基于单片机的TDS水质测试仪设计资料

苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 学号 苏州市职业大学 毕业设计 题目 基于单片机的 _ TDS 水质测试仪设计 学生姓名： 专业班级： 学院 (部)： 电子信息工程学院 校内指导教师： 校外指导教师： 完成日期： 2016 年 5 月 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 I 摘要摘要 本设计通过研究分析 TDS（溶解性总固体）测量的原理，设计了一款以 AT89S51 单片机为核心的水质测试仪。本设计通过电导率测量电路实现电导率 信号的采集，并采用温度传感器进行温度测量，使用温度补偿方法减小温度对 电导率测量值的影响，通过单片机程序进行相关计算得出 TDS 值。设计包括信 号采集电路、按键电路、测温电路、液晶显示电路。选用 AT89S51 作为该水质 测试仪是由于其结构简单，操作容易，低成本。测量的 TDS 值对帮助人们了解 水质情况起到了非常重要的作用。了解检测的水中各种参数，通过这些了解到 水质的基本信息，并作出相应的调整计划。水质合格了，这样我们的生活才会 有保障。 关键词关键词：水质检测 AT89S51 程序编写 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 II Abstract This design through the study and analysis of the principle of TDS (total dissolved solids) measurement, the design of a AT89S51 microcontroller as the core of the water testing instrument. This design by conductivity measurement circuit to achieve conductivity signal acquisition, and the temperature sensor for temperature measurement and temperature compensation method to reduce the temperature influence on the conductivity measurements, through the SCM program for correlation calculation to obtain the value of TDS. The design includes signal acquisition circuit, key circuit, temperature measurement circuit, liquid crystal display circuit. AT89S51 as the water quality testing instrument is because of its simple structure, easy operation, low cost. Measurement of the TDS value to help people understand the situation of water quality has played a very important role. Understanding of the detection of various parameters in the water, through these basic information to understand the water quality, and make the appropriate adjustments. The water quality is qualified, so our life will be guaranteed. Key word: Water quality testing, AT89S51, Program writing 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 III 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 目目 录录 摘摘 要要 AbstractAbstract 1 1 绪论绪论11 1.1 影响水质因素1 1.2 水质检测的意义2 2 2 系统的设计内容及方案系统的设计内容及方案33 2.1 设计内容3 2.2 设计方案3 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 44 3.1 元件选择 4 3.1.1 AT89S51 芯片4 3.1.2 温度传感器 DS18B205 3.2 单片机最小系统6 3.3 TDS 测量电路6 3.4 温度测量电路8 3.5 按键测量电路9 3.6 电源电路9 3.7 系统主电路10 4 4 系统软件设计系统软件设计1111 4.1 程序设计11 4.2 系统程序流程11 5 5 测试结果测试结果1717 5.1 软件调试17 5.2 硬件调试17 5.1 调试结果17 致致 谢谢1818 参考文献参考文献1919 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 0 页 共 19 页 1 1、绪论、绪论 TDS 是英文 total dissolved solids 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！ 1.11.1 影响水质的因素影响水质的因素 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 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 1 页 共 19 页 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-0.002-0.002 2加入 8mg 硫酸亚铁-0.176-0.567 3加入 4mg 硫酸亚铁-0.063-0.252 4加入 4mg 氯化钾-0.509-0.836 5加入 2mg 氯化钾-0.406-0.531 6加入 1mg 氯化钾-0.048-0.201 7加入 2mg 磷酸三钠-0.061-0.195 8生活污水-0.283-0.275 9某电气公司处理前水样-0.500-0.622 10某电气公司处理后水样-0.478-0.412 11加入汽油的水样-0.448-1.104 12加入煤油的水样-0.620-0.820 1.21.2 水质检测的意义水质检测的意义 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 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 2 页 共 19 页 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 2、系统的设计内容及方案、系统的设计内容及方案 2.12.1 设计内容设计内容 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！ 2.22.2 设计方案设计方案 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 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 3 页 共 19 页 温度测量电路 图 2-1 3 3、硬件电路设计、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。 3.13.1 元件的选择元件的选择 3.1.13.1.1 AT89S51AT89S51 芯片芯片 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 CMOS 8 位单片机,芯片上包含 8 K ISP 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 80 C51 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 3-1 AT89S51 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 3-1 P1 口第二功能 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 4 页 共 19 页 （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。 3.1.23.1.2 温度传感器温度传感器 DS18B20DS18B20 DS18B20 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 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 5 页 共 19 页 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 3.23.2 单片机最小系统单片机最小系统 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。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 6 页 共 19 页 3.33.3 TDSTDS 测量电路测量电路 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 5K 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 3-8 555 定时器结构图 由 3 个 5K 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 13VCC， 加在同相端；C2 的参考电压为 23VCC，加在反相端。4 脚是复位输入端，当 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 7 页 共 19 页 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23VCC，2 脚电压 13VCC 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23VCC，2 脚电压13VCC 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13VCC 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 3-3 555 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 Vc2/3VCC 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 Vc13VCC 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： )( 5C 772.0 0 tGK R f x 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=3.2410- 5f，即推算出。f 5- 1024 . 3 )70 . 0 55 . 0 (TDS 3.43.4 温度测量电路温度测量电路 图 3-9 为 DS18B20 引脚图。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 8 页 共 19 页 图 3-9 DS18B20 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 55125，在-10+85时精度为0.5；适应电压范围宽，电压范 围为 3.05.5V，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。 3.53.5 按键电路按键电路 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 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 9 页 共 19 页 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。 3.63.6 电源电路电源电路 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。 3.73.7 系统主电路系统主电路 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 10 页 共 19 页 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 4、系统软件设计、系统软件设计 4.14.1 程序设计程序设计 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： （1）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。 （2）设计算法 即设计出解题的方法和具体步骤。 （3）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。 （4）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。 （5）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。 4.24.2 程序设计流程程序设计流程 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 11 页 共 19 页 图 4-1 设计流程 各个模块程序编写： 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 12 页 共 19 页 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 13 页 共 19 页 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 14 页 共 19 页 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 15 页 共 19 页 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 16 页 共 19 页 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 17 页 共 19 页 5 5、调试结果、调试结果 5.15.1 软件调试软件调试 5.25.2 硬件调试硬件调试 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。 5.35.3 调试结果调试结果 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： 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 第 18 页 共 19 页 致谢致谢 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