基于单片机的TDS水质测试仪设计

苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计页共19页1、绪论TDS是英文totaldissolvedsolids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[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，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。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氯化钾-0.509-0.8365加入2mg氯化钾-0.406-0.5316加入1mg氯化钾-0.048-0.2017加入2mg磷酸三钠-0.061-0.1958生活污水-0.283-0.2759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：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、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。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——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！频率法 TDS测量电路单片机最小系统电路单片机液晶显示电路按键电路温度测量电路图2-13、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3.1.1AT89S51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CMOS8位单片机,芯片上包含8KISP可以擦一次又一次1000次闪电只读程序内存设备采用ATMEL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80C51相兼容的结构,一般8位CPU芯片集成和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3-1所示表3-1P1口第二功能（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。（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温度传感器DS18B20DS18B20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。DS18B20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能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85℃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85℃。温度传感器的DS18B20的工作流程：图3-5温度传感器的DS18B20的工作流程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，也包含的引脚有VCC，GND，XTAL1，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。3.3TDS测量电路图3-7水质检测电路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。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5KΩ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3-8555定时器结构图由3个5KΩ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时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。555定时器功能表：表3-3555定时器功能表该电路工作原理：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Vc≥2/3VCC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Vc≤1／3VCC时，脚2内低限比较器反转，引脚3再次输出高电平，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：式中：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。由上式可以看出，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。在设计过程中，探针的尺寸固定，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。3.4温度测量电路图3-9为DS18B20引脚图。图3-9DS18B20引脚图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。图3-10为温度测量电路。图3-10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。3.5按键电路图3-12为按键电路。图3-12按键电路在电路中，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。3.6电源电路图3-13是稳压电源设计电路图3-13稳压电源设计电路L7805是稳压三极管，5V到12V的电源他都可以接受，降压之后，就一直稳定的输出5V的电压，保持不变。电路上显示的220V电源到变压器后就变为12V，通过电容到L7805.单片机在工作的时候本身就会产生干扰信息，这就需要能够有稳定电源提供给单片机缓解这个缺点。3.7系统主电路图3-15主电路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，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，显示在液晶上，通过按键电路将测量值锁存和清零。4、系统软件设计4.1程序设计程序设计是解决某个特定问题程序的经过，是软件编程活动中的首要组成部分。编程通常是一种编程语言作为一种工具，给出了语言的程序。程序设计过程应包括不同阶段的分析、设计、测试、调试、编码等。具体步骤如下：分析问题对于接受的任务要进行认真的分析，研究所给定的条件，分析最后应达到的目标，找出解决问题的规律，选择解题的方法，完成实际问题。设计算法即设计出解题的方法和具体步骤。编写程序将算法翻译成计算机程序设计语言，对源程序进行编辑、编译和连接。运行程序，分析结果运行可执行程序，得到运行结果。能得到运行结果并不意味着程序正确，要对结果进行分析，看它是否合理。不合理要对程序进行调试，即通过上机发现和排除程序中的故障的过程。编写程序文档许多程序是提供给别人使用的，如同正式的产品应当提供产品说明书一样，正式提供给用户使用的程序，必须向用户提供程序说明书。内容应包括：程序名称、程序功能、运行环境、程序的装入和启动、需要输入的数据，以及使用注意事项等。4.2程序设计流程图4-1设计流程各个模块程序编写：5、调试结果5.1软件调试5.2硬件调试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TDS值的测量，通过数字温度传感器DS18B20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：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。古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。古老师的每一次教诲，对我来讲都是一次教育和提高。古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。感谢所有教授我的老师，若是没有这三年知识的积累，我是没有这么大的动力和信心完成这篇论文。在感恩之余，我也诚恳地请老师们能对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。感谢我们班主任张老师，大学这三年是她一直对我们的生活进行关心，对我们的学习也是经常关心，偶尔开开班会，了解了解我们的情况。最后还要感谢的就是同学了，大家在一起像兄弟姐妹一样相处了三年，这马上就要分开还舍不得呢，有的以后也许会联系，有的估计都不会再见面了呢。所以无论相处的