor คลาสแม่
Override	กำหนด method ชื่อเดียวกัน	ปรับขั้นตอนให้เฉพาะเจาะจง	read_raw()
Composition	Object มี object อื่น	ปั๊มมีมอเตอร์และ controller	Pump มี PWMController
@property	Getter/Setter	อ่านค่า slope แต่ป้องกันการแก้ไขโดยตรง	slope property
Encapsulation	`_private_attribute`	ข้อมูล calibration ภายใน	_slope, _intercept

อ้างอิง (References)

เอกสารทางเคมี

สมการ Nernst และการวัด pH
วิธีการสอบเทียบ 3 จุด (3-point calibration methodology)
หลักการไทเทรตและการหาจุดสมมูล

เอกสาร MicroPython

ผู้พัฒนา (Developers)

Hemmawan Saon
Nuttakit Deemon
Saowapak Vchirawongkwin
Sumrit Wacharasindhu
Viwat Vchirawongkwin

รายวิชา: 2302311 Integrated Chemistry Laboratory I สถาบัน: ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย / Department of Chemistry, Faculty of Science, Chulalongkorn University

เวอร์ชัน (Version)

Version 2.0.0 - Week 2: pH and Pump Calibration

การเรียนรู้หลัก:

การสอบเทียบเซ็นเซอร์ pH ด้วยสมการ Nernst และ Linear Regression
การสอบเทียบอัตราการไหลของปั๊มและการตรวจสอบความแม่นยำ
ทักษะ OOP (Inheritance, Composition, @property) เป็นเครื่องมือสนับสนุน

เวลาที่ใช้ทั้งหมด: ประมาณ 3 ชั่วโมง

สร้างเมื่อ: มกราคม 2026 อัปเดตล่าสุด: มกราคม 2026

FilesExpand file tree

README.md

Latest commit

History

README.md

File metadata and controls

TitraLab Week 2: pH and Pump Calibration

TitraLab สัปดาห์ที่ 2: การสอบเทียบเซ็นเซอร์ pH และปั๊ม

สารบัญ (Table of Contents)

Quick Start - เริ่มต้นที่นี่

2 ไฟล์หลักที่ต้องทำ (2 CORE Files to Complete)

ความสำเร็จที่ต้องการ (Success Criteria)

เส้นทางการเรียนรู้ 3 ขั้นตอน (3-Step Learning Path)

ความรู้พื้นฐานจาก Week 1 (Prerequisites from Week 1)

1. ADC (Analog-to-Digital Converter) - จาก Week_1/core/03_adc_ph_basics.py

2. PWM (Pulse Width Modulation) - จาก Week_1/core/04_pwm_pump_basics.py

3. OOP พื้นฐาน - จาก Week_1/core/

วัตถุประสงค์หลัก (Primary Objectives)

วัตถุประสงค์ด้านเคมีวิเคราะห์ (Analytical Chemistry Objectives)

วัตถุประสงค์ด้านทักษะโปรแกรม (Supporting Programming Objectives)

หลักการทางเคมี (Chemistry Principles)

สมการ Nernst (Nernst Equation)

ทำไมต้องสอบเทียบ 3 จุด?

เกณฑ์คุณภาพการสอบเทียบ

ตารางเวลาการสอน 3 ชั่วโมง (3-Hour Teaching Schedule)

โครงสร้างโฟลเดอร์ (Folder Structure)

ลำดับการเรียนรู้ที่แนะนำ (Recommended Learning Path)

เคล็ดลับการปฏิบัติ (Practical Tips)

การสอบเทียบ pH

การสอบเทียบปั๊ม

ไฟล์สอบเทียบหลัก (Key Calibration Files)

1. การสอบเทียบ pH: 01_pH_Sensor/02_calibration_3point.py

2. การสอบเทียบ Flow Rate: 02_Pump_Control/01_flow_rate_calibration.py

3. การตรวจสอบความแม่นยำ: 02_Pump_Control/02_pump_validate_continuous.py และ 03_pump_validate_stepwise.py

GPIO Pin Reference / ตารางอ้างอิงขา GPIO

ขา GPIO ที่ใช้ใน Week 2

ข้อควรระวัง GPIO34/35/39

ทักษะ OOP สนับสนุน (Supporting OOP Skills)

1. Inheritance/การสืบทอด

2. Composition/การประกอบ

3. @property Decorator

ผลลัพธ์การเรียนรู้ (Learning Outcomes)

การสอบเทียบ pH (pH Calibration) - 60 นาที

การสอบเทียบปั๊ม (Pump Calibration) - 45 นาที

ทักษะ OOP (OOP Skills) - 60 นาที

ความรู้พื้นฐาน (Prerequisites)

ความรู้ทางเคมี (Chemistry Knowledge)

ความรู้จาก Week 1 (Week 1 Knowledge)

การเชื่อมต่อกับ Week 3 (Connection to Week 3)

ตารางสรุปแนวคิด OOP

อ้างอิง (References)

เอกสารทางเคมี

เอกสาร MicroPython

ผู้พัฒนา (Developers)

เวอร์ชัน (Version)

1. ADC (Analog-to-Digital Converter) - จาก `Week_1/core/03_adc_ph_basics.py`

2. PWM (Pulse Width Modulation) - จาก `Week_1/core/04_pwm_pump_basics.py`

3. OOP พื้นฐาน - จาก `Week_1/core/`

1. การสอบเทียบ pH: `01_pH_Sensor/02_calibration_3point.py`

2. การสอบเทียบ Flow Rate: `02_Pump_Control/01_flow_rate_calibration.py`

3. การตรวจสอบความแม่นยำ: `02_Pump_Control/02_pump_validate_continuous.py` และ `03_pump_validate_stepwise.py`