《基于单片机的TDS水质测试仪设计10000字（论文）》

第一章绪论1.1研究背景水资源是最重要的地球资源之一，人类没有办法离开水资源进行生存和生产活动。全球的水资源很多，但能被人们引用的淡水资源仅仅占水资源的2.7%，因此对人类而言淡水资源其实是比较匮乏的，随着工业革命的进行，水污染也日趋严重，水质问题成为了人们关心的话题。对水资源进行测验，可以让人们很清晰地了解到水质是好是坏，能让我们更好地对水资源进行一个保护进而控制水污染，同时这对人们健康饮水也具有重要意义。TDS中文意思为溶解性固体总量，测量单位为毫克/升(mg/L)，TDS值越大，表明每单位升水中的溶解性固体越多。通过过滤后的水，经过高温烘干，剩下的固体被称为溶解性总固体，其中有可溶性盐类、不能被过滤的不溶解性微粒等。传统的水质测试仪体积较大，存在检测不方便、费用昂贵、测试数据不精准等方面的问题，不适用于家庭检测或者是外出时检测水质，现在出现在市面上的便携式水质测试仪大多测量结果不够精准，为了让人们能够随时准确了解水质好坏，喝上健康水，所以本文设计一款便携式、高精度的水质测试仪用来应对目前水质检测所面临的困境。1.2国内与国外水质检测技术发展现状随着工业革命的不断发展，现代科学技术取得了巨大的成就，同时涉及人们生活的水质检测技术也随之取得了一些成就。发展趋势主要从传统的大体积水质测试仪向小体积方向发展。随着相关技术的不断发展与成熟，原来构成水质测试仪的各种元器件由体积大、精度低，变得体积小、精度高，所以水质测试仪也由最开始庞大的体积变得更加精小。可供检测的参数也由最开始的一个参数变成多个参数，同时智能手机和互联网的普及，给水质检测技术提供了更多发展的思路。想要全面了解目前水质检测技术的发展现状，需要从国内和国外两个方面分别进行研究，以下是通过调查得出的发展现状。1.2.1国外相关技术的发展现状通过调查发现，以美国、日本、德国等为代表的的发达国家有许多机构都已经研究出多参数的水质测试仪，并且还能够满足测试一些水质相关的特殊参数的要求，国外发达国家的水质测试技术整体上发展比较成熟，但也有一些比较落后的国家水质测试技术还处于开荒阶段。同时调查还发现，工业技术处于前列的德国和高精尖技术处于前列的美国，其一些生产水质测试仪的公司生产出来的产品占据了市场的大部分份额。1.2.2国内相关技术的发展现状通过调查发现，我国由于发展时间较短，总体技术相对于国外发达国家有不小的差距，国内一些生产厂商主要还是主要生产单一参数产品，较少生产多参数的产品，同时不能够满足测试一些水质相关的特殊参数的要求，测试精度还比较低。国内市场上的水质测试仪产品还需要更多的改进，特别是在精度和多参数方面，同时能够把价格做到低一些，让水质测试仪更好地走进家庭里面。1.3主要研究目标和内容论文研究目标：本论文主要目的是研发出一款基于STC89C52单片机的高精度TDS水质测试仪，该TDS水质测试仪涉及的几个重要技术内容如下：(1)为了达到研究目标，首先要确定测试仪要实现的功能有哪些，然后确定所涉及到的传感器种类；(2)详细了解TDS相关理论，使测量的TDS数值误差不大于2%；(3)详细分析温度补偿法，探究温度变化与TDS值之间的关系；(4)测量结果通过LCD液晶显示出来，并同时对测量结果进行语音播报；(5)测试仪通过蓝牙和手机相连，实现手机监测功能。(6)对整体系统进行分析，然后制作出硬件电路原理图，再对各模块进行相关程序流程图的设计。论文研究的内容：本论文的题目是基于单片机的TDS水质测试仪设计，单片机采用的是STC89C52，此测试仪设计主要涉及以下几点研究内容：(1)研究STC89C52单片机各个引脚功能、运行原理和现实中的应用；(2)研究LCD液晶屏的显示功能；(3)研究蓝牙信号传输原理；(4)研究按键模块，实现复位、测量、锁定；(5)了解电导率的电极测定法，研究温度补偿法；(6)研究DS18B20温度传感器的运行原理和相关使用方法；(7)设计整个电路原理图并编写相对应各个模块的程序。第二章硬件电路的设计2.1硬件电路的整体设计方案和主框图本论文意在设计一款可以测出TDS值和温度大小的水质测试仪，设计的水质测试仪通过STC89C52单片机进行相关采集信号的处理，同时运用编写的程序来对测量数值进行误差修正，达到高精度的要求，对测量数值结果实现显示屏显示和语音播报两种功能。利用蓝牙模块，让测试仪与手机进行相连，实现随时能够通过手机得知测量结果的功能。系统硬件框图如图2-1所示。此水质测试仪的主要设计原理是让测量电导率信号的传感器探头和测量温度的传感器探头与所要测的水质进行接触，测得的信号传输到STC89C52单片机里面，然后通过编写的程序对测量的电导率数值进行误差修正，将测得的结果显示在LCD1602液晶显示屏上并通过语音方式播报出来，可以选择通过蓝牙与手机进行相连，让手机也能接收到测量结果。图2-1系统硬件框图2.2单片机与单片机最小系统的简介STC89C52是51单片机的一种，采用互补金属氧化物半导体进行制作，每次能够处理的数据是8位，芯片里面有8K每秒传输速率的储存器，可以重复进行程序烧写，并且采用了美国公司爱特梅尔的核心技术，可以保护芯片在突然性断电关闭或者意外性断电关闭的情况下数据的完整性，不发生数据丢失。STC89C52的所有指令和引脚与多款单片机都能兼容，其中包括80C51和80C52这两款单片机。STC89C52单片机中央处理包括运算器电路和控制器电路，能同时对8个二进制数字进行传送和运算，其功能也比传统的51单片机功能多，性能好，能够进行更加更复杂化的控制。STC89C52的功能大体有以下这些：每秒能够传输8K数据的非易失性存储器。可以与CPU直接进行交换的256字节随机存取存储器。输入输出地址有32个。由高八位和低八位组成的定时器有3个。一个在任意时刻可以双向传输信号的通信口。振荡器和类似时钟一样准确运动的振荡电路。能够接受稳定的0HZ输入信号维持稳定的输出状态。有两种工作模式，空闲模式下的中央处理器会停止运行，但随机存取存储器和由高八位与低八位组成的定时器、中断系统、任意时刻可以双向传输信号的通信口继续保持运行。休眠模式下随机存取存储器中的数据不发生改变，外部中断系统可以继续运行，其他全部停止运行，可由中断或者硬件复位来恢复单片机的正常运行。图2-2即为STC89C52的引脚结构图。图2-2STC89C52单片机原理图PO口：PO口是一个低电平、高阻状态的每次能够双向传输8位数据信号的通信口，P0.0-P0.7都是这样的通信口，同时也被称为地址/数据总线复用口。P1口：P1口是一个每次能够双向传输8位数据信号的通信口，内部带有一个可以将不确定信号固定在高电平的电阻，P1.0-P1.7都被称为P1口o。

P2口：P2口是一个每次能够双向传输8位数据信号的通信口，内部带有一个可以将不确定信号固定在高电平的电阻，P2.0-P2.7都被称为P2口。P3口：P3口是一个每次能够双向传输8位数据信号的通信口，内部带有一个可以将不确定信号固定在高电平的电阻，P3.0-P3.7都被称为P3口。VCC：模拟信号电源。GND：模拟信号接地端。RST：复位信号的输入端。当复位信号的输入端出现24个以上振荡周期的高电平时，单片机将进行复位初始化操作，然后单片机将从0000H单片重新开始执行程序。XTAL1：单片机内部振荡电路的输入端，外接时钟引脚。XTAL2：单片机内部振荡电路的输出端，外接时钟引脚。本设计的单片机最小系统由STC92C52单片机、晶振电路、复位电路组成。晶振电路由1个11.0592MHz的振荡器和2个30Pf的电容构成，复位电路由1个复位电容10uF的电容和复位电阻10KΩ和复位按键构成，当复位按键按下后，复位电容就短路了，与电容相连的单片机引脚RST维持一个高电平，松开复位按键后，与地相连的复位电阻对复位电容进行充电，当复位电容被充满电后，RST变成一个低电平，这样就能实现一个复位功能。因为在本设计中涉及到蓝牙模块的应用，蓝牙模块是串口通信，需要配置串口的通信波特率，所以晶振电路只能选用11.0592MHz的振荡器。2.3TDS值测量原理及电路2.3.1TDS测量原理TDS中文意思为溶解性固体总量，测量单位为毫克/升(mg/L)，TDS值越大，表明每单位升水中的溶解性固体越多。被测溶液通过简单过滤后，经过高温烘干，剩下的固体被称为溶解性总固体，其中有可溶性盐类、不能被过滤的不溶解性微粒等。导体具有导电性是说导体具有传导电流的能力，传导电流的过程被称为导电过程，传导电流能力的大小不但取决于导体本身的材质特性，还取决于导体的有效长度大小和有效截面的面积大小。经过查阅资料可得其关系式为：R=p·L/A

关系式里面：R是导体的电阻符号，单位名称是欧姆(Ω)，L是导体有效长度的符号，单位名称是厘米(cm)；A是导体有效截面积的符号，单位名称是平方厘米(cm2)：p是导体电阻率的符号，单位名称是欧姆每厘米(Ω·cm)。

电导表示导体导电能力的大小，且数值大小与电阻成反比例关系，一个物体单位体积的电阻值越大，电导就越小。通过查阅资料得出表达式为：s=k/θ

表达式里面：S是电导的符号，单位名称是西门子(s)；k是电导率的符号，单位名称是每米西门子(δ·m)，或S/m；θ是电导电极常数的符号，单位名称是米的负一次方(m-1)。电导率是表示导体内部电荷流动能力大小的参数。溶液电导率的数值大小与溶液的离子浓度有关，离子浓度越高，电导率越大，且数值大小是溶液中各离子电导率的总和。仪器的元器件我们已经确定，这也就是说我们可以确定下来导体的有效长度和有效截面，这样我们只需要测出电导率就可以通过公式求解出被测溶液的电阻值大小。通过大量的调查与分析得出电导率与溶解性固体总量有一定关系，且关系式如下：TDS=(0.55~0.70)·K关系式中：TDS是每单位水中溶解固体量的符号，单位名称是一毫克每升（mg/L)；K是25℃时测得水的电导率的符号，单位名称是每米西门子(S/m)。在现实生活中直接测量TDS值比较困难，但测电导率大小很容易实现，所以我们可以先测出被测溶液的电导率，然后通过公式得出TDS值的大小，使得测量过程更加方便快捷。

同时我们需要注意温度是影响电导率大小的一个关键因素，在一定温度范围里面，温度和电导率成正比例关系，因此在整个设计过程中，需要减小温度对测量结果的影响，从而提高测量的精度。2.3.2TDS测量电路通过传感器电路测得的电导率大小可以通过特定规律转化成TDS值的大小，他们之间的转化关系可以用公式进行表示，即TDS=（0.55~0.70）Ks，Ks为电导率。图2-3即为TDS测量电路原理图。该电路由TDS探头、三极管、555定时器和两个电容构成。当引脚3输出高电平时，三极管Q2就导通了，探头JP1就得电，探头上的两个探针之间被放在被测溶液里面，探针之间的溶液呈现出一定的阻值，与电容C4形成一个振荡电路，不同的水质输出的频率不同，这样就可以测出不同水质的电导率大小。电容C5起到了消除干扰的作用。经过查阅大量资料后发现，针对不同的温度区间，有不同的计算公式，具体如下：当测得的温度大于1℃小于10℃时，TDS=Ks*（0.00169*temp+0.5583）；当测得的温度大于10℃小于20℃时，TDS=Ks*（0.018*temp+0.5473）；当测得的温度大于20℃小于30℃时，TDS=Ks*（0.00189*temp+0.5281）；其他温度时，TDS=Ks*（0.022*temp+0.45）。本论文设计的测试仪就是按照这个公式进行程序设计计算的。图2-3TDS测量电路原理图图2-4即为555定时器结构图。555定时器的构成有能够鉴别和比较输入信号的电压比较器（C1，C2），具有置位和复位还有保持功能的RS触发器（G1，G2联合构成），用于设备输入端的高压保护元件-放电管（G3，G4），5KΩ的电阻等。模拟信号和数字信号可以通过555定时器进行相互之间的转换。性能高，稳定性强，且价格便宜。图2-4555定时器结构图555定时器的比较器输出电压同时控制着具有置位和复位功能的RS触发器（G1，G2联合构成），用于设备输入端的高压保护元件-放电管（G3，G4）。首先对引脚5进行一个悬空，也就是让引脚5处于一个为外接电压的状态，然后将引脚1与地进行相连，再将引脚8与电源进行相连。连接之后可以得知C1输入和输出极性相同的端口电压为2/3VCC，C2输入和输出极性相反的端口电压为1/3VCC。如果TR的电压大于1/3VCC且TH的电压大于2/3VCC。则C1和C2分别输出0和1，此时具有置位和复位功能的RS触发器置0，输出端Vo也为0。经过查询资料可得555定时器的功能表如表2-1所示。表2-1555定时器功能表RDTHTRVoT0××低电平导通1>2/3VCC>1/3VCC低电平导通1>2/3VCC<1/3VCC高电平截止1<2/3VCC<1/3VCC高电平截止1<2/3VCC>1/3VCC不变状态不发生改变2.4温度补偿原理与温度测量电路2.4.1温度补偿原理很多因素都会影响电路测量电导率的精度，其中温度是一个主要因素。所以说怎么减小温度对溶液电导率测量精度的影响是主要需要解决的问题。通过查阅资料发现，溶液温度越高，离子与水分子之间的静电作用会变小，离子运动更加剧烈，此时在电场作用下的离子定向运动也会更加剧烈，液体的导电能力更强，通过电路测得的电导率数值也越大。溶液温度越低，离子与水分子之间的静电作用会变大，离子运动也就越平静，此时在电场作用下的离子定向运动也会变得更弱，液体的导电能力变弱，通过电路测得的电导率数值变小。为了测得更加准确的数据，在测试不同水质时，被测溶液应该保持在同一温度下进行电导率的测量，但在现实生活中被测溶液的温度无法精准控制在同一温度下，所以在这种情况下，需要对测量的结果，根据被测溶液温度的大小进行不同程度的温度补偿，这样测得的数值才更加接近真实值。关于减小温度对测量结果影响的方法有四种。第一种就是恒温法，将要测量的所有组溶液温度都控制在25℃，在该温度进行电导率数值的测量，这种方法实行起来比较困难，因为需要能够精准控制水温的装置，而这种装置价格都比较高，不适合在现实生活中进行应用。第二种就是进行手动补偿，设计出能控制测试仪在不同溶液温度下进行不同运算的按钮，然后精准测出溶液的温度，调节测试仪与被测溶液的实际温度保持一致，得出被测溶液的电导率，但这种方式不够智能且误差较大。第三种就是热敏电阻补偿法，热敏电阻的电阻会随温度的变化呈现出不同的阻值，通过设计让热敏电阻和被测溶液因受温度变化的影响进行一个抵消，使所测电导率更加精准，可惜电路设计起来很复杂，且一个热敏电阻很难与不同溶液保持同一温度特性。第四种就是通过程序对被测数据进行处理，这样方便、智能、快捷，又可以得到精准的电导率数值大小，所以本设计采用的就是第四种方法。温度补偿公式为：（1℃＜Temp＜10℃） TDS=Ks*（0.00169*temp+0.5583）（10℃＜Temp＜20℃）TDS=Ks*（0.018*temp+0.5473）（20℃＜Temp＜30℃）TDS=Ks*（0.00189*temp+0.5281）（其他温度）TDS=Ks*（0.022*temp+0.45）2.4.2温度测量电路温度测量电路采用的温度传感器型号是DS18B20，该型号的传感器性能好，价格便宜，精度高，可以测量满足水溶液的温度测量，对本设计而言非常适用。图2-5即为温度测量电路的原理图。我们可以看出DS18B20有三个引脚，引脚1与工作电源相连接，引脚2输出信号与单片机P3.6口进行相连，引脚3接地。为了让输出信号保持稳定状态，所以需要将一个10KΩ的电阻连接在引脚1和引脚2之间。在温度探针接触被测溶液后，温度传感器对所测被测溶液的数据先进行处理，然后将处理后的信号传给STC89C52单片机，STC89C52单片机再对温度传感器处理过的信号进行再次处理，最后得到被测溶液的温度值。图2-5温度测量电路原理图2.5LCD1602液晶显示电路显示电路采用的是LCD1602液晶显示器，该型号的显示器价格便宜、显示色泽明亮、使用简单，非常适合单片机初学者进行使用。LCD1602的D0-D7引脚与STC89C52单片机的P0.0-P0.7相连，这些是进行数据传输的端口。Vss接地，Vcc接电源正极，RS，R/W，EN共同对数据进行一个读写功能的处理。Vo引脚起到了对显示器对比度调整的功能，对比度低显示不明显，对比度高会有莫名光斑显示出来，所以可以选择一个2KΩ的电阻来调整对比度。图2-6即为LCD显示电路原理图。图2-6LCD显示电路原理图2.6蜂鸣器电路与按键电路该蜂鸣器电路采用的是8550型三极管，该三极管方便实用，价格便宜。我们给三极管串联一个10KΩ的电阻用来保护三极管，防止电流过大烧坏三极管。P1.0输出低电平时，三极管被导通，蜂鸣器和指示灯得电，蜂鸣器发生蜂鸣声，指示灯亮，P1.0输出高电平时，三极管就截止了，蜂鸣器不响且指示灯也不亮。蜂鸣器电路原理图如图2-7所示。图2-7蜂鸣器电路按键电路有实现复位功能的按键电路，实现测量功能的按键电路和实现语音播报功能的按键电路。当按下复位按键S1后，复位电容就短路了，与电容相连的单片机引脚RST维持一个高电平，松开复位按键后，与地相连的复位电阻对复位电容进行充电，当复位电容被充满电后，RST变成一个低电平，这样就能实现一个复位功能。按下测量按键S2后，对被测溶液进行测量，同时指示灯亮、蜂鸣器发出响声，通过程序的编写，让测量按键在第一次按下时测出数据，第二次按下时锁定测得的数据大小，第三次按下按键进行数据清零，程序初始化。按下语音按键S3会对数据进行语音播报。按键电路原理图如图2-8所示。图2-8按键电路2.7蓝牙电路蓝牙模块比较简单，将蓝牙的发送数据端口（TXD）也就是引脚4与单片机P3.0进行相连，将蓝牙的接受数据端口（RXD）也就是引脚5与单片机3.1进行相连。引脚3接地，引脚2与电源进行相连。蓝牙电路原理图如图2-9所示。图2-9蓝牙电路2.8总体电路图本设计的系统主要由温度补偿电路、电导率电路、液晶显示电路、蓝牙电路、按键控制电路和语音播报电路等构成。整个测量过程中，先将电导率探针和温度探针放入被测溶液中，电导率电路和温度测量电路分别把溶液的电导率和温度测量出来，然后所测的数据经过编写程序的处理得到被测溶液的TDS值，然后通过操作测量按键对被测数值进行测量动态显示、测量数值锁定、测量数值清零，并显示在液晶显示器上，通过操作语音按键对测量数值进行语音播报。最后还可以插上蓝牙芯片，使其与手机进行相连，在手机上进行被测数据的查看。图2-10即为系统整体电路图。图2-10总体电路图第三章系统软件设计3.1软件设计的整体思路要想让设计的产品能够实现每个模块功能，不仅要有硬件模块，还要有软件模块，软硬件相结合能让模块更好实现功能。特别是现在人们对产品功能的要求越来越高，如果单纯用硬件电路来设计产品，对开发人员来说难度大且设计出来的硬件电路很复杂，但通过软件编程来辅助实现功能，就会让整个设计变得简单起来。想要把系统的软件部分设计的很完美，先要对每个硬件部分的内容很清晰。因为有多个模块，所以要对每个模块的流程图做个清晰设定，然后根据流程图把对应模块的子程序进行编程，最后进行整体的编程设计。本设计的软件系统是用C语言进行编程的。分几个小模块组成，这些模块包括电导率模块、温度测量模块、TDS计算模块、LCD显示模块、蓝牙模块、按键模块和语音模块。3.2总流程图与各部分流程图3.2.1总流程图本论文设计的水质测试仪工作流程大致如下：系统保持初始化状态，按下电源按键，计数器进行运行，读取温度数据并将温度数值显示在LCD液晶显示屏上。第一次按下测量按键，测得TDS数值并显示在液晶显示屏上，该TDS数值是通过采集温度数据和电导率数据处理后得到了，数值更加准确。第二次按下测量按键，对测得的TDS数值和温度数值进行锁定显示在显示屏上。第三次按下测量按键，数据全部清零，程序初始化。图3-1即为系统总流程图。NNYYNNYY图3-1系统总流程图3.2.2电导率测量原理图图3-2为电导率测量的流程图。当开始执行程序的时候，定时器T0和定时器T1被启动。定时器T0已经给予了固定的时间数值，这个时间数值即为每进行一次测量花费的时间长短。当测量时长到达给予的固定时间时，两个定时器的输出端口都停止导通，然后系统采集相关脉冲数据，可推断出周期大小，然后根据周期推断出输出频率的大小，然后根据输出频率通过程序运算得到电导率数值的大小。图3-2电导率测量流程图3.2.3温度测量流程图图3-3为DS18B20温度测量流程图。当开始执行程序的时候，STC89C52单片机发出脉冲信号传给DS18B20传感器，完成初始化操作，STC89C52单片机发出跳过只读存储器的命令，然后单片机再次发送将采集数据转换成温度数值的命令，然后再发出跳过只读存储器的命令，接收到温度转换命令的温度传感器将转换后的温度值再传回单片机，单片机读取传回的数据，最终进行数据处理。图3-3温度测量流程图3.2.4TDS测量流程图图3-4为TDS测量流程图。测量溶液的探针有效长度和有效截面积已知，则可以直接通过电导率的大小计算出TDS值得大小。对测温模块采集到的温度值使用软件程序进行数据处理，得出的TDS值就是进行了温度补偿后得到的更精准的数据。图3-4TDS测量流程图3.2.5LCD显示电路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。3-5图为数码管显示流程图。图3-5数码管显示流程图3.2.6按键电路与报警电路流程图电路通电后，将探针放入被测溶液，单片机经过数据处理获得了溶液温度的数值，第一次按下测量按键后，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3-6为按键电路流程图。图3-6按键电路流程图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: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