基于单片机的光电浊度测试

毕业设计（论文） 基于单片机的光电浊度测试仪设计 院 别控制工程学院 专业名称测控技术与仪器 班级学号 学生姓名凌云志 指导教师张宝健 2014 年 6 月 16 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 基于单片机的光电浊度测试仪 摘 要 水体浊度是由微小颗粒，通过淤泥、粘微生物和有机物等悬浮物造成的，它的浊 度大小不仅与水中悬浮物质的含量有关，它们的大小、形状及折射系数等也对浊度产 生较大影响。我们日常测评水质重要的指标可以通过测试水的浊度。随着人们生活水 平日益提高，所以对与水质的要求也相应变的更加严格，从而对浊度测量的精度准确 度也提出了更高的要求。因此为了改变目前大量采用国外浊度仪的现状，我国应该自 主开发高性能的高精度的浊度测量仪器。水浊度检测系统以单片机控制技术为核心， 经过信号采集、处理由液晶显示屏显示出来，来实现对水的浑浊度检测。采用 AT89S52 单片机，围绕浊度检测系统进行了硬件和软件设计，目的就是设计实现一个具有一定 实用性的水浊度检测系统。本浊度设计系统可以直观的反映出水的浊度以及超过一定 浊度限值报警。它主要由通过单片机控制的显示模块、数据采集模块和前置放大模块 组成，采集模块通过光电式水浊度传感器进行水浊度检测，再由显示模块和报警电路 进行预警。 关键词： 单片机，液晶显示屏，前置放大模块，浊度传感器 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 Microcontroller-based photoelectric turbidity tester Author:Ling Yunzhi Tutor:Zhang Baojian Abstract Turbidity is fine particles, such as silt, clay, organic matter and microorganisms caused by not only the content of suspended substances in the water, but also to their size, shape and refractive index and so on. Water turbidity indicator of water quality is a very important merits. As peoples living standards are improving, so the water quality requirements have become more stringent, and thus the accuracy of turbidity measurement accuracy is also put forward higher requirements.To change the current status quo extensive use of foreign turbidity, the urgent need to develop high-performance turbidity measuring instruments. Water turbidity detection system with single-chip microcomputer control technology as the core, after signal acquisition, processing by LCD display, to achieve the water turbidity detection.AT89S52 SCM, around by turbidity the system hardware and software design, the purpose is designed and implemented a certain practical data acquisition system. The turbidity can directly reflect the design of the system water turbidity and turbidity exceeds a certain limit alarm. It is mainly composed by microprocessor controlled display module, data acquisition module and preamp modules, acquisition module is detected by photoelectric water turbidity water turbidity sensor, and then by the display module warning and alarm circuits. Key Words:Microcontroller Unit, LCD, Preamplifier module, Turbidity sensors 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目 录 1 绪 论.1 1.1 课题提出的目的及意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 发展趋势.2 1.4 本课题研究的主要内容.3 2 总体方案设计.6 2.1 方案比较.6 2.1.1 方案 1.6 2.1.2 方案 2.6 2.2 方案论证.7 2.3 方案选择.7 3 单元模块设计.9 3.1 单片机模块.9 3.1.1 单片机最小系统电路设计.9 3.1.2 AT89S52 介绍.10 3.2 模数转换模块.12 3.2.1 A/D 转换电路设计.12 3.2.2 ADC0832 介绍.13 3.3 信号采集模块设计.15 3.3.1 水浊度检测原理.15 3.3.2 传感器信号采集模块设计.16 3.3.3 传感器介绍.17 3.4 电源电路模块设计.19 3.5 前置放大电路设计.19 3.6 存储器接口设计.20 3.7 其它模块设计.21 3.7.1 矩阵键盘设计.21 3.7.2 显示电路设计.22 3.7.3 串口通信电路设计.23 3.7.4 报警电路设计.24 4 系统软件设计.25 4.1 水浊度数据采集程序设计.26 4.1.1 模拟量采集程序设计.26 4.1.2 A/D 转换程序设计.26 4.1.3 水浊度比较处理程序设计.27 4.1.4 键盘扫描程序设计.28 4.1.5 存储程序设计.29 4.2 显示子程序设计.30 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页 4.3 通信程序设计.31 5 系统功能、指标参数.33 结 论.34 致 谢.36 参考文献.37 附 录.38 附录 A.38 附录 B.46 附录 C.47 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪 论 1.1 课题提出的目的及意义 当前，单片机已经与我们的生活息息相关，它成为了生活中不可或缺的一部分。 许多领域都离不开单片机，比如飞机的仪表需要单片机进行实时控制，计算机的通讯 与数据传输需要单片机，工业过程需要单片机进行的自动控制，各种由单片机制作的 智能 IC 卡、电子宠物都充斥着我们的日常生活。因此，对单片机的开发与利用，可以 让我们更加高效，丰富的生活。 浊度的定义是：表示当光线透过试液时，试液中的悬浮物对光线的阻隔程度。虽 然浊度同水中的悬浮物质的数量有关系，浊度与水中的悬浮物质的含量这两个定义并 不对等，所以直接用浊度来表示水中杂质的含量的做法实不可取的。水浊度的测量方 法：由于光线穿过测量水样会发生散射与透射现象，所以我们可以利用这种现象将对 水质浊度的测量，转换为对传感器检测的电信号的测量与控制。 由于水中存在大量悬浮物如泥土、浮游物、沙粒等，而这些悬浮又为病毒等有害 微生物提供了较为安全的生存环境，所以在较常规的消毒过程中这些隐藏的微生物很 难被祛除。因此，水质浊度在生产、生活中的作用就尤为重要。目前，人们对生活水 平的档次要求很高，所以对饮水卫生安全更加重视，这也就造成了对水浊度的关注度 更加迫切。本设计通过将水浊度转化为电信号（光学散射式浊度测量法），通过 51 单 片机的处理，测得水质相应浊度。通过对水浊度的检测，人们可以更加放心用水，更 加有效用水。 1.2 国内外研究现状 国内浊度仪器的现状：我国的浊度仪与国外的相比较，处于很大劣势，并且技术 性能差距很大，也就造成了我国从事水质分析仪器这方面的企业就寥寥无几，也就使 我国的浊度仪更加落后于国外。长此以往，国内浊度仪的前景可想而知。国人对浊度 仪的研究随着科学技术和跨国企业的发展，才逐渐认真起来。即使在这样的情况下， 国产的浊度仪不论是型号还是使用上都与国外的差距甚大，并且操作麻烦不便捷，测 量范围也很有限，所以在自来水厂、工厂上很难普及使用，这些都制约了国内浊度仪 的发展。另外，国内的浊度仪还面临着光源的稳定性，寿命的长短、传感器的不能稳 定性测量等重要问题。同时，浊度仪的核心部件的短缺也是限制国内浊度仪发展的重 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 要问题。比如，浊度仪关键的部分浊度传感发送器需要 800nm 波长的红光二极管，这 是高性能浊度传感器必须的。在这之前，800nm 波长的红外 LED 发光器件由国内产出 的非常少，绝大部分的器件都被固定的几个外国制造厂商浊度仪垄断，但是它们在市 场上并不随意出售。所以，想在市场上直接购买这种 LED 发光器件成为了一个几乎不 能解决的问题。因此，国产的器件只能退而求其次；为了降低仪器的生产成本，生产 的浊度仪无论是精度还是准确度都差强人意并且可操作性不好，这样的后果也就使国 内这样的分析和监测工具在市场上的占有率大大降低，使我国的精密仪器水平整体下 降。近些年来，国人在国外先进浊度仪技术的基础上，推陈出新研发出了一些浊度仪 器品种。虽然这些浊度仪和进口的有差距，但相比于以前却有了长足的进步。它的适 用范围有很大提高，这也就在一定程度上填补了我国浊度仪的空白。但是国内的浊度 仪设计还不能让人满意，与达到生产要求还相差甚远，所以国内的浊度仪研究任重道 远。 国外浊度仪器的现状：相较于由于没有仪表生产基础与经验的国内生产的落后， 单一的浊度仪，国外的浊度仪技术更加先进、性能更加优良，仪表的品种更加丰富多 样。那些国外先进的浊度仪都有一个共同点：均与单片机紧密相连。先进的国外浊度 仪在测量前能够无需重新设定参数和更换检测探头，而只需能通过按下转换功能键进 行直接测量。这就大大增大了检测仪器的使用范围，另外这种检测仪的操作更加简便， 容易上手，更适用于大众的生产生活中。并且这些几乎所有的产品都具有自动清洗的 功能，可以使仪器在粘性产业领域，生产污水等更恶劣的工业环境使用。检测人员可 以对自动清洗程序进行设定，这样使浊度仪能够长期、稳定、连续地运行得到了保证。 1.3 发展趋势 随着人自身对健康的关注和社会上日益严重的水资源短缺和水质恶化，使人们更 加了解到的质检测仪器的发展已迫在眉睫。从 1995 年至 1999 年这四年里，年均销售 额在全国的水质分析设备约为$ 217 亿，与中国的平均销售额只有大约$ 20 亿，占多个 项目的全球总销量的 3.8 ，因此，中国的水质量检测仪器的主要来源都是从国外购 买。“十二五”期间，国家要求县以上的所有用于城市污水处理厂必须采用在线监测， 所以水质检测仪器的需求数量巨大。进口发达国家的检测设备大约占国内检测仪器的 95 ，而国内的仪器的质量较差，精度较低，维修成本偏高，价格较贵等缺点，企业 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 与工厂更加倾向于进口的检测仪器。所以，国产的浊度仪相较于国外的市场占有率较 低。 随着我国综合实力的整体提升，半导体技术的研制与开发与日俱增，目前我国已 经能自主开发高性能检测仪器的核心部件。因此，在这样的国内环境下，国产的高质 量的浊度仪具有非常现实的意义与基础，所以生产出与国外媲美的高性能水浊度检测 仪已不是梦。在这样的情况下，我国分析仪器产业链将会迎来春天，这样能够有效摆 脱国外仪表公司的技术垄断。 1.4 本课题研究的主要内容 我们把对水的透明程度的描述即是浊度。原则上浊度表示的是：当光线透过水溶 液的时候，水中固体颗粒、有机物等悬浮物质能够对光线产生不同程度的阻碍程度。 虽然浊度同水中的悬浮物质的数量有关系，浊度与水中的悬浮物质的含量这两个定义 并不对等，所以直接用浊度来表示水中杂质的含量的做法实不可取的。浊度表明了水 中存在大量悬浮物如泥土、浮游物、沙粒等，而这些悬浮又为病毒等有害微生物提供 了较为安全的生存环境，所以在较常规的消毒过程中这些隐藏的微生物很难被祛除。 据实验研究表明，不同等级 NTU 代表水中有机物祛除量，如当试液浊度为 25NTU 时，代表水中有机物去除了 273；浊度 15NTU，则表示有机物去除了 61；浊 度 05NTU 时，有机物去除了 798；当浊度小于 01NTU 时，这表示有机物在 很大程度上被去除干净，由于水质的浊度较低即悬浮物质含量很少，所以病毒、细菌 等微生物由于缺少安全环境而被杀除。所以，浊度值在无论在生产还是在生活中占据 了非常重要的位置1；不同的浊度值表明水中病毒等有害物质的含量。浊度越高，则 表明水中富含有机物和各种有毒物质，在生活饮用水中将会使人体致病，在工业生产 中将会对设备产生损耗，大大增加了生产成本。所以，浊度是一项重要的生产参数。 此外，为了保证人民用水安全，国家新出台的饮用水标准指出：居民生活用水的龙头 中流出的水浊度绝对不能超过 1NTU，因此供水者为了对普通人民的用水健康着想， 必须要对水龙头中的水浊度进行精密的监测和及时的控制。 本设计采用的是散射式浊度的测量方法。浊度传感器是水质浊度检测的关键装置。 我的设计思路是浊度传感器可以利用 90方向的散射光作为测量信号。因为水试液中的 悬浮颗粒会将入射光产生阻隔与反射，浊度传感器中的内置检测器会对反射光进行检 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页 测，用这种方法可以较简便的测出相应浊度。之所以选择散射法测量，是因为散射法 测量对系统的稳定性要求不是那么严格，这种方法能够实现对整个检测系统的稳定性 要求。水对于我们至关重要，我们离不开水。因此我们必须要珍惜每一滴水，有效的 利用每一滴水。 本毕业设计论文把水质浊度的检测与测量作为研究对象，将 AT89S52 单片机作为 整个设计系统的核心部件，这个检测系统它以光电浊度传感器为基础，完成水浊度的 检测、浊度显示与报警功能。 浊度的测量方法：现行浊度测量的方法有两种，一种是仪器分析法，另一种则是 化学分析法。他们各有自己的应用范围。就使用环境而言，化学分析法适可以用在实 验室、野外作业；仪器分析法依靠传感器检测 880nm 的近红外光，将测量浊度值转换 为测量光信号，然后将光信号转换为系统能够识别的电信号，根据一定关系测得浊度 值的大小。在工业生产中，过程中要求浊度检测仪必须能够进行长期的、连续的检测 与分析；而实验室浊度仪则恰恰相反，进行地是有间隔的实验室或现场分析的水质浊 度测量。仪器分析法有如下几种基本方法： (1) 透光式测定法的原理：当光线经过试液时，光线被减弱的程度同试液的浊度具 有一定关系，即特定的函数关系。因此，我们可以将抽象的问题转换为具体的问题， 在这里就是将测量试液的浊度问题转化为对透过待测浊液光线强度的测量问题。而透 射光线强度的变化与浊度有较大关系，即光强会随着浊度的增加以指数形式衰减。 IR=Io exp(-KTL) （注：上式中，入射光的强度:Io，液体透光层厚度:L ，比例常数:K ，透射光的强度: IR，水的浊度:T。） 光源试样槽 光阑探测器 I0 IR 图 1.1 透射法测量原理 (2) 散射测浊度法的原理 : 光线照射在液体中的沙粒、胶质物质等会引起光的散 射，因此通过测得散射光的强度即间接反映了水溶液的浊度。当待测溶液浊度较小的 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 情况下，可用下式来表示在光线 90 方向所接受到的散射光强度： IR=IO(KNV2/) 4 （注，上式中，入射光的强度: I0，系数:K ，单位容积的微粒数:N ，微粒的体积:V ，入射光波长:。）如果上式中的 、 V 为常数，那么括号中的 KNV24 将会与待 测溶液的浊度成正比，则有： IR=KTIO （注：上式中 T 为水的浊度，K为系数）按散射测浊度法测量方向的不同，分为:前 式、垂直式和向后散射式等三种方法。 (3) 透射光和散射光比较测定法: 显而易见，它是依据透射光和散射光两种方法的 综合。具体步骤是：采用测量到的透射光强同测得的散射光强进行比较，以此来测量 水的浊度。这种方法最大的好处就是能够有效的消除部分干扰，这也就大大提高了水 质监测仪器的灵敏度。 (4) 表面散射法的原理:根据传感器测量发生在近水表面层的散射光强度，将光信 号转换为电信号，从而得到水溶液的浊度值。这种方法是一种非接触的测量方法。由 于仪器的接收光学系统与水样没有直接进行接触，这样就避免了探头因长时间与水溶 液接触而产生的结垢腐蚀现象，从而避免因清洗探头而带来的仪器磨损。另外，依据 这种方法的制得的检测仪器测量范围宽、线性度好，能够满足较高水平的浊度测量。 (5) 偏振法的原理: 光线照射那些较为粗大的颗粒，光线会在其表层产生偏振光 现象，颗粒的大小、形状会影响偏振光的偏振程度。因此，对偏振度的检测，也是测 量水质的浊度的一种途径。 探测器 光源 式样槽 光阑 IO IR 图 1.2 表面散射法测量原理 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 2 总体方案设计 水浊度检测系统要求是从浊度传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中采 集信息的过程。要想实现测量系统的灵活与用户自定义，我们需要以计算机为辅助条 件，并以它为系统的基础部分，在这个基础上衍生出测量所需一系列的模块，他们共 同组成了数据采集系统。本设计系统中的浊度传感器的分辨率被设定为 0.1NTU(精度 为1%)。在系统采集数据之后，系统需要通过串口将数据传向显示端，显示测量的浊 度值。 2.1 方案比较 2.1.1 方案 1 此方案总体设计如下图 2.1 所示，该控制系统以 51 单片机为核心装置，系统的外 围电路包括了硅光电池部分、电流部分、调理电路、A/D 转换、程序存储器、数码管 显示、键盘等几个部分。 原理：采用的是散射光测浊度法。具体步骤如下：硅光电池作为传感器接受器， 它能感受散射光的信号，并将散射光信号转换成电流信号，但是这个电流信号非常微 弱，如果直接引入，单片机不易识别并且存在较大误差。所以转换得来的电流信号必 须要经过前置放大器进行放大，然后将放大后的电流信号输入到 A/D 转换器中进行模/ 数转换，A/D 转换后会得到的数字信号，将数字信号传输到单片的控制芯片并将其存 储，测量得到的浊度值通过会串行的方式送到数码管上，显示出其浊度值。 图 2.1 方案 1 原理框图 2.1.2 方案 2 方案二不同于方案一，它是一种以 AT89S52 单片机为核心，通过单片机的控制指 令对系统中的各个部分进行实时的、自动的控制的测量系统。系统上电后，光学传感 光 信 号 硅 光 电 池 电流 调 理 电 路 A/D 转换 单 片 机 程序存 储器 数码管显 示 键盘 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 器将光信号转换成电流信号，但是这个电流信号非常微弱，如果直接引入，单片机不 易识别并且存在较大误差。所以转换得来的电流信号必须要经过前置放大器进行放大， 然后将放大后的电流信号输入到 A/D 转换器中进行模/数转换，A/D 转换后会得到的数 字信号，将数字信号传输到单片的控制芯片并将其存储，测量得到的浊度值通过会串 行的方式送到数码管上，显示出其浊度值。原理方框图如下图 2.2: 传感器 AT89S52 键盘 LCD 显示 电源 A/D 转换器 EPROM RS-232 放 大 报警电路 图 2.2 方案 2 原理框图 2.2 方案论证 方案 1：该检测装置采用的是硅光电池来对散射信号的采集，加上调理电路，在经 过 A/D 转换器电路，最终将信号输出到单片机中，系统线性误差小。 方案 2:该检测系统由单片机最小系统模块、信号采集模块、前置放大模块、A/D 转换器模块、报警模块、液晶显示模块等电路组成。方案 2 的电路可应用于日常生活 中。本设计系统具有功耗小、控制系统简单、很容易控制操作，并且系统整体性能稳 定的优点，所以其可以在一些较小型电路的设计中得到较好的运用。 2.3 方案选择 上述两种方案均可以实现对水浊度进行测量。但是温度的变化会制约方案 1 中的 硅光电池接受光强而产生的短路电流。温度上升，电路中的短路电流会缓慢增加。所 以，由于我们无法掌控水温，所以水温的变化会影响到测量的浊度值的准确度，这就 会使测量方案出现较大误差。所以为避免较大误差，在具体实施当中，还必须得考虑 进行适当的补偿。方案二是通过采用 WTW 浊度传感器进行数据采集，再通过前置放 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 大电路至 A/D 转换模块，最终将信号输出到单片机当中。该方案的数据采集前端是利 用的 WTW 浊度传感器。这种传感器能够自行清洗器件，所以这也就能够保证传感器 可以进行长期地、可靠地运行。这种方案采用的是散射光比浊法，能够有效的抑制因 为测量环境而产生的干扰，使测量结果更加真实有效。 基于上述两方案比较、论证，方案二更容易实现本次设计的要求，所以选择方案 二。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 3 单元模块设计 我设计的浊度检测系统以 AT89S52 单片机为核心，以方案二的系统原理框图为设 计依据，进行硬件电路的设计，包含单片机最小系统模块、电源电路模块、A/D 转换 模块、信号采集模块、报警模块、显示模块、存储器模块等单元模块设计。信号采集 模块使用 WTW 浊度传感器；A/D 转换模块采用 ADC0832 芯片；显示模块使用的是 1602LCD 点阵液晶显示屏及其外围电路；存储模块使用的是 HT24LC02 芯片及其外围 电路。 3.1 单片机模块 基于单片机的设计比传统设计更为灵活，设计电路简单，功能更强大。单片机最 小系统：单片机及其外围电路（晶振电路、复位电路）等组成。 3.1.1 单片机最小系统电路设计 AT89S52 单片机的最小系统设计电路，如图 3.1 所示。 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/P 30 P3.1/TXD 11 P3.0/RXD 10 IC2 AT89S52 11.0592MHs CY1 C22 22pF C21 22pF C20 4.7uF R9 10K R7 1K S17KEY4VCC RST RST R10 10K R11 10K VCC PSEN ALE P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00 X1 X2 RD WR T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 VCC RP1 10K X 8 VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 一一一一一一一 P0一10K一一一一一一一一 一一一一 图 3.1 最小系统电路图 由于图 3.1 中的 INT1 和 INT0 口是接的 VCC，所以这两个端口的作用只是 IO 口， 它们不能再被用来作为外部的中断口；由图可得，芯片使用的晶振频率是 11.0592MHz；P0 口的功能是单片机将检测的数据送入液晶显示屏进行显示，之所以接 8 个 10K 的排阻的作用是为了提高单片机的驱动能力；系统供电电源为+5V 直流电源。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 操作前，单片机内部寄存器必须进行初始化，只有在寄存器初始化之后，单片机才能 在系统上电之后保证正常工作；当系统掉电时，也要保证系统能正常复位3所以同时 也设计了传统的按键复位电路，按键 S17 按下产生一个高电平，方便需要时进行手动 复位。 3.1.2 AT89S52 介绍 1、AT89S52 单片机内部结构 (1)中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机最核心的部分,CPU 的主要作用是进 行系统的运算和控制。AT89S52 型单片机的 CPU 可以按照字节和位运算操作来对数据 的处理。 (2)内部数据存储器（RAM）：RAM 片内是 128 个字节，而其片外能够扩至 64K 字节，它的功能是存放可读写的程序。 (3)程序存储器（ROM/EPROM）：AT89S52 单片机片内有 8K EPROM，而其片外 能够扩至 64K 字节，它的功能是存放程序和一些原始的数据。 (4)中断系统：具有 5 个中断源源（一个串行中断，两个外部中断及三个定时中断） 。 (5)定时器/计数器：AT89S52 单片机片内有 16 位的定时器/计数器两个，有 4 种工 作方式。它的功能是定时和计数。 (6)串行口：AT89S52 单片机有 1 个全双工的可编程串行口，它具有 4 种工作方式。 串行口的功能是完成单片机同其他设备间的串行数据的传送。 (7)并行 I/O 口为：P0、P1、P2、P3 口。 2、AT89S52 单片机的引脚分配及功能 AT89S52 单片机的引脚如图 3.2 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 INT1/P3.3 13 INT0/P3.2 12 T1/P3.5 15 T0/P3.4 14 EA/VP 31 X1 19 X2 18 WR/P3.6 16 RD/P3.7 17 RESET9 9 PSEN 29 RXD/P3.0 10 TXD/P3.1 11 ALE/P 30 图 3.2 单片机引脚图 (1）主电源引脚：VCC：主电源+5V；VSS：接地。 (2) 时钟引脚：XTAL1、XTAL2 外接晶体两端。 (3）控制信号引脚（RST/VPD）：单片机的内部各寄存器在系统刚上电时会处于 随机状态，要想使单片机复位（RESET），只要输入 24 个时钟周期以上的高电平，单 片机即会复位。VPD 的功能是单片机的备用电源输入端，防止因系统不正常的断电而 造成信息丢失。 (4)ALE/PROG：当单片机需要访问片外存储器时，ALE 为允许锁存地址。该端能 够固定输出正脉冲信号。PROG 作为第二功能，它的作用是 EPROM 编程（固化）时， 作为输入编程脉冲。 (5)/PSEN：当单片机需要访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读 选通信号。当 CPU 需要向片外存储器取指令，在 12 个时钟周期内，/PSEN 信号将会 生效两次。如何知道单片机是否在工作：可以通过判断/PSEN、ALE、XTAL2 端口是 否有信号输出。 (6）EA/VPP：EA 端是选择内外程序存储器的控制端。不同电平的输入，EA 会选 择不同的程序存储器。输入高电平时，CPU 会选择片内 4K 程序存储器；输入低电平 时，单片机则只会访问外部程序存储器。对于 8031EA 端只能接地。 (7) P0 口：低 8 位地址/数据总线复用口。 (8) P1 口：P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。当片内 EPROM 编程、检验时，P1 口接 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 受低 8 位地址。 (9) P2 口：P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。当片内 EPROM 编程、检验时，P2 口接 受高 8 位地址。 (10)P3 口：每一位具有第二功能。 3.2 模数转换模块 A/D 转换在数据采集系统起到的作用不可或缺。模/数转化将检测前端的浊度传感 器采集得来的模拟量转换为数字量，并将数字量输入单片机内部并进行相应的处理。 根据系统的不同要求，模数转换器 A/D 的位数将会决定转换的精度。 3.2.1 A/D 转换电路设计 ADC0832 是一种模数转换芯片，并且它作为本设计系统的 A/D 转换电路设计的核 心部件。ADC0832 芯片可以检测到浊度传感器传出的微弱信号，并且还可以通过软件 处理的方法来降低气泡及其他因素对处理结果的影响。以串行通讯对数据进行传送的 方法，能够充分利用单片机的资源，从而达到节约资源的效果。 A/D 转换电路，如图 3.3 所示： CS 1 CH0 2 CH1 3 GND 4 DI 5 DO 6 CLK 7 VCC 8 IC5 ADC0832 1 2 J5 CON2 W2 10K VCC C9 104 VCC P10 P14 P13 CH0一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一 AD一一一一 out 图 3.3 A/D 转换电路 如图 3.3，本设计系统我用到了通道 1，将 out 输入电压送入通道 1，以此作为采集 的输入信号，通道 0 的输入为可调电阻电压分压而来。在电路硬件设计上，之所以能 够将 DO 和 DI 的输出端口并联在一根数据屏蔽线上，是因为：首先 ADC0832 的两个 端口（D0，D1）会异时工作，即当 DO 口作用时，DI 口不会工作；当 DI 口处于工作 状态，DO 口会禁止工作。另外这两个端口与单片机的接口是双向的，这就防止数据信 息的错位输出。为了达到节约单片机资源的效果，本次设计将 DO 与 DI 端口并联的数 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 据线与单片机的 P1.4 脚相连接， P1.0 脚产生 A/D 转换的时钟信号；P1.3 脚产生的片 选信号，这个片选信号会被送入 A/D 转换的 CS 脚。 3.2.2 ADC0832 介绍 ADC0832 是一种体积、兼容性强、转换速度快且稳定性能强的转换芯片。它的分 辨率为 8 位，有两个通道口（D0，D1）。ADC0832 芯片的转换速度较高，完成一次 转换时间，大约花费 32us 时间。ADC0832 芯片的数据通信方式是串行通信。因为 ADC0832 芯片具有双数据的输出特性，所以系统可以实时校验测量的数据，这样能减 少数据误差。由于 ADC0832 芯片能够单电源供电，所以它的功耗就较低，功耗大约为 15mW，所以这种芯片可以运用