基于单片机的TDS水质测试仪设计模板

1、苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计学号 137304233 _苏州市职业大学毕业设计题目基于单片机的_TDSTDS水质测试仪设计学生姓名： _专业班级：_学院 （部）： 电子信息工程学院 _校内指导教师： _校外指导教师： _完成日期：20162016年5 5月苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计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 AT89S51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 TDSfio设计包括信

2、号采集 电路、按键电路、测温电路、液晶显示电路。选用 AT89S51作为该水质测试仪是 由于其结构简单，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。了解检测的水中各种参数，通过这些了解到水质的基本信 息，并作出相应的调整计划。水质合格了，这样我们的生活才会有保障。关键词：水质检测 AT89S51程序编写II苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计AbstractThis desig n through the study and an alysis of the prin ciple of TDS (total dissolved solids) measure

3、me nt, the desig n of a AT89S51 microc on troller as the core of the water testing instrument. This design by conductivity measurement circuit to achieve conductivity signal acquisition, and the temperature sensor for temperature measurement and temperature compensation method to reduce the temperat

4、ure in flue nee on the con ductivity measureme nts, through the SCM program for correlation calculation to obtain the value of TDS. The design includes signal acquisiti on circuit, key circuit, temperature measureme nt circuit, liquid crystal display circuit. AT89S51 as the water quality testing ins

5、trument is because of its simple structure, easy operation, low cost. Measurement of the TDS value to help people understand the situation of water quality has played a very important role. Un dersta nding of the detecti on of various parameters in the water, through these basic information to under

6、stand the water quality, and make the appropriate adjustments. The water quality is qualified, so our life will be guara nteed.Key word: Water quality testi ng, AT89S51 Program writi ngIII苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计目 录摘 要 .IAbstract .II1绪论 . 11.1影响水质因素 . 11.2水质检测的意义 . 22系统的设计内容及方案 . 32.1设计内容 . 32.2设计方案 . 33

7、硬件电路设计 .43.1元件选择 . 43.1.1 AT89S51 芯片 .43.1.2温度传感器DS18B20 . 53.2单片机最小系统 . 63.3 TDS测量电路 . 63.4温度测量电路 . 83.5按键测量电路 . 93.6电源电路 . 93.7系统主电路. 104系统软件设计 . 114.1程序设计. 114.2系统程序流程. 115测试结果 . 175.1软件调试. 175.2硬件调试. 175.1调试结果. 17致 谢 . 18参考文献 . 19苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计1、绪论TDS是英文total dissolved solids的缩写，中文解释为溶解性总固体

8、，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=1ppn），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，TDSfi代表了水中溶解物 杂质含量，TDSfi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，

9、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1。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，TDS水质测试仪的发展越来越完善，它

10、可以 在保证基础性能上简化一些功能， 这样的话不仅能适应很多环境，而且也具备了 很强的价格优势，极大的提高了它的性价比！1.1影响水质的因素随着工农业生产的快速发展，以及随着人类的生产和生活，使有限的水资源 更加的紧缺。在水资源如此紧张的情况下，我们要更加珍惜水资源，与此同时我 们的检测部门也要做好对水质实时的检测工作，为民众的身体健康提供保障。影响水质的因素有很多种，只有经过不断地检测才能知道。就是对采取的水 的样品进行各项指标的检测，分类，判断，最后总结出结果。检测的指标有这么 几个方向：水的PH值，高锰酸盐指数，硫化物，石油类，锌，铜等等；这是一般 的水，还有地下水的水质会包含 PH值，

11、溶解性总固体，总硬度，氧化物等等； 除了这些还有用电子设备检测出来的因素， 电子设备就是用不同的传感器进行检 测，像PH值，温度，电导率之类的，一般仪器检测不到的。下面有一张表说明 了不同的水质相对应不同的电导率范围。第1页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计序列测量内容相对电导率变化范围1自来水-0.002-0.0022加入8mg硫酸亚铁-0.176-0.5673加入4mg硫酸亚铁-0.063-0.2524加入4mg化钾-0.509-0.8365加入2mgM化钾-0.406-0.5316加入1mg化钾-0.048-0.2017加入2mg磷酸三钠-0.061-0.1958生活污水-0

12、.283-0.2759某电气公司处理前水样-0.500-0.62210某电气公司处理后水样-0.478-0.41211加入汽油的水样-0.448-1.10412加入煤油的水样-0.620-0.8201.2水质检测的意义水质检测是针对水中的悬浮物、底泥、化学物质和水生态系统进行统一的 检测，以此来监测水中污染物质的种类、 浓度及其变化趋势，从而来评价水质状 况等工作。主要检测项目可分为两大类：第2页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计1反映水质状况的综合指标，如温度、浊度、色度、pH值、溶解氧、电导率、悬浮物、化学需氧量等；2、以及测试水中的有毒物质，如酚、氧、砷、铅、铬、镉、汞和有机

13、农 药等。水质检测对于水污染控制和整个水环境保护方面起着至关重要的作用。对生活中的饮用水来说，如果水中含有有害细菌，如伤寒、霍乱、痢疾等病菌的时候， 就会传播传染病。而当水中存在大量浮游微生物（如原生动物、藻类等）时，则会 影响水质，并且产生臭味和导致水质颜色变化。 那如果当水中混含有某些矿物质 的杂质盐，同样也会引起各种各样的病症。好比饮用水中氟的含量如果过多， 就 会导致牙齿表面产生斑纹，从而会引起一种牙齿上的疾病一一斑齿病， 严重的患 者可能会让牙齿完全溃坏。乃至于日常生活所排出的生活污水，也同样会传播各 种疾病。因此，这也可以看出检测饮用水的水质， 在人民饮水安全方面具有十分 重要的意

14、义。2、系统的设计内容及方案2.1设计内容本设计通过研究单片机的MSC-51系列的AT89S51芯片，将其作为系统的控 制核心，然后通过按键来选择所需要的通道， 并采用温度传感器来进行采集温度 数据，再利用A/D转换器把模拟的信号转换为数字信号， 然后把数据进行比较得 出水质是否合格的判断！原理并不难，不过单片机的程序设计并不简单， 这个需 要不断地尝试与实验！2.2设计方案通过电导率采集电路中的信号，然而电导率的测量采用频率法，这个方法就 是把电极和待测溶液的等效电阻作为一个多谐振荡电路的阻抗元件， 将待测溶液 的电导率变化转化为多谐振荡电路的输出频率。这个方法成本比较低，也比较容易实现!图

15、2-1第3页共19页P1.0INTO) P3 2苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计3、硬件电路设计此次设计硬件电路系统的设计主要是由时钟电路、 复位电路、温度测量电路、 数码管显示电路组成。并且单片机最小系统就是由时钟电路， 复位电路和单片机 组成。3.1元件的选择3.1.1 AT89S51 芯片AT89S51单片机是MCS - 51系列芯片的一个经典型号，这是具备一个低功耗 且高性能CMOS睑单片机,芯片上包含8 K ISP可以擦一次又一次1000次闪电 只读程序内存设备采用ATMEI公司的高密度非易失存储器制造技术，和MCS - 51 指令系统的标准和80 C51相兼容的结构，一般8位

16、CPUS片集成和ISP闪存单元， 功能强大的单片机AT89S51单片机为许多嵌入式控制应用程序提供具有成本效 益的解决方案！图3-1为AT89S51的图片tl.2Pl.iP) 4MO&rj Pl 5图3-1AT89S51引脚功能：（1）GND接地（2）P0:8位的I/O 口，是输出口，每一位都可以驱动逻辑电平。如果要访问 外部程序或者数据时，也被看做是低 8位地址数据复用。（3）P1： 8位双向I/O 口，拥有内部上拉电阻，P1输出可以驱动4个逻辑电 平。如果P1 口写的事1，那么内部上拉电阻拉高就可以当做输入口用。在编程和校验的时候，P1 口接受低8位的地址字节。P1还有另一个功能就如下表3

17、-1 所示表3-1 P1 口第二功能弓号P1. 0Pl. 1T2EX 1圧时AV计肘器T3的笊捉/章戟融发佶号禅方向控制）HOSI 1在鴉址箱程出P1.6M1SO 统编理 HPP1.7SCK C徑葫统吗段用第4页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计(4)P2:第一功能和P1 一样，8位双向I/O 口，拥有内部上拉电阻，P1输出 可以驱动4个逻辑电平。如果P1 口写的事1，那么内部上拉电阻拉高就可以当 做输入口用。p&jrI vccI PO O 0I PO M (AD1 |I PO 3 (AD3 I PO 4 (AI4 PQ.5 (AL5J | FO.fr (AI)3 &A/VPF A

18、L&PROGP.7 (At5)P2.P2.5P.4 P2 3叱 O ostuuuuuuuuuunnnuuunuun(5) P3:同P1、P2 一样，8位双向I/O 口，拥有内部上拉电阻，P1输出可以 驱动4个逻辑电平。拥有内部上拉电阻，P1输出可以驱动4个逻辑电平。_ |AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。而且我 们通常意义上的微机原理类似于通过一个外部的、模数转换电路和运算放大器芯片实现的传感器来传输信息的采集，并可以提供一个点阵或液晶显示的液晶和外 部按键实现人机交互，可大量的内部输入/输出连接步进电机的精确控制外围设 备，具有较强的工业控制能力。3.1.2温

19、度传感器 DS18B20DS18B2C数字温度传感器接线简便，而且封装成后可以应用在多种不同的场 合，比如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式等等，而且型号也是多种 多样的，有LTM8877 LTM8874等等。这型号的外形也是根据不同的环境场合而 多种多样的。DS18B2C封装好后可以用于锅炉测温，机房测温，农业大棚测温， 弹药库测温等各种十分极端的温度场合。而且温度传感器十分的耐磨耐碰，体积 还小，使用起来也是很方便的，封装外形的形式多种多样的，在各种狭小空间设 备数字测温是很方便的。下图为实物图及工作原理图：图3-2图3-3图3-4温度传感器的引脚功能介绍：表3-2温度传感器的引脚功

20、能序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入瀚出引脚，幵漏单捕銭接口弓1脚，当被用在寄生 电糠下，也可以向器件提供电源3VDE可选择的VDD引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地面对着扁平的那一面，左负右正，一旦接反就会立刻发热，有可能烧毁！同 时，接反也是导致该传感器总是显示 85C的原因。实际操作中将正负反接，传 感器立即发热，液晶屏不能显示读数，正负接好后显示85C。温度传感器的DS18B20勺工作流程：第5页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计3.2单片机最小系统单片机的最小系统包括了电源电路、 单片机、时钟电路和复位电路等，也包 含的弓I脚有 VCQ GND XTA

21、L1, XTAL2 RST EV/VPP图3-6为单片机最小系统：图3-6单片机最小系统时钟电路的主要任务是给单片机 AT89S51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。时钟电路是把已有的时 钟信号从XTAL0或 XTAL1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。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，复位电路包括手动复位和上电复位。3.3 TDS测量电路图3-7水质检测电路

22、该电路是被测溶液的电导率检测多谐振荡电。当排针第6页共19页图3-5温度传感器的DS18B20勺工作流程苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计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。图3-7水质检测电路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5KQ的电阻而得名。555定时器是由两个电压比较器，一个基本

23、RS触发器，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。如下图3-8所示，为555定时器结构图。图3-8 555定时器结构图由3个5KQ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2/3VCC加在反相端。4脚是复位输入端，当有效 时，基本

24、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2/ 3VCC 2脚电压1/3VCC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为低第7页共19页_ 0.772-RxC5=KoG(t)LB 一13GND_27DS13B20NC _3&NC 一45SOS廚装苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计电平。当6脚的电压2/3VCC 2脚电压1/3VCC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2/3VCC 2脚电压1/3VCC寸，基本RS触发器状态不变，电路亦保持

25、原状态不变。555定时器功能表：表3-3 555定时器功能表RD餘入)%輛入)u詡騙入)4 (输出G (输出)0XX低导通12 VCC/3VCC/3低导通1VCC/32 VCC/3VCC/3高截止10; i)DQ = 0;Q = dat&OxO i;delay(5);DQ= I；delay (5);读収温度unsigned char Read! cmpcratuicfvoidunsigned char a 0;unsigned dur b 0;unsigned char t 0;/float it 0：InitvDSlSB20()；WriicOncChar(0 xCC); 7跳诃让用巧列弓的怦

26、flWri(eOreCWOJc44; / 用动*,1 fy轴换duluy(200K(nit DSIXB20()；WriteOneCharOxCX);跳过谀? J 列号的操 flWritcOncCMOxBE); 7M取紬/g崙/f器专(丿I吋谀9个奇右器)前两个4; Ri-adOncChad);b- ReadOneChjr);b-4；b* (a&0 xfD)4;第13页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计i=b；/tt-t*0,0625;L210+0.5;加&人10倍输四舍五入 reuim(i);Scndif按键设计Sitndcf anjian II#dctlmc anjian Hde

27、fine uchar unsigned char#dcilne uini unsigned nil;void anjhn()jit 1=0)idclay()(M)hif(aj Olciishu +;if(cishu 5)cishu 0;#endif延迟设计#ifndcf_delay! I_Sdcfinc _ilckiy_void dekiy(unsigned int i)述时函数第14页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计void delay I (unsigned ini i)Til时函数while(i) dclayftOOOh叱 ndil旦示设计iFmkf xmnshi Hddi

28、mc xianshi Hdelmc uchiir unsigned ch,trdefine mn( unsned uit,UfharvodcKg7code 10= OxFOt(hiFhOxFXOxF3f0 xF4,OxF5.hF6.OxF7xFSXhR; f/)i 利tuchw wd4 ；OXEr,OXDCOXBCOX7f；位餉挖制瑞ttini /,x.c,v. date： /kt X JftiK矣甲void xianshi(V二禾附故itint /,x,c.v;7. dalOOO;W T fcx-chrc0 J 000 400; /ARjjb?第15页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕

29、业设计C_dale% 100/10;求十位v=datc% 10;求个位P0=seg7c;P0H)XFF;delay(l);P0=seg7cociex&wei1 ; delay( 10);P0=0XFF;delay(l);PO=seg7codecl&wci2; delay(lO);PO-OXFF;delay( 1);POseg7codev&wei3;delay(IO);PO-OXFF;delay( I);#endif第16页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计5、调试结果5.1软件调试第一步建立源程序“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.

30、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，则其错误将显示岀来, 然后返回到第P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，可叹借肋在线调试手段, 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，消除逻辑惜误5.2硬件调试第一步：系统上电之前，先仔细检查线路是否连接正确并核对元器件的型号、 规格和

31、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，井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， 而破件故障（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可能彻底的分割来测试的，很多硬件失误的确是在 软件调试中察觉并及时被改正的。5.3调试结果本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TDSfi的测量，通过数字温度传感 器DS18B2C采集温度信号，然后通过软件算法由于温度变化引起的电导率值测量 误差，最后将结果通过计算得出 TDS值，并将其显示在液晶上。本TDS水质测试仪使用方法：取一定量的待测溶液，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，液晶显示数据，对液晶显示 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。记录数据：被测懑：矿泉水测量TDS值（ppm） : 56凉曰开372禮汁614茶叶水660第17页共19页苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计致谢我的毕业设计是在古玉年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