基于单片机的水质监测系统的设计.docx
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基于单片机的水质监测系统的设计
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
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
2.2水的浑浊度的监测原理
当液体浊度增加时，由于液体阻碍增强，光的通过率低，光敏电阻器接受光线弱。
当液体浊度下降时，光敏电阻器接受光线强，利用这一原理，通过浊度传感器采集数据，可以有效地监测水中浑浊度。
3水质监测系统的硬件设计
以单片机为主要控制器件，主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。
硬件电路主要包括传感器的选取，单片机的选取与应用，A/D转换的选用，电源设计，显示部分设计等；软件设计主要包括主程序设计和子程序设计，监测结果通过显示模块显示。
图2.1是系统的框图，本系统是基于单片机技术的水质监测系统，传感器采集目标对象的信息，将信息送到A/D的模拟通道中，由单片机通过程序将经过A/D模数转换后的信息读到自己内部的寄存器中，单片机通过自己内部的ROM中的程序，将输入的信息处理，然后将得到的信息通过显示装置显示出来。
图3.1是单片机控制系统原理图
3.1单片机的选择
3.1.1单片机介绍
单片机也被称为微控制器，它在很多智能控制系统都有广泛的应用。
单片机是电脑CPU的小型化。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
本系统以单片机为系统核心，从单片机发展与应用情况分析，虽然嵌入式技术日臻成熟，但8位单片机仍然是单片机应用场合的宠儿，以MCS-51单片机应用最为广泛，考虑到本系统设计的成本和实用性等多方因素，遂选择同是ATEML公司生产的AT89C51单片机作为系统MCU。
本设计以这一代表性的机型进行系统的讲解。
AT89C51是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有8K的flash存储器。
与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程。
AT89C51单片机具有以下标准功能：
8KByteFlash，256ByteRAM，32位I/O口，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[3]。
DIP40封装PLCC贴片封装
图3.2AT89C51引脚图
AT89C51引脚功能描述
VCC：
电源端
GND：
接地端：
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O接口。
当它用作输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0口写1时，引脚用作高阻抗输入。
当访问数据存储器和外部程序时，P0口也被作为低8位地址/数据分时复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
表3.1P1口第二功能表
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器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）
P1口：
P1口是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写“1”时，上拉电阻把端口拉高，此时可以用作输入口。
此外P1口还有被用作第二功能。
P2口：
P2口是一个具有上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
与P1口功能类似。
P3口：
P2口是一个具有上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
与P1口功能类似。
P3口亦可作为AT89C51单片机特殊功能（第二功能）使用。
表3.2P3口第二功能表
引脚号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（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
（外部数据存储器写读选通）
3.1.2单片机的最小系统
所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机的最小配置系统。
对于单片机内部资源已能够满足系统余姚的，可直接采用最小系统。
由于MCS-51系列单片机片内不能集成时钟电路所需要的晶体振荡器，也没有复位电路，因此在构成最小系统时必须外接这些部件。
8051\8751的最小系统特点如下：
（1）由于片外没有扩展存储器和外设，P0、P1、P2、P3都可以作为用户I/O接口使用。
（2）片内数据存储器有128B，地址空间为00H~7FH，没有片外数据存储器。
（3）内部有4KB的程序存储器，地址空间为0000H~0FFFH，没有片外程序存储器。
EA应接高电平。
（4）可以使用两个定时/计数器T0和T1，一个全双工的串行通信接口，5个中断源。
如下图为AT89C51的最小原理图[3]
图3.3单片机最小系统原理图
3.2复位电路和晶振电路
单片机若要正常工作，还需要有一些必要的外围电路，才能正常的工作。
比如复位电路和晶振电路就是单片机必要的外围的电路。
（1）复位电路
单片机的复位如同计算机的重启一样，任何单片机工作之前都要有一个复位的过程，对于单片机来说，复位是单片机还没有执行程序之前而做的准备工作。
一般单片机的复位只需要5ms的时间。
复位电路是典型的单片机系统的外部电路，基本的复位电路一般采用上电复位和按键复位两种复位方式。
本系统设计采用按键复位电路，方便并且可以对单片机工作状态进行直接重启。
a）上电复位电路b）按键复位电路
图3.5复位电路
（2）晶振电路
与复位电路一样，晶振电路同样是单片机系统的典型外围电路。
单片机的工作，是从ROM中读取指令，然后执行的过程。
单片机访问一次存储器的时间，称为一个机器周期，作为单片机工作的时间基准。
没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序，单片机就无法工作。
因此，晶振可以说是单片机系统的心脏。
本系统采用的晶振频率为12MHz。
晶振电路一般可以分为内部时钟方式和外部时钟方式。
本系统采用内部时钟方式的晶振电路[3]。
图3.5晶振电路
3.3显示电路设计
本系统实现的功能要求对待测场所的环境温度实现实时监控和显示，因此，需要有显示电路的设计，来完成这一功能。
（1）数码管介绍
单片机应用系统中，LED数码管一般用做简单显示输出设备，一般用于显示数字和简单信息。
LED数码管显示器具有显示清晰、亮度高、操作简单、接口方便等优点，基本可以满足普通单片机系统的需要而被广泛使用。
LED数码管是由发光二极管按一定的结构排列而成的显示器件。
通常使用的是带有小数点的８段数码管，分为共阳极和共阴极数码管两种[4]。
a）共阳极数码管b）共阴极数码管c）数码管引脚图
图3.68段LED数码管结构图
表3.3数字字符对应共阴极和共阳极字段码
显示字符
共阴极字段码
共阳极字段码
显示字符
共阴极字段码
共阳极字段码
0
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8CH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
T
31H
CEH
7
07H
F8H
Y
6EH
91H
8
7FH
80H
L
38H
C7H
9
6FH
90H
8
FFH
0
A
77H
88H
灭
0
FFH
B
7CH
83H
.....
…..
.....
（2）数显电路设计
图3.7数码管显示电路图
3.4传感器的选择
变光型浊度传感器原理：
当被测物质浊度变化时，使光源的强度随之变化，光源的强度可对应到被测物质的浊度。
当液体浊度增加时，由于液体阻碍增强，光的通过率低，光敏电阻器接受光线弱。
当液体浊度下降时，光敏电阻器接受光线强。
让传感器接收到的光信号强度一定，当被测物质浊度发生变化时，使光源的强度随之变化，光源强度可对应到被测物的浊度。
下图为变光型浊度传感器的结构[5]
图3.8变光型浊度传感器的结构
变光型浊度传感器的结构：
传感器由光敏电阻器、平衡检测器、固定电源、反馈控制、可调电源、光源和外壳等组成，本传感器的最主要的特点就是要求2个光敏电阻器的阻值相等，也就是他们接受的光强一样，如不同平衡检测器能识别出来，然后，由反馈控制产生信号调整可调电源，从而调整光源的强度来实现这一要求。
此传感器具有量程宽、标定过程简单、功耗低、成本低、体积小等特点，该传感器的另一个特点是在高浑浊度时分辨率比低浑浊度高，可满足一些特殊的测量要求[5]。
表3.4传感器的性能测试实验数据表
测试点（序号）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
浊度值（mg/L）
74
122
202
332
544
701
898
1156
1481
1904
电压值（mV）
106
107
112
125
159
195
253
350
508
770
统计实验数据可以得出：
浊度值与电压值之间近似一条二次曲线，因此，采用二次曲线拟和，得到浊度传感器的测试公式为：
式中Z为浊度mg/L；V为浊度传感器的电压读数mV;相关系数r=0.998
3.5A/D转换
A/D转换：
由于单片机只能识别数字信号所以必把传感器输出的模拟信号进行数字化处理，因此，在智能仪器的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换芯片。
使用A/D转换器时需要根据实际所需精度与分辨率的不同选择不同的A/D转换芯片，确定采样频率一保证单片机的实时行要求。
由于环境对A/D转换器存在一定影响，一次在选择A/D转换器的时候必须考虑环境因素。
还应根据单片机接口特征选择A/D转换器的输出状态。
A/D转换器与单片机的接口一般要完成的操作有单片机发出启动转换信号，单片机取回转换结束状态信号，读取需要转换的数据（。
由于A/D转换对于提高数据精度具有较大影响，因此需要选择一款精度较高的器件，所以本次采用ADC0832作为A/D转换芯片[6]。
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换
芯片。
由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。
ADC0832具有以下特点：
（1）8位分辨率；
（2）双通道A/D转换；
（3）输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
（4）5V电供电时输入电压在0~5V之间；
（5）工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
（6）一般功耗仅为15mW；
（7）8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
（8）商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C
单片机对ADC0832的控制原理：
正常情况下单片机与ADC0832的接口应该为4条数据线，分别是DI、CS、DO、CLK。
但因为DI端和DO端在通信时未同时有效地并与单片机的接口是双向的，固电路设计时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用，详情见下图[6]。
图3.9ADC0832与单片机的接口电路
4水质监测系统的软件设计
4.1C语言的特点和程序结构
软件设计就是用计算机所能接受的语言把所需解决问题的步骤逐一描述出来，也就是编制计算机的程序，在设计应用系统时，软件的编制是重要环节。
C语言是近年来在国内外普遍使用的一种程序设计语言，其功能丰富，表达力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，而且也能直接对计算机硬件进行操作，既有高级语言的特点，也有汇编语言的特点。
（1）语言简洁、紧凑，使用方便、灵活
C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，与其他高级语言相比较，程序精炼、简短。
（2）运算符丰富
C语言包括很多种运算符，总共有34种，而且把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。
表达式灵活、多样，可以实现各种各样的运算。
（3）数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构。
C语言的数据类型有整型、实型、字符型、数组类型、指针类型等
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