【基于单片机水质水温检测系统设计与实现9000字（论文）】

基于单片机水质水温检测系统设计与实现摘要水中含有泥土、微细有机物、无机物等悬浮物和胶体物都可以使水质变的浑浊而呈现一定浊度，而这些物质在消毒过程中不易被消除，因此有必要对水质进行检测与测量，以保证人类饮用水或工业用水的质量。水质水温系统的研究及完善，有很大的发展意义。本毕业设计的基本思想是根据光对水中悬浮物的折射和散射发生不同的强弱变化的光学原理而设计，再通过光接收器来接收透过水中悬浮物的散射光，再将接收到的电信号进行放大，从而通过单片机的处理和计算，得出结果。本毕业设计的水温检测我们采用了DS18B20防水的温度传感器来测量工业水或饮用水的温度，采用STM32F103单片机位控制中心，由前置放大电路，A/D转换电路，单片机电路，电源电路和液晶显示电路组成。关键词：硅光电池单片机传感器目录TOC\o"1-3"\h\u183551绪论 绪论1.1选题的背景我国工业水质温度检测系统的研究与开发始于上世纪80年代，与美国、瑞典、德国等先进发达国家的水质温度检测相比，要晚近十年。不仅如此，我国各地区的发展程度还存在很大差异，有的地区发展迅速，有的落后地区却是一片是空白。而且，由于区域发展的不平衡，水产养殖业存在一个非常严重的问题，就是在生产过程中，缺乏很多的防范机制和防范策略，水质和水温的检测报警相对落后，限制了水产养殖业等产业的发展。其中美国、德国等科技先进的国家较早地认识到水质和水温检测的重要性，德国stekomadico公司采用的封闭式水质和水温检测方法也相继出现。再加上其他高科技手段，已经被许多国家效仿。为了改变这一现状，水质水温系统的研究及完善，有很大的发展意义。1.2选题的意义单片机是一种集成电路芯片，不是单一实现某个功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，类似于一个小型的计算机。目前单片机的应用及其广泛，如智能仪表，手机，汽车导航，家用电器，航空系统等等。应用了单片机系统，各种产品便有了智能的升级换代的作用，因此对于各类产品的升级换代，大部分是对于单片机系统的升级和完善。我们的生活已经离不开单片机的存在，从大型工业到家居生活，都已经有了单片机系统的存在。其中温度是表示物体冷热程度的物理量，温度的高低的准确判断，需要借助于某种物质的某种特性随温度变化的一定规律来进行测量。一般温度的测量通过温度传感器来实现。温度对工业，农业，水产养殖业等都有很大影响，是正常生产发展的重要指标。随着科学技术的不断发展，不同种类的温度传感器也不断面世。其中，温度传感器是一种通过合适的转换元件，将感受到的温度模拟量转换为数字量。常用的温度传感器有热电偶温度传感器和热电阻温度传感器。而浊度是指溶液中的悬浮物质对光线透过时所产生的阻碍程度。由于水中含有泥土，有机物，无机物，浮游生物等悬浮物，使得原来透明的水质变得浑浊。随着人民生活水平的不断提高，人们对于饮用水，生活用水，工业用水等的要求也日益提高，因此，控制水质的浊度，成为工业用水，生活用水的一项重要指标。使用光学散射式浊度测量方法，将浊度转化为光电信号，再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。总而言之，通过传感器和单片机芯片的融合，研究水质水温检测系统可以大大便利人们的工业生产的是指水温监控和预防，也可以使人们饮用水和生活用水的水质得到保证。1.3研究的主要内容该系统以美国ATMEL公司生产的STM32F103单片机为主控芯片，采用频率特性好、响应频率高的硅光电池采集光信号，并将光信号转换成电信号，再经过放大电路放大后转换成数字信号通过A/D转换器，送入单片机中进行集中处理后输出，最后显示出相应的温度湿度。本设计要求可以实现以下几个功能：1、了解并设计芯片外围电路，主控板硬件电路。2、电路的选型及设计个附加设备，其中包括电源电路，复位电路以及液晶显示电路。3、该电路的运行程序的编写与设计。4、对设计好的软件、硬件进行调控。2系统整体方案的设计2.1系统的整体框架该系统以美国ATMEL公司生产的STM32F103单片机为主控芯片，采用频率特性好、响应频率高的硅光电池采集光信号，并将光信号转换成电信号，再经过放大电路放大后转换成数字信号通过A/D转换器，送入单片机中进行集中处理后输出，最后显示出相应的温度湿度。系统硬件结构框图如下图所示：单片机单片机STM32F103浊度传感器浊度传感器液晶显示液晶显示信号处理信号处理按键设置按键设置A/D转换A/D转换温度传感器温度传感器蜂鸣器报警蜂鸣器报警图2-1系统硬件结构框图各个框图中各部分电路的作用：液晶显示器的工作原理：在电场力的作用下，液晶分子的排列方向会发生一定程度的变化，使透光率发生变化，完成光电转换，然后根据三原色显示相应的数字图像。LCD不仅具有功耗低、成本低、操作方便、稳定性高、无辐射等优点，是数字显示电路的首选。复位电路：复位操作是完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。当单片机中的复位引脚RST显示高电平时，单片机就完成了复位操作，但如果复位引脚为储蓄高电平，则单片机为循环复位状态，无法执行其他程序，因此单片机复位后要脱离其复位状态。一般复位操作有两种基本形式：上电复位和开关复位。A/D转换电路：模拟信号数字化的过程包括：采样，量化和编码。采样是对模拟信号中连续的值用一个个离散的点来表示；将不同的抽样值划分为M个量化电平，这些量化电平表示连续抽样值的方法即为量化，其中分为均匀量化和非均匀量化；编码将每个输入的每个高低电平信号编成一个对应的二进制代码。其中常用的A/D转换电路有并联比较型，流水线型，逐次逼近型，双积分型A/D转换电路等等。单片机电路：包括一个CPU，一个片内振器及时钟电路，4KBROM程序存储器，128字节RAM数据存储器，可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路，32条可编程的I/O线，两个16位的定时/计数器，一个可编程全双工串行口，5个中断源，两个优先级嵌套中断结构。可以将计算机的各种功能集成在一块芯片上。电源电路：是一种给各用电元件提供电源供应的电路。其中既有交流电源也有直流电源。STM32F103单片机及其他元件需要+5V的电源,A/D转换器需要+5V和-5V的电源。2.2浊度测量的原理2.2.1浊度传感器的原理浊度传感器的工作原理：将设计好的浊度传感器放入待测的水质中，根据传感器检测探头检测水质的透光程度，当透光程度越高即水质的浑浊度就越低，浊度传感器输出的值就越低，反之亦然。我们通过单片机芯片将输出的浊度模拟量转换为数字量，再将输出的电压值传输到显示屏上。这就是浊度传感器的工作过程。因此，浊度传感器就是一种通过水中对光的透视程度来显示不同电压值的一种电子器件。2.2.2浊度原理图的解析图中电位计用来调节当前显示出的浊度值，一般通过检测清水的浊度来对浊度传感器进行校准。清水的浊度值在300-1000之间，若图中的电位器是用来调节当前的浊度值，清水的浊度一般在300到1000之间，如果测试后发现浊度小于300或者大于1000，可以通过电位计的方法进行校准。2.2.3浊度传感器的标准及方法的选择标准：GB-T13200-91

水质浊度的测定

ISO70271999

水质浊度的测定2.2.4浊度传感器设计的测量原理(1)浊度表示水质中悬浮物，浮游植物，泥土等物质的浑浊程度，当光束射进水中的透光程度。其中测量的方法有透射法，散射-透射法比值法以及散射法。本次浊度传感器采用的是90°散射法测量的原理。图2-290°散射法测量原理其中发光二极管LED是电流型的器件，性能稳定，因此可以采用恒流加脉冲供电的方式。当发光二极管在水中接受到光束透过水中的散射光时，产生电流，经转换电路转换，放大电路滤波，最后由AD转换器转换成数字量，输入单片机，从而计算出准确的浊度值。2.3温度测量原理温度是一种表示物体冷热程度，但是不可以通过触碰等直接测量，只能大致感知温度，而不能知道具体数值，因此只能通过物体间的热传递，或者是物体某些特性会随着温度的变化而变化，从而根据变化程度来测量出温度变化。2.3.1温度测量的主要方法和分类：温度传感器的组成在现实的应用中，不管是哪种测量温度的传感器，基本上都是由感温元件和控制室的显示装置两个部分组成的。（2）温度测量方法根据感温元件是否与被测介质接触可以分为接触式温度测量和非接触式温度测量。将感温元件与被测介质接触，当两者达到热平衡时，则感温元件的温度就是被测介质的温度。这种温度传感器时一种操作简单，方便实现，稳定性较高，价格较低的测温元件。其中常用的温度传感器有数字温度传感器和热电阻温度传感器。而热电阻温度传感器其测温原理是电阻值随温度的变化而变化，因此有必要设计一个很好的温度采集电路，该电路应包括测温部分、线性化部分、，放大部分和A/D转换部分，大大增加了外围电路的复杂度。热电阻温度传感器是采用数字温度传感器，通过数据总线与单片机通信，大大简化了外围电路，提高了测量精度。因此，本设计选择热电阻温度传感器作为温度采集传感器。数字温度传感器如DS18B20，该传感器主要特性如下：电压适应的范围相对较宽，电压范围为：3.0～5.5V；DS18B20的接口方式不同于传统的接口方式。它只需要一条总线就可以实现与单片机的双向通信。不仅如此，还可以在一条线上实现多个并联，可以测量多个测试点的温度，方便快捷；全部传感器元件和转换电路就像一只三极管集成在集成电路内，DS18B20在使用的时候不需要任何的外围元件；测温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度在±0.5℃范围内；在使用的过程中，这个型号的数字温度传感器并不需要接其他的外围元件便可以使用，并且有9-12位可编程的分辨率，可以实现高精度的温度测量；其中分辨率为9位时，可以实现在93.75ms将测量的温度模拟量转化为数字量，当分辨率为12位时，可以实现在75ms将测量的温度模拟量转换为数字量，具有很快的测量及转换速度；测量完成后，将被测温度进行数字输出。该型温度传感器采用单总线串行方式，在传输的同时可根据校验码进行校准。当正负极接反时并不会损坏电路，而是不能工作或着一直显示85℃。2.4光源的选择由于该浊度传感器根据光束在水中的透光程度来测量结果，因此光源的选择会直接影响到测量结果的准确性。目前大多数的资料显示，人们一般选择白炽灯为浊度传感器的光源。但白炽灯发光原理是将灯泡里灯丝通电进行加热，然后由热辐射从而发出光源。因此当使用时间较长时，发热现象明显，温度逐渐上升，从而使得其他元件产生温度漂移，这就极大得影响了结果的准确度和稳定性。不仅如此，当灯泡使用时间的不断增加，在长时间的高温条件下，钨丝中的钨原子升华扩散开来，会逐渐累积在灯泡的玻璃壳内表面，使得白炽灯变黑。国际环保规定，利用散射光测量方法测量水质浊度时，一般选择波长为860纳米的散射光。因为当波长大于800纳米时，能最大限度地降低水中溶解物质对测量的所产生的干扰。当波长小于500纳米时将有更大的测量误差的出现。因此，本次课程设计我们对于光源的选择是红外发光二极管。综上所述，这次对于光源的选择我们将采用恒流源提供电力，主要有以下原因：恒流源可以产生恒定的电流源，不会在上电时产生瞬时的冲击力而对设备造成损伤，可以提高其使用寿命，保护设备。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，即其发光特性对电压的变化比电流的变化更敏感，故采用恒流源，可以极大限度得减少发光强度的瞬时波动。3硬件系统的设计本课题的硬件系统主要由主控模块、水质浊度电路、信号放大电路、A/D转换电路、液晶显示电路、串口通信电路、电源电路和复位电路组成。3.1水质浊度采集模块（硅光电池）当PN结接入正向电压时，电流与电压按指数规律变化，呈现正向导通状态；当PN结接入反向电压时，电流电压皆为零，呈现反向截止状态，但当反向电压超过一定的数值以后，反向电流会急剧增大，称之为反向击穿。光电池是一种将所接收到的光能转换为电能的光电器件，它不需要额外的电源设备就可以直接转换，结构相对简单。其中光电池的工作原理就是”光生伏特效应“，实际上一个硅光电池就是一个大型的PN结，当光束照射到PN结一个面时，P型区每吸收一个光子就会产生一对空穴和自由电子，这个空穴对和电子扩散开来，在PN结形成的结电场的作用下，建立起一个与光照强度有关的电动势。其中光电池的种类繁多，例如氧化亚铜光电池，硒光电池，硫化镉光电池等等，但最受人们喜爱的还是硅光电池，因为硅光电池的性能较为稳定，频率特性好，受温度影响不大，光谱的波长范围较宽，因此应用较为广泛。本次课程设计选用硅光电池的型号为2CR52，并且因为光电流极小，为了方便检测，采用了4块硅光电池。硅光电池的结构如下图所示：图3-1硅光电池的构造硅光电池的主要特性为：光谱特性：不同材料对于相同波长的灵敏度是不同的，并且不同材料的光电池对于相同波长所响应的光谱特性也是不同的，其中硒光电池光谱的峰值约为0.5微米，光谱响应波长为0.38-0.75微米，而硅光电池光谱的峰值约为0.8微米，光谱响应波长为0.4-1.2微米。由此可见，硅光电池具有更宽的光谱范围。光照特性：在不同的光照强度下，光电池所产生的光电动势也存在一定的差异。在一定的范围内，短路电流与光照强度成正比，而开路电压与光照强度呈非线性的关系。但当光照超过2000lx时便趋近于饱和状态，故测量元件时只能用作电流源。（3）温度特性：开路电压随着温度的升高而下降，短路电流随着温度的升高而上升，但测量元件时可采用温度补偿措施。3.2温度传感器模块DS18B20的接口方式不同于传统的接口方式。它只需要一条总线就可以实现与单片机的双向通信，再通过A/D转换器将模拟量转换为数字量，通过数字信号的输出提高了抗干扰能力，同时也提高了测量的准确度。不仅如此，它的电压适应的范围也相对较宽，在3.0-5.5V之间，可以采用外部直接供电或者寄生电源供电，而且具有负压特性，就是在电源的正负极接反的情况下，并不会烧坏电路，而是暂时不能正常工作，直至电源正负极连接正确。设置的可编程分辨率越高时，所需要的时间就会越长，因此在满足测量精度同时，也要考虑所需要的时间。3.2.1DS18B20的结构及电路（1）DS18B20可以直接输出数字信号，传送给单片机，经过运算和处理最后显示再液晶显示屏上，其检测原理是将低温度系数晶体振荡器传送脉冲信号给计数器1，再将高温度系数晶体振荡器传送脉冲信号给计数器2，温度寄存器和计数器1将设置一个数值，并根据脉冲信号进行减法计算，再送入计数器2进行计数，最后运算出温度寄存器里的具体温度数值。下图为DS18B20的硬件电路：（加10k电阻是为了上拉，限制高低电平）图3-2DS18B20的硬件电路（2）DS18B20采用3脚T0-92封装的方式，同时也有六脚和八脚的封装方式。这个温度传感器的测温范围在-55～+125℃内，而在范围为-10～85℃时，精度为±0.5℃。而每个芯片的ROM内都存放着一个64位的ID号，最前面的8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。而且可以在一条线上实现多个并联，可以测量多个测试点的温度，方便快捷。如下图所示：图3-3DS18B20的外形及封装3.3主控模块3.3.1单片机STM32F103单片机简介STM32F103这个型号的单片机是一种功耗较低，性能较高的微控制器，是较早应用于工业生产的单片机，将所有的功能集成在一个小型的芯片上，就可以完成多种控制，例如：可以控制各种传感器和外围设备，可以自动进行处理各种计算，更高效地进行每个操作。但对于功能丰富完善的计算机来说，单片机只是一个小芯片，其操作相对简单。目前单片机的应用特别广泛，小到家用电器，大到航空设备，都有单片机的身影。几乎每个智能产品都有多个单片机应用。随着人们生活水平的提高，对传感器的需求也在迅速增加，人们所需要的传感器也越来越多样化，这使得单片机的发展和升级成为可能。这次的课程设计，我们选用的单片机为STM32F103C8T6单片机，这个型号的单片机自带两个A/D转换器，使我们在应用过程中更方便快捷，不仅如此，这个单片机有更高的运行速度，能更高效地进行相关运算及操作。STM32与51单片机相比，STM32具有高集成的优点，增加了许多传统51单片机所没有的功能，比如51单片机是8位的单片机，也就是说51单片机一次能处理的数据只有八位，而STM32单片机能处理32位，这就使得运行速度得到很大的改善。就单单串口而言，51单片机只有一个串口，而STM32的串口就有五个，而且具有用途特别广泛的ARM内核，种类丰富可供选择，因此可以简化外围电路，仅依靠STM32单片机就可以实现51单片机实现不了的功能。STM32的实物图如下图所示：图3-4STM32F103C8T6实物图电源指示灯：当接入电源时，电源指示灯LED亮，表明单片机正常工作；当电源指示灯LED灯色较暗或不亮时，表明单片机存在异常，没有正常工作，此时应该检查单片机是否有故障或不良状况。复位按键：当运行过程中需要将程序复位清零时，按复位按钮便可以回到初始状态。用户LED(PC13)：当我们检测单片机是否正常运行时，可以用此功能进行判断。这个型号的单片机具有四个定时器，48个引脚，工作频率为72MHz，并且自带两个A/D转换器，采用3.3V的稳压芯片，可以避免上电的瞬时冲击电压损坏芯片，且通过的最大电流为300mA。3.4液晶显示模块液晶显示器的工作原理：在电场力的作用下，液晶分子的排列方向会发生一定程度的变化，使透过率发生变化，完成光电转换，然后根据三原色显示相应的数字图像。液晶显示器具有功耗低、成本低、操作方便、稳定性高、无辐射等优点，是数字显示电路的首选，被应用于各中传感器或单片机的显示电路中。单片机可以通过数据总线以存储器访问或I/O设备访问的形式去控制液晶显示器。本次课程设计采用的是SMC1602A液晶屏。3.4.1SMC1602A液晶简介SMC1602A液晶是一种工业字符型的液晶，能同时显示32个字符。（一行16个字符，共两行）3.4.2SMC1602A液晶显示特性(1)单5V电源，功耗低、寿命长、可靠性高；(2)这个液晶内部置有192个字符；(3)具有64B的自定义RAM，可自定义八个5×8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；3.4.3SMC1602A液晶与单片机的接口电路图3-5接口电路电源电路是由一个三引脚的电源座子和六引脚的电源开关组成的，其中这个三引脚的电源座子是外部电源接入电路的接口，电源座子的引脚1与电源开关的引脚3连接，电源从电源座子接入电路，再由电源开关控制整个单片机电路的开关，引脚2用于接地，引脚3用于固定作用，防止电源座因碰撞等原因挪位。但都是配对使用的，即当引脚1，3用于电源的正极输出时，即需引脚5接地；引脚4，6作为电源的正极输出时，即需引脚2接地。由于本课程设计的单片机的电压在5V内，因此我们采用的电源为5V，如若有5V以上的传感器或其他设备，可以选择升压到所需要的电压为止。本课程设计的电源电路如下图所示：图3-6电源电路4系统软件设计本次毕业设计的单片机代码是用C语言进行编写的，该系统主要由主程序、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。其中主程序是该单片机程序的核心，不仅要完成系统的初始化和中断优先级的设置，而且各个系统模块的连接也需要在软件的编写中完成。主程序的设计要先实现内部寄存器的初始化设置，当程序在一次运行结束后，可以通过复位电路将寄存器初始化。系统程序流程图如下图所示:开始开始初始化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 Y N图4-1系统程序流程图4.1温度采集程序通过物体间的热传递，或者是物体某些特性会随着温度的变化而变化，再根据变化的程度来测量出温度的变化。这是就需要编写出温度采集的程序来驱动温度传感器正常工作。温度传感器感知到温度，将接收到的模拟量转换为数字量，再经过I/O口向单片机，将这个数字量写进单片机中，再通过液晶显示屏来显示出温度的具体数值。因此，应该先对I/O口进行初始化，再将温度传感器进行复位到初始状态，等待I/O口输入数据，再将温度传感器收取到的模拟量进行A/D转换为数字量，再写进单片机中，这就完成一次温度的采集即读取。图4-2温度采集的程序流程图其中，温度传感器DS18B20的初始化过程主要包括：将状态为高电平传送给数据线；进行延时操作；再将状态为低电平传送给数据线；延时750ms；将状态为高电平传送给数据线；进行延时操作；当读取到数据线的状态为低电平时，则继续进行延时操作，延时的总时长为数据线高电平到低电平为一次延时时长；最后再将状态为高电平传送给数据线。5结语该毕业设计的题目是：基于单片机的水质水温检测系统设计，主要是通过温度传感器采集到温度的变化，再将感知到的温度模拟量转换为数字量，最后传送给液晶显示屏上将温度的具体数值显示出来。而浊度传感器是将探头放进水中，以光电接收器件来接收散射光，通过检测在水中的透光程度来显示水质的混浊程度，水质越清澈，则浊度传感器输出越小。再将采集到的点喜好进行放大，输入单片机中进行运算，最后传送带液晶显示屏上输出具体数值。本毕业设计从课