毕业设计简易水质监测系统的设计.doc
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存档编号
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
届别2013届
专业电气技术教育
学号090805030
姓名杨艳萍
指导教师许粮
完成日期2013.5
目录
内容摘要 1
关键词 1
Abstract:
1
Keywords:
1
1引言 2
2系统设计任务和性能要求 3
3系统设计方案 3
3.1系统框图 3
3.2硬件设计与选择 4
4系统软件设计 10
4.1程序设计 16
4.2系统主程序流程图 17
4.3温度主程序流程图 17
4.4PH值测量流程图 18
4.5浑浊度程序流程图 18
5系统调试 19
参考文献 20
附录一 21
附录二 21
致谢 32
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：
①全数字温度转换及输出；②先进的单总线数据通信；③最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；④12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；⑤可选择寄生工作方式；⑥检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）；⑦内置EEPROM，限温报警功能；⑧64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；⑨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
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