【《单片机水质检测系统的整体设计分析案例》4700字】

第单片机水质检测系统的整体设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8325单片机水质检测系统的整体设计分析案例 168281.1系统功能 148651.2系统分析 1156351.3主控芯片的分析与选型 2285131.4传感器模块的分析与选型 3189071.5通信模块的分析与选型 675371.6电源模块的分析与选型 651381.7其他电路的分析与选型 61.1系统功能(1)接通5V移动电源，按下电源开关，启动装置，各模块电源指示灯点亮。(2)PH检测模块电源指示灯正常点亮，PH传感器能正常工作。(3)LCD液晶显示器正常点亮，超声波测距模块和电导率传感器能正常工作，LCD液晶屏字符显示正常。(4)本设计要求能够实现数据实时传输，通信模块就起到了重要作用。1.2系统分析根据对系统功能进行分析与归纳，本次设计必须要有以下几部分内容：水样各项数据信息采集，远程通信，数据处理与控制，输出与输入。(1)为了实现对数据的输入输出与控制，保证整个系统的正常工作，此次设计必须要有一个对主控芯片进行驱动的电路。主控芯片驱动电路有虽然外部晶振，但是为了保证系统时间更加准确，就需要加入一个独立的时钟电路。(2)为了能够对待测水样进行数据采集，本设计需要应用传感器技术，借电导率度传感器、PH传感器和水位传感器来检测水样的导电率和PH。(3)为了方便用户的操作，我们分别需要一个简单的按键模块和液晶显示模块，面向用户的交互功能就由以上俩个模块实现。(4)为了能保持整个系统的正常运行，还需要一个电源模块，直流稳压模块是一个不错的选择对系统功能进行分析后，整理出了系统运行的思路，并且将其，块化。为了方便大家更好的理解，将此系统框图进行简单描述。此次设计的系统方案设计框图如图2-1所示。主控芯片主控芯片液晶显示电源模块通信模块超声波测距模块电导率模块PH模块图2-1系统方案设计框图1.3主控芯片的分析与选型主控芯片有很多种选择，目前比较主流的单片机分别有STM32单片机、51单片机和MSP430单片机。⑴51单片机是一款结构简单经典的八位单片机。这个系列单片机有着完善的寄存器管理以及面向控制的指令系统。并且它价格十分低廉，这款单片机可以用来处理数据，而不是简单的一个字节。它可以控制一些简单的寄存器，还能够按位进行逻辑计算。但是这一款单片机也是有一些缺点。这系列单片机没有集成数模转换芯片，并且没有EEPROM，对稳定性大打折扣，部分引脚无法在高电平的时候输出，并且它的运行速度与其他俩种选择相对较慢。⑵STM32系列单片机是如今在物联网应用中最广泛使用的32位处理器。为了充分满足当前高性能和质量低成本的用于嵌入式应用程序设计的各种技术发展要求，这系列设计芯片都必须是全部采用基于ARMCORTEX-MX的内核，可以实现很多另外两款单片机无法实现的强大功能,并且还拥有许多的外设功能：双12位的模数转换模块，传输速率更快的UART串口和SPI串口。这款芯片也有着最大的存储器，Flash存储器最高可达到512KB，SRAM存储器最高可达到64KB。这一系列还有着最高112个I/O口。同时为了满足用户更多的拓展需求，还开放了众多的通信接口，可以满足现在绝大部分物联网装置的需求。⑶MSP430单片机，有非常高的工作效率，并且功耗超级低，是16位阵列微处理器，指令在操作系统中直接运行起来速度更快、功耗也更低。但是此设计要有许多的外围拓展，显然它不是此设计的最佳选择。由意法半导体ST公司开发与研制的STM32系列的处理器是一种采用ARM7架构的32位、支持实时仿真与跟踪的嵌入式微控制器。因为本次系统的设计不仅仅是为了追求其成本的最低或更少功耗，而是要求其能够在充分利用本次设计中所具有的功能前提下，为其设计的实验系统各个实验项目必须具备更丰富的接口和功能，所以选择这款控制芯片主。此款控制型芯片可用于完成对单片机相关课程的学习后操作比较简单容易，具有良好的学习、实践研究价值。1.4传感器模块的分析与选型传感器模块是整个系统设计的重要部分，所以传感器的选择也尤为重要，假设传感器不够灵敏，稳定性不高，那么所测得的数据就对于我们而言意义就没有那么大。电导率传感器和PH传感器都是精度比较高得传感器，使用和使用结束之后必须妥善处理，以免传感器测量准确度下降。(1)水位传感器的选择对于自动水位测量传感器，此次自动测试的系统设计基本技术指标要求：自动测量水位精度高、反应启动速率快、稳定性好、对环境影响小、安全可靠、使用寿命较长。常见的水位传感器主要有：浮球式传感器：工作原理和测量方法都很落后，可靠性差，测量精度低。而且由于浮球式结构，在水中很容易沾染污渍，生出水藻，难以清理。电极式传感器：借助液体的导电性能测量水位高度，结构简单，价格便宜。但是电极式传感器长期在水中放电，影响水体，还会产生电解，污染水体环境。超声波传感器：测量精度高，不需要接触水体，并且超声波传感器不会受水体的状况而影响精度，抗干扰性强。这个测量系统的硬件设计主要就是选用A-HC-SR04超声波测量模块，这个声波模块的测量性能很稳定，测度的直线距离也很准确。它通常可以为每个使用者同时提供20-400cm的非接触型测量距离。该传感器具有检测距离功能，测量时的距离准确率通常能够同时高达大3mm，并且经常能与国外国产SRF05等新型超声波距离测距仪器模块互相竞争。模块的测距精度高，盲区(2cm)测距超近，稳定的测距精度进行测距，是这一模块系列产品最终是否能够成功地顺利走向市场的有力理论基础。水位超声波测距模块借助于超声波反射性好的特点，基本设计和工作原理：主控芯片向超声波模块发送信号，模块接收数据后，超声波发射端发送超声波，当超声波遇到障碍物后返回，接收端接收到信号后，向主控芯片发送信号，主控芯片通过A/D转换，然后将花费的脉冲周期返回给单片机，然后通过计算，测出距离。超声波测距原理框图如图2-2所示。定时器定时器传输超声波接收计时控制增益放大震荡计算调制超声波发射障碍物图2-2超声波测距原理框图(2)电导率传感器的选择电导率信号传感器按照其信号测量的工作原理和测量计算用的方法不同，大致来说可以将各种传感器信号分为各种电极式电导率信号传感器、电感式电导率信号传感器、和各种超声波电导率信号传感器。电极型电导率电阻传感器主要原理是根据固体电解质中导电的化学原理，采用直接电阻式的测量方法，对电导率测量进行直接实现式的测量，这一个电导率所测量的主要电极在电阻测量的整个过程中被直接表现出来成为一个复杂的量子电化学测量体系。电感式电导率传感器可以依据电磁传感器的感应工作原理来实现测量和检验液体的电导率。超声波电导率测量传感器系统可以根据不同超声波物体流动时的不同而通过变化速度来准确测量电导率。总溶解性固体，我们通常把它称为各种溶解性固体的总量，测量单位为毫克/升(mg/L)，要表达的就是1升水中至少要溶有多少毫克的溶解性固体。TDS数值越高，就说明水中所含的溶质特别多。总溶解固体说的就是水中所有溶质的总和，无机物与有机物通常就是其中主要的溶质。一般的可用这个电导率的取值来大概地了解一个溶液中的盐分，在一般的情况下，电导率取值越高，盐分就会变得更高,TDS也会变得更高。在这些无机物中，有的可能被溶解为离子态的成分，的其他很多以分子状态存呈现。由于自然水中所含的各种有机物和其他呈现分子态的无机物不考虑，所以一般也就把水中的含盐度称为总溶解性的固体。本次水质检测采用的传感器模块，能够实时地检测各类水质的TDS数值，就是说它能够实现检测水中的化学物和液体的电导性参数。注意，传感器只可以将探针放入水中，可将整个探头进入水中。(3)PH传感器的选择PH测量简单来说就是一个原电池测量体系,是将所有的敏感化学性电能都可以转换成作为其他电能的一种测量方法，用在电池端的测量输出输入电压我们通常可以称之为利用电极测量输出的参比电位；测量参比输出电位由两个半导体电池组合而成，个可以叫做电极测量输出电极，可以叫做测量参比电极；PH测量电极薄膜是一支在电池端部分别被风吹成白色气体或者飞沫泡状的于PH敏感化学物质上的一层玻璃导电薄膜。在一个管子里均匀地直接充填一种带有一定饱和分量AGC1的3mol/lKCL水的缓冲溶液，PH1的值固定为7。在对被测水样中所含氢离子量的浓度数值进行其PH数值检测时，主要检测目的就是为了准确检测水样液体中所含氢离子量的浓度，检测水样中液体温度的不断提高，离子电位差的数值将来也会随之有所提高。对于每1℃的恒定温度就会发生电位变大，来就会直接导致一个电位大约为0.2mv/PERPH的温度变化。用第一PH的数值计算公式得出来计数代替第一PH的数值,则每1℃第1PH的值改为0.0033PH的数值。这也已经是充分说明了:在20~30℃之间和7PH左右的两个时间段内对测量来讲,没有必要对其中的内部温度不断变化持续情况同时进行适当的温度补偿；在内部气温分别>30℃或<20℃和7PH温度值分别>8PH或6PH的工业应用检测场所则必须同时做好对其内部温度的持续变化情况做出适当补偿。可以很方便的检测液体的PH值选用这一个PH值检测传感器模块，它由PH电极和PH值转换器两个部分组成。PH电极检测水样重的氢离子浓度，将测得的数据通过PH值转换器转换成特定的电压信号，之后就按照标准的曲线把输出来的电压信号改变成了待检测溶液中的PH。1.5通信模块的分析与选型通信模块也是此系统设计上的重点，常见的物联网通信方法主要有蓝牙，ZigBee，蜂窝通信以及WIFI。蓝牙数据传输慢，覆盖范围小，没有办法实现远程控制。ZigBee是一项低功耗的局域网技术。如果广泛推广，家中设备全都进行组网的话，成本会很低，但是现在ZigBee技术还没有广泛的走进家庭，适用性太低，无法选用。蜂窝无线通讯终端的高速移动性是其主要优点，并且它还拥有了越区切换及跨本地网络自动漫游的功能。由互联网基站子系统和移动互联网交换子系统等设施所组成的蜂窝移动通信网络所提供的话音、数据、视频影像等服务被称为蜂窝移动通信业务，不适合此设计。WIFI如今已经是称为一般家庭中不可缺少的设备，WIFI技术发展之快也是前所未有的，现已成为互联网领域的一支重要力量。WIFI信号覆盖范围比较广，半径可达100米左右。但是Vivato公司推出了一款新型交换机，改变了这一现状，通过了解这款产品能够把WIFI无线网络100米的通信距离扩大到了约6.5公里。这样WIFI传输就更能起到大作用，虽然由WIFI技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，符合个人和社会信息化的需求并且在未来高速的数据传输背景下，此设计选用WIFI通信是最有意义的。1.6电源模块的分析与选型本设计的控制电路要求是满足其它模块的功耗要求,选用了直流式稳压源。直流稳压电源从其特性上大致可以划分为两种：线性稳压电源和高压开关稳压电压源。由于本产品的设计主要是面向室外应用，移动电源要求的优先级很高，开关式稳压电源虽然其能量的转化效率很高、电路稳定可靠。但是它的电路很复杂，并且电路波纹与噪声大，并不适合本设计的时序控制电路。最终选择的线性稳压电源结构简单、电源波纹和噪声低、成本也低。1.7其他电路的分析与选型LCD的显示设备可以分为文字段的显示设备和文本信号字符式的显示设备。字符的显示就是按照所需的时间来显示一个基本的字符。此设计采用的是字符型显示。选用LCD1602作为这个设计的显示设备。与现在市面上普通化和传统化的LED系列显示器硬件相比,液晶文字显示在硬件设计上具有硬件体积小、功耗低、显示视频内容丰富等特性，而且不需要再根据额外安装硬件驱动控制电路。液晶文字显示控制模块已发展成为了目前各种单片式主机硬件应用程序软件设计中最常见的一种文字显示控制元件，LCD1602可以分别同时显示2行16个字的英文和多种汉字，可以满足此设计的需求。电路中，为了