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1、摘 要水质检测是水资源管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段。针对我国水质检测系统存在的问题，本论文设计了基于单片机的水质实时检测系统。在此设计电路完成后，它可实现检验五种参数是否达标。本设计的系统编程采用C语言，用单片机AT89S52作系统核心，主要完成对显示电路设计、键盘电路设计等功能。应选用的传感器分别为温度、PH值、电导率、浑浊度和溶解氧。本设计不足在于除温度传感器容易买到外，由于其它四种传感器价格较贵采用模拟检验。整个系统分为复位电路、单片机控制单元电路、AD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
2、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： AT89S52； DS18B20 ；LED显示；C语言目 录1引言12系统概述32.1 系统总体设计目标32.2 系统总体设计方案42.2.1系统工作原理42.2.2系统设计方案42.2.3系统结构框图133系统硬件电路设计143.1 系统硬件电路143.2 设计方案的介绍143.2.1 单片机的最小系统电路设计143.2.2 系统显示电路153.2.3 键盘电路设计173.2.4 稳压电源设计183.3 系统实现的关键技术183.3.1 抗干扰技术183.4 AT89S52芯
3、片介绍203.4.1 引脚功能说明213.4.2 振荡器特征233.4.3 波特率发生器243.4.4 掉电模式253.4.5 Flash闪速存储器的编程253.4.6 空闲模式263.4.7 程序存储器的加密位264系统的软件设计274.1 C语言程序设计274.1.1 C语言简介274.1.2 C语言的特点274.1.3 C源程序的结构特点274.2系统程序的设计284.2.1程序设计步骤284.2.2系统程序编制思想284.3系统主程序284.3.1系统主程序流程图294.3.2系统各模块的设计295系统调试305.1 硬件调试305.2 软件调试305.3 联机调试315.4 调试中遇
4、到的问题及解决方法31结 论32参考文献33附录一：主电路原理图34附录二：模块程序设计35致 谢401 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。因为MSC-511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。一个MSC-51系列的单片机（如ATMEL89cxx）内部包含有RAM、FLASH ROM、两个或者三个16位的定时器/计数器等
5、多种资源。但即便如此，单一的单片机资源与复杂多变的单片机系统相比是明显不够的，因此常常需要增加定时器/计数器、I/O接口、串行通信接口、RAM、ROM等。本设计将温度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器、浑浊度传感器、电导率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。下面分别介绍一下关于在水中的PH值、溶解氧、浑浊度、电导率的影响。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。溶解氧（Dissolved Oxygen）即以分子状态溶解
6、在水中的氧，即水中的O2，用DO表示。溶解氧是水生生物赖以生存的物质。大部分的溶解氧来自于水中溶解氧空缺时大气中渗入的空气；另一部分来自于水生植物通过光合作用产生的氧气。溶解氧的变化与盐分、气压、温度有关，一般说来，温度越高，盐分越大，溶解氧含量越低；气压越高，溶解氧含量越高。溶解氧时水生生物赖以生存的物质，因为无论是亚硝酸根等还原性物质、水中微生物还是水中有机物，都需要消耗溶解氧来维持生存，是水体自净能力的表示。浑浊度与折射指数、颗粒的形状、大小、悬浮物的质量浓度等相关，是衡量水质参数是否达标的重要参数之一，它是由水中不溶物引起，可以使光线散射和吸收而不是完全以直线透过溶液。水的电导率与其所
7、含无机酸、碱、盐的量有一定关系。不同类型的水有不同的电导率。一般水质电导率是表示水传导电流能力，导电度与水中离子总浓度、移动性、价数、相对浓度及水温等有关。通常导电度愈高，表示水中电解质含量较多。由于大部分盐类都可电离，因此导电度也可表示水中总溶解固体的多寡。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，单片机以其优越的性能逐渐取代了多篇微机应用系统，在高级计算机、工业运用、家电领域中突显出重要的作用。尤其是在CMOS工艺下制成的单片机功能更为强大，由于其消耗更低、抗干扰能力更强，更加扩大了单片机的应用领域。ATMEL89S522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
8、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，键盘代替了传统面板上的按钮和开关，测试人员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪表一般可以能智选择量程，自动校准。甚至还能智能调节测试点，这样不仅提高了测量精度，便于操作。虽然单片机的引入使控制系统大大“软化”，但与其它计算机应用问题相比，单片机控制应用中的硬件内容仍然较多，所以说单片机控制应用有软硬件相结合的特点。为此，在单片机的应用设计中需要软、硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握汇编语言等编程技术，而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。502 系统概述2.1 系统总体设计目标从简单、实用
9、及满足功能要求的角度考虑，本设计的CPU选用ATMEL公司的AT89S52单片机，原因是AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，该器件采用ATMEL公司的非易失性存储技术制造、高密度、兼容标准MSC-513指令系统及80C51引脚结构，片内装有8KB ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。本设计的水质监测系统,需要对几个有代表性参量进行监测,选用的传感器分别为温度、PH值、电导率、浑浊度和溶解氧传感器。温度传感器，其工作电压: 1036V，量程是- 505
10、0,精度为士0.1。测量PH值的方法一般有两种：玻璃电极法和比色法。玻璃电极法是一种较稳定的方法，因为其基本上不受溶液颜色，浊度，胶体物质，还原剂和氧化剂以及盐分的影响。故本设计采用玻璃复合电极量程为014PH，精度可达0. 1PH，且具有温度补偿能力。PH传感器大多使用1036VDC电源。电导率的测量范围是：0500F，工作电压： 12VDC；精度为1%。浊度计的形式主要有：透射光浊度计、散射光浊度计、透射散射光浊度计和表面散射浊度计。其量程: 0200NTU，精度为土1%。上述传感器均有线性的420mA输出，满足设计。溶解氧就是指溶解于水中的分子状态的氧，即水中的O2 ，以DO表示。溶解氧
11、是水生生物不可缺少的条件。测量范围: 0100% ，精度为0. 5%；工作电压: 1036VDC。MSC-51单片机系列是Intel公司推出的产品，AT89S524具有如下特点：40个引脚，8KBFLASH片内程序存储器，256bytes的随机存取存储器(RAM)，32个外部双向输入输出(IO)口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片内振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM数据，停止芯片其它工
12、作直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装，以适应于不同产品的需求。整套系统使用性较强，具有较为广阔的市场前景。2.2 系统总体设计方案2.2.1系统工作原理MSC-51单片机通过按键选择通道，选择其中的一个传感器通道，则该通道传感器采集数据通过A/D5转换将模拟信号转换为数字信号并送至单片机中，单片机在内部进行数据处理，比较所测的数据与该项数据的阈值，检测是否超标。如果超标则有报警声，同时显示数据。2.2.2系统设计方案由于MSC-516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。一个MSC-51系列的单片机（如ATMEL89
13、cxx）内部包含有RAM、FLASH ROM、两个或者三个16位的定时器/计数器，所以此设计采用AT89S52作为主单片机。以下分别介绍关于温度传感器，PH值传感器原理，溶解氧传感器原理，浑浊度传感器原理，电导率传感器原理，数码管，A/D转换器和7447译码器的选择。1温度传感器其种类众多，考虑到精确度高、可靠等方面时，DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器最为合适。DS18B20因为其超低的硬件开销，超小的体积，附加功能强，抗干扰能力强，精度高等优点而被广泛应用。DS18B20的特征参数：(1)多样封装形式，适应不同硬件系统。(2)温度量程为55C +125C (67F +
14、257F)。 (3)内置EEPROM，具有限温报警功能。(4)在12位分辨率状态下的最大循环周期为750毫秒。 (5)可选择寄生工作方式。内置EEPROM，具有限温报警功能。(6)精确的单总线数据通信。 (7)最高12位分辨率，偏差可达土0.5摄氏度。 (8)64位光刻ROM，内置产品序列号，便于多机挂接。 (9)全数字温度输出及转化。DS18B20工作途径及运用： 一个芯片同时具有温度监察和数据数字输出功能，所以其具有更强的抗干扰能力。其中一个循环周期可分为即温度监察和数字输出两个部分。我们有必要学习DS18B20的内部存储器资源信息。DS18B20共有三种状态的存储器资源，它们分别是：用于
15、存放DS18B20编码的ROM 只读存储器，单线系列编码（DS18B20的编码是19H）位于前8位，芯片唯一的序列号位于最后48位，以上56的位的CRC码（冗余校验）位于最后8位。其数据是固定不变的，用户不能再出厂设置里更改。DS18B20共64位ROM。 用于内部计算和数据存取的RAM 数据暂存器，数据信息在断电后丢失，DS18B20共有9个字节的RAM（每字节为8位）。温度转换后的数据信息形成第1、2个字节，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度超标值存储）的镜像，若在上电复位时，其值可被更新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节均为为了使用户得到更高的温度分辨率而设计的计数寄存器，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据等功能由EEPROM 非易失性记忆体提供，DS18B20共3位这样的EEPROM，且在RAM都存在镜像，以便用户进行计算和掌握。 RAM及EEPROM结构图：图2-1 RAM及EEPROM结构图控制器对DS18
