基于单片机的水质浊度分析仪的设计

目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题提出的目的及意义11.2 国内外研究现状11.3发展趋势21.4 本课题研究的主要内容32系统的整体方案设计42.1系统的整体构架42.2 浊度测量原理52.3 光源的选择73 系统硬件设计83.1水质浊度采集模块（硅光电池）83.2信号放大模块103.3 A/D转换模块123.4 主控模块143.5 液晶显示模块153.6 串口通信模块183.7 复位电路203.8 电源电路213.9 小结224 系统软件设计234.1 主程序设计234.2 液晶显示子程序设计244.3 A/D转换模块子程序设计264.4 小结285 结语29参考文献30致谢32附录33附录一 元件列表33附录二 A/D转换子程序33附录三 液晶显示子程序35附录四 水质浊度分析仪原理图38基于单片机的水质浊度分析仪的设计摘 要浊度是由微小颗粒，如淤泥、粘土、微生物和有机物等引起的，不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。水的浊度是反映水质优劣的一个十分重要的指标。随着生活水平的改善，对水质的要求随之更加严格，从而对浊度测量也提出了更高的要求。为改变目前大量采用国外浊度仪的现状，急需开发高性能的浊度测量仪器。本课程设计的设计思想是根据散射光由于浊度的不同而发生强弱变化的光学原理,以光电接收器件来接收散射光，接收器的电信号并进行放大，由单片微处理器记录和换算，最后统计和输出。系统采用AT89S52单片机为控制核心，由用于数据采集的硅光电池，前置放大部分，A/D转换器，液晶显示器，以及电源等附属部件组成。关键词: 浊度；硅光电池；AT89S52IIDesign of Water Turbidity Analyzer Based on Single Chip MicrocomputerAbstractTurbidity is made up of tiny particles, such as silt, clay, microorganisms and organic matter.It caused not only the content of suspended matter in water, but also to their size, shape and refractive index . The turbidity of the water to reflect the merits of a very important water quality indicators. As living standards improved, along with more stringent water quality requirements, and also a higher turbidity measurement requirements. To change the current status of a large number of the use of foreign turbidimeter, turbidity measurements needed to develop high performance instruments.This design idea is, according to the different scattered light turbidity occurs because changes in the strength of optics, photoelectric receiving device to receive the scattered light collection and optical receiver to amplify electrical signals from single-chip microprocessor Records and conversion, the final statistics and output. AT89S52 microcontroller for the control system is the core of the data collected by the optical sensor, preamplifier part, SCM, display, A/D converter, and other ancillary components.Key Words: Turbidity ; Silicon photovoltaic cells; AT89S52 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题提出的目的及意义目前单片机渗透到我们生活的各个领域，很难找到哪个领域没有单片机的身影。纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中的悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。这些悬浮物可能保护有害微生物，使其在消毒过程中不易被去除。因此无论在工业过程、饮用水或产品中，浊度都是一个很重要的参数。用以表示水的清澈或浑浊程度饮用、食物及饮料加工、工厂排放等场合的水都应严格控制浊度。随着人们对食品安全、环境保护越来越重视，公众更加关注水浊度的监视与测量。浊度为水样光学性质的一种表达语。它是水对光的散射和吸收能力的量度，与水中颗粒的数目、大小、折光率及入射光的波长有关。是反映天然水和饮用水的物理性状的一项指标，用以表示水的清澈或浑浊程度，是衡量水质良好程度的重要指标之一。水的浊度是表示水中不同大小、比重、形状的悬浮、胶体物质，浮游生物和微生物等杂质对光所产生效应的参数。它并不直接表示水样中的杂质的含量，但与其存在的数量有关，水浊度的测量是利用“水样对光散射和吸收的化学性质”，将水样的浊度转化为电信号，并保证一定准确度和精度的在线水质分析。使用光学散射式浊度测量方法，将浊度转化为光电信号，通过单片机智能处理，对各种工艺过程的水质浊度进行连续分析测定。1.2 国内外研究现状国内浊度仪器的现状：我国从80年代开始研制和生产工业水质浊度分析仪，光源和传感器技术的生产开始就落后，所以与国外浊度仪比较，技术性能差别很大，加之电子控制线路部分不先进，所以长时间水浊度分析仪器行业几乎是空白点。随着国民经济和科学技术的发展，国内关于浊度与浊度仪的研究开始逐渐丰富起来，一些大学的研究实验室已投入研究工作的有关浊度仪行列。但整体来说，无论是研究机构或产品型号，比较单一，但其中大部分是台式的，不是很适合在工厂使用，根据产品技术参数的说明，其测量范围也很有限。最大的问题是由浊度浊度传感器，特别是光源的稳定性，寿命都没有解决。因此，解决国产浊度传感器稳定测量，是迫切需要解决的问题。限制我国的工业浊度仪发展的另一个问题是：880nm波长的红外发光二极管。这种特殊的LED器件是研制高性能浊度传感发送器的关键，它可以代替以往复杂的大型光源和光学系统，不仅结构可以简单小巧，而且还大大降低了成本可能会非常高的技术水平，达到90年代后期国际水平。在过去，880nm的红外LED发光器件几乎都是特殊的外国制造厂商浊度仪秩序，市场不出售，因此，直接采购是非常困难，几乎不可能解决。因此，为了解决生产和环境问题的许多企业需要的高价格监测浊度，浊度计的进口，使该项目预算的增加，以不打破总成本，常常被用来减少文书，甚至取消这种做法完全保持平衡，这样的分析和监测工具大大降低，在自动化水平整体下降，不能说是生产过程和环境管理的一大遗憾。进入90年代，在消化吸收国外浊度仪先进技术的基础上，不断改进和创新，推出了一些浊度仪器品种，虽然没有进口仪器先进，但可以在一般情况下使用，填补了我国浊度仪的空白。但是从其技术参数来看，测量精度及范围还是有限的。国外浊度仪器的现状：进入21世纪后，国外很多仪器仪表公司推出了技术先进、性能优良的水质浊度分析仪。在众多的水质浊度分析仪产品中，具有代表性的品种有美国HACH公司的T53、556系列；美国Rosemount公司的T1055系列；德国E+H公司的TlirbimaxCUE21/CUE22系列等。这些新型的工业水质浊度分析仪，都是采用单片机技术，许多仪器的单片机都是目前最新型的单片微型计算机芯片。某些公司产品将测定浊度和固体悬浮物可以用同一只探头、同一台仪器操作，只需按一下功能转换键就可以了，不需要重新进行参数设定和更换测量探头，大大扩大了仪器的应用范围，增强了仪器检测的多元化功能。几乎所有的产品都具有自动清洗设备，许多低浊度产品可选配自动清洗装置或自带清洗装置，使仪器可在工业废水，粘性产业领域等更恶劣的工业环境，还可以根据对测量的要求，对自动清洗程序自行设定，从而确保长期稳定运行浊度仪。1.3发展趋势随着社会的发展和人们对自身健康的关注以及水资源日益短缺和恶化，使人们对水质越发关注，因此各项水质检测仪器都需要突破难关，迅速发展。统计数据表明，1995-1999年，全国水质分析仪器的年平均销售量位217亿美元，同期中国平均销售额仅为20亿美元左右，占全球总销售额的3.8%。因此中国许多项水质检测仪器都需从国外购买。“十二五”期间，环保部要求县以上城市的污水厂全部采用在线监测，数量巨大，目前发达国家的进口仪器占国内数量的95%，而国内的仪器由于质量不稳定，精度不够远远跟不上社会发展的需要。不但市场占有率低，而且质量不稳定，进口仪器的价格约5万。需进一步扩大用途用于医院污水排放，水产养殖，自来水厂，纯净水厂。目前，经文献检索，对我国具有一定影响的分析仪器公司中(如上海雷磁分析仪器厂，北京分析仪器厂及四川分析仪器厂等)没有类似成熟产品的信息。同时这些仪器采用的特殊的LED器件是波长880nm近红外光发光二极管，随着国内生产半导体器件的厂商不断发展和技术的不断进步，已具备开发这类特殊的LED器件的能力，极大地满足了我国分析仪器这一特殊仪器仪表行业使用需求。在这样的背景下，开发出我们自己的高质量的浊度仪具有非常现实的意义。1.4 本课题研究的主要内容本系统采用美国Atmel 公司生产的AT89S52单片机作为主控芯片，采用频率特性好，具有较高的响应频率的硅光电池采集光信号并转化成电信号，经过放大电路把信号放大，再通过A/D转换器，转换成数字信号送入单片机进行分析处理，最后显示出相关数据。本文所研究的主要内容有以下几个方面：1设计主控板模块硬件电路芯片选型，确定选用的芯片了解芯片的外围电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图2设计外围电路及附加设备电源及复位电路的选型与设计液晶显示电路的选型与设计3该系统的软件的设计编制主控板读写程序编制A/D及液晶显示相关程序4对软硬件进行调试392系统的整体方案设计2.1系统的整体构架本系统采用美国Atmel 公司生产的AT89S52单片机作为主控芯片，采用频率特性好，具有较高的响应频率的硅光电池采集光信号并转化成电信号，经过放大电路把信号放大，再通过A/D转换器，转换成数字信号送入单片机进行分析处理，最后显示出相关数据。系统硬件结构框图见图2-1。单片机AT89S52硅光电池液晶显示信号放大电路复位电路A/D转换电源电路图2-1 系统硬件结构框图各框图的作用：1A/D转换电路：它的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。2信号放大电路：放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单元电路。3单片机电路：单片机电路是程序控制的中心，它把计算机的各种功能电路都集成在一块芯片上，主要包括中央处理器CPU、程序存储器ROM、数据存储器RAM、输入/输出接口电路及计时、分频、扫描、定时、时间设定等电路，ROM内已固化了操作程序，单片机根据输入指令和检测信号，调出内部相应的操作程序，通过电路处理后，输出各种电路控制信号，自动完成程序操作过程。4液晶显示电路：由于液晶显示功耗低、无电磁辐射、寿命长、价格低、接口方便等一系列显著优点，被广泛应用于各种仪器仪表、测量显示装置、计算机显示终端等诸方面。5复位电路：置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位，而复位时间是(时钟周期=12振荡周期,振荡周期=1/f)，这个时间只能大不能小，具体数值可以由RC电路计算出时间常数。6电源电路：这是为主控芯片及其外围控制电路提供稳定电源的电路，AT89S52及其他元件需要+5V的电源,A/D转换器需要+5V和-5V的电源。2.2 浊度测量原理根据光学原理，当一束平行光由空气垂直照射到被测的水中，在深度为Y处的光的强度可表示为： IY=K0I0e-K1TY 公式（2-1）其中：K0表示入射角为0时平行光的透射系数，K1为溶液对平行光的吸收系数。I0为入射光的强度，T为水质浊度。当被测的水中微粒大小均匀时，某一区域的dy,在某方向的散射光dIs1也与浊度成正比： dIS1=K2TIYdy 公式（2-2）其中：K2为溶液对光的散射系数，IY为深度Y处的光照强度。浊度仪的光学原理如图2-2：图2-2 浊度仪的光学原理将式（2-1）代入式（2-2）可得Y处沿X方向散射光为： dIS1=K2TK0I0e（-K1TY）dy 公式（2-3）实际到达硅光电池的散射光的强度为： dIS= dIS1e-K1TX 公式（2-4）式中X为散射光到达硅光电池表面的距离。因此从0到Y0，X方向总的散射光的强度为：IS=0Y0dIs=0Y0e-K1TX.dIs1 =0Y0K0.K2.I0.T.e-K1TY.e-K1TX.dy=K2K0K1I0 e-K1TX(1- e-K1TY0) 公式(2-5)对eK1TX 和eK1TY0 用泰勒公式展开，得式： IS=K2K0K1I0(1-K1TX+K1XT2!)(K1Y0T-K1Y0T2!) 公式(2-6)当T较小且硅光电池和散射光的距离很短即X非常小的时候，则有K1XT800nm时能将水中溶解物对测量的干扰降到最低。在低于500nm的可见光波长范围内，光在水中的有机物质的吸收能力，将带来更大的测量误差。因此，长波长浊度仪使用更准确的浊度测量。本课程设计选用的光源是近红外发光二极管(LED)。针对上述特性，光源采用恒流源进行供电，主要有以下原因：(1)为了避免上电时对光源的瞬时冲击，以提高其使用寿命。(2)发光二极管的发光强度与电流成线性关系，而与电压成对数关系，也就是说其发光特性对电压的变化比对电流的变化敏感得多，因而采用恒流源供电，以减少发光强度的波动。此外仪器在测量中由于温度的变化会引起光源发光强度发生变化。由于本课题采用的是测量与参比双光电池电路结构，浊度由两光电池电路电压相除而得，即： T=aVs/VR 公式（2-7）其中T为所测浊度，Vs为散射光电压，VR为参比光电压，a为常数。由于两个光电池的温度系数非常接近，这样光强变化及温度变化对浊度测量的影响也将很小。3 系统硬件设计本课题的硬件系统主要由主控模块、水质浊度采集模块、信号放大模块、A/D转换模块、液晶显示模块、串口通信模块、电源模块和复位模块组成。3.1水质浊度采集模块（硅光电池）光电池是一种光电转换元件，不用外加电源而能直接把光能转换成电能。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。本课程设计选用的是硅光电池，硅光电池具有价格低廉，转换效率高，寿命长等优点，适于接受红外光，硅光电池的参数范围为400-1100nm，峰值在850nm附近，它的频率特性好，且与我们所选用的光源相匹配。所以本课题选用的光电转换器为硅光电池，其型号为2CR52。由于光电流极其微弱，是毫安级的，为了提高检测下限本课题使用了4块硅光电池。硅光电池是一种PN结的单结光电池，当光照射到PN结时，由于光激发的光生载流子的迁移，使PN结两端产生了光生电动势，如果他与外电路中的负载接通，则负载电路中将由光电流产生。硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池，图3-1是常用的硅光电池的外形及结构示意图，为提高效率，在器件的受光面上进行氧化，形成SiO2保护膜，以防止表面反射光，并且表面电极做成梳妆，减少光生载流子的复合机会。单晶硅光电池的转换率一般在10%左右，最高可达15%20%。目前，使用较广发的太阳能电池属于多晶硅光电池，转换率约为7%。多晶硅光电池采用价格低廉的多晶硅作材料，而且可用简单的真空涂镀法制造，其大小不受晶体的大小限制，可制作大面积光电池。图3-1 硅光电池的构造硅光电池的主要特性为：（1）硅光电池的主要参数和照度特性开路电压曲线。硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照度的特性曲线称为开路电压曲线。短路电流曲线。在一定光照条件下，光电池被短路时所输出的光电流值称为短路光电流。光电流密度与照度的特性曲线称为短路电流曲线。图3-2为硅光电池的开路电压曲线和短路电流曲线，其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照度为20001x时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。 图3-2 硅光电池的光电特性1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线（2）硅光电池的负载特性硅光电池的伏安特性与最佳匹配。随着负载电阻的变化，回路中电流I和硅光电池两端的电压U相应地变化，称为硅光电池的伏安特性。当负载电阻取某一值时，其输出功率最大，这称为最佳匹配，此时所用的电阻称为最佳匹配电阻。硅光电池的内阻。从理论上可以推导出硅光电池的内阻等于开路电压除以短路电流。可以观察到光照面积不同时，硅光电池的内阻将发生变化。（3）硅光电池的转换效率。硅光电池的最大输出功率与输入光功率的比值称为硅光电池的光电转换效率。（4）硅光电池的光谱特性。在入射光能量保持一定的情况下，短路电流与不同的入射光频率（波长）之间的关系称为光电池的光谱特性。图3-3为硅光电池光谱特性曲线，从曲线可看出，硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用 图。 图3-3硅光电池光谱特性3.2信号放大模块前置放大器是与硅光探测器直接相连的器件，其作用是把散射光电信号放大，其放大倍数、温度参数和输入电流漂移等对测量产生较大的影响，所以前置放大器的选择非常重要。ICL7650 CMOS 斩波集成运算放大结构和性能,输入级使用MOS 场效应管,采用斩波自动稳零结构,附带调制和解调等措施,具有输入偏置电流小,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力。3.2.1 ICL7650芯片结构图3-4 所示是ICL7650最常用的14 脚双列直插式封装的引脚排列图。图3-4 ICL的引脚排列图3.2.2 工作原理ICL7650为了消除CMOS 器件固有的失调和漂移而采用了动态校零技术，从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚，克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。ICL7650 的制造工艺采用大规模集成电路机制,输入级使用MOS 场效应管,输入电阻达100 M 以上,将场效应管和双极型管兼容在一个硅片上,并且还附带调制和解调等措施,采用斩波自动稳零结构,使失调电压和温度漂移进一步下降,应用时一般无需调零即可使用,极为方便。图3-5 为ICL7650 的原理方框图。图3-5 ICL7650的工作原理图由图3-5 可以看出,ICL7650 的整个电路由下列几个部分构成:(1) 内部时钟发生器用以控制图中电子开关SA 和SB 的通断。当14 脚(内/ 外端) 置“1”或置空时,工作在内时钟状态;若置“0”时,则工作在外时钟方式下,外时钟从13 脚(外部时钟输入端) 加入。(2) 主放大器A1 用以放大输入信号并经他输出,N1端为他的第3 个同相输入端。(3) 调零放大器A2 用以降低A1 直流失调的放大器,他不对外输出信号,仅是作为一种辅助放大器使用,N2 为他的一个反相输入端。(4) 箝位输出电路用以防止因过载而出现的放大器阻塞。(5) 内调制补偿用以改善电路的频率特性。(6) 模拟开关完成电路动态校零工作过程的切换,靠时钟控制下的模拟开关来转换。电路的整个工作在时钟控制下分2 个工作阶段进行,放大器误差检测与寄存;校零和放大,使稳态实现低失调与低温漂。3.2.3 信号放大模块电路图图3-6信号放大模块电路图3.3 A/D转换模块3.3.1 TLC549简介TLC549是由美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。图3-7 TLC549的引脚配置3.3.2 TLC549的工作原理 TLC549均有片内时钟，该时钟与I/O CLOCK独立工作。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端为高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。CS的控制作用允许同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK，用来减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。其控制时序为： (1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。 (2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。 (3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位， (4)最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。 在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。 若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。3.3.3 A/D转换的电路图图3-8 A/D转换的电路图3.4 主控模块3.4.1 单片机AT89S52简介AT89S52是8位单片机是MSC-51系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如51F020等高性能单片机。AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。3.4.2 AT89S52的标准功能AT89S52具有8k字节FLASH，256字节RAM，32 位I/O 口线，定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0 Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到出现下一个中断或者复位为止。3.4.3 单片机AT89S52最小系统图3-9 AT89S52最小系统原理图3.5 液晶显示模块液晶显示器(LCD)具有体积小、功耗低、超薄等优点，被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。本设计采用SMC1602A液晶屏，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，通电后就可以显示出图形、文字。3.5.1 SMC1602A液晶简介SMC1602A字符型液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16 2即32个字符（16列2行）。3.5.2 SMC1602A液晶显示特性(1)单5V电源，功耗低、寿命长、可靠性高；(2)内置192种字符；(3)具有64B的自定义RAM，可自定义八个58的点阵字符；(4)显示方式：半透、STN、正显；(5)驱动方式：1/16DUTY，1/5BIAS；(6)视角方向：6点；(7)背光方式： LED；(8)通讯方式：4位，8位并口可选；3.5.3 SMC1602A液晶物理特性表3-1 1602液晶物理特性外形尺寸803614 （mm）可视范围64.6（W）16.0（H）显示容量16字符，2行点尺寸0.550.75 （mm）点间距0.08 （mm）3.5.4 SMC1602A液晶管脚功能SMC1602A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条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。表3-2 1602液晶管脚功能管脚号符号功能1VSS电源接地（GND）2VDD电源电压（+5V）3V0LED驱动电压（可调）4RS寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号。RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU进行读操作还是写操作，均指向数据寄存器。5R/W读写控制输入端，输入MPU选择读/写模块操作信号。 当R/W=0时进行读操作，当R/W=1时进行写操作。6E使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号。读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效。7DB0低4位三态、向数据总线 0位（最低位）8DB1低4位三态、双向数据总线 1位9DB2低4位三态、双向数据总线 2位10DB3低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 5位14DB7高4位三态、双向数据总线 7位（最高位）15A背光电源正端+5V16K背光电源负端0V3.5.5 SMC1602A液晶字符集SMC1602A液晶模块内部的字符存储器（CGROM)存储了160个不同的点阵字符图形，包括：英文字母大小写、阿拉伯数字、日文假名、和常用符号等，每一个字符都有一个固定的代码，其中，字与字母同ASCII码兼容。比如大写的英文字母“A”的代码是B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。具体内容参照1602的16进制ASCII码表。3.5.6 SMC1602A液晶与AT89S52接口电路图3-10 1602LCD与单片机接口电路图3.6 串口通信模块为了对采集到的数据进一步处理，需要利用单片机的 RXD、TXD 接口连接到 RS232 串行口接收或发送数据和指令，但是单片机的 TTL 电平和 RS232 不兼容，因此使用了 MAX232 进行电平转换。本系统采用 RS-232C 接口方式。采用 MAX232，这种芯片可以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换，也就是可以把5V电平表示“1”、0V电平表示“0”的逻辑，转换成-315V电平表示“1”、+315V电平表示“0”的逻辑，从而解决了由于PC机的串行口是 RS-232C 标准的接口，其输入输出在电平上和采用TTL 电平的 AT89S52 在接口时会产生电平不同的问题。3.6.1 RS-232C简介在单片机通信中, 谈到串口通信, 必然涉及RS-232C。RS-232C 总线标准是美国 EIA (电子工业联合会)与 BELL 公司一起开发并于1969年公布的通信协议，该总线是广泛使用在微机数据终端设备DTE和数据通信设备 DCE 之间的外部总线接口。RS 是英文“推荐标准”的缩写，232 是标志号,C 表示修改的次数。RS232C 定义了数据终端设备(DTE) 与数据通信设备(DCE)之间的物理接口标准。接口标准包括机械特性、功能特性和电气特性等方面的内容。在电气特性中,采用负逻辑电平表示,规定逻辑0 电平为+ 5 V +15 V ，逻辑1 为- 15 V - 5 V，常称之为RS232电平。而单片机输出的是TTL 或COMS 电平。我们知道， TTL/ COMS电平规定逻辑0电平为0 V，逻辑1 电平为+ 5 V。显然,当PC机与单片机进行通信时，其接口就不能直接相连，必须经过电平转换，否则就会损坏设备。当微机配备了 RS一232 接口后，它不仅可以与多种仪器和外设连接，而且，通过它还可以在两台微机之间进行近程和远程的通信。3.6.2 MAX232简介本系统采用的是 MAXIM 公司生产的 MAX232 接口芯片，该芯片就是MAXIM 公司专门为PC 机 RS2232 标准串口设计的电平转换电路。MAX232 芯片与 TTL/ COMS 电平兼容,片内有2 个发送器,2 个接收器,且使用+ 5 V单电源供电,使用非常方便。MAX232 芯片能够同时满足TTL向 RS232C 和 RS232C 向 TTL 电平转换的功能。同时，MAX232 具有 士15V 的防静电释放功能，能保持在 士15V 的静电释放的情况下正常工作，不损坏两端的器件，提高了系统工作的可靠性。MAX232 可分为三部分：（1） 电荷泵。电荷泵的主要任务是将直流5 V 电源转换为10 V 的电源,以满足TTL/ CMOS 电平转换成RS23 电平的需要，它主要由1 - 6 脚和外接的4 个电容( C1 - C4 ) 组成。（2）将TTL/ CMOS 电平转换成 RS232 电平。主要由11 ( T1IN ) 脚、10 脚( T2IN ) 、14 脚( T1OUT ) 和7 ( T2OUT ) 脚构成。在实际应用中,常将11 脚(或10 脚) 与 AT89S52 单片机的串行发送端 TXD 相连接,而将14 脚(或7 脚) 与RS232 相连接。这样从单片机输出的 TTL/ CMOS 电平, 经过MAX232 内部电路,转换成了 RS232 所需要的电平,由14 脚(7 脚) 送至RS232。（3）将10 V 的 RS232 电平,转换成 TTL/ CMOS 电平。RS232 电平由13 脚(R1IN ) 或8 脚(R2IN ) 输入,经过转换后的 TTL/ CMOS 电平由12 脚( R1OUT ) 或9 脚( R2OUT ) 输出,送至 AT89S52 单片机的接收端 RXD。16 脚(VCC) 电源端, + 5 V 直流电源供电;15 脚( GND) ,电源接地。MAX232 芯片控制电路及接口如下图所示：图3-11 MAX232芯片控制电路3.7 复位电路3.7.1 复位电路简介关于单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位，而复位时间是(时钟周期=12振荡周期,振荡周期=1/f)，这个时间只能大不能小，具体数值可以由rc电路计算出时间常数。单片机复位后各寄存器的状态：PSW变为00H，寄存器0组为工作寄存器组；A赋值为00H，累加器被清零； SP为07H，堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，P0-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE000000B，表明各个中断均被关断；3.7.2 复位电路图图3-12 复位电路图3.8 电源电路电源电路为主控芯片及其外围控制电路提供稳定电源的电路，AT89S52及其他元件需要+5V的电源,A/D转换器需要+5V和-5V的电源。其电路图如图3-14：图3-13 电源电路图3.9 小结本章节主要介绍了课程设计的硬件部分，包括信号采集模块，信号放大模块，A/D转换模块，AT89S52主控电路，1602液晶显示模块，串口通信模块，复位以及电源模块。分析了每个模块的功能原理，画出了原理图，介绍了所用主要芯片的特性及用法，并简述了模块设计时的注意事项。信号采集模块采用型号为2CR52的硅光电池，由于采集得到的光电流极其微弱，所以要用芯片ICL7650对信号进行放大，再采用A/D装换芯片TLC549把信号转换为数字信号，输入到单片机最小系统里，经过单片机的处理最后用液晶显示出相关数据。4 系统软件设计本课题设计的软件设计采用模块设计，各个模块完成相应的功能。在工作过程中，主控程序或服务程序分别调用相应的子程序以完成浊度信号的检测、各种信号处理以及数据的显示等功能。系统单片机代码采用 C 语言编写，以 Keil uVision2 为开发环境。系统程序主要由主程序、A/D转换子程序、液晶显示子程序、串口发送和接收子程序等部分组成。其中，系统的主程序设计主要完成系统初始化、中断优先级设定以及调用各模块程序，即主要实现各模块程序的链接。设计时只需对水质浊度进行相应的采集处理后，即可让液晶显示当前的数据。4.1 主程序设计主控程序首先完成对外部器件及内部寄存器的初始化，之后查询有没有复位按键，如有按键则处理按键，如没有则进入子程序。主控程序的初始化包括：1使系统时钟转向外部时钟系统；2堆栈指针复位；3初始化I/O口；4初始化定时器：5初始化UART0串口；6初始化SPI串口；7初始化液晶控制器CDM1602A显示。系统程序流程图如图4-1所示：开始初始化Y 是否有按键结束调用数据处理子程序调用延时调用数据处理子程序调用数据采集子程序按键处理N图4-1系统程序流程图4.2 液晶显示子程序设计液晶显示器是一种功耗极低的被动式显示器件，1602广脚介绍：D0D7数据传送引脚，VSS为接地线，VDD为电源线，VEE为 LCD驱动电压调节，由此可以调节显示亮度。RS为寄存器选择信号，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。RW为读写控制信号，高电平读，低电平写。EN使能信号，读状态下高电平有效，写状态下下降沿有效。 RS连接P20; 寄存器选择信号 RW连接P21; 读写控制信号线EN连接P22; 使能信号线LCD初始化程序流程图如图4-2：写指令0x38，显示模式设置写指令，显示光标写指令，光标移动清屏图4-2 LCD初始化程序流程图在初始化过程中，要反复调用到write_com函数，此函数实现向lcd写入命令的功能。要特别注意写命令和写数据的RS、RW、EN时序问题LCD1602读写指令比较多而且比较复杂，具体使用可以查相关资料，下面仅列出最常用的的一些命令：1、写指令38H：显示模式设置 ，2、写指令08H：显示关闭，3、写指令01H：显示清屏，4、写指令06H：显示光标移动设置，5、写指令0CH：显示开及光标设置。1、读状态：输入：RSL，RWH，EH 输出：D0D7状态字2、写指令：输入：RS=L,RW=L,D0-D7=指令码，E上升沿 输出：无3、读数据：输入：RSH，RWH，EH 输出：D0D7数据2、写数据：输入：RS=H,RW=L,D0-D7=数据，E上升沿 输出：无液晶显示模块是慢速显示器件，所以在每个指令执行前必须确认模块忙标志是低点平（即不繁忙），否则该指令无效。显示字符，要先输入显示字符地址，它告诉模块在哪里显示字符。因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平，所以实际写入的数据应该是要显示地址值加上80H，即将最高位D7置为1。该显示模块用于显示一般初始化设置必要的参数。字符显示液晶模块自动当光标移动到右边，无需人工干预。每次输入命令之前，我们必须决定是否在液晶模块忙。本设计中采用标准的SMC1602 液晶显示屏。SMC1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了192种字符（160个57点阵字符和32个510点阵字符）。本模块字符在LCD显示屏上的显示位置与该字符的字符代码在显示缓冲区DDRAM内的存储地址一一对应。SMC1602液晶显示流程图如图4-3所示：NNY开始对SMC1602初始化，写入显示命令延时检测忙信号STA7=0？获得显示RAM地址延时写入相应数据数据显示完毕？返回主程序Y图4-3 液晶显示流程图4.3 A/D转换模块子程序设计根据TLC549的工作时序，当CS 变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT 端输出，接着要求自I/O CLOCK 端输入8个外部时钟信号，前7个I/O