基于AT89C的TDS水质测试仪.docx
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基于AT89C的TDS水质测试仪
师范学院学院
毕业设计(论文)
2013届
题目基于AT89C2051的TDS水质测试仪
专业电子信息工程
学生姓名
学号09283408
指导教师**********
论文字数11151
完成日期2012-12-20
师范学院学院教务部印制
基于AT89C2051的TDS水质测试仪
摘要:
近些年来水环境的污染使得人们对水质越来越关注。
水质检测仪对帮助人们了解水质情况起到了重要的作用。
TDS水质检测仪以其结构简单,精巧实用,精度高,成本低,反应快等优点备受关注。
TDS水质测试仪由于探头极化现象,寄生电容,温度对测量精度的影响,使其存在测量精度低、温度补偿不够的缺点。
针对这些现象,为了能够更精确测量水质,本研究分析了TDS测量的原理,对各种测量方法进行比较论证,设计了一款基于电导率测量原理和温度补偿误差的TDS水质测量仪。
该电路设计以AT89C2051单片机为核心,由传感器探头、电导率信号采集电路、温度补偿电路、控制电路、数码管显示电路和报警电路组成。
系统引入了温度测量环节,通过软件算法补偿因温度变化引起的测量误差。
关键字:
TDS,水质检测,单片机,温度补偿
TDSQualityDosimetersBasedonAT89C2051
Abstract:
Inrecentyearswaterenvironmentalpollutionmakesitincreasinglyconcernedaboutwaterquality.Waterqualitytestinginstrumentsplayedanimportantroleinhelpingpeopletounderstandthewaterquality.TDSwaterqualitytesterconcernitsstructureissimple,compact,high-precision,lowcost,fastresponse.TDSwatertesterduetothepolarizationoftheprobe,theparasiticcapacitance,thetemperatureonthemeasurementaccuracy,itexiststhedisadvantageoflowmeasurementaccuracy,thetemperaturecompensationisnotenough.Forthesephenomena,inordertobeabletomoreaccuratelymeasurethewaterquality,thisstudyanalyzedtheTDSmeasurementprinciple,acomparativedemonstrationofvariousmethodsofmeasurement,designaTDSwaterqualitymeasuringinstrumentbasedonconductivitymeasurementprincipleandtemperaturecompensationerror.ThecircuitdesignAT89C2051microcontrollerasthecore,theprobebythesensor,theconductivitysignalacquisitioncircuit,temperaturecompensationcircuit,controlcircuit,digitaldisplayandalarmcircuitscomposed.Thesystemintroducesaspectsoftemperaturemeasurement,themeasurementerrorduetotemperaturechangescausedbythesoftwarealgorithmcompensation.
Keywords:
TDSWaterqualitytestingMCUTemperaturecompensation
第一章绪论
1.1基于AT89C2051的TDS水质测试仪的研究背景
水作为一种重要的资源,与人们的生活和生产都有着密切联系。
在水资源匮乏和水污染日趋加深的今天,水质问题受到了更多的关注,对水质进行检测与分析,了解水质状况,能够更好地保护水资源,控制水污染。
TDS(溶解性总固体,又称总含盐量),测量单位为毫克/升(mg/L),它表明1升水中溶有多少毫克溶解性总固体,或者说1升水中的离子总量。
水样经过滤后,在一定温度下烘干,所得的固体残渣称为溶解性总固体,包括不易挥发的可溶性盐类、有机物及能通过过滤器的不溶解微粒等。
TDS水质检测方法通常分为两种,分别为称量法和电极测定法。
称量法一般采用国标检测方法,分别为105℃烘干和180℃烘干两种。
称量法测定TDS时,将一定量的水样经过滤,在标准温度下烘干,直接求得TDS值。
此测量方法,虽技术要求低,但操作步骤繁琐,对测量环境要求高,抗干扰能力差,且测量时间长。
电极法测量TDS是一种电化学分析方法,仪器测量时,将电极置于溶液中,使用交流电源,通过测量电流的大小得到溶液的电阻率,由于温度影响电导率的测量,因此采用热敏电阻对温度进行补偿。
运用软件拟合电导率和温度的经验公式的方法补偿温度系数呈现非线性的高纯水。
运用电解质溶液导电产生电流,由电阻与电导率之间的关系公式,通过测量电阻间接求得TDS数值的方法。
根据此测量方法研制的仪器有着成本低、测量方便,反应速度灵敏,使用范围广,不破坏被测物质样品等特点。
1.2基于AT89C2051的TDS水质测试仪的发展现状
目前水质检测的方法有分光光度法、荧光法、原子色谱法、电导率法等。
前三种由水体吸收折射光谱,估算水体的溶质和浓度,测量精度准确,但操作不方便,耗时长,成本高。
电导率检测法研究成熟、简单易用,使用方便。
根据其测量方法研制的仪器具有结构简单、反应速度灵敏、实用性好和成本低廉的特点。
电极电导率测量法根据电解质导电原理,通过测量电阻得到电导率,测量电极过程表现为复杂的电化学系统,极化效应、电容效应和温度影响电导率准确测量,使得传统的电导率检测仪精度较低,智能化不够。
这些都有待于进一步的研究与改进。
电导率测量方法按有无电极分为有电极测量方法与无电极测量方法,其中有电极的电导率测量方法用的较多,按电极在测量电路中的位置可分为电流法、电桥法、分压法、频率法[1]。
电流法,电极一般在运放的输入端,原理是:
激励源在电极中产生一个电流,该电流是被测电导率的正比,再经标准采样电阻产生交流电压,最后经放大、整流、滤波转换成直流电压。
电桥法在实验分析中电极作为电桥的一臂,高要求的实验室分析常用此方法。
分压法是一种研发成熟且应用广泛的测量方法。
电极与分压电阻串联,分压电阻可调大小,分出的电压经放大、检波和滤波电路得到相关值。
频率法:
通过多谐振荡电路将电导率转化为频率信号,电极作为振荡电路的一部分。
测得的结果精度高,并且可远程传输。
系统结构简单,成本低,易做成便携式电导仪。
1.3论文研究目标与主要研究内容
论文研究目标:
本毕业论文研究的目标是基于AT89C2051单片机为核心器件,设计一个可测量水TDS值的仪表,
论文主要研究的内容及技术参数主要以下几点:
(1)根据系统要求,研究TDS值的测量原理及其传感器设计;
(2)根据TDS值非线性特点,研究其补偿方法,测量误差小于2%;
(3)研究温度与TDS值的关系,研究温度补偿方法;
(4)以LED数码管方式显示测量结果;
(5)分析系统功能需求,设计各个硬件电路模块电路图及总体电路图;设计系统各子程序流程图及总体程序流程图。
主要研究内容:
本课题是基于AT89C2051的TDS水质测试仪设计,其具体要研究的内容主要有以下几点:
(1)研究AT89C2051单片机原理及其应用;
(2)研究数码显示管的显示功能;
(3)研究按键模块,并实现应用按键对各个功能的切换;
(4)研究电极电导率测量法的原理,温度补偿减小测量误差的方法;
(5)研究通过DS18b20测量温度并输送测量信号的方式;
(6)研究系统整个电路图的设计及程序设计。
第二章系统硬件电路设计
2.1系统主要设计方案
论文利用单片机实现TDS值信号在线采集,并设置温度测量模块,采用数字温度传感器DS18b20进行温度测量。
通过软件算法补偿由于温度而引起的电导率值测量误差,从而提高了水质测量精度。
电路主要包括传感器、信号采集电路、温度补偿电路、控制电路、数码管显示电路和报警电路。
设计原理是通过电导率测量电路中的探头采集电导率信号,同时采用温度传感器DS18b20测量水温,将采集到的信号传送到单片机并对这两个信号进行处理,运用软件算法补偿的方法对温度引起的电导率测量的误差进行补偿,最后将补偿后的结果显示在数码管上。
2.2系统整体框图
图2-1系统整体硬件框图
2.3AT89C2051单片机简介
AT89C2051单片机是CMOS8位微处理器,有着2k字节的闪速可以重复使用的只读存储器,128字节的随机数据存储器,具有低电压,高性能。
生产采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术,与MCS-51指令集兼容。
内含通用闪速存储单元和位中央处理器。
有15个I/O接口,2个16位计数器,6个中断源,具有中断系统,精密电压比较器,可编程串行通道口,空闲节电方式和掉电节电方式。
该单片机VCC口接电源电压,GND口接地,RST为复位输入。
XTAL1接口是振荡反相器和内部时钟发生器的输入。
XTAL2接口是振荡反相放大器的输出。
AT89C2051开发应用系统的方法有两种。
配备一个编程器,编辑程序,进行编译,实行固化,将其插到电路板试验,重复之前的操作,此调试方法存在对片内RAM的信息无法清楚的缺点。
用普通仿真器仿真2051,便于调试,但存在差距。
2.4TDS值测量原理及电路
2.4.1TDS值测量原理
TDS表示1升水中溶有多少毫克溶解性总固体,或者说1升水中的离子总量。
水样经过滤后,在一定温度下烘干,所得的固体残渣称为溶解性总固体,包括不易挥发的可溶性盐类、有机物及能通过过滤器的不溶解微粒等。
导体的导电过程是由于导体本身存在的自由电子在电场作用下运动而产生的,它的导电能力除了与金属本身性质有关外,还与它的长度和横截面积有关。
其关系式为[2]:
R=ρ·L/A
式中:
R为导体电阻(Ω),L为导体的有效长度(cm);A为导体的有效横截面积(cm2);ρ为电阻率(Ω.cm)。
电导是电阻的倒数,用于衡量物质导电能力的强弱。
电阻越大,导电能力越弱。
反之则越强。
因此,可得表达式[3]:
S=l/R=A/(ρ•L)=k•A/L=k/θ
式中:
S是电导,单位为西门子(s);k是电导率,单位为每厘米西门子(δ•cm)-1,或S/cm;θ=L/A为电极常数为电导池常数(cm-1)。
电导率是表示物质导电性能的物理指标。
电导率越大则物质导电性能越强,电阻就越小,反之导电性能越差,电阻越大。
溶液的电导率等于溶液中各种离子电导率之和。
在溶液的测量中,由于水质测量仪器确定,使得测量仪器探针的直径、长度都固定,既上式中的L(导体的有效长度
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- 基于 AT89C TDS 水质 测试仪