基于STC89C52单片机的水质监测系统设计Word文件下载.docx
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Abstract
Waterpollutionisahottopicinthesociety,andwaterqualitymonitoringisalsoanimportanttechnicalmeasuretoprotectwaterresources.Inthispaper,amultiparameterwaterqualitymonitoringsystembasedonSTC89C52single-chipmicrocomputerisdesigned.FourwaterqualityparametersaremonitoredbypHsensor,turbiditysensor,dissolvedoxygenratesensorandconductivitysensor.ThevalueofeachparameterisdisplayedbyLCD1602throughADconversion,soastorealizethemonitoringfunctionofwaterqualityandjudgethewaterpollution.
Thisdesignusesproteessimulationsoftwaretosimulatethesystem,andfinallyrealizesthereal-timemonitoringfunctionofpHvalue,turbidity,dissolvedoxygenrateandconductivity.
Keywords:
Keywordswaterqualitymonitoring;
STC89C52;
ADconversion;
display;
一、国内外研究背景及现状
随着这些年工业自动化的快速发展，化工、制造等多个行业对环境的污染也日益严重，而且人口的快速膨胀也使得水资源的需求急速增长，工业发展时由于大量未经处理的污水直接排入水源造成污染，水质明显下降，严重制约了我国社会经济的发展，同时也严重影响了人们的身体健康及生活质量。
尽管目前我国出台了一系列的水资源保护政策，已经在控制水污染源头方面取得了不小的成绩，但当前的水污染形势仍非常严峻，是我国当前所面临的一个全局性问题，我国2005年在七大水系（珠江、长江、黄河、海河、辽河以及松花江）的各地表水监测断面中，检测到有27%为劣Ⅴ类水质，基本已经无法再使用。
到2006年，七大水系劣Ⅴ类比重稍微下降至26%，但全国地表水所占比例仍高达28%，在水资源相对短缺的北方地区，污染状况反而更加严重。
在这样的大环境下，人民的饮用水安全已经失去保障，全国的222的饮用水水源地达标率只有72%，剧增的工业废水几乎使得所有的城市湖泊受到不同程度的污染，例如2007年6月爆发的太湖蓝藻事件给无锡市人民带来了无法估量的损失。
目前国内外的工业技术与自动化技术已经得到了巨大的发展，世界上有许多工业化程度较高的国家都已经开始广泛应用自动化技术用于各种行业中的水质监测。
从2000年开始，成熟的国产化设备在全国范围内大量推广，在此之前一直使用传统的环境水质监测工作，需要人工进行现场采样以及实验室仪器分析，而且大量的水质监测仪器依赖进口，小城镇以及广大的农村地区实际污染程度远超预期，近年，水质自动监测技术在国内的水质监测工作中得到广泛应用，但基于基层水质的实时采集监测系统与水质分析系统环节还是很薄弱。
在国外早期的河流水质监测办法是选取河流断面定点定时采集水样，带至实验室分析。
这人工抽查方法不能及时准确的掌握不断变化中的水质数据。
为了尽早发现水质的异常变化，提高下游水质污染防治预报，及时追踪污染源，研究水的稀释及水环境的自我净化规律，国外在完善实验室监测同时，发展了水质移动监测系统和水质自动监测系统。
水质移动监测系统是一个以移动监测车为基本监测单元，采用便携水质实验室及现场水质参数分析仪采集水质变化，运用GPS全球卫星定位系统和GPRS/GSM无线数据通讯装置进行信息通信的水质检测、分析系统。
解决了偏远地区及水域水质监测的困难。
水质自动监测系统，常用在监测水质污染及一些特定指标。
通过在片区域或一个水系放置若干有连续自动监测仪器的监测站来采集被检测物变化信息，再传送至统一的控制中心，随时对该片区域或一个水系的水质进行连续自动的监测。
二、方案设计
2.1水质参数采集方案设计
方案一:
STM32F103C8T6单片机+PH传感器+TDS传感器+浑浊度传感器+溶氧率传感器
本方案使用STM32单片机作为主控芯片，四个传感器模块直接与STM32单片机的ADC采集口相连，STM32内部将数据转换为电压值并进行显示。
STM32系列单片机是arm系列单片机，被广大开发人员和电子爱好者广泛使用。
STM使用的Cortex-M3内核具有强大的内部资源，可以在不同的环境中处理微信号。
特殊处理芯片的选择使多个模块同时高效地工作和反应，同时具有高效的故障保护和高性能的特点稳定性功能强大，价格低廉，市场环境广阔。
由于各种智能设备的迅速发展，STM32系列单片机具有利用率高的优点，具有非常丰富的开发信息和经验，非常适合学生设计不同的系统和开发。
同时STM32F103C8T6系列单片机具有下列功能：
1.STM32F103C8T6系列单片机的外部快速I/O多达21个，而且所有的I/O口都可以进行其内部16个外部中断的映像，虽然STMF103系列单片机的工作电压范围为2.0V~3.6V，但5V的信号可以从其几乎所有的端口进行输入。
通过软件的设计，可以将其每一个端口都能够配置成推挽输出、开漏输出、上拉电阻输出、上拉电阻输入、下拉电阻输出、下拉电阻输出等其他外设功能，能够从软件层面上优化外部电路，使得其I/O无需在外部电路上进行有关于输出能力的设置。
2.STM32F103C8T6系列单片机中集成了多个高精度的ADC转换器，且其强大的处理能力能够维持双通道采样和保持的功能，从低至0V高至36V的电压都能被其两个ADC转换器的16个输入通道所采集。
3.STM32F103C8T6系列单片机具有七路能够跳过CPU的干预而直接进行存储器与存储器、设备与存储器之间的数据传输，能够大大的节省CPU资源，从而释放CPU的空间便于其去进行其他操作。
4.能够通过20脚的JTAG仿进行真调试以及具备SWD功能。
STM32F103C8T6的引脚如图2-1所示，
图2-1STM32F103C8T6引脚图
根据以上分析，可绘出如图2-2所示的系统整体方案图。
图2-2方案一流程图
方案二：
STC89C52单片机+AD转换+PH传感器+TDS传感器+浑浊度传感器+溶氧率传感器
STC89系列单片机是一款可在线编程的单片机，具有高速、高可靠性的突出特点，内部采用8051架构微处理器，具有低功耗和超低价的特点，其外部引出四个8为并行I/O，且每个I/O可单独操作。
而且51单片机一直被当作嵌入式入门的经典芯片，一直被低成本原则系统的产品设计所使用。
此外，此单片机具有极其丰富的外设接口和极其丰富的内部资源以及串口通讯接口，且此单片机具有较低的功耗，被广泛的应用于智能监测设备，强大的开发团体使其具有十分广泛的学习资料，而且价格低廉，适合新产品的开发工作。
STC89C52向外引出40个I/O口，除特殊功能I/O口之外，每个I/O口都可以在程序中进行单独操作。
其中STC89C52具有4个并行的8位I/O口接口，一个能够进行全双工通用异步串行接口UART，此接口通常被用来下载程序或者远程数据传输。
其片内振荡器和时钟电路可通过外接晶振作为芯片的时钟源输入，给系统的时钟设计提供了一定程度便利性。
STC89C52的P0口是一个8位I/O口，其内部采用漏极开路连接方式，同时该引脚具有一定的特殊功能，能够在闪存编程时作为源码输入接口，闪存校验时作为源码输出端口。
P1口也是一位8位的双向I/O口，其与P0口的不同之处在于其内部提供上拉电阻，在没有对单片机进行操作时其默认为高电平，P1口与P0口作为一对闪存输出端口，P1口在进行闪存与校验时用于提供低八位的地址接收功能。
其余两组双向IO口其内部也都接了上拉电阻，其中P3口大多为外部中断等特殊引脚，P2口则一般被当为普通I/O口使用，用于连接各种外部设备。
STC89C52单片机如图2-3所示。
图2-3STC89C52单片机
根据以上分析，可以得出系统整体方案流程如图2-4所示。
图2-4方案二流程图
方案三：
STC89C52单片机+AD转换+PH传感器+浑浊度传感器+溶氧率传感器+NE555测导电率电路
方案三的设计思路在于节省成本，在方案二的基础上，将导电率的测量方法改为NE55测电阻进而得到水质的导电率参数。
通过NE555定时器构成的单稳态电路产生矩形脉冲，通过单片机读取高低电平即可得到单稳态电路的输出频率，进而可计算出电阻值。
电路如图2-5所示。
图2-5单稳态电路
将上图所示的R1置换为待测液体，液体的浑浊度不同其电阻值不同，进而改变7脚输出方波频率，由公式
得到公式
据以上分析可绘出如图2-6所示的系统方案流程图
图2-6方案三流程图
根据对以上三种方案的分析可以得知，方案一具有精度高、电路简单的优点，但STM32单片机相对来说价格略高，电路复杂，开发难度较高。
方案二成本低廉，且电路简单，易于开发，方案三虽然能够进一步压缩成本，但单稳态电路的输出波形不够稳定，单片机在进行读取时容易出现误差，所以本系统使用方案二进行设计。
2.2显示方案设计
方案一：
数码管。
数码管是人们在进行数字显示时最常用的模块之一，其内部集成8段发光二极管，这8段二极管可以通过共阳极连接或者共阴极连接，用户可以通过操控这8段发光二极管进而组成自己想要显示的字符，操作简单，且电流消耗小，缺点是其显示位数较少，想要增加显示字符数比较浪费单片机的I/O口资源，或者选择采用锁存器等数据处理单元，增加系统的成本。
LCD。
LCD是一种液晶显示屏，目前常见的种类有LCD1602，LCD12864等，它的优点在于显示能力强大，可以根据软件编程对每个字符的显示位置进行更改，这一特点使得用户能够充分利用LCD的显示资源，同时LCD一般采用并行串口通讯方式，能够显示通过取模软件所生成的大部分字符，而且LCD还可以通过外围电路手动控制显示的对比度、亮度等，是目前使用比较广泛的显示器。
OLED显示屏。
OLED是一种新型的显示方案，在显示时无需使用背光源、其具有对比度高、体积轻薄等先进优点，是目前平面显示器的新兴技术，一般通过IIC或者SPI通讯方式进行数据的传输，具有更新速度快、温度范围广等优良特性，而且OLED是十分省电的。
缺点就是在进行OLED显示设计时，由于其并不具备背光功能，所以其在没有任何程序进行驱动的时候是没有任何显示的，所以在进行基于OLED显示系统设计时，很容易遇见OLED不显示内容的情况，而对于这种情况我们又不能清楚的排查是其硬件或者软件原因，有可能会导致开发进度的缓慢进行。
在进行对本系统需要显示的参数分析后，决定使用LCD1602作为显示模块。
LCD1602是一款16x2的显示液晶屏，可以通过外部引脚对其对比度以及亮度进行调节，使用并行串口通讯方式传输数据，且基于STC89C52的LCD1602显示程序是目前嵌入式行业的入门程序，我们可以很容易的获取相关显示资料，而且LCD1602具有较小的体积，能够减小系统的整体重量，提升产品的便利性。
三、技术路线
本系统技术路线分为文献分析与实地调研、系统方案选择、器件选型、方案设计、系统搭建、仿真、系统优化，技术路线图如图3-1所示。
图3-1技术路线图
我们首先通过知网、XX学术、维普等技术型网站查询关于水质监测系统和各种电路模块的相关文献资料，了解了有关水质监测系统的国内外研究背景及现状，并分析了水质监测系统所需要的传感器模块，然后，我们到有关水质采样中心进行实地调查，询问了一些水污染参考指数，明确了污水与非污水的标准与区别，接着进行系统方案选择，我们列出了三种方案，最后根据经济环保稳定的设计理念选择了最终的系统方案，使用STC89C52单片机+AD转换+PH传感器+TDS传感器+浑浊度传感器+溶氧率传感器作为系统的主要模块进行搭建，有的传感器器件有许多种类，我们根据具体需求对器件进行选型，接着确定系统的硬件设计方案与软件设计方案，硬件上选用采用AltiumDesigner进行电路图的绘制以及PCB板的设计，软件上采用C语言进行开发，C语言在编写逻辑控制代码时，有者通俗易懂的关键词提示，有利于用户与开发者的代码编写以及数据流的观察，而且C语言强大的兼容性能够使得用户在不同平台下进行调试工作。
硬件设计与软件设计完成之后，我们开始动手搭建系统，使用恒温电烙铁配合锡丝进行器件的焊接，焊接完成后，对各个电路模块进行硬件调试，首先要用眼睛观察，仔细地观察外部的各个元件或单元电路在未接电源时是否出现断点或者元件是否符合标准；
其次再利用万用表检测，应当用它反复的检查上步骤中有疑惑的接点，然后再去测试各个电源线与地线之间是否有短路的现象发生。
上述步骤完成后方可进行通电源检测，让需要被检查的电路通电，观察硬件指标是否符合我们所需要的值；
在通电测试时，如发现万用表在某一部分数值出现异常，应立即断电，检查该部分电路是否存在损坏，如元件无损坏或无发热等现象出现，可再次接通电源，使用示波器等精密仪器对关键节点进行检测，直至发现故障并修复。
以确保焊接牢固无虚焊。
系统搭建完成后，利用Protues软件进行仿真调试，Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
在软件中画出元器件，将HEX文件加载进去，便可看到仿真结果。
四、器件选型
根据具体方案与技术路线，开展器件选型，如表4-1所示。
名称
型号
厂家
价格/元
主控芯片
STC89C52
risym旗舰店
7.82
A/D转换芯片
TLC2543
telesky旗舰店
65.49
PH传感器
BHT-D
sinomeasure旗舰店
269
浑浊度传感器
TSW-30
大学生电子商铺
59
导电率传感器
TDS
65
溶氧度传感器
AR8210
158
LCD1602
5V蓝屏带背光
7.84
表4-1器件选型表
其中，主控芯片使用的是STC89C52,STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
引脚图如图4-2所示。
图4-2STC89C52引脚图
A/D转换芯片使用的是TLC2543芯片，TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。
TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS（片选）、输入/输出时钟（I/OCLOCK）以及串行数据输入端（DATAINPUT）。
片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样－保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。
TLC2543的主要特性如下：
●11个模拟输入通道；
●66ksps的采样速率；
●最大转换时间为10μs；
●SPI串行接口；
●线性度误差最大为±
1LSB；
●低供电电流（1mA典型值）；
●掉电模式电流为4μA。
实物如图4-3所示。
图4-3TLC2543芯片
PH传感器使用的是BHT-D型PH值、温度模块，该模块采用双高阻三电极体系，具有在线一键校准、实时温度补偿、电极松断报警、校准时电极好坏报警、掉电保护（可使标定结果和预置数据不因关机或停电而丢失）、测量精度高、响应快、使用寿命长等特点。
产品体积小、重量轻、易于安装和维护，可PH值、温度同时输出0-5V、0.4-2V、1-3V线性模拟信号,或串口输出数字信号，方便用户进行二次开发。
其实物如图4-4所示。
图4-4PH传感器模块
浑浊度传感器使用的是TSW-30浑浊度传感器，此利用光学原理，通过测量溶液中的透光率和散射率来综合判断溶液浊度情况，从而大大检测水质的目的。
传感器内部是一个红外线对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于被测液体的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。
浑浊度传感器模块实物如图4-5所示。
图4-5浑浊度传感器
该浑浊度传感器直接输出模拟电压值，但其浑浊程度无法量化，水质浑浊越严重，则该传感器的输出电压越低，该传感器端口分布如图4-6所示。
图4-6浑浊度传感器引脚分布图
导电率传感器使用的是TDS导电率传感器,水导电率又称为TDS，可以通过水的导电程度来反映水的纯净程度，本方案使用的导电率传感器如图4-7所示。
图4-7导电率传感器
该传感器适配单片机，可输出0~2.3V模拟电压，且其具有3.3~5.5V宽电压供电特性，能够非常方便的接到现成的控制系统中使用，测量使用的激励源采用交流信号，可以有效地防止探头极化，增加探头寿命，同时增加输出信号d额稳定性，且TDS探头为防水探头，可长期浸入水中测量。
溶氧度传感器使用的是AR8210溶氧度传感器，溶氧度传感器一般分为荧光法传感器与极谱法传感器，本方案使用荧光法传感器进行设计，该种传感器具有以下优点：
免维护，无需电解液，不会极化。
不受硫化物等化学物质干扰。
无需消耗氧，不受流速影响。
荧光帽更换简单，周期使用成本耕地。
内置温度传感器，自动温度补偿。
可直接投入水中，无需加保护管。
IP68防水等级，线缆防腐蚀。
该传感器实物如图4-8所示。
图4-8溶氧度传感器
显示模块使用的是LCD1602显示屏，LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。
它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。
通过电压来改变填充在两块平行板之间的液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一，错落有致的图象，而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层，就可实现显示彩色图象。
液晶是具有流动特性的物质，所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子运动，以最常见普遍的向列型液晶为例，液晶分子可轻易的借着电场作用使得液晶分子转向，由于液晶的光轴与其分子轴相当一致，故可借此产生光学效果，而当加于液晶的电场移除消失时，液晶将借着其本身的弹性及黏性，液晶分子将十分迅速的回撤消来未加电场前的状态。
实物图如图4-9所示。
图4-9LCD1602
五、系统设计
5.1硬件设计方案
硬件设计需要对系统的整体进行搭建与调试，所以需要选择合适的硬件搭建方法，便于进行后续软件调试。
洞洞板焊接。
洞洞板焊接是电子开发人员常用的电路搭建方式，其具有快速、便捷等优点，简易的操作方式能够使得开发人员随时进行实际电路的搭建与测试，但其缺点是对于复杂的电路进行搭建时，由于其使用锡丝进行走线，难免会出现走线困难、跳线不稳固、短路等意外情况，给开发人员带来不必要的麻烦。
使用电路设计专用软件。
目前行业内有很多用于电路图绘制以及PCB板制作的专业软件，使用此类软件可以将整个系统的电路进行绘制，使电路层次分明、走线清晰。
而且通过绘制的电路图可以直接进行PCB的设计，目前PCB设计是最主流的系统开发方法，具有减小系统体积、性能稳定等优点。
但由于个人用户无法对PCB进行加工，所以需要将设计好的PCB送至专业厂家进行加工后再寄回，而这个过程则需要几天的时间，对项目的开发效率造成一定影响。
由于本系统模块较多，且各种信号线较多、走线复杂，所以采用PCB设计进行本系统的电路搭建。
经过对多种专业软件进行比较选择后，采用AltiumDesigner进行电路图的绘制以及PCB板的设计。
5.2硬件电路设计
硬件电路由单片机主控电路和ADC转换电路构成，辅有PH传感器+导电率传感器+浑浊度传感器+溶氧率传感器完成系统的整体功能，主控电路能够复位系统程序，防止系统程序因逻辑错误而进入死循环，同时提供精确的时钟频率；
ADC转换电路能够将各个传感器模块读取的环境模拟量转换为可供单片机编程处理的数字量；
PH传感器能够检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号；
导电率传感器用来测量待测水质溶液的电导性；
浑浊度传感器能够测量水质的浑浊度；
溶氧率传感器能够测量氧气在水中的溶解量。
5.2.1主控电路设计
STC89C52芯片的外围电路主要通过晶振电路与复位电路组成。
由于STC89C52芯片内部并没有集成晶振的8位单片机，设计外部晶振电路的目的是为了给单片机内部提供精准的时钟频率，同时外部晶振电路具有较好的抗干扰性，能够保证系统时钟的稳定运行。
在本系统主控模块晶振电路的设计过程中，使用11.0592MHz的晶体振荡器与两个30pF的瓷片电容组成并联型谐振电路为系统提供工作频率，同时在进行电路的搭建过程中需要注意，单片机的晶振电路要尽可能的主控芯片的时钟输入端，以免过长的走线造成对时钟的准确性的影响。
本系统设计的晶振电路如图5-1所示。
图5-1晶振电路电路图
对于单片机的最小系统来说，另一个重要的部分是复位电路，此电路是每一个单片机都具备的基础电路，其作用是用于单片机内部的
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