2022年2022年基于单片机的TDS水质测试仪设计

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1、陕西理工学院毕业设计I 基于单片机的 TDS水质测试仪设计王春（陕理工物理与电信工程学院电子信息工程专业1103 班，陕西汉中， 723000）指导老师：秦伟 摘要 本设计通过研究分析TDS（溶解性总固体）测量的原理，设计了一款以STC89C52单片机为核心的水质测试仪。本设计通过电导率测量电路实现电导率信号的采集，并采用温度传感器进行温度测量，使用温度补偿方法减小温度对电导率测量值的影响，通过单片机程序进行相关计算得出TDS 值。该设计包括信号采集电路、按键电路、温度测量电路、数码管显示电路。该水质测试仪结构简单，操作容易，低成本，测量的TDS 值对帮助人们了解水质情况起到了非常重要的作用。

2、 关键字 STC89C52 ，溶解性总固体，水质测试名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计II 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计II The design of TDS water qualit

3、y tester based on SCM Wang Chun (Grade03,Class11,Major Electronic Information Engineering，College of physics and telecommunication engineering ，Shaanxi University of Technology ，Hanzhong 723000，Shaanxi) Tutor:Qin Wei Abstract This design studies the principle of Total Dissolved Solids (TDS) measurem

4、ent.And it designs a water quality tester which takes STC89C52 Single Chip Microcomputer (SCM) as the core.The design collects the electrical conductivity signal by electrical conductivity measurement circuit .And it uses temperature sensor to measure temperature.And it reduces the influence of temp

5、erature on the electric conductivity measurement by using the temperature compensation method.And through the SCM program for correlation calculation to calculate the value of TDS.The design includes signal acquisition circuit, key circuit, temperature measurement circuit and digital tube display ci

6、rcuit.The water quality testing instrument has the advantages of simple structure, easy operation, low cost, which play a very important role in helping people to understand the situation of water quality .keywordsSTC89C52, TDS, water quality testing 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

7、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计III 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计目录引言 . 11 设计内容与方案. 21.1 设计内容与要求. 21.2 方案论证 . 21.3 方案选择 . 2 1.3.1单片机的选择. 31.3.2 温度传感器的选择 . 32 系统硬件电路设计. 42.1

8、 单片机最小系统. 42.1.1 单片机 STC89C52 简介 . 42.1.2 单片机最小系统 . 42.2 TDS 值测量电路 . 52.2.1 TDS 值测量原理 . 52.2.2 TDS 测量电路 . 62.3 温度补偿原理与电路 . 82.3.1 温度补偿原理. 82.3.2 温度测量电路. 82.4 数码管显示电路. 92.4.1 共阳极数码管工作原理 . 92.4.2 数码管显示电路 . 10 2.5 按键电路 . 10 2.6 总体电路图 . 11 3 系统软件设计 . 123.1 软件设计的整体思想 . 12 3.2 总流程图与各部分流程图 . 12 3.2.1 总流程图

9、. 12 3.2.2 电导率测量 . 13 3.2.3 温度测量流程图 . 14 3.2.4 TDS 测量流程图 . 15 3.2.5 按键电路流程图 . 16 3.2.6 数码管显示流程图 . 17 4 软硬件调试 . 184.1 软件调试 . . 18 4.2 硬件调试 . . 18 结论 . 19展望 . 20致谢 . 21参考文献 . 22名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 1 页

10、共 27 页引言水是生命之源， 人类在生产生活中都离不开水。在地球水圈中， 水资源的总量为1 379103km，其中海水约占总量的973，淡水仅占其27。淡水所占比例不但少，而且大部分分布在地球南北极冰雪覆盖下的冰川、冰盖中，而可利用的淡水资源就只有河流、淡水湖和地下水的一部分，还不到总量的11。现如今随着社会经济的发展、科学的进步和人民生活水平的提高，环境污染越来越严重，其中，水环境污染最为严重。在水资源日益短缺的今天，水质问题受到了更多地关注，因此对水质进行测试能使我们更好地保护水资源，保证合格的水质，这对正常生产、保证产品质量和人们健康具有非常重要的意义。TDS是英文 total dis

11、solved solids的缩写，中文解释为溶解性总固体，又称总含盐量，定义为水中含有各种溶解性矿物盐类的总量，它包含无机盐和有机物的总量，测量单位为毫克/ 升（1mg/L=1ppm），它表明1 升水中溶有多少毫克溶解性总固体，或者说1 升水中的离子总量。通俗的说， TDS值代表了水中溶解物杂质含量，TDS值越大，水中溶解物杂质越多，说明水中的可导电物质的杂质含量大。就自来水而言，TDS 值越高越表明水不纯（不考虑有机物污染的前提）。通过检测溶解性总固体（TDS ），可以分析水的总矿化度。TDS水质测试仪就是一种通过测量水的电导率来反映水质矿化程度的仪器。本设计研究的TDS水质测试仪主要对检测

12、溶解于水中的总固体含量从而达到对水质进行检测试的仪器，该仪器是通过测量水的电导率来间接的反映TDS值。水的导电性越好， TDS值越大。理论上相同的水质不同的温度下的TDS值是一致的，而电导率与TDS值却是不一样的，温度影响溶液的电导率的。要求同样的水质不同的温度下测定的值都要一致，所以要精确测量不同水质不同水温下的TDS值，必须有温度补偿，通过测定的水温来进行TDS值的校正。目前市场上的TDS检测都是采用探针的方式，采用直流的方式，直接加电压于探针两极，测定两电极间的电压，得出电导率，再通过计算得出水的TDS值2。本设计研究的TDS水质测试仪只能检测到移动的电离子。随着社会的发展和科学的进步，

13、TDS 水质测试仪的发展越来越完善，它在保证性能的基础上简化了功能，从而具有了特别强的价格优势，环境适应性强，清晰的显示，简易的操作和优良的测试性能使其具有很高的性价比。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 27 页1 设计内容与方案1.1 设计内容与要求本设计通过研究分析TDS测量原理，选择单片机作为系统的控制核心，通过电导率测量电路中的探头实现电导率信号的采集，并采用温度传感器

14、进行温度测量，通过温度补偿方法减小温度对电导率测量值的影响，从而提高水质测量精度，最后将测量值显示在数码管上。设计要求：（1）工作温度范围0-80 ，测量范围为0-9999ppm，测量误差2。（2）能够锁定检测数据，便于读取。（3）测量范围内尽一步提高测量精度。1.2 方案论证方案一：电桥测量法 TDS测量电路数码管显示电路时钟电路单片机复位电路温度测量电路声光报警电路该方案采用的是用电桥测量法测量水的电导率，这种测量方法是指电极和被测溶液的等效阻抗构成一个平衡或不平衡电桥的桥臂，电桥输出的是被测溶液的电导率的变化情况。这种方法虽然灵敏度高，但是测量范围较小。时钟电路和复位电路组成单片机最小系

15、统。声光报警电路用于提醒数据测量成功，温度补偿电路进行数据校正，数码管显示电路显示测量数据。方案二：频率法TDS测量电路单片机最小系统电路单片机数码管显示电路按键电路温度测量电路该方案采用的是频率法测电导率，该方法是把电极和被测溶液的等效电阻作为一个多谐振荡电路的阻抗元件，将被测溶液电导率的变化转化成多谐振荡电路的输出频率。该方法成本低，容易实现。按键电路便于锁存测量值。1.3 方案选择有以上两个方案可以看出，方案一用电桥方法测量电导率，测量范围较小，而设计要求测量范围较大，所以方案一的电桥法不能满足要求。方案二所用的频率法测溶液的电导率比较简单，成本低廉，易于实现。在方案一中，声光报警电路的

16、实用性不是很大，因此为了设计成本和简便性考虑可以去掉声光报警电路，加上按键电路，可以方便的对测量值进行锁存，更加满足设计要求。综上所述，本设计选择方案二。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 27 页1.3.1单片机的选择方案一：核心器件采用AT89C51单片机， AT89C51芯片有 4K字节的内部FLASH PERAM ，可以在3V 的低压下工作，而且该芯片与MCS-51系列单

17、片机完全兼容，但是该芯片运用于电路设计中时由于没有具备ISP 在线编程技术，所以当在对电路进行调试时，由于对错误的程序修改或对程序加入新增功能需要烧入程序时，需要拔插芯片进行烧制程序，而对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏3。方案二：核心器件采用STC公司的 STC89C52单片机作为处理器。该芯片沿用了经典的MCS-51内核，并且在MCS-51基础上做了很多改进；该芯片指令代码完全兼容传统的8051 单片机；该芯片有 12 时钟 / 机器周期和6 时钟 / 机器周期可以任选，还具有8k 字节可编程FLash 存储器和512 字节RAM ；该芯片不需要专用编程器或专用仿真器，可以直接使用串口

18、下载。相较于传统的51 单片机，STC89C52的综合性能更高4。由于本设计需要较高的处理速度和较强的抗干扰性能，因此选择STC89C52作为核心器件。STC89C52作为一款高性能的CMOS 8位微控制器可以满足这一要求。1.3.2温度传感器的选择 DS18B20数字温度传感器是DALLAS半导体公司生产的一线式智能数字温度传感器，是世界上首片支持“一线总线”接口的温度传感器。新型数字温度传感器DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果5。由于本设计需要测量液体的温度，需要将温度传感器浸入被测溶液中，所以需要选择防水型的

19、DS18B20温度传感器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 27 页2 系统硬件电路设计本设计硬件电路系统主要由TDS测量电路，时钟电路，复位电路，按键电路，温度测量电路，数码管显示电路组成。其中时钟电路、复位电路和单片机组成单片机最小系统。2.1 单片机最小系统2.1.1单片机 STC89C52简介。STC89C52使用经典MCS-51内核，但在其原来基础上做了很多改进使得芯

20、片具有传统51 单片机不具备的功能, 而且该单片机与工业80C51 产品的指令代码和引脚完全兼容。STC89C52具有以下标准功能： 8k 字节 Flash 存储器， 512 字节 RAM ，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置4 KB带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）， MAX810复位电路， 3 个 16 位定时器 / 计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统51 的 5 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

21、、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6。STC89C52的引脚结构图如图2.1 所示。图 2.1 STC89C52 引脚图VCC ：电源电压GND ：地P0口： P0口是一组 8 位漏极开路型双向I/O 口，即地址 / 数据总线复用口，名称为P0.0-P0.7 。P1口： P1口是一个带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，名称为P1.0-P1.7 。 P2口： P2口是一个带有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，名称为P2.0-P2.7 。P3口： P3口是一组带有内

22、部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，名称为P3.0-P3.7 。RST ：复位输出。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位，复位后程序计数器PC=0000H 。XTAL1 ：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2 ：振荡器反相放大器的输出端。2.1.2单片机最小系统单片机的最小系统应包含单片机、电源电路、 时钟电路和复位电路等，包含的引脚有VCC ，GND ，XTAL1，XTAL2，RST ，EA/VPP7。图 2.2 为单片机最小系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名

23、师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 27 页图 2.2 单片机最小系统STC89C52使用 12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF 至 50pF 之间，该电路选择22pF 的电容。时钟电路的主要任务是给单片机STC89C52的正常工作提供一个稳定的时钟信号，单片机在这个时钟信号的节奏下逐个地执行指令。单片机的时钟信号的产生方式有两种，一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式。外部时钟方式是把已有的时钟信号从X

24、TAL1 或 XTAL2送入单片机，该方式一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用的是内部时钟方式，选用12M的晶振和两个22pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。STC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC ，再连接一个电阻到 GND ，由此形成一个RC充放电回路，这样可以保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态。当单片机系统在运行中，受到干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。为了保证单片机系统中的电路能稳定可靠工作，复位能可靠工作，复位电路是不可或缺的一部分

25、，复位电路包括手动复位和上电复位。单片机在开始工作时都需要复位，这样就可以使整个系统处于确定的初始状态，从初始状态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统工作状态正常，振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并且保持2 个机器周期（24 个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。2.2 TDS 值测量电路2.2.1 TDS值测量原理TDS表明 1 升水中溶有多少毫克溶解性总固体，或者说1 升水中含有的离子总量。而本设计的TDS 值通过测量被测溶液的电导率计算得出。电导率是表示物质导电性能的物理指标。电导率越大物质的导电性能越强，相应的电阻

26、就越小，反之物质导电性能越小，电阻越大，电导率也越小。溶名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 27 页液的电导率等于溶液中各种离子电导率之和。在水样经过过滤后，在一定温度下烘干所得的固体残渣，其中包括不易挥发的可溶性盐类、有机物及能通过过滤器的不溶解微粒等，都称为溶解性总固体。导体的导电能力与导体本身的自由电荷在电场作用下的运动有关，所以其导电能力与导体的性质及它的长度和横截面积

27、有关。其关系式为：SRL（2.1 ）式（ 2.1 ）中， R为电阻， L 为导体有效长度，S为导体的有效横截面积，为电阻率。而电导LRS1G（2.2 ）令K1，则我们称K为电导率，是电阻率的倒数。令JSL，所以JKLKSG（J 为电导池常数）（2.3 ）电导率K 的单位为每厘米西门子，符号为S?cm-1. 电导率是指导体长度为1cm,横截面积为1cm2所具有的电导值，对电解质导体来说相当于1cm3的溶液再相距1cm 的两电极间所具有的电导量8。测量溶液时，由于水质测试仪的确定，使得测量仪器探针的有效长度L 和有效横截面积A 不变，探针之间水的体积就可以固定，通过式（2.4 ）可得到电导率K。J

28、SK（2.4 ）由于TDS与电导率之间存在显著地相关关系，由资料9可知，溶解固体与电导之间的关系可用下面的经验公式估算：K70.055.0TDS）（2.5 ）式（ 2.5 ）中： TDS为水中溶解固体（mg/L）； K 为 25时水的电导率（S/m）。上式只是粗略的反映了溶解性总固体与电导率之间的数量关系，系数0.550.70随水质的不同而异。2.2.2 TDS测量电路图 2.3 为 TDS测量电路。图 2.3 TDS 测量电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页

29、，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 7 页 共 27 页该电路是被测溶液的电导率检测多谐振荡电。当排针上接的两根探针插入被测溶液，形成了一个电极，使整个电路构成封闭的谐振电路，而由该谐振电路产生的与被测溶液电导率有关的频率f由 555 芯片的 3 引脚输出， 向单片机 P3.5 口输入。 这个多谐振荡电路是由探针与被测溶液构成的电极和电容C5组成。 555定时器是美国Signetics公司 1972 年研制的用于取代机械式定时器数字电路与模拟电路相结合的的中规模集成电路，因输入端设计有三个5K的电阻而得名。555 定时器是由两个电压比较器，一个基本RS触

30、发器，一个放电三极管，电阻分压器和输出缓冲器五个基本单元组成。有两个基准电压，分别为VCC/3，2VCC/3，是构成多谐振荡器的主要器件。使用555 定时器的电路使用灵活、方便并且价格低廉，只需外接少量电阻电容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。如图2.4 所示，为555 定时器结构图。图 2.4 555定时器结构图由 3 个 5K的电阻串联构成的电阻分压器为两个电压比较器C1和 C2提供参考电压。如控制电压输入端5 悬空，则比较器C1的参考电压为1 3VCC ，加在同相端； C2的参考电压为23VCC ，加在反相端。 4 脚是复位输入端，当RD有效

31、时，基本RS触发器被置“ 0”，晶体管导通，输出端3 为低电平。正常工作时而应无效。6 脚和 2 脚是信号输入端。当6 脚电压 23VCC ，2 脚电压 13VCC时，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被复位置0，晶体管导通，输出端3 为低电平。当6 脚的电压 23VCC ，2 脚电压 13VCC时，比较器C1输出高电平，基本RS触发器被置1，晶体管截止，输出端 3 为高电平。当6 脚电压 13VCC时，基本 RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变10。综上所述，可得555 定时器功能，如表2.1 。表 2.1 555定时器功能表RD ( 输入 ) UTH( 输入 ) UT R( 输入 )

32、 U0（输出） TD（输出） 0 X X 低导通 1 2VCC/3 VCC/3 低导通 1 2VCC/3 2VCC/3 VCC/3 高截止 1 VCC/3 高截止该电路工作原理：电路刚开始运行时电容C5上的电压为0，实际电路处在置位状态，引脚3 输出高电平。 VCC通过电极向C5充电，Q2导通，充电过程为： VCC-Q2 电极 C5 。当上升到Vc2/3VCC时，6 脚内部高限比较器反转，3 脚输出低电平， Q2截止， 7 脚内集电极开路放电管导通，放电过程：C5电极 7 引脚。当放电至Vc13VCC时，脚 2 内低限比较器反转，引脚3 再次输出高电平，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

33、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 8 页 共 27 页电容再次充电。如此以上过程循环往复形成振荡输出频率f 。经电路原理得出以下公式：)(5C772.00tGKRfx（2.6 ）式（ 2.6 ）中： G(t)=1/Rx， G(t) 为电极实测的电导值；K0=0.772/C5 ，K0为电导 - 频率转换系数。由式（ 2.6 ）可以看出，输出频率f 与电导 G(t) 成正比，即频率和电导率呈线性关系11。在设计过程中，探针的尺寸固

34、定，即L/S=常数， L 为两探头之间的间距，S 为探头浸入溶液深度与探头横截面长度的乘积。本实验中L=1.5cm，S=4cm*0.15cm=0.6cm2，所以 L/S=2.5cm-1=250m-1；C5=0.1uf 。将两探针之间的被测溶液也视为电阻，可确定 f 与 K的线性关系，即:K=3.24 ?10-5f, 即推算出f5-1024. 3)70.055.0(TDS。2.3 温度补偿原理与电路2.3.1温度补偿原理由于溶液电导率测量受温度影响很大，电解质的电离度、溶解度、离子运动速度等都直接受温度的影响，溶液温度升高时，离子热运行加快，导电能力增加，溶液电导率增大。反之亦然。而本设计是根据

35、被测溶液电导率来计算溶液TDS值，所以温度直接影响溶液电导率测量的精度，也就是直接影响TDS值的测量精度。如上面所述，温度对TDS值的测量精度影响是非常大的。当被测溶液的温度不是基准温度，即25时，就必须进行温度补偿，也就是说需要将测量结果补偿到基准温度下的数值，从而排除温度对测量值的影响12。国内外已经商品化的仪器温度补偿的方法主要有三种：（1）样品恒温法：就是加装水样预处理的恒温装置，先将被测溶液的温度补偿到25条件下再进行测量，但是这种方法需要昂贵精密的恒温装置，条件也很难控制，所以在现场很少被采用。（2）手动调整补偿法：在电导率仪器上设置一个手动温度补偿调整器。这种方法在使用前必须先测

36、量被测溶液的温度值然后再调整温度系数，一般为2%/。采用这种方法的仪器仅限于实验使用表。（3）自动温度补偿法：在测量仪器中设置自动温度补偿电路，在测量任意温度的溶液时，都能自动进行温度补偿并且显示出补偿至基准温度25时该溶液的电导率值。该方法分为热敏电阻补偿法和拟合经验公式补偿法。热敏电阻补偿法实际设计复杂，有局限性。使用软件拟合公式处理法对测得的溶液的电导率和温度进行处理，可以较好地得到温度补偿后的数值13。本设计采用软件拟合公式补偿法。被测溶液的温度每升高1，电导率就增加约2% ，温度校正系数与温度成一元线性关系，当测量温度为25左右时，其温度补偿公式为： Ks=Kt/0.22t+0.45

37、) （2.7 ）式（ 2.7 ）中， Ks 为 25下溶液的电导率，Kt 为 t 下溶液的电导率，t 为被测溶液的温度。当测量温度偏离25时，由于以上公式所得的电导率误差较大，为了提高测量精度，所以采用不同的温度校正系数来进行计算，不同温度范围内的温度校正系数也不同。式（2.8 ）- 式（ 2.11 ）为不同温度范围下的温度补偿公式： Ks=Kt/(0.00169t+0.5583) 1 t 10（2.8 ） Ks=Kt/(0.018t+0.5473) 10 t 20（2.9 ） Ks=Kt/(0.00189t+0.5281) 20 t 30（2.10 ） Ks=Kt/(0.022t+0.45)

38、 其他温度范围（2.11 ）本设计通过测量电导率和通过DS18B20防水型温度传感器测量溶液温度，借助数据拟合的方法拟合出经验公式进行软件温度补偿。这种方法不但使硬件电路变得没有那么复杂，而且使该TDS水质测量仪使用更加方便，测量也更加精确。2.3.2温度测量电路图 2.5 为 DS18B20引脚图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 9 页 共 27 页图 2.5 DS18B20 引脚图

39、DS18B20数字温度传感器支持“单线总线” 接口， 测量温度的范围为55 125，在-10 +85时精度为0.5 ；适应电压范围宽，电压范围为3.0 5.5V，采用外部电源供电的方式。该温度传感器有三个引脚，VCC为外接供电电源输入端，GND 为电源地， DQ为数字信号输入/ 输出端14。图 2.6 为温度测量电路。图 2.6 温度测量电路该温度传感器三个引脚，VCC接工作电源；GND接地； DQ接单片机P1.6 口。在该电路中，VCC引脚与 DQ引脚之间接一个上拉电阻，阻值约为4.7K ，使电路不工作时处于高电平。DS18B20所采集的温度数据经过传感器转化为相应的数字信号，然后将数字信号

40、传送给单片机，通过单片机作相应的数据处理得到温度值，再通过单片机的程序进行温度补偿。2.4 数码管显示电路2.4.1共阳极数码管工作原理数码管是一种以发光二极管为基本单元的半导体发光器件。每一显示笔划用一个字母对应表示，DP是小数点。图2.7 为 LED数码管的引脚定义图。图 2.7 LED 数码管的引脚定义本设计数码管显示电路使用的是4 位共阳极数码管，共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 27 页 - - - - - -

41、 - - - 陕西理工学院毕业设计第 10 页 共 27 页接在一起形成公共阳极(COM)的数码管，在电路应用中，将共阳数码管公共端COM接+5V，在显示某一字段时，发光二极管的阴极为低电平，相应字段就点亮，当发光二极管阴极为高电平时，对应字段就不亮。该电路采用动态显示驱动，即将数码管的“A,B,C,D,E,F,G,DP”这 8 位每一位的段选线与一个 8 位并行 I/O 口相连。电路运行时，数码管接收到单片机输出的相同字形码，单片机对位选通端电路实行控制，打开需要显示的数码管的选通控制，该位就会显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。对数码管的的位选通端分时轮流控制，使各位数码管轮流受控显示。

42、实际显示过程中，各位数码管并不是同时点亮，但由于每位数码管的点亮时间很短，而且扫描的速度足够快，看上去就是一组稳定的显示数据。2.4.2数码管显示电路图 2.8 为数码管显示电路图。图 2.8 数码管显示电路该数码管为共阳数码管，外部低电平才能点亮相应的内部二极管。在图2.8 中数码管的8 个脚A-G 和 DP接到单片机的P0口，位控制端1-4 分别接在P2.0-P2.3口。通过P2.0-P2.3口使相应的数码管被选中，再通过P0口使相应段位数码管显示数字。在设计中，数码管显示的是TDS值。2.5 按键电路图 2.9 为按键电路。图 2.9 按键电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

43、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 11 页 共 27 页在电路中，当8 脚为低电平时，电路导通，按键第一次按下，电路开始测量，测量完成后，再次按下按钮，系统保存并显示所测量的结果。如果再次按下按钮，程序清空被测数据。2.6 总体电路图总体电路图如图2.10 所示。图 2.10 总体电路图本系统由单片机最小系统电路、电导率测量电路、温度测量电路、按键电路和数码管显示电路组成。在系统中，由电导率测量电路采用频率法测量被测溶液的电导率，

44、通过温度传感器测量被测溶液的温度，经过软件算法将测量的电导率和温度进行温度补偿，最后通过相关公式计算TDS值，显示在数码管上，通过按键电路将测量值锁存和清零。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 12 页 共 27 页3 系统软件设计3.1 软件设计的整体思想对于本系统而言，要完成各个模块的功能，首先必须要保证有较完善的硬件，与此同时还必须要有合理设计的软件支持。特别是在当今单片机应用飞速发

45、展的时代，有很多本来需要用硬件完成的工作，都能通过软件编程来代替，有些工作需要用很复杂的硬件电路才能完成，用软件编程时就会变得比较简单。在进行系统软件设计时，必须要对设计的硬件电路有熟练的掌握，知道系统的各个模块的工作原理。在进行软件设计时，首先得清楚各个部分的子程序及他们的流程图，然后进行C 语言编程，最后对它们进行系统的编程15。此次设计以STC89C52单片机为核心，采用C语言编程。用模块化设计，由主程序、电导率计算子程序、 DS18B20温度采集子程序、TDS值计算子程序、数码管显示子程序以及按键子程序等模块组成。3.2 总流程图与各部分流程图3.2.1总流程图该系统设计的工作流程为：

46、系统初始化，按键开始测量时，计数器开始工作，测量并计算被测溶液电导率的数值，读取温度数据，对采集来的温度信号和电导率的值进行软件算法补偿，将所得补偿后的电导率值数据进行处理和计算，得到TDS值，按键锁定计算结果，最后将计算得到的结果存储并显示在数码管上。图3.1 为系统总流程图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 13 页 共 27 页 N Y N Y 图 3.1 系统总流程图3.2.2

47、电导率测量对电导率进行测量，此程序开始运行时，首先启动T0、T1，T0 为系统设置的定时时间值，当测量时间到设定时间T0 时，关闭T0、T1 输出端口，系统自动读取T1，也就是T0 时间内所产生的脉冲个数。由此可以得到周期，由周期可以得出输出频率，然后系统运用电导率与输出频率之间的计算公式的程序，使系统通过频率输出转换得到电导率值。如图3.2 为电导率测量的流程图。初始化按键扫描是否开始测量启动计数器电导率计算温度测量TDS值计算是否锁存结果显示结果关闭计数器，清零结束开始名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心

48、整理 - - - - - - - 第 18 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 14 页 共 27 页NY图 3.2 电导率测量流程图3.2.3 温度测量流程图温度采集的流程图中，单片机通过P1.6 口向 DS18B20发出复位脉冲，完成对此系统初始化，温度传感器准备接收命令。单片机发skipROM 命令，温度传感器接收命令，使其能够在响应之后系统发出命令。单片机发送温度转换命令，温度传感器进行温度转换，将转换后的温度值发送到单片机，由单片机读取温度值，最后对所采集的数据进行处理。图3.3 为 DS18B20温度测量流程图。计算电导率计算频率读取 T1

49、计数值关闭 T0、T1启动 T0、T1T0 定 时 时 间 是否到开始返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 15 页 共 27 页图 3.3 温度测量流程图3.2.4 TDS测量流程图 TDS值与电阻之间存在直接联系，而电阻又与溶液电导率有关系，在当电导率测量探头的导体的有效长度，导体的有效横截面积已知的情况下，电阻只与电导率有关，所以在上述条件下，TDS值与电导率有关。 结合 TDS与

50、电阻之间的算术关系，可由系统测得的电导率值通过相关公式求出TDS值。读取采集到的温度值，使用软件拟合电导率和温度的经验公式的方法对测得的电导率及测量的溶液温度进行数据处理实现温度补偿，直接得到补偿后的TDS值。图 3.4 为 TDS测量流程图。初始化数据处理读取温度值发读取温度命令发 skipROM命令发 skipROM命令发温度转换命令开始返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 16 页

51、 共 27 页 Y N Y N Y Y N 图 3.4 电导率测量流程图3.2.5 按键电路流程图程序判断按键是否已按下，如果按键按下，则运行相关程序，检测所按按键的次数，当按键次数为奇数次时，系统锁存本次测得的TDS值，如果当系统检测到按键次数为偶数次时，系统中TDS值清零，程序初始化。图3.5 为按键电路流程图。Temp是否大于或等于20 且小于 30 Ks=Kt/(0.00189t+0.5281) Ks=Kt/(0.022t+0.45) Ks 的值给 K TDS=0.55K 读取温度值Ks=Kt/(0.00169t+0.5583) Temp是否大于或等于 1 且小于 10 Temp是否大

52、于或等于 10 且小于 20 Ks=Kt/(0.018t+0.5473) 开始返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 17 页 共 27 页 N Y N Y 图 3.5 按键电路流程图3.2.6 数码管显示流程图将系统测量所得的TDS值传送给数码管，程序运行时，所有数码管接收单片机输出的相同字形码，对数码管进行位选择，选择需要显示的数码管，该位就会显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。由测

53、量所得的TDS值软件查找单片机LED段码表，找出相对应的段码，再将查找出的段码输送至数码管，数码管根据接收到的段码，选择相应的字段进行显示。这样数码管就完成了显示功能。图 3.6 为数码管显示流程图。图 3.6 数码管显示流程图是否有按键是否偶数次按键清零锁存 TDS 值开始返回位选择由 TDS值查表段码送段码至数码管开始返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 18 页 共 27 页4 软

54、硬件调试4.1 软件调试系统软件设计的过程主要分为以下几个步骤：第一步：建立源程序。通过计算机开发系统的编辑软件，按照所要求的格式、语法规定、源程序输入到开发系统中，并存在磁盘上。第二步：在计算机上，利用Keil软件对第一步输入的源程序进行编译，变为可执行的目标代码。如果源程序有语法错误，则其错误将显示出来，然后返回到第一步进行修改，再进行编译，直到语法错误全部纠正为止。第三步：在线调试。对于与系统、硬件无联系的程序，可以借助在线调试手段，发现逻辑错误后，返回到第一步修改，直到逻辑错误纠正为止。对于与系统硬件紧密相关的程序，则需对软件和硬件同时进行调试，将程序烧入CPU ，然后将CPU 插入系

55、统。发现硬件故障后应排除故障，发现逻辑错误后应修改程序，消除逻辑错误。在本次设计中采用Keil uVision4 来编写 C语言程序，用Keil uVision4的编译器进行编译、连接，最后将编译好的机器码下载到单片机上。在此次编译的过程中由于对C 语言的不熟练，出现了许多问题：（ 1）程序编译出错误，由于函数没有声明，应该先进行函数声明。（ 2）数码管不能显示，由于数码管显示子函数调用有错误，需要修改子函数调用程序。（ 3）函数大小写的错误。（ 4）函数没有添加到文件中，或一些代码的定义错误。经过认真的修改最后终于调试成功。4.2 硬件调试硬件调试主要包括两步：第一步：系统上电之前，先仔细检

56、查线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线的短路。第二步： 第一步的调试， 只是对系统进行初步调试，可以排除一些明显的故障，而硬件故障 ( 如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误) 主要是靠软件和硬件联调来排除。硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和被纠正的。在此次调试过程中出现的问题和解决方法如下：（ 1）数码管显示亮度太低，需要在数码管位选控制端加三极管。（ 2）单片机最小系统工作不太稳定，需要将晶振和电容应尽可能安装得与单

57、片机芯片靠近，以减少寄生电容。（ 3）在焊接过程中焊接点连在了一起导致硬件出错，最后经过检查改正了错误，硬件得以顺利调试成功。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 19 页 共 27 页结论本设计完成了基于单片机的TDS水质测试仪的设计，比较系统的介绍了该设计的硬件电路设计，应用单片机C语言进行系统程序的设计。该 TDS水质测试仪根据频率法来进行电导率测量研究，由电解质导电的原理，使用频率法

58、间接测量电导率，从而在温度补偿下经过相关公式的计算得到溶液TDS 值。本TDS 水质测试仪系统以STC89C52单片机为核心，利用单片机技术实现电导率测量、温度补偿、TDS值测量、按键锁存结果、显示数据等功能。本TDS水质测试仪系统通过电导率测量电路中的探头采集电导率信号，由于温度对电导率有很大的影响，所以温度也影响TDS值的测量，系统中为降低温度对最终测量值的影响，引入了温度补偿环节。在温度补偿电路中，采用数字温度传感器DS18B20采集温度信号，然后通过软件算法补偿由于温度变化引起的电导率值测量误差，最后将补偿后的结果通过计算得出TDS值，并将其显示在数码管上。本 TDS水质测试仪使用方法

59、：取一定量的被测溶液，按下按键，系统初始化，将探头浸入相关溶液中。按下按键，锁定相关数据，数码管显示数据，对数码管显示的数据进行读取和记录。再次按下按键，清除数据，实行下一项测试。测量数据如下：被测液：自来水测量 TDS值（ ppm ）： 322 纯净水61糖水 165 橙子 1047盐水 9756名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 20 页 共 27 页展望此款 TDS水质测试仪通过检测

60、水体TDS值帮助人们了解水质情况，具备了结构简单、快速、灵敏、自动化、实用性好和成本低廉的特点，能很好的运用在人们的生活、生产中。本系统存在的不足与拓展：（ 1）设计不足：系统设计中，可以使用活动探头，通过改变探头之间的距离来选择最合适的探头距离。（ 2）系统拓展：本系统可以利用串口与PC机相连接，然后将采集的信息在PC机上进行处理。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 21 页 共 27

61、页致谢我的毕业设计是在秦伟老师的精心指导和耐心解答下完成的。因为我经验的不足和知识的缺乏，在此次毕业设计中遇到了许多自己解决不了的问题。每次老师都是耐心的给我解惑，并提供许多非常详细的资料，从中可以汲取到许多知识，这在我的毕设中起到事半功倍的效果。秦老师的渊博的知识和敏捷的思维以及敏锐的观察力使我受益匪浅，在工作中的一丝不苟和对学术的热情深深的感染了我。秦老师的每一次教诲，对我来讲都是一次教育和提高。秦老师对我的帮助使得我在知识累积和经验方面有了很大的提高，这对我以后的工作和学习都有深远的的影响。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大

62、的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。此外我还要感谢一下和我一起朝夕相处的各位同学，在他们的帮助和支持下，我才能克服那些困难和疑惑，直到此次毕业设计的完成。最后，再次向所有关心和帮助过我的老师和同学们致以最诚挚的谢意！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 27 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院毕业设计第 22 页 共 27 页参考文献1 时红，孙新忠，范建华，张永波.水质分析

63、方法与技术M. 北京：地震出版社，2001.3-5. 2 刘轶群 .TDS检测电路探讨 J.2013年中国家用电器技术大会论文集， 2013 年， S1期： 874-878. 3 潘新民 , 王燕芳 . 微型计算机控制技术M. 北京 : 电子工业出版社，2011.40-48. 4 张蓉蓉 . 基于 STC89C52的智能温度控制系统硬件设计J.机电信息， 2014 年， 15 期： 130-131. 5 汤锴杰， 栗灿， 王迪， 张琴 .基于 DS18B20的数字式温度采集报警系统设计J.传感器与微系统， 2014 年，33 卷，3 期： 99-102. 6 张友德，赵志英，涂时亮. 单片微型

64、机原理应用与实验M. 上海：复旦大学出版社，2003.54-58. 7 刘波.51 单片机应用开发典型范例：基于Proteus 仿真 M. 北京：电子工业出版社，2014.2-4. 8 张发亮，郭茂林，陈伟. 电导率测量中应注意的几个问题J.山西化工， 1995 年， 4 期：41-44. 9 王学艳，张忠萍 . 基于电导率与TDS及全盐量的关系研究J.黑龙江水利科技 ,2008 年， 36(1) 期： 7. 10 贾哲 .555 定时器的应用研究J.太原大学教育学院学报，2012 年， 30(1) 期:86-87. 11 傅卫卫，应伯根. 工业水处理过程中电导率测量方法的研究J.浙江大学学报

65、 ,1999 年,33(2) 期:206-207. 12N.Pabitra.A.Peter.Influence of temperature on electrical conductivity on liquidJ.Geophysics.1992,57(1):89-96. 13 王二福 . 温度对超纯水电导率测量的影响及其对策J.华北电力技术 ,1994 年,6 期:5-7. 14DALLAS Semiconductor.DS18B20 Data SheetZ.2002:18. 15 姜志海 , 赵艳雷 . 单片机的 C语言程序设计与应用M. 北京 : 电子工业出版社，2010.7-9. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 27 页 - - - - - - - - -