简易水质监测系统的设计毕业设计定稿.docx

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简易水质监测系统的设计毕业设计定稿

赣南师范学院学士学位论文

简易水质监测系统的设计

教学学院物理与电子信息学院

专业电气技术教育

内容摘要：

简易水质监测系统是以AT80S51单片机为核心，用DS18B20做温度传感器，光敏二极管做感光传感器，以及PH玻璃电极传感器来检测水质的温度，清澈度，酸碱度。

整个系统分为复位电路、单片机控制单元电路、A∕D转换电路、输入∕输出电路、LED显示电路、电源电路。

主要的设计是几种传感器所采集的数据通过多路开关，传送到A/D转换器再传送到单片机中进行检测，在接通电源的条件下，本系统能够显示检验水质的各种参数，并通过报警电路进行异常情况报警。

关键词：

AT80S51；DS18B20；光敏二极管；PH玻璃电极；LED显示；

Abstract:

SimplewaterqualitymonitoringsystemisbasedonAT80S51microcontrollerasthecore,usingDS18B20asatemperaturesensor,aphotosensitivediodeaslightsensitivesensor,andPHglasselectrodesensortodetectthewatertemperature,turbidity,pH.Thewholesystemisdividedintoaresetcircuit,single-chipmicrocomputercontrolcircuit,A/Dconversioncircuit,input/outputcircuit,LEDdisplaycircuit,powersupplycircuit.Themaindesignistocaptureseveralsensordatathroughamultiplexer,senttotheA/Dconvertertoteleporttochipindetection,whenturningonthepower,thesystemcandisplayvariousparametersofwaterqualitytesting,andthroughthealarmcircuitabnormalitiesinalarm.

Keywords:

AT80S51;DS18B20;photodiode;PHglasselectrode;LEDdisplay;

1引言

水是生命之源，它不仅蕴育了生命，而且是任何生命体得以维持的最基本的物质基础。

水与人体健康息息相关，它是消化食物、传送养分、体液循环、体温调节、润滑组织器官等所必需的，同时，水也是为人体获得各种营养物质的重要途径之一。

由于人们对水质的检测越来越关注，所以我选择设计水质监测仪。

该水质检测是基于MSC-51的一个检测系统，MSC-51[1]系列单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。

MSC-51系列的单片机（如ATMEL89cxx）内部包含有RAM、FLASHROM、两个或者三个16位的定时器/计数器等多种资源。

但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中，仅仅一个单片机资源还是不够的，因此常常需要扩充I/O接口、定时器/计数器、串行通信接口、RAM、ROM等。

本设计将温度传感器、PH值传感器、浑浊度传感器通过多路开关，传送到A/D转换器再传送到单片机中进行检测，在接通电源的条件下，通过报警系统以及显示检验水质的各种参数。

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点。

因此在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

单片机的潜力越来越被人们所重视。

特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。

ATMEL80S51[2]单片机以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化。

有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。

下面分别介绍一下关于在水中的PH值、浑浊度的影响。

水的酸碱性均用PH值表示，水是由H2O组成。

在一般情况下，水可以发生微弱的电离。

在纯水中，由于氢离子过剩水呈现酸性，水越纯越偏酸。

浑浊度为水样光学性质的一种表达语，是由于水中存在不溶性物质引起的，它使光散射和吸收，而不是直线透过水样。

它是反映天然水和饮用水的物理性状的一项指标，用以表示水的清澈或浑浊程度，是衡量水质良好程度的重要指标之一，与悬浮物的质量浓度、颗粒的大小、形状、折射指数等有关。

2系统设计任务和性能要求

设计一个简易水质监测系统，要求能够对水质的温度，酸碱度，浑浊度各种信号进行采集经模数转换送入单片机控制系统并显示，要求有较高的检测灵敏度。

具体任务和要求如下：

（1）检测水质的温度，温度范围0—70°C，精度为±0.5°C；

（2）检测水质的酸碱度，PH范围0-14，精度为±0.5；

（3）检测水质的浑浊度，分为六个等级显示浑浊度状态。

3系统设计方案

本设计将温度模块、测PH模块、测浑浊度模块、显示模块通过多路开关，经模数转换，传送到单片机中进行检测，在接通电源的条件下，通过显示系统显示检验水质的各种参数。

3.1系统框图

显示部分

PH电极传感器

温度传感器DS18b20

A/D转换模块

单片机

光敏二极管传感器

电源部分

图3-1系统总体框图

3.2硬件设计与选择

3.2.1单片机的选择

单片机也称为微控制器或嵌入式微控制器。

其内部结构与普通计算机结构类似，也是由中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出（I/O）3大基本部分构成。

实际就是把一台普通计算机经过简化，浓缩在一小片芯片内，形成了芯片级计算机，即单芯片微型计算机，简称单片机。

具有性能高，价格低；体积小，可靠性高；低电压，低功耗的特点。

AT89C51单片机是Atmel公司1989年的产品，Atmel率先把80C51内核与Flash技术相结合，推出了AT89系列单片机。

AT89C51与80C51单片机的基本机构是一样的，编程所使用的指令及单片机的管脚都与80C51相同，即完全兼容。

由于采用了Flash工艺制作内部存储器（也称闪速存储器），用户可以用电方式进行反复快速擦出、改写。

图3-2AT80C51单片机引脚图

本次课题设计即是选用AT80C51单片机,其引脚如上图3-2。

单片机振荡电路石英晶体振荡器频率选12MHz，则振荡周期=1/（12MHz）,机械周期=12×振荡周期=1μs。

（振荡周期：

也称时钟周期，是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期，一般为11.0592MHZ，12MHZ和24MHZ用的也比较多；机器周期：

一个机器周期包含6个状态周期S1~S6，也就是12个时钟周期。

在一个机器周期内，CPU可以完成一个独立的操作；指令周期：

它是指CPU完成一条操作的所需的全部时间。

每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。

）

3.2.2本系统采用的单片机最小系统原理图

图3-3为单片机最小系统原理图：

图3-3单片机最小系统原理图

3.2.3传感器的选用

（1）温度传感器方案的选择

随着现代科技的发展，传感器技术的应用越来越广泛。

温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。

按照温度传感器的输出信号的模式，可大致分为三类：

逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器、数字式温度传感器[2]。

方案一：

由于传统的模拟温度传感器，如热电偶、热电阻及RTDS对温度的监控，在一些温度范围内的线性不是太好，需要进行冷端补偿或引线补偿，而且热惯性大，响应时间较慢，所以在市场上已很少遇到。

集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小，使用方便等优点。

该方案的缺点是模拟信号转换为数字信号的接口电路需要占用微机的数条数据/控制线。

限制了微机功能的扩展；而且在温度监测点大范围分布的系统中，模拟信号需长距离传输，信号容易失真，抗干扰能力差。

所以不采用此方案。

方案二：

如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。

数字式温度传感器直接输出数字测温信号，不但节约了微机的数条数据/控制线，而且省去了A/D转换、放大、滤波等电路，在长距离传输过程中信号不易失真，抗干扰能力强，所以本设计采用数字式温度传感器。

DS18B20是由美国DALLAS公司生产的一种自带编码的单线数字温度传感器，可以把温度信号直接转换成数字信号。

每片DS18B20含有唯一的64位序列号。

以便不同测温点的识别。

DS18B20的测温是+55℃到+125℃。

符合本设计的要求，所以本设计采用DS18B20数字式温度传感器。

图3-4DS18B20引脚图

DS18B20的主要特征：

全数字温度转换及输出；

先进的单总线数据通信；

最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；

12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；

可选择寄生工作方式；

检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）；

内置EEPROM，限温报警功能；

64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；

多样封装形式，适应不同硬件系统。

DS18B20工作原理及应用[4]：

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其中一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像。

RAM及EEPROM结构图如图3-5所示：

寄存器内容

字节地址

温度值低位（LSByte）

Byte0

温度值高位（MSByte）

Byte1

高温限值（TH）

Byte2

低温限值（TL）

Byte3

配置寄存器

Byte4

保留

Byte5

保留

Byte6

保留

Byte7

CRC校验值

Byte8

图3-5RAM及EEPROM结构图

控制器对DS18B20操作流程：

复位：

首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480us低电平信号。

当18B20接到此复位信号后则会在15~60us回发一个芯片的存在脉冲。

存在脉冲：

在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60us后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240us低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与DS18B20间的数据通信。

如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

控制器发送ROM指令：

双方打完了招呼之后将要进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。

其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。

诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：

此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。

控制器发送存储器操作指令：

在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。

操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。

存储器操作指令的功能是命令DS18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

执行或数据读写：

一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。

如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待DS18B20执行其指令，一般转换时间为500us如执行数据读写指令则需要严格遵循DS18B20的读写时序来操作。

DS18B20的程序流程图如图3-6所示：

图3-6DS18B20初始化程序流程图

（2）测水浑浊度传感器的选择

测水的浑浊度，简单而言可以根据水质不同测水透光的强弱，测光强弱可以用到光敏电阻和光敏二极管[16]。

方案一：

数据采集选用光敏电阻，它是基于半导体光电效应工作的光电管，对光感应灵敏度相当高，当受到一定波长范围的光照时，其阻值（亮电阻）急剧减小，电流迅速增加，通过参考电阻分压后进行模数变换即可获得光敏电阻的阻值，进行换算出光照强度。

其特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力比较强、可靠性好、器件本身不容易发生故障。

方案二：

数据采集选用光敏二极管，光敏二极管也叫光电二极管，光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。

无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。

当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。

当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。

这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。

因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

常见的有2CU、2DU等系列。

以上两种由于光敏二极管两个引脚有较好的绝缘作用方便设计的进行，所以我们选用光敏二极管做传感器，利用光敏二极管采集浑浊度信号的采集电路如图3-7所示。

图3-7光采集信号电路

（3）测水质PH传感器的选择

测量pH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。

试纸法是通过pH试纸颜色的变化来测量溶液的pH值,是采用有些指示剂在不同的酸碱度下能呈现变化或变化为不同颜色这一特性来测量溶液酸碱度的一种方法。

它方便、快捷,但会受到溶液本身颜色或蛋白质等物质的干扰而被限制采用．只适用于分辨力大于0.5pH值的测量；而对于分辨力小于0.5pH的测量，我们均采用电位法即用pH测试仪进行测量。

根据pH测试仪的测量原理建立数学模型:

水溶液的酸碱度与被测溶液的pH值关系，可以用能斯特方程表示:

[15]（2-1）

式中

是电极的标准点位；

是气体的常数R=8.314焦耳/摩；

是绝对温度

=273.15+t（t是摄氏温度）；

是法拉第常数

=96500库/摩。

把常数带入（2-1）

（2-2）

我们采用电极的零电位pH=7,则

（2-3）

由（2-3）式可知，pH值与电极产生的电势呈线性，并且与温度有关。

随着电极的使用，其转换率降低，pH响应时间变长。

因此，必须对其电极的转换率进行修正，一般电极的转换率低于94%就不能使用了，再考虑电极的固有误差，则（2-3）式变为

（2-4）

式中

为电极的补偿斜率；

为电极的固有误差；

，

都是由固定溶液测定的。

因为，在我国标准缓冲液中，没有pH=7.000。

我们采用定标的几种溶液为pH=6.684，pH=4.003，pH=9.182。

把pH=6.864代入（2-4）得

（2-5）

把（2-5）代入（2-4）得

（2-6）

为玻璃电极在pH=6.864标准溶液产生的电动势。

测量数据经pH电极转化为微弱的电压信号，信号调整电路对原始PH电极转化的微弱信号进行调整，信号调整电路采用多级集成运放构成，如图3-8所示。

第一级采用U4和U5放大器CA314O同相放大，提高输入阻抗，玻璃电极通过放大器U4，参考电极通过放大器U5,第二级采用CA314O反相放大,第三级采用uA741跟滑动变阻器进行校正使输出电压达到合理的伏值范围，便于电压值对应PH只对应转换。

pH电极[8]由玻璃电极和参考电极组成。

玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的。

其厚度可以小于0.1mm，Ag—AgC1为参考电极在内部，由二者组成复合电极。

从复合pH电极的玻璃电极和参考电极两端输出的信号为电压。

在一定的温度下只要知道了电压值，即可求出溶液的pH值，因此pH值的测量实际上就是电压信号的测量。

由于复合pH电极内阻很高。

大约l012

。

要求前置放大器有较高的输入阻抗。

因此设计中选用了运放CA3140，它兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点。

都集成在单独的芯片上。

输入电路PMOS提供非常高的阻抗。

并且具有非常快的响应速度。

还具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益；输出部分含有自身保护电路来保护由于负载短路造成的损害。

可完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等，非常适合此电路设计。

本文采用3个CA3140来构成双高阻抗差分输入电路。

电路图如图3-8所示。

图3-8pH信号输入电路

3.2.4显示模块LCD1602资料

本系统显示器采用LCD1602液晶显示模块[9]，1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-1所示：

表3-1：

控制命令表

序号

指令

RS

R/W

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

清显示

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

2

光标返回

0

0

0

0

0

0

0

0

1

*

3

置输入模式

0

0

0

0

0

0

0

1

I/D

S

4

显示开/关控制

0

0

0

0

0

0

1

D

C

B

5

光标或字符移位

0

0

0

0

0

1

S/C

R/L

*

*

6

置功能

0

0

0

0

1

DL

N

F

*

*

7

置字符发生存贮器地址

0

0

0

1

字符发生存贮器地址

8

置数据存贮器地址

0

0

1

显示数据存贮器地址

9

读忙标志或地址

0

1

BF

计数器地址

10

写数到CGRAM或DDRAM）

1

0

要写的数据内容

11

从CGRAM或DDRAM读数

1

1

读出的数据内容

1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

指令1：

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：

光标和显示模式设置I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效。

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：

光标或显示移位S/C：

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。

指令6：

功能设置命令DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：

低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:

低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。

指令7：

字符发生器RAM地址设置。

指令8：

DDRAM地址设置。

指令9：

读忙信号和光标地址BF：

为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

指令10：

写数据。

指令11：

读数据。

与点阵字符型液晶显示模块LCD1602相兼容的芯片时序表如表3-2所示：

表3-2：

基本操作时序表

读状态

输入

RS=L，R/W=H，E=H

输出

D0—D7=状态字

写指令

输入

RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲

输出

无

读数据

输入

RS=H，R/W=H，E=H

输出

D0—D7=数据

写数据

输入

RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲

输出

无

读操作时序如图3-9，写操作3-10所示：

图3-9读操作时序

图3-10写操作时序

3.2.5A∕D转换器

本设计采用ADC0809转换器[7]。

ADC0809转换器是CMOS单片机型八位逐次逼近式A∕D转换器。

它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其各引脚的功能为：

IN0~IN7：

8路模拟量输入端。

（ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0~5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

）

D7~D0：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0~IN7上的一路模拟量输入。

图3-11ADC0809的内部结构

START：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC：

A／D转换结束信号，当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

CLK：

时钟脉冲输入端。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

VCC：

电源，单一＋5V。

GND：

地。

通道选择表如下表3-3所示：

表3-3通道选择表

C

B

A

选择的通道