推荐51单片机的水质检测仪设计精品.docx
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推荐51单片机的水质检测仪设计精品
基于51单片机的水质检测系统设计
[摘要]
本系统是基于低功耗的AT89S51单片机，通过Ne555定时器构成的多谐振荡器产生一定频率的波，再通过单片机的I/O接口对捕获高低电平的读出频率，然后通过程序算法处理抽换算成电阻的值，使用DS18B20作为温度采集模块，用RS485实现远距离传送。
经过主机的数据转换和处理，将温度值通过字符液晶1602显示器显示。
本设计结构简单，使用灵活，具有很大的使用和研究价值。
[关键字]
水质监测仪NE555定时器温度采集RS485通信
[Abstract]
ThesystemisbasedonlowpowerconsumptionAT89S51MCU,throughtheNe555timermultivibratorgeneratesacertainfrequencyofthewave,andthenthroughtheMCUI/Ointerfacetocapturelevelreadfrequency,andthenthroughtheprogramalgorithmisconvertedintothepumpingresistancevalue,useDS18B20asthetemperatureacquisitionmodule,usingRS485realizelong-distancetransmission.Afterahostdataprocessingandconversion,thetemperaturevaluethroughthecharacterLCD1602LCDdisplay.Thisdesignhastheadvantagesofsimplestructure,flexibleuse,hasgreatapplicationandresearchvalue.
[Keywords]
waterqualitymonitorNe555timermultivibrator
temperaturecollectionRS485municationprotocol
（）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的（），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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学位版权使用授权书
本学位作者完全了解学校有关保留、使用学位的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交的复印件和电子版，允许被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位。
涉密按学校规定处理。
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导师签名：
日期：
年月日
.目录
第7章测试方法及结果....................................................23
第1章引言
水是生命之本，是本设计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。
近年来由于本设计国工业生产水平的迅猛发展，每年的废水也不断增加，其中对环境产生影响的来源主要有：
·未经处理而排放的工业废水
·未经处理而排放的生活污水
·大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水
·堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾
·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。
第2章
水质检测的因素
2.1一般水质监测的因素
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、CODCr、高锰酸盐指数、BOD5、氨氮、砷、氟化物、挥发酚、阴离子表面活性剂、总氮、总磷、粪大肠菌群、铅、镉、汞、锌、铜、石油类、硫化物、六价铬、氰化物等；地下水可以是PH、总硬度、溶解性总固体、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氟化物、氯化物、硫酸盐、阴离子表面活性剂、氰化物、挥发酚、六价铬、铜、铅、锌、铁、锰、镉、总汞、总砷、硒、总大肠菌群、细菌总数及矿化度等
2.2电子设备检测的因素
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PH值，电导率，温度等。
2.3水质与水的导电率的相互关系
下面介绍一下水质及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。
水中含有各种溶解盐类，并以离子的形态存在，使水溶液具有更强的导电性。
当水中插入一对电极时，通电之后，在电场的作用下，带电的离子就产生一定方向的移动，水中阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，使水溶液起导电作用，水的导电能力的强弱程度，就成为电导。
电导度反映了水中含盐量的多少，是水的纯净度的一个重要指标。
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。
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）。
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2mg磷酸三钠
-0.061-0.195
8
生活污水
-0.283-0.275
9
某电气公司处理前水样
-0.500-0.622
10
某电气公司处理后水样
-0.478-0.412
11
加入汽油的水样
-0.448-1.104
12
加入煤油的水样
-0.620-0.820
第3章系统设计要求及总体设计要求
3.1系统设计要求
由于不同水质的导电能力不同，不同温度对水的电导率也有影响，本设计通过检测不同水质及不同温度下水中的电阻，从而得出其电导，判断水质是否纯净。
本系统要能实现基本功能：
1、实现对水质的检测（电阻等）
2、实现对水温的检测
3、远距离传送
3.2系统设计的总体设计方案
本设计将温度模块、485发送模块、485接收模块、测电阻模块、显示模块通过多路开关，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。
整体设计框图如下图所示。
电路的工作原理：
通过Ne555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式攀比成的振荡电路产生的一定频率的波，再通过单片机的I/O接口对捕获高低电平的读出频率，然后通过程序算法处理抽换算成电进行主从机之间的通信，将从机信号发送到主机，经过主机的数据转换和处理，将温度值以及电阻值通过字符液晶1602显示器显示。
图3-1系统整体设计框图
第4章系统各组成单元方案设计与论证
4.1电阻检测模块方案论证
相位测量方案的关键问题是电阻测量方法的选择：
方案一：
串联分压原理
图4-1串联电路原理图
根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。
通过测量RX和R0上的电压。
由公式
RX=UX/（U0/RO）
方案二：
利用直流电桥平衡原理的方案
图4-2电桥
其中Z1，Z2，为可变电位器，Z3为已知电阻，Z4为被测电阻，根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。
由Z1*Z4=Z3*Z４.在通过测量电位器电阻值，可得到R４的值。
方案三：
利用５５５构成单稳态的方案
图4-3 ５５５定时器构成单稳态
根据５５５定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻值。
由
f=1/[（R1+2R2）*C*In2]
得到公式：
R2=1/2*[1/（f*c*Ln2）-R1]
上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比而言，方案三还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。
故本设计选择了方案三。
4.2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。
方案一：
在许多应用中，本设计并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其他控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。
LM56、MAX6501-MAX6504、是其典型代表。
根据本设计的要求，不适宜用此类传感器。
方案二：
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。
常用的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、
该方案的缺点是模拟信号转换为数字信号的借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。
方案三：
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。
而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。
4.3液通信模块方案选择
方案一：
在工业测量和控制中，因为受到现场环境和其他条件的限制，使用传统的优先电缆传输信号由于存在着现场连接、接线麻烦等缺点，特别是在一些特定的环境下，极不方便，因此提出了无线数据传输。
使用无线数据传输模块，进行数据信号的传输，对于长距离传输，带来了很大的便利。
因此无线传输数据模块即发挥了它的无线优势。
尽管在特定的条件下，使用无线传输比有线传输具有更大的可行性，但是由于无线传输也存在许多不足之处，如传统无线通讯方式通讯距离短、性能不稳定，受天气等情况影响较大，不能真正实现无缝覆盖等，所以针对本设计，不宜采用此通信方式。
方案二：
随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。
这就是迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。
RS232线路简单，应用广泛，但距离受限，数据传输效率也不很高。
RS-422使用差分信号，差分传输使用两根线发送和接收信号（共4线），对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。
在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。
在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度RS-485总线标准。
在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抗干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度、能检测抵达200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。
下表4.1为常见的三种串口通信性能比较。
根据本设计要求，选择RS485作为实现长距离传送方案。
表4.1常见的三种串口通信性能比较
RS-232
RS-422
RS-485
功能
全双工
全双工
半双工
传输方式
单端
差分
差分
最大速率
20kbit/s
10kbit/s
10kbit/s
最大距离
15m
1200m
1200m
抗干扰能力
弱
强
强
常用接口芯片
MAX232
MAX422
MAX485
第5章系统硬件电路设计
5.1AT8951单片机及其他器件的功能介绍及原理
5.1.1、单片机功能简介
单片机是一种集成在芯片，是采用技术把具有数据处理能力的中央处理器CPURAM、、多种I/O口和中断系统、定时器/等功能（可能还包括显示驱动电路、电路、模拟多路转换器、等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的。
MCS-51单片机内部结构：
图5-1单片机引脚图
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，本设计以这一代表性的机型进行系统的讲解。
89S51单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
引脚功能说明
GND:
地
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
如下表为P1口的第二功能：
表5-1P1口的第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计时器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计时器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
如下表为P3口第二功能：
：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（
）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
表5-2P3口第二功能
引脚号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（非）（外部中断0）
P3.3
INT1（非）（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
:
外部程序存储器选通信号（
）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，
在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，
将不被激活。
:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，
必须接GND。
为了执行内部程序指令，
应该接VCC。
在flash编程期间，
也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
5.1.2、本系统采用的单片最小系统原理图
图5-2单片机最小系统原理图
此单片机最小系统由AT89S52单片机、时钟电路及复位电路组成，时钟电路采用内部时钟利用单片机内部一个高增益的反向放大器，把一个晶振和两个电容器组成的自激震荡电路接到XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）之间。
震荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。
本最小系统中晶振采用12M，起振电容采用30pF。
CPU第9管脚复位（RST）功能，本设计具有上电复位功能，主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
在单片机最小系统上电时，利用R11和C3充放电原理，以达到实现的单片机最小系统的复位。
5.2DS18B20温度传感器的简介
5.2.1、DS18B20基本知识
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20产品的特点：
（1）、只要求一个端口即可实现通信。
（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）、测量温度范围在－55。
C到＋125。
C之间。
（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
（6）、内部有温度上、下限告警设置。
5.2.2、DS18B20的引脚介绍
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见图1，其引脚功能描述见表5-3。
图5-3（DS18B20底视图）
表5-3 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
5.2.3、DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，本设计必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
图5-4DS18B20的复位时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
图5-5DS18B20的读时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45
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