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1、1 基于基于 5151 单片机的水质检测系统设计单片机的水质检测系统设计 摘要摘要 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。 关键字关键字 水质监测仪 NE555 定时器 温度采集 RS485 通信 Abstract The system i
2、s based on low power consumption AT89S51 MCU, through the Ne555timer multivibrator generates a certain frequency of the wave, and then through the MCU I / O interface to capture level read frequency, and then through the program algorithm is converted into the pumping resistance value, use DS18B20 a
3、s the temperature acquisition module, using RS485realize long-distance transmission. After a host data processing and conversion, the temperature value through the character LCD 1602LCD display. This design has the advantages of simple structure, flexible use, has great application and research valu
4、e. Key words water quality monitor Ne555 timer multivibrator temperature collection RS485 communication protocol 1 . .目目 录录 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 第第 2 2 章章 水质检测的因素水质检测的因素 2 2 2.1 一般水质检测的因素.2 2.2 电子设备检测的因素.2 2.3 水质与水的导电率的相互关系.2 第第 3 3 章章 系统设计要求及总体设计方案系统设计要求及总体设计方案 3 3 3.1 系统设计要求 .3 3.2 总体设计的总体设计方案.3 第第
5、4 4 章章 系统各组成单元方案设计与论证系统各组成单元方案设计与论证 4 4 4.1 测量电阻模块方案设计.4 4.2 温度传感器方案选择.5 4.3 通信模块的方案选择.5 第第 5 5 章章 系统硬件设计系统硬件设计 7 7 5.1 AT89S51 单片机及其他器件的功能介绍及原理 .7 5.2 DS18B20 温度传感器的简介 10 5.3 NE555 的简介及应用 12 5.4 RS485 总线的应用及介绍 14 5.5 字符液晶 1602 的介绍.16 5.6 电源模块的设计 19 第第 6 6 章章 系统软件的设计系统软件的设计 2121 6.1 程序设计21 6.2 系统主程序
6、流程图21 第第 7 7 章章 测试方法及结果测试方法及结果2323 7.1 调试方法23 7.2 电导率的检测23 7.3 温度的检测23 结束语结束语 2424 致谢致谢 2525 参考文献参考文献 2626 附录附录 1 12727 附录附录 2 22828 附录附录 3 32929 附录附录 4 43636 2 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
7、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
8、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。 3 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
9、、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
10、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(cm）。电 阻率(P的倒数称为电导率(
11、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 -0.4
12、78-0.412 11 加入汽油的水样 -0.448-1.104 12 加入煤油的水样 -0.620-0.820 4 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
13、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 485 发 送 模 块 485 接 收 模 块 51 单 片 机 显 示 模 块 温度检测 模块 测电阻模 块 51 单 片 机 5 第 4 章 系统各组成单元方案设计与论证 4.1 电阻检测模
14、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 R RX X=U=UX X/ /（U U0 0/R/RO O） 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*Z.在通过测量电位器电阻 值，可得到 R的值。 方案三：利用构成单稳态的方案 图 4-3 定时器构成单稳态 根据定时器构
15、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/(Rf=1/(R1 1+2R+2R2 2)*C*In2)*C*In2 得到公式： R R2 2=1/2*1/(f*c*Ln2)-R=1/2*1/(f*c*Ln2)-R1 1 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。 6 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
16、 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
