毕业论文-基于51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/O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ABSTRACTTHESYSTEMISBASEDONLOWPOWERCONSUMPTIONAT89S51MCU,THROUGHTHENE555TIMERCONTROLGENERATESACERTAINFREQUENCYOFTHEWAVE,ANDTHENTHROUGHTHEMCUSI/OINTERFACETOCAPTURELEVELREADFREQUENCY,ANDTHENTHROUGHTHEPROGRAMALGORITHMISCONVERTEDINTOTHEPUMPINGRESISTANCEVALUE,USEDS18B20ASTHETEMPERATUREACQUISITIONMODULE,USINGRS485REALIZELONGDISTANCETRANSMISSIONAFTERAHOSTDATAPROCESSINGANDCONVERSION,THETEMPERATUREVALUETHROUGHTHECHARACTERLCD1602LCDTODISPLAYTHISDESIGNHASTHEADVANTAGESOFSIMPLESTRUCTURE,FLEXIBLEUSEITHASGREATAPPLICATIONANDRESEARCHVALUEKEYWORDSAT89S51MCUNE555TIMERCONTROLDS18B20RS485COMMUNICATIONPROTOCOL目录第1章引言2第2章水质检测的因素321一般水质检测的因素322电子设备检测的因素323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431系统设计要求432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541测量电阻模块方案设计542温度传感器方案选择643通信模块的方案选择6第5章系统硬件设计851AT89S51单片机及其他器件的功能介绍及原理852DS18B20温度传感器的简介1053NE555的简介及应用1354RS485总线的应用及介绍1555字符液晶1602的介绍1756电源模块的设计20第6章系统软件的设计2261程序设计2262系统主程序流程图22第7章测试方法及结果2471调试方法2472电导率的检测2473温度的检测25结束语26致谢27参考文献28附录129附录230附录331附录438第1章引言水是生命之本，是本设计赖以生存必不可少的物质资源之一，水也是为人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康的影响，其水质标准除有物理指标、化学指标外，还有微生物指标；对工业用水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工业废水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导致人类周围的水环境污染日趋严重，严重制约了经济的发展和危害着人类的健康。严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视，对废水的处理和检测成为了维护良好人民生活环境所必不可少的要求，废水中是否有对环境产生重大影响的元素和他们的含量是否在标准以内直接关系到本设计的生存环境，做好水质监测是本设计这次课程设计的目标。第2章水质检测的因素21一般水质监测的因素水质检测是指对水样的各项指标进行测试，可以根据这些指标对水质进行分类，对水体质量进行判断和综合评价。其检测内容可以是PH值、CODCR、高锰酸盐指数、BOD5、氨氮、砷、氟化物、挥发酚、阴离子表面活性剂、总氮、总磷、粪大肠菌群、铅、镉、汞、锌、铜、石油类、硫化物、六价铬、氰化物等；地下水可以是PH、总硬度、溶解性总固体、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、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、细菌总数及矿化度等22电子设备检测的因素使用电子设备进行水质检测，主要是利用各类传感器，对水中的参数进行检测。其检测内容可以为PH值，电导率，温度等。23水质与水的导电率的相互关系下面介绍一下水质及水的导电率的相互关系纯水本身可微弱地介离，使水具有微弱的导电能力。水中含有各种溶解盐类，并以离子的形态存在，使水溶液具有更强的导电性。当水中插入一对电极时，通电之后，在电场的作用下，带电的离子就产生一定方向的移动，水中阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，使水溶液起导电作用，水的导电能力的强弱程度，就成为电导。电导度反映了水中含盐量的多少，是水的纯净度的一个重要指标。水质越纯，温度越低，电离度越低。因此水的导电率越低。超纯水几乎不能导电。溶液导电能力以电阻值来表示，导电能力强电阻值小。纯水导电性微弱。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，水或水溶液的电阻值），并称之为水的“电阻率”或“比导电”。电阻率的单位为欧姆厘米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21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000200022加入8MG硫酸亚铁017605673加入4MG硫酸亚铁006302524加入4MG氯化钾050908365加入2MG氯化钾040605316加入1MG氯化钾004802017加入2MG磷酸三钠006101958生活污水028302759某电气公司处理前水样0500062210某电气公司处理后水样0478041211加入汽油的水样0448110412加入煤油的水样06200820第3章系统设计要求及总体设计要求31系统设计要求由于不同水质的导电能力不同，不同温度对水的电导率也有影响，本设计通过检测不同水质及不同温度下水中的电阻，从而得出其电导，判断水质是否纯净。本系统要能实现基本功能1、实现对水质的检测（电阻等）2、实现对水温的检测3、远距离传送32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、显示模块通过多路开关，传送到单片机中进行检测，在接通电源的条件下，通过显示系统显示检验水质的各种参数。整体设计框图如下图所示。电路的工作原理通过NE555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式攀比成的振荡电路产生的一定频率的波，再通过单片机的I/O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31为系统设计框图图31系统整体设计框图485发送模块485接收模块51单片机显示模块温度检测模块测电阻模块51单片机第4章系统各组成单元方案设计与论证41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方案一串联分压原理图41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。通过测量RX和R0上的电压。由公式RXUX/（U0/RO）方案二利用直流电桥平衡原理的方案图42电桥其中Z1，Z2，为可变电位器，Z3为已知电阻，Z4为被测电阻，根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。由Z1Z4Z3Z在通过测量电位器电阻值，可得到R的值。方案三利用构成单稳态的方案图43555定时器构成单稳态根据定时器构成单稳态，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F1/R12R2CIN2得到公式R21/21/FCLN2R1上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比而言，方案三还是比较符合要求的，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。42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。温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。按照温度传感器的输出信号的模式，可大致分为三类逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器、数字式温度传感器。方案一在许多应用中，本设计并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、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。LM56、MAX6501MAX6504、是其典型代表。根据本设计的要求，不适宜用此类传感器。方案二由于传统的模拟温度传感器，如热电偶、热电阻及RTDS对温度的监控，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，而且热惯性大，响应时间较慢，所以在市场上已很少遇到。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、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。限制了微机功能的扩展；而且在温度监测点大范围分布的系统中，模拟信号需长距离传输，信号容易失真，抗干扰能力差。所以不采用此方案。方案三如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。数字式温度传感器直接输出数字测温信号，不但节约了微机的数条数据/控制线，而且省去了A/D转换、放大、滤波等电路，在长距离传输过程中信号不易失真，抗干扰能力强，所以本设计采用数字式温度传感器。而DS18B20是由美国DALLAS公司生产的一种自带编码的单线数字温度传感器，可以把温度信号直接转换成数字信号。每片DS18B20含有唯一的64位序列号。以便不同测温点的识别。DS18B20的测温是55到125。符合本设计的要求，所以本设计采用DS18B20数字式温度传感器。43液通信模块方案选择方案一在工业测量和控制中，因为受到现场环境和其他条件的限制，使用传统的优先电缆传输信号由于存在着现场连接、接线麻烦等缺点，特别是在一些特定的环境下，极不方便，因此提出了无线数据传输。使用无线数据传输模块，进行数据信号的传输，对于长距离传输，带来了很大的便利。因此无线传输数据模块即发挥了它的无线优势。尽管在特定的条件下，使用无线传输比有线传输具有更大的可行性，但是由于无线传输也存在许多不足之处，如传统无线通讯方式通讯距离短、性能不稳定，受天气等情况影响较大，不能真正实现无缝覆盖等，所以针对本设计，不宜采用此通信方式。方案二随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。这就是迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。RS232线路简单，应用广泛，但距离受限，数据传输效率也不很高。RS422使用差分信号，差分传输使用两根线发送和接收信号（共4线），对比RS232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。在RS422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度RS485总线标准。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS485收发器。RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抗干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度、能检测抵达200MV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。使用RS485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。下表41为常见的三种串口通信性能比较。根据本设计要求，选择RS485作为实现长距离传送方案。表41常见的三种串口通信性能比较RS232RS422RS485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/S10KBIT/S最大距离15M1200M1200M抗干扰能力弱强强常用接口芯片MAX232MAX422MAX485第5章系统硬件电路设计51AT8951单片机及其他器件的功能介绍及原理511、单片机功能简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、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计算机系统。MCS51单片机内部结构图51单片机引脚图12345678910123145167189204039837635432310298276254232112345678910201981761541321P10P123P145P167RST/VPDP30RX1/TDP32IN0/T1P3405/T1P36WR7/DXTAL21VSVCP01P023P045P067EA/VPLROGPSEN27P625P423P21P0RSTP30/XD1/TXAL2T1P32/IN0/IT1P34/05/T1GNDVCP176P154P132P1/AIN100P37注类似的还有PHILPS公司的87LPC64，20引脚X8/75/（751），24引脚8749（2），28引脚XC5，8引脚等等C5/89C189C20MCS51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，89S51是MCS51系列单片机的典型产品，本设计以这一代表性的机型进行系统的讲解。89S51单片机包含中央处理器、程序存储器ROM、数据存储器RAM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。引脚功能说明GND地P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动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，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）。此外，P10和P12分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和时器/计数器2的触发输入（P11/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51P1口的第二功能引脚号第二功能P10T2（定时器/计时器T2的外部计数输入），时钟输出P11T2EX（定时器/计时器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P15MOSI（在系统编程用）P16MISO（在系统编程用）P17SCK（在系统编程用）P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动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因，将输出电流（IIL）。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。P3口P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动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特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。如下表为P3口第二功能地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位/ALEPROG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PROG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。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，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”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（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无效。表52P3口第二功能引脚号第二功能P30RXD（串行输入）P31TXD（串行输出）P32INT0（非）（外部中断0）P33INT1（非）（外部中断1）P34T0（定时器0外部输入）P35T1（定时器1外部输入）P36（外部数据存储器写选通）WRP37（外部数据存储器读选通）D外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当PSENPSENAT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。PSEN访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序/AV存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在FLASHA编程期间，也接收12伏VPP电压。EXTAL1振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。512、本系统采用的单片最小系统原理图图52为单片机最小系统原理图图52单片机最小系统原理图此单片机最小系统由AT89S52单片机、时钟电路及复位电路组成，时钟电路采用内部时钟利用单片机内部一个高增益的反向放大器，把一个晶振和两个电容器组成的自激震荡电路接到XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）之间。震荡器发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30PF。CPU第9管脚复位（RST）功能，本设计具有上电复位功能，主要功能是把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电时，利用R11和C3充放电原理，以达到实现的单片机最小系统的复位。52DS18B20温度传感器的简介521、DS18B20基本知识DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1WIRE，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20产品的特点（1）、只要求一个端口即可实现通信。（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）、测量温度范围在55。C到125。C之间。（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）、内部有温度上、下限告警设置。522、DS18B20的引脚介绍TO92封装的DS18B20的引脚排列见图1，其引脚功能描述见表53。图53（DS18B20底视图）表53DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。523、DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1WIRE总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，本设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/O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是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，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54DS18B20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程，至少需要60US才能完成。图55DS18B20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IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15US之内就得释放单总线。图56DS18B20的写时序图57为DS18B20的程序流程图开始主机发送低脉冲释放总线标志位置位初始化完成清除标志位等待回应图57DS18B20程序流程图524、本系统所使用的DS18B20电路图58为DS18B20电路图图58DS18B20电路图53、NE555简介及应用531、NE555基本知识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组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。它有很多优异的性能而且用途极广，它们表现在第一，定时精度，工作速度和可靠性高；第二，使用的电源电压范围宽，从3V到18V，能和数字电路直接连接；第三，有一定的输出功率，可驱动微电机，指示灯、扬声器，第四，结构简单，使用灵活，用途广泛，可组成各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、检测电路、电源变换电路、频率变换电路等，被广泛应用于自动控制，测数，通信等各个领域。532、NE555内部结构及引脚说明图59555时基电路管脚排列图图510555电路结构方框图555芯片引脚图及引脚描述555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为518V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器6脚A1的脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。根据定时器构成单稳态，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533、本系统使用的NE555电路如图511为NE555电路图图511NE555电路图534、本系统所使用的NE555电路的工作原理NE电路工作原理根据定时器和外部器件构成无稳态多谐振荡器，电源经R4对电容C充电，使电容两端电压按指数规律上升，当UC上升到（2/3）VCC时，输出OUT为低电平，放电管VT导通，把电容两端电压从（1/3）VCC上升到（2/3）VCC这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充（R4RX）C。RX和放电管放电，电路进入第二暂稳态其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放RXC0随着C的放电，电容两端电压下降，当UC下降到（1/3）VCC时，输出OUT。为高电平，放电管VT截止，VCC再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，UC电压总是在（1/32/3）VCC之间充电和放电，从而在输出端产生一系列的脉冲频率波形，通过输出脚与单片机连接，将脉冲频率信号输入到单片机中。54、RS485总线的应用及介绍541、RS485及其接口介绍RS232使用12V,0,12V电压来表示逻辑，（12V表示逻辑1，12V表示逻辑0），全双工，最少3条通信线（RX,TX,GND），因为使用绝对电压表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速时几十米也是可以的。RS422，在RS232后推出，使用TLL差动电平表示逻辑，就是两根的电压差表示逻辑，RS422定义为全双工的，所以最少要4根通信线（一般额外地多一根地线），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），通讯距离与通讯速率有关系，一般距离短时可以使用高速率进行通信，速率低时可以进行较远距离通信，一般可达数百上千米。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。所以现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标RS422/485的，因为全双工RS485的驱动/接收器对一定可以用在RS422网络。RS485的电气特性逻辑“1“以两线间的电压差为（26）V表示；逻辑“0“以两线间的电压差为（26）V表示。接口信号电平比RS232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构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信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因1共模干扰问题RS485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS485收发器共模电压范围为712V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。2EMI问题发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于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电路（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于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多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。542RS485的网络布置网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点（1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。（2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。在RS485组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配当信号的转换时间（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倍以上时就可以不加匹配。一般终端匹配采用终端电阻方法，RS485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终端电阻在RS485网络中取120。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100120。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成，工厂中已经铺设了延伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状，推出了串口服务器来取代多串口卡，这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资，节约成本，相当于通过TCP/IP把多串口卡放在了现场。543、RS485应用在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS485串行总线标准。RS485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200MV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。市场上一般RS485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS485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。544本次设计所使用的RS485的电路图图512为RS485电路图图512RS485电路图工作原理本电路中使用的MAX485芯片为MAXIM公司的一个RS485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，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485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MAX485的接收和发送即可。54字符液晶1602551、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，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，本设计就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。552、字符液晶对应的ASCII值表541602的16进制ASCII码表读的时候，先读上面那列，再读左边那行，如感叹号的ASCII为0X21，字母B的ASCII为0X42（前面加0X表示十六进制）。553、1602液晶寄存器选择控制表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条线是背光电源线VCC15脚和地线GND16脚，其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中表551602引脚功能图引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。6EE或EN端为使能ENABLE端，下降沿使能。7DB0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）15BLA背光电源正极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，充分利用屏幕资源，建立动态显示界面，完成了良好的人机交互界面。554、本系统采用的1602液晶显示电路图513为1602液晶显示电路图5131602液晶显示电路注本图使用黑色排座为液晶接插提供方便本设计采用1602液晶显示。如图43所示。3管脚接10K电位器以方便调节LCD1602的亮度。由于本次设计只需用到LCD1602的写的功能，故干脆将其5管脚拉低。单片机P27口作为数据/命令选择端RS输入，P26口作为使能端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I/O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P0端口上，因为LCD只是显示不需要读取内容，所以设计中的WR管脚只写不读，RS命令和数据管脚接在单片机的P27管脚，使能端E接在单片机的P26管脚，实验表明设计可以正确显示内容。56电源模块设计561、芯片的选择电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO220的标准封装，也有9013样子的TO92封装。图5157805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，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。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好的5V直流电压，为本系统提供电源，达到了节约资源，降低成本的效果。562、电源模块电路如图516电源模块电路图图516电源模块电路图第6章系统软件设计61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，采取如下几个步骤（1）分析问题，明确所要解决问题的要求，将软件分成若干个相对独立的部分。根据功能关系和时序关系，设计出合理的软件总体结构。（2）定程序框图，即根据所选择的计算方法制定框图。（3）根据程序的流程图和指令系统编写出程序。注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。（4）程序调试。通过编辑软件编辑出的源程序，必须用编译程序汇编后生成目标代码。如果源程序有语法错误，需修改源文件后继续编译，直到无语法错误为止，然后利用目标代码通过仿真器进行程序调试，排除设计和编程中的错误直到成功。（5）程序优化。使各功能程序模块化，子程序化，缩短程序的长度，加快运算速度和节省数据存储空间，减少程序执行的时间。62系统主程序流程图图61是系统温度检测主程序流程图开始初始化、设置常量调DS18B20初始化子读取转换温度值调数据处理子程序生成显示码显示温度值图61温度检测模块程序框图图62系统水电阻检测主程序框图图62电阻检测模块程序框图开始初始化计算R的值外部中断，555定时送1602显示结束第七章测试方案与测试结果71调试方法根据设计要求，需要测量水质，以及关于长距离的通信。根据测试原理分析，就是对水质进行电阻及温度测量。还有要进行实时长距离通信。调试过程利用单片机P3口的P32引脚接到555时基电路构成的多谐振荡器的输出脚，将555多谢振荡器的频率信号F送到单片机，然后单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，再求电阻值。这种数字化处理避免了由指针读数引起的误差。在设计中，合适的选择电容，可以控制电阻的测量范围。72电导率的检测电导率K是水溶液导电能力的重要标志，是电阻率P的倒数，根据电阻率的公式PRA/L（式中，R为导体电阻，A为导体有效横截面积，CM2；L为导体的有效长度，CM），电导率K1/P1/R（式中，L/A为电极常数）。因此，通过测量水质电阻R即可求出电导率K。）本次测试的导体长度为100CM，有效横截面积为1CM2由公式K（1/P）（1/P）（L/A）可计算出某一电阻值对应的电导率表71为测试所得的电阻水质序列自来水醋肥皂水153168222331835253167222131835353168222331836453169222231836553168222331835平均值531682223318354表72为所测电阻对应的电导率表72电导率与水中电阻水质自来水醋肥皂水（生活污水）电阻53168222331835电导率0001800450003根据所测数据分析可知，本系统能够根据电阻值区分出不同的水质，不同的水质，其电阻不一样，水质越纯，其电阻越大，导电率越小。受本系统中NE555电路的影响，当水质的电阻值越大，其频率越低，而电阻值波动反而更大，造成所测的水质的电阻值误差较大。73水温的检测表72为使用水质检测仪所测得的温度值表72为使用水质检测仪测得温度值序列温度1234219242269274218245267273217242269274220243268275218244267274平均值21842432268274表74为用水质检测仪及温度计所测自来水温度的对比表74用水质检测仪及温度计所测自来水温度对比序列温度测量器材1234水质检测仪21842432268274温度计217240270275由此表可知，虽然数据有差别，但是在误差范围允许之内，因此本次设计对温度的检测是正确的。结束语本系统编程采用C语言，用单片机AT89S51作系统核心，主要完成对显示电路设计、485通信电路，温度检测模块等功能的设计。实现了对水中电阻及温度的检测，以及实现了远距离传送。在本设计电路完成后，它可实现检验两种参数是否达标。而本设计不足在于只检测了温度及电阻两块，若能加上其他的传感器，则可以方便的检测水中的PH值，浑浊度，溶解氧等。随着科技的发展，工业发展进入了新的时代，这种结构具有接口简单和使用灵活等优点。由单片机构成的系统在一些较大型的工业过程控制、自动控制等方面得到了广泛的应用。在目前的发展形势下，因功耗越来越低，可靠性越来越高，INTERNET的普及，单片机的应用领域将越来越广泛。因此，水质监测系统的研究和使用具有很大的应用价值。致谢语经过近半年的忙碌和工作，本次毕业论文已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个论文是难以想象的。在这里首先要感谢本设计的指导老师任志山老师。任志山老师平日里工作繁多，但在本设计做毕业论文的过程中，从确定论文题目，任务计划书，资料查找等阶段都给予了本设计悉心的指导。有了老师们的监督和指导，让本设计能够很好地学习专业知识，培养自己的动手能力，这在毕业设计中发挥了非常重要的作用。在设计过程中，老师以自己精专的知识，不断地启发本设计，使本设计的设计得以顺利进行，也使得本设计自己的专业水平有很大程度的提高。除了任志山老师的专业水平外，其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神对本设计产生重要影响。再次，本设计要感谢同学对本设计帮助和指导，在设计中不懂的请教同学时，总是很热心的帮本设计发现问题，寻找更好的解决办法。然后还要感谢大学四年来所有的老师，为本设计打下牢固的专业知识的基础，同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业论文才会顺利完成。祝你们身体健康，工作顺利。参考文献1乐嘉华，温度检测技术的现状和未来，煤油化工自动化J1998（3），36382何立民MCS51系列单片机应用系统设计，第一版，北京航空航天大学出版社，1993，19243张君谟单片机中级教程，第一版，北京航空航天大学出版社，2000，25434沙占友集成温度传感器原理与应用北京机械工业出版社，2002，84955刘川来，李康康，刘成才，徐健，一种组合式温度传感器的研究J仪器仪表学报,2007,28（31）8888926余威明DS18B20高精度多点温度检测显示系统J仪表技术,2007,0337397王海燕在线水质电导率信号采集系统的电路设计J医疗卫生装备，2008，108郑联英水溶液电导率的测量方法研究D北京北京化工大学，2007469赵亮跟我学51单片机（七）LCD1602液晶显示模块J电子制作2011卷7期747710HUHONGBINMEASURINGFORTEMPERATURECHARACTERISTICOFTEMPERATURERELAYELECTROMECHANICAL,2003,9464811SUNKAICONTROLLINGTEMPERATURESYSTEMOFRESISTANCESTOVESENSORTECHNOLOGY,2003,2225052附录1电路原理图附录（2）电路PCB图附录（3）主要程序温度检测INCLUDEINCLUDEINCLUDE“1602H“SBITDE_REP34SBITDQP23/DS18B20与单片机连接口UCHARGAO,DIUCHARBAI,SHI,GEUCHARTFLAGUCHARRECDATAUINTTVALUE,TVALUE1,TVALUE2,TEMP/温度值/函数名称DELAY_18B20功能为18B20温度转换器提供延时参数延时I微秒返回值无/VOIDDELAY_18B20UNSIGNEDINTIWHILEI/函数名称DS18