基于单片机的水质监测系统的设计.doc

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皖西学院本科毕业设计

基于单片机的水质监测系统的设计

作者

薛松林

指导教师

张仲义

摘要:

现在水源污染已经成了社会密切关注的话题，所以对水质进行监测成了保护水资源的一项重要措施，基于此本文设计了一款能够有效监测水质的系统。

对于水质的监测主要是监测水中自由离子浓度和水的浑浊度。

设计的方案是基于单AT89C51单片机，对水源进行采集，再通过传感器对采集到的水源进行处理产生模拟信号，之后再通过模拟信号转变成数字信号转换器（A/D转换器），转变之后的信号传送给单片机，单片机接收到信号之后进行处理后再显示模块进行显示。

通过本设计可以有效地得出水中浑浊度、自由离子浓度，从而判断水的污染情况！

在本设计中，系统地介绍了水质监测的原理、硬件的结构、工作原理及其使用和各部分功能电路的设计。

关键词:

水质监测、AT89C51单片机、数据采集、A/D转换、水中自由离子浓度、浑浊度、传感器

Waterqualitymonitoringsystembasedonsinglechipdesignabstract:

nowwaterpollutionhasbecomeasocialtopicclosely,sothewaterqualitymonitoringhasbecomeanimportantmeasurestoprotectwater,Idesignedamodelbasedoneffectivemonitoringofwaterqualitysystem.Monitoringforwaterqualitymonitoringismainlyfreeionconcentrationinwaterandtheturbidityofwater.DesignschemeisbasedonsingleAT89C51,theacquisitionofwaterandwatersupplywerecollectedbysensorstoproduceanalogsignalprocessing,andthenthroughtheanalogsignalintodigitalsignalconverter（A/Dconverter）,afterthechangeofsignalistransmittedtoMCU,MCUreceivesthesignalafterprocessedbeforedisplaymoduledisplay.Throughthisdesigncaneffectivelydrawthewaterturbidity,freeionconcentration,tojudgethewaterpollutionsituation!

Inthisdesign,systematicallyintroducestheprincipleofwaterqualitymonitoring,thehardwarestructure,workingprincipleanditsusageandfunctioncircuitdesignofeachpart

Keywords:

waterqualitymonitoring,AT89C51singlechipmicrocomputer,dataacquisition,A/Dconversion,freeionconcentrationinwater,turbidity,sensors

-II-

目录

1.绪论 1

1.1我国水质监测背景 1

1.2国内水质监测技术的现状 1

1.3水质监测的意义 2

1.4水质监测的监测指标 2

2水质监测的方法和原理 4

2.1水中自由离子浓度与水的导电率的相互关系 4

2.2水的浑浊度的监测原理 4

3水质监测系统的硬件设计 5

3.1单片机的选择 5

3.1.1单片机介绍 5

3.1.2单片机的最小系统 7

3.2复位电路和晶振电路 8

3.3显示电路设计 9

3.4传感器的选择 11

3.5A/D转换 12

4水质监测系统的软件设计 14

4.1C语言的特点和程序结构 14

4.2水质监测主程序流程图 15

4.3ADC0832数据读取程序流程 16

总结 17

附录 18

1自由离子浓度和浊度监测原理图 18

2仿真图 18

3程序清单 19

致谢 27

参考文献 28

1.绪论

1.1我国水质监测背景

中国水资源的分布极其不均匀，水土流失矿山污水导致人类周围的水环境污染日趋严重，严重制约了经济的发展和危害着人类的健康。

严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视，对废水的处理和检测成为了维护良好人民生活环境所必不可少的要求，废水中是否有对环境产生重大影响的元素和他们的含量是否在标准以内直接关系到本设计的生存环境。

水是人类生产和生活中必不可少的资源，可是现在，生态环境遭到了人类严重的破坏，水资源持续污染，保护水资源和水污染治理成为当代社会最为关注的问题。

污染负荷急剧增加，加重了水体的污染，所以水资源也更加短缺了。

工业废水近年来虽然经过治理有所减少，但城市生活污水有增无减，占水质污染的55%以上。

水是生命之本，是人类赖以生存必不可少的物质资源之一，水也是为人体获得各种营养物质的重要途径之一。

随着科技的发展，水污染越来越严重。

对水资源的保护成为一项重要的工程。

水质检测是对水资源保护的重要指标。

水质检测越来越受到人们的关注。

因此本次设计本设计选择水质检测系统。

其中饮水安全则是影响人体健康和国计民生的重大问题。

饮用水主要考虑对人体健康的影响，其水质标准除有物理指标、化学指标外，还有微生物指标；对工业用水则考虑是否影响产品质量或易于损害容器及管道。

近年来,由于国际上一些地区和国家频繁发生恶性事件,饮水安全和卫生问题引起了全球的关注,饮水安全已成为全球性的重大战略性问题。

所以水资源的保护成了我国重中之重的一个问题，水土流失矿山污水导致人类周围的水环境污染日趋严重，严重制约了经济的发展和危害着人类的健康。

严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视，对废水的处理和检测成为了维护良好人民生活环境所必不可少的要求，废水中是否有对环境产生重大影响的元素和他们的含量是否在标准以内直接关系到本设计的生存环境，做好水质监测是本设计这次课程设计的目标。

1.2国内水质监测技术的现状

许多年以来我国的环境监理工作一直采用传统的环境水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主。

我国环境水质监测仪器以往主要依赖进口，从2000年开始，成熟的国产化设备才开始在全国范围内大规模推广。

水质监测现状揭示了我国水污染的严重程度和水质监测的建设的落后。

因此，治理水污染，必须先做好水质监测。

近年，水质自动监测技术在许多国家地表水监测中得到了广泛的应用，我国的水质自动监测站的建设也取得了较大的进展。

但是，还没有可普遍应用于基层水环境在线监测与数据远程传输、处理的水质监测完备平台在国内产出。

并且，近年发展起来的各式数据传输网络，大多数是上下环境监测部门之间的数据传输，基于基层水质的实时采集监测与水质分析系统环节还很薄弱。

1.3水质监测的意义

第一，了解污水水质，为污水处理技术方案提供依据。

因为描述定义一种污水，主要就是从其常规水质指标角度来说的，常规水质指标包含了污水的基本特征和信息。

能被选为常规指标，都有其重要性和意义（或者环境方面有要求，或者在处理工艺方面很重要，或者国家有相关排放规定等）。

污水的水质特征决定了它适合采用什么处理方法，常规指标提供了最基本和重要的依据。

第二，为水处理工艺运行提供参考。

以生物法处理废水为例，各个工艺单元都对进水水质有相关要求，出水水质也要达到设计效果，所以就要在各个工艺节点对污水水质进行检测，并以此判断运行是否正常，如果异常，也可以从水质指标做出预判。

总的来说，常规水质监测是用来反映水质基本特征的。

为行政的、经济的、技术的表征污水提供量化指标。

另外通过对水质监测系统的研究，可以对监测和测控有一个更深入的了解，尤其是在电子测控方便，应用到电子测试的一些基本知识，配合对单片机的研究，可以对自己在监测和测控方面进行很大的提升，而且在当今时代，监测和测控的技术逐渐的仪表化，通过这次的研究可以做出比较精确的仪表。

另外，研究如何将传感器与外围电路配合，将感应的模拟信号转变成数字信号也是非常重要的，这样对传感器和模数转换器的应用也会得到认识上的提升，另外就是单片机的学习，尤为的重要，可以丰富自己的设计能力和单片机程序语言的设计能力。

1.4水质监测的监测指标

水质检测是指对水样的各项指标进行测试，可以根据这些指标对水质进行分类，对水体质量进行判断和综合评价。

其检测内容可以是pH值、各种溶于水的自由离子（比如氨氮、氯离子、高锰酸根离子、硝酸根离子、磷离子、氟化物和氰化物等）、细菌总数及矿化度等。

使用电子设备进行水质检测，主要是利用各类传感器，对水中的参数进行检测。

其检测内容可以为浑浊度，电导率，温度等。

依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了生活饮用水、工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量划分为五类：

Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。

适用于各种用途。

Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量。

适用于各种用途。

Ⅲ类以人体健康基准值为依据。

主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。

Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据。

除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。

Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。

表1.1我国水质标准分类表

类别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

氯化物（mg/L）

≤50

≤150

≤250

≤350

≥350

硫酸盐（mg/L）

≤50

≤150

≤250

≤350

≥350

硝酸盐（mg/L）

≤2.0

≤5.0

≤20

≤30

≥30

浑浊度（mg/L）

≤5.0

≤10

≤20

≤100

≥100

溶解性总固体（mg/L）

≤300

≤500

≤1000

≤2000

≥2000

2水质监测的方法和原理

2.1水中自由离子浓度与水的导电率的相互关系

纯水本身可微弱地介离，使水具有微弱的导电能力。

水中含有各种自由离子使水溶液具有更强的导电性。

水质越纯，温度越低，电离度越低。

因此水的导电率越低。

超纯水几乎不能导电[1]。

由于不同水中所含有的自由离子的含量不同所以水的导电能力不同，本设计通过检测不同水质下水中的电阻，从而得出其电导，判断水质是否纯净。

溶液导电能力以电阻值来表示，导电能力强电阻值小。

纯水导电性微弱。

电阻率P的物理意义是1cm，截面为1cm2均匀导电体的电阻值（即1cm，水或水溶液的电阻值），并称之为水的“电阻率”或“比导电”。

电阻率的单位为欧姆·厘米（Ω·cm）。

电阻率（P>的倒数称为电导率（x）（单位为记作欧姆-1·厘米-1）[2]。

表2.1某质量分数各水样的相对电导率范围

序列

测量内容

相对电导率变化范围

1

自来水

-0.002-0.002

2

加入8mg硫酸亚铁

-0.176-0.567

3

加入4mg硫酸亚铁

-0.063-0.252

4

加入4mg氯化钾

-0.509-0.836

5

加入2mg氯化钾

-0.406-0.531

6

加入1mg氯化钾

-0.048-0.201

7

加入2