基于AT89S51单片机的水质检测系统设计

基于51单片机的水质检测系统设计[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/0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]AT89S51单片机NE555定时器DS18B20RS485通信throughtheNe555timercontrolintothepumpingresistancevalue,useDS18B20asthetemperatureacquisitionmodule,usingRS485realizelong-distancetransmission.Afterahostdataprocessingandconversion,thetempeadvantagesofsimplestructurRS485communicationprotocol第2章水质检测的因素32.1一般水质检测的因素32.2电子设备检测的因素32.3水质与水的导电率的相互关系3第3章系统设计要求及总体设计方案43.1系统设计要求43.2总体设计的总体设计方案4第4章系统各组成单元方案设计与论证54.1测量电阻模块方案设计54.2温度传感器方案选择64.3通信模块的方案选择65.1AT89S51单片机及其他器件的功能介绍及原理85.2DS18B20温度传感器的简介105.3NE555的简介及应用135.4RS485总线的应用及介绍155.5字符液晶1602的介绍175.6电源模块的设计20第6章系统软件的设计226.1程序设计226.2系统主程序流程图22第7章测试方法及结果.247.1调试方法247.2电导率的检测247.3温度的检测25结束语26致谢27参考文献28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2.1一般水质监测的因素总磷、粪大肠菌群、铅、镉、汞、锌、铜、石油类、硫化物、六价铬、氰化物氮、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2.3水质与水的导电率的相互关系电阻率P的物理意义是1cm,截面为1cm2均匀导电体的电阻值(即1cm,水或水溶米Ω?cm)。电阻率P的倒数称为电导率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-0.002-0.0022加入8mg硫酸亚铁-0.176-0.5673加入4mg硫酸亚铁-0.063-0.2525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-0.478-0.412第3章系统设计要求及总体设计要求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为系统设计框图图3-1系统整体设计框图第4章系统各组成单元方案设计与论证4.1电阻检测模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：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。通过测图4-2电桥衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。由Z1*Z4Z3*Z4.在通过测方案三：利用555构成单稳态的方案图4-3555定时器构成单稳态根据555定时器构成单稳态，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。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。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。常用的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、该方案的缺点是模拟信号转换为数字信号的借口电路需要占用微机的数条数据/控制线。有唯一的64位序列号。以便不同测温点的识别。DS18B20的测温是+55℃到4.3液通信模块方案选择(共4线),对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度RS-485总线标准。在要长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。下表4.1为常见的三种串口通信性表4.1常见的三种串口通信性能比较功能全双工全双工半双工传输方式单端差分差分最大速率20kbit/s10kbit/s第5章系统硬件电路设计模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的图5-1单片机引脚图器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制引脚功能说明器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，原因，将输出电流(IIL)。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。如下表为P1口的第二功能：表5-1P1口的第二功能引脚号第二功能P1.0T2(定时器/计时器T2的外部计数输入),时钟输出P1.1T2EX(定时器/计时器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。如下表为P3口第:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚()也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。这一位置“1”,能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下表5-2P3口第二功能引脚号第二功能P3.2INTO(非)(外部中断0)P3.3INT1(非)(外部中断1)P3.4TO(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器读选通):外部程序存储器选通信号()是外部程序存储器选通信号。当AT89S52:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程5.1.2、本系统采用的单片最小系统原理图图5-2为单片机最小系统原理图：图5-2单片机最小系统原理图出的脉冲直接送入内部时钟电路。本最小系统中晶振采用12M,起振电容采用PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。在单片机最小系统上5.2.1、DS18B20基本知识(5)、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。TO-92封装的DS18B20的引脚排列见图1,其引脚功能描述见表5-3。5.2.3、DS18B20的使用方法计必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/0线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。图5-4DS18B20的复位时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过图5-5DS18B20的读时序对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us,保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样10总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放图5-6DS18B20的写时序图5-7为DS18B20的程序流程图：图5-7DS18B20程序流程图图5-8为DS18B20电路图：图5-8DS18B20电路图555时集成电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的脉冲振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、检测电路、电源变换电路、频率5.3.2、NE555内部结构及引脚说明图5-9555时基电路管脚排列图图5-10555电路结构方框图555芯片引脚图及引脚描述分压器上看出，上比较器6脚A1的5脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压如图5-11为NE555电路图：图5-11NE555电路图5.3.4、本系统所使用的NE555电路的工作原理NE555电路工作原理根据555定时器和外部器件构成无稳态多谐振荡器，电5.4、RS485总线的应用及介绍5.4.1、RS485及其接口介绍线),一个驱动器可以驱动最多10个接收器(即接收器为1/10单位负载),通讯距RS485,在RS422后推出，绝大部分继承了422,主要的差别是RS485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器(即接收器为1/32单位负载),当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。所以现在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。(2)通过PCI多串的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上的开始和末端都并接终端电阻。终端电阻在RS-485网络中取120Ω。相当于电格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C5.4.3、RS485应用可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。本系统采用RS485建立多机通信网络，并以两个从机为例成功实现了主机对从机及自己的数据采集及处理，实现了多机通信。本次设计所使用的RS-485的电路图图5-12为RS485电路图：图5-12RS485电路图工作原理本电路中使用的485芯片为im公司的一个RS-485的接口芯片。具有一个驱动器跟接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片于发送状态，因为485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制485的接收和发送即可。5.4字符液晶16025.5.1、1602液晶介绍1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，本设计就因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机表5-41602的16进制ASCII码表：字母B的ASCII为0x42(前面加0x表示十六进制)。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线表5-51602引脚功能图引脚符号功能说明度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指7DBO底4位三态、双向数据总线0位(最低位)8DB1底4位三态、双向数据总线1位9DB2底4位三态、双向数据总线2位10DB3底4位三态、双向数据总线3位11DB4高4位三态、双向数据总线4位12DB5高4位三态、双向数据总线5位13DB6高4位三态、双向数据总线6位14DB7高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)16BLK背光电源负极本系统采用市场上常见的成本较低1602字符液晶为显示设备，充分利用5.5.4、本系统采用的1602液晶显示电路图5-13为1602液晶显示电路：图5-131602液晶显示电路本设计采用1602液晶显示。如图4-3所示。3管脚接10K电位器以方端E输入。LCD1602有多种的使用方式即并口数据传输和串行数据传输。设计中由于1/0口充足，所以采用的是并口传输方式数据和命令端口接单片机的PO5.6电源模块设计TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。图5-157805芯片用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V,7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。本系统采用常用的低价三端稳压集成电路7805芯片，通过电容滤波，7805集成芯片的稳压后输出线性度较如图5-16电源模块电路图：图5-16电源模块电路图第6章系统软件设计6.1程序设计设计就是用计算机所能接受的语言把所需解决问题的步骤逐一描述出来，也就是编制计算机的程序，在设计应用系统时，软件的编制是重要环节。软件的质量直接影响整个系统功能的实现。应用程序的设计因系统而异，但程序设计总是有共同特点及其规律的。在编写程序时，采取