水质监测系统

赣南师范学院水质自动监测系统的设计学 院： 物理与电子信息工程学院 专业班级： 08电子信息工程 成员姓名： 李勇 杨琰 赖兴君 张细平 张冬冬 占玲玲 指导老师： 许粮 管立新 2010 年 月 日摘要水质监测系统主要是用于对水质的检测，这样的系统在我们的生活中得到广泛的运用，比如我们的自来水厂就有很多这样的系统。而目前使用的水质监测系统主要是通过工业电供电，价格也比较昂贵。所以本次设计的新颖点在于太阳能供电以及和手机，电脑进行信息的交流。本次水质监测系统的设计主要是利用单片机和GSM模块来达到对水质的监测。对水质主要的监测指标有：PH，水位，温度，清晰度等。通过单片机对水中这些指标的检测之后，通过GSM模块把检测到的信息发送到手机以及电脑上进行存档，可以根据存档的信息可以判断出水质的好坏。从而做出相应的措施。本系统的优点具有节能，环保，电路简单等。关键词：水质，GSM，水质监测第一章 绪论1.1课题背景本课题的背景是基于江西省鄱阳湖生态经济区的建设。鄱阳湖经济区的建设是江西省的重要规划。它以江西鄱阳湖为核心，以鄱阳湖城市圈为依托，以保护生态、发展经济为重要战略构想，把鄱阳湖生态经济区建设成为全国生态文明与经济社会发展协调统一、人与自然和谐相处的生态经济示范区和中国低碳经济发展先行区。国务院已于2009年12月12日正式批复鄱阳湖生态经济区规划，标志着建设鄱阳湖生态经济区正式上升为国家战略。这也是新中国成立以来，江西省第一个纳入为国家战略的区域性发展规划，是江西发展史上的重大里程碑，对实现江西崛起新跨越具有重大而深远的意义。所以针对这种情况，鄱阳湖水质的质量就很重要，因为这影响到周围居民的健康饮水。于是我们选择这个课题用于研究鄱阳湖水质的变化。用相应的传感器定时检测指定水域中水的PH值和清晰度等水质状况，将检测得到的数据通过无线通讯的方式传送到水质监测中心，可以知道鄱阳湖水质的好坏。同时本系统也可以用于检测其它区域的地表水、地下水以及饮用水的水质状况等。具有一定的实用价值。1.2水质自动监测系统的介绍本系统是实现水质无人自动监测功能。该系统可以分为三个部分：第一是太阳能供电部分；第二是水质数据采集处理部分；第三是无线数据发送接收部分。第一个部分用太阳能提供系统的电源，既可避免每次更换电池的麻烦，又可以利用自然界充足的太阳能，起到了节能以及环保的效果，符合现代开发新能源的思路。第二个部分采集数据系统。第三个部分的无线通讯，将数据采集系统采集的数据编码转换后通过无线通信系统发送到监测中心。并且可以在电脑上做成一个表格，把每一天发送过来的数据记录下来，用于对比和观察。这样不用人工去记录数据，可以方便的显示出准确的水质数据以减轻工作人员的工作强度。通过本系统测出的数据可以较客观的反映水质的情况。从总体来看，本系统的创新性和先进性体现在利用了太阳能供电以及数据的无线发送和接收。 第二章 系统功能的介绍2.1系统框架本系统分为三个部分：第一是太阳能供电部分；第二是水质数据采集处理部分；第三是无线数据发送接收部分。第一个部分用太阳能提供系统的电源，既可避免每次更换电池的麻烦，又可以利用自然界充足的太阳能，起到了节能以及环保的效果，符合现代开发新能源的思路。第二个部分采集数据系统。第三个部分的无线通讯，将数据采集系统采集的数据编码转换后通过无线通信系统发送到监测中心。根据以上的描述，可得系统的框架图如下： 图 12.2 太阳能电源部分的设计 2.2.1太阳能电源的原理 我们这个系统利用太阳能供电，主要是利用太阳能电池的原理。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。它的原理是：太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是太阳能电池的工作原理。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。而太阳能电池是一种直接把光转换为电的装置。这是利用了光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用。2.2.2太阳能电池的电路图太阳能电池的原理电路图如下： 图 22.3 单片机数据处理部分2.3.1 STC89C52RC的介绍(1)主要功能STC89C52RC是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。 STC89C52RC有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52RC可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。(2)功能特性 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共8个中断源 2个读写中断口线 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能(3)引脚图 图 3(4)引脚介绍STC89C52RC的40个引脚，从功能上来看可分为下面三个部分：电源和时钟引脚Vcc：电源端GND：接地端XTAL1：振荡反相放大器及内部时钟发生器的输入端XTAL2：振荡反相放大器的输出端控制线或其他电源的复用引脚RET：复位输入端ALE/PROG:外部扩展电路低字节地址允许锁存和EPROM编程输入端PSEN（低电平有效）：程序存储器外部取指控制信号EA/Vpp：外部访问允许端和12V的编程允许电源输入/输出引脚P0：8位漏极开路双向I/O口。外接存储器时，作为扩展电路低8位的地址和总线复用口P1：8位具有内部提升电阻的双向I/O口P2：8位具有内部提升电阻的双向I/O口。外接扩展电路高8位地址线P3：8位具有内部提升电阻的双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的是它的第二功能。2.3.2水温测量的设计 (1)水温测量的原理水温的测量可以用温度传感器，温度传感器有数字信号输出和模拟信号输出两种。而我们这次设计所用的温度传感器是数字信号输出的。这种温度传感器是DS18B20，DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20的管脚排列如下图： 图 4从上面的图4可以看出，DS18B20只有三个引脚，它只需要一个数据线就可以完成与单片机的双向通讯，其测量温度的范围为温范围55125，可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。DS18B20所测得温度与温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图5所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图5 DS18B20测温原理框图(2) DS18B20与单片机连接的电路图因为DS18B20“一线总线”接口的温度传感器，所以只需要使用单片机的一个IO口就可以实现与DS18B20的双向通信，这里我们用得IO口是P1.4，用P1.4口去实现与DS18B20的通信。温度值由P1.4传入到单片机，单片机再经过处理后发送到液晶显示和手机以及电脑上。图 6(3)驱动DS18B20的程序DS18B20温度传感器的驱动程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ = P14;uchar panduan;void delay1(uint count) /delay uint i; while(count) i=200; while(i0) i-; count-; void restds1820(void) /send reset and initialization command uint i; DQ=0; i=103; while(i0)i-; DQ=1; delay1(200);函数名：向ds18b20写一个字节的数据 void writebyte(uchar dat) /write a byte to ds18b20/ uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j1; writebit(testb); *函数名：向ds18b20写一个位的数据 void writebit(char bits) uint i; if(bits) /write 1 DQ=0; i+;i+; DQ=1; i=8;while(i0)i-; else DQ=0; /write 0 i=8;while(i0)i-; DQ=1; i+;i+; delay1(2); 函数名：向ds18b20读一个位的数据 bit tmpreadbit(void) /read a bit uint i; bit dat; DQ=0;i+; /i+ for delay DQ=1;i+;i+; dat=DQ; i=8;while(i0)i-; delay1(2); return (dat);函数名：向ds18b20读一个字节的数据 uchar readbyte(void) /read a byte date uchar i,j,dat; dat=0; for(i=1;i=8;i+) j=tmpreadbit(); dat=(j1); /读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里 return(dat);函数名：控制转换，读出温度 uint tem() /DS18B20 begin change uint Temp;/ uchar get10,k,H,L; restds1820() ;/dsreset(); delay1(1); delay1(10); writebyte(0xcc); writebyte(0x44); delay1(15); restds1820(); delay1(11); writebyte(0xcc); writebyte(0xbe); for(k=0;k2;k+) getk=readbyte();H=get1;L=get0;Temp=H*256+L; panduan=(Temp&0xf000)=0xf000;if(panduan) A_Temp=(-1)*Temp/16; else A_Temp=Temp/16;return(A_Temp);2.3.3 PH测量的设计(1) PH测量的原理PH是溶液中氢离子浓度的负对数，用来表示溶液的酸碱性。湖水中水的PH值从一定的程度上反映了水质的好坏。因为水中的PH值可以体现出水中的酸碱度。PH值越大，碱性越强，PH值越小，酸性越强，PH值等于7左右为中性。水中的PH对于生活在水中的动植物有着重要的影响。它就是水产养殖的晴雨表。PH的测量主要是测量水中H+和OH-的含量。当水中的H+大于OH- ，则水是酸性（PH小于7）；当水中的H+小于OH-，则水是碱性（PH值大于7）；当水中的H+等于OH-，则水是中性（PH值等于7）。但是总的来说，水中的PH值主要是由水中的氢离子数量的多寡，决定了水的PH值。PH测量可以用PH电极进行测量，其中PH电极是利用了原电池的原理，就是电极内有参比电极和测量电极，四复合电极里有温度补偿和溶液接地。它的基本原理是使化学反应能量转化成为电能。此电池的电压称为电动势（EMF），此电势由两个半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它是一般与测量溶液相通，并且与测量溶液仪表相连。(2) PH测量的电路图(3) PH测量的程序2.3.4浑浊度的测量 (一)浑浊度测量的原理浑浊度为水样光学性质的一种表达语，是由于水中存在不溶性物质引起的，它使光散射和吸收，而不是直线透过水样。它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。目前我国测定水的浑浊度有以下方法： (1)透射式(包括分光光度计与目视法)：根据朗伯一比尔定律，以透过光的强度来确定水样的浑浊度，水样浑浊度与透光率的负对数呈线性关系，浑浊度越高，透光率越小。但受到天然水中存在的黄色的干扰，湖泊、水库水还因含有藻类等有机吸光物质，对测定也有干扰。选用680rim波长，可避免黄色和绿色的干扰。 (2)散射浊度仪：根据瑞利(Rayleigh)公式(IrIo=KD，h为散射光强度，10为人射光强度)，测定某一角度上的散射光的强度，以达到测定水样浑浊度的目的。当入射光被粒径为人射光波长115l20的颗粒物所散射，强度符合瑞利公式，粒径大于l2入射光波长的颗粒对光进行反射。这两种情况均可用IrD来表示，一般采用90度角的光作为特征光来测定浑浊度。 (3)散射-透射式浊度仪：应用IrIt=KD或Ir(Ir+It)=KD(Ir为散射光强度，It为透射光强度)，测定透射光和反射光的强度之和，来对样品浑浊度进行测定。因同时测定了透射和散射光的强度，所以在入射光强度相同的情况下具有较高的灵敏度。根据以上三种方法的叙述，利用它们当中的原理，我们在本系统中测浑浊度的方法是利用光敏三极管和红外发光二极管。测量的时候让液体处于光敏三极管和红外发光二极管中间。根据光敏三极管输出的电压大小可以判断出其水质的浑浊度。因为如果水中的杂质很多，则光敏三极管接收到的红外线就少，则其输出的电压就会变小，而如果水中的杂质少，则光敏三极管接收到的光线强，其输出的电压信号也更强，从而可以体现出其水的浑浊度。（二）浑浊度测量电路根据其原理的描述，我们可以得到如下的电路图：图 8浑浊度检测电路从图中我们可以看到，在光敏三极管的发射机我们把其转化为电压信号进行输出，然后再经过ADC转换电路将其送至单片机中。这样就可以完成浑浊度的测量。具体的框架如下图：图 92.3.5水位的测量 (1)水位测量的原理本系统水位的测量是用超声波测距器。超声波测距器的设计比较方便，计算处理也比较简单，并且测量结果比较精确。超声波测距器系统的设计框图如下： 图10超声波系统设计的硬件电路可以分为单片机系统及显示电路，超声波发射电路和超声波接收电路三个部分。其中单片机系统和显示电路部分与温度,PH浑浊度共用。重点介绍超声波发射电路和超声波检测接收电路。超声波发射电路的原理图如下图：图11从图11中可以看出，发射电路主要是由反相器74ls04输出高电平和超声波换能器构成，单片机的P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经过一级反向器后送到超声波的一个电极，另一路经过两级反向器后发送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，用于提高驱动能力。超声波检测接收电路的电路图如下：图12集成电路CX20106A是一种红外线接收的专用芯片，常用于电视机红外接收器。考虑到红外遥控器常用的频率是38KHz与测距的超声波频率40KHz接近，可以利用它制作超声波测试接收电路。(2)水位测试的程序主函数程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时器模式，置位总中断允许位EA并将显示端口P0和P2清0.然后有超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约为0.1ms后才打开外部中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每一个数就是1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将T0中的数按照式子1-1计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时间取20时的声速344m/s，则有：d=（vt）/2=172T/10000 cm （1-1）其中：T为计数器T0的计数值。 测出的结果后将以十进制BCD码方式送往LED显示约为0.5S，然后再发送超声波脉冲重复测量过程。 由以上的描述可以得到主程序的流程图如下：图13(3)用C编写的程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longuchar code led_mod=0x0c,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;uchar code led_bit=0x01,0x02,0x04,0x08;uchar dispram4;uchar testok;ulong time;extern void cs_t(void);void init(void)P0=0xff;P2=0xff;TMOD=0x01;EA=1;void cs_r(void) interrupt 0 /超声接收子程序TR0=0;EX0=0;ET0=0;testok=1;void overtime(void) interrupt 1/超时清除子程序EX0=0;TR0=0;ET0=0;testok=2;void delay01Ms(void) /0.1ms延时子程序#pragma asmMOVR7,#01HDEL:MOVR6,#30HDJNZR6,$DJNZR7,DEL#pragma endasmreturn;void delay1Ms(uint t) /1ms延时子程序uint x,y;for(x=t;x0;x-)for(y=0;y122;y+);void display(void) /4位共阳LED动态扫描显示程序uchar j;for(j=0;j4;j+)P2=led_bitj;P0=led_moddispramj;delay1Ms(5);void jisuan(void)/计时及计算子程序if(testok=1)time=(TH08)|TL0;time=time*172;time=time/10000;dispram0=(uchar)(time%10);time=time/10;dispram1=(uchar)(time%10);time/=10;dispram2=(uchar)(time%10);dispram3=(uchar)(time/10);if(dispram3=0)dispram3=10;elsedispram0=10;dispram1=10;dispram2=10;dispram3=10;void main() /主函数init();while(1)cs_t();delay01Ms();testok=0;EX0=1;ET0=1;TR0=1;while(!testok);jisuan();display();第三章 TC35i短信息的实现3.1 TC35i通讯模块目前，国内已经开始使用GSM模块有CENTEL PIML的2D系列，西门子的TC35系列，Wavecom的WMO2系列，爱立信的DM10/DM20系列等。这些模块的功能，用法差别不大。其中西门子的TC35系列性价比较高，并且有国内的无线电设备入网证。所以本系统选择的是西门子的TC35系列的TC35i。TC35i的结构图如下：图14其中GSM基带信号处理器是TC35i的核心部分，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。GSM射频部分是一个单片收发器SMARTi，射频天线部分主要是信号的调制与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器以及射频部分提供所需要的电源，插座是提供给用户的应用接口。GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调接器把外部输入的电源电压VBATT+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用。SRAM用来存储一些用户配置信息，电话本和其他信息。3.2 TC35i模块的对外接口电路TC35i的对外接口包括：RS-232接口，语音接口，控制线接口，SIM卡接口和电源接口。(1) RS-232接口RS-232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，主要用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通讯。RS-232接口采用9位编码格式，其中8个数据位，1个停止位，没有奇偶校验位，因此单片机的串行口一般采用工作方式1，支持的数据速率为115.2-300Kbps。TC35i的数据接口采用标准的DB9接口，通过AT指令可与单片机通讯。(2) 语音接口TC35i有两个语音接口，每个接口均有模拟麦克输入和模拟耳麦输出。在本系统的设计中没有使用到该模块。(3) 控制线接口控制线接口主要是指示灯，同步信号线，电源控制线等。(4) SIM卡接口SIM卡接口即是用户识别卡，是全球数字移动电话的一张个人资料卡。其结构主要包括：微处理器（CPU），程序存储器（RAM），数据存储器（E2-PROM）以及串行通信单元。SIM卡上的8个触点是它的外部接口，当把它插入MS中时，主是通过这线触电（C1-C8）与MS进行信息的交换。SIM卡中存储着几组相当重要的数据，主要包括：ICCID是集成电路卡识别，这是SIM卡处理中心对SIM卡进行数据处理过程中编程的流水号。PIN是个人识别码，相当于SIM卡的钥匙。IMSI是国际移动用户识别码。IMSI是全球唯一的。RI是随机识别码。是SIM卡的鉴权密钥，用于通信系统中的鉴权。(5) 电源接口电源接口用于提供通讯模块的工作电压。TC35i的工作电压为3.3V-5.5V。系统加电后，为使TC35i进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1ms。启动后，IGT应保持高电平（3.3V）。驱动IGT时TC35i供电电压不能低于3.3V，否则TC35i不能激活。3.3 TC35i外围电路的设计TC35i共有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入输出、SIM卡、音频接口和控制。第114脚为电源部分，其中15为电源电压输入端VBATT+，610为地GND，11、12为充电引脚，13对外输出电压(供外电路使用)，14为ACCUTEMP接负温度系数的热敏电阻：2429为SIM卡引脚， 分别为CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND：33,-40为语音接口用来接电话手柄；15、30、3l和32脚为控制部分，15为启动线IGT(Ignition)， 30为RTCbackup，31为Power down，32为SYNC；1623位数据输入输出分别为DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提供36V工作电压；三端电源模块LM7806将外部+12v直流电源转换为+6v，连接到ZIF连接器的1l、12引脚，在充电模式下，为TC35i提供+6V、500mA的充电电源。启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电10ms后(电池电压必须大于3V)，为使之正常工作，必须在15脚加时长至少为100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms。启动后，15脚的信号应保持高电平。基带处理器集成了一个与1SO 78163 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)。在GSMll11为SIM卡预留5个引脚的基础上，TC35i在ZIF连接器上为SIM卡预留6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有