毕业论文(设计)-水产养殖中的水质检测系统设计

1、 JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 设 计题目： 水产养殖中的水质检测系统设计 学 院： 工 学 院 姓 名： 杨鸿年 学 号： 2011120731 专 业： 通信工程 班 级： 通信122 指导教师： 董子健 职 称：讲师 二0一三 年五月摘 要 随着我国经济的快速发展，人民在水产养殖生活中对水质的要求有了很大的提高，但是我国水资源却出现了很多问题，比如水资源短缺、分布不均匀，尤其是水质越来越差。水质检测工作是水体污染防治工作和水坏境保护的重要组成部分，但是，目前在我国水质检测的实际工作中，大量采用的检测方法已经不能满足要求，因此我们要大量发展和

2、提升水质检测的技术。本系统是基于51系列单片机AT89C51，通过模数转换器ADC0804将输送来的模拟信号转换成数字信号，然后传送到单片机AT89C51，通过程序算法处理换算出本测量水质的电阻值，然后换算成电导率，通过液晶显示器1602显示出来。使用DS18B20温度采集模块，传送的信号经过51单片机的转换和处理，将温度值通过字符液晶1602显示器显示出来。本设计结构简单，使用灵活，具有很大的研究价值。关键词： AT89C51；ADC0804;DS18B20 ；1602液晶显示器；keilC51Abstract With Chinas rapid economic development,

3、People in the aquaculture life has been greatly improved the water quality requirements , but the countrys water resources have many problems, such as shortages of available water, uneven distribution, especially water quality is getting worse. Water quality testing work is a important composition p

4、art of water pollution prevention and control work and water pollute environment protection, However, in the actual work of Chinas water quality detection, a large number of used testing method already can not meet the requirements, so we have to develop a large number of equipment and enhance water

5、 quality testing technology. This system is based on the 51 series micro-controller AT89C51. transported analog signal through the analog-to-digital converter ADC0804,the analog signal will be converted into a digital signal and then transmitted to the micro-controller AT89C51. translated by water r

6、esistance value the program algorithm processing of the measuring , and then converted into electrical conductivity displayed in the liquid crystal display 1602. Use DS18B20 temperature acquisition module, transmitted signal through the 51 single-chip conversion and processing, the temperature value

7、 display by character LCD 1602 . The design of the structure is simple, flexible, has great research value.Keywords: AT89C51;ADC0804; DS18B20; 1602 LED DISPLAY; KEILC51 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 引言11.1 水产养殖中的水质检测简介11.2 电导率、温度对水产的影响11.3 水产养殖中水质检测的若干指标11.4 水质检测的常用因素及本系统检测的因素21.5 水质与水电导率的相互关系22 系统设计42.1

8、 系统设计要求42.2 系统设计原理42.21 pH值测量原理42.22 浊度测量原理52.23 溶解氧测量原理52.3 总体设计方案63 系统各方案设计论证与选择73.1 电阻检测模块方案论证73.2 温度传感器方案的选择84 系统硬件电路设计104.1 AT8951单片机及其他器件的功能介绍及原理104.2 DS18B20温度传感器的简介114.3 ADC0804134.4 PH检测模块154.5 浊度检测模块164.6 溶解氧检测模块174.7 液晶显示模块184.8 稳压电源设计194.9 最小系统设计205 系统软件设计215.1 软件设计215.2 程序流程图225.21 温度检测

9、程序流程图225.22 电阻检测程序流程图23参考文献24附录1 电路原理图25附录2 程序26致 谢341 引言1.1 水产养殖中的水质检测简介 在过去，水产养殖都是分散的，不成规模的，人们都是通过在不断的摸索中形成经验，不断提高养殖的技术，从而提高产量。然后毕竟经验都是有限的，而且不稳定，容易出现错误的经验，导致鱼类大批死亡。水质的优劣与鱼类健康密切相关。随着科技的进步，人们可以通过技术手段检测水的各种参数，通过对水的参数进行检测，并根据检测到的参数值进行动态调整，这样就可以大幅度提高水产的产量。1.2 电导率、温度对水产的影响 通过对水的电阻的检测，测出水的电阻，电阻的倒数便是水的电导，

10、根据水的有效长度和有效横截面积得出电极常数，由 （式中P是被测水质的电导，L是测试的导体有效长度，A是导体的有效横截面积）便得水的电导率，电导率大说明导电能力强，也就说明水质浑浊，在一定范围内适合鱼类的生长，通过DS18B20温度传感器可以检测到水的温度，不同鱼适合在不同温度下生活，通过检测到的值，可以调节水的温度以适合鱼类的最佳生长。1.3 水产养殖中水质检测的若干指标 1、色度：饮用水的色度如大于15度时多数人即可察觉，大于30度时人感到厌恶。标准中规定饮用水的色度不应超过15度。 2、浑浊度：为水样光学性质的一种表达语，用以表示水的清澈和浑浊的程度，是衡量水质良好程度的最重要指标之一，也

11、是考核水处理设备净化效率和评价水处理技术状态的重要依据。浑浊度的降低就意味着水体中的有机物、细菌、病毒等微生物含量减少，这不仅可提高消毒杀菌效果，又利于降低卤化有机物的生成量。 3、臭和味：水臭的产生主要是有机物的存在，可能是生物活性增加的表现或工业污染所致。公共供水正常臭味的改变可能是原水水质改变或水处理不充分的信号。 4、余氯：余氯是指水经加氯消毒，接触一定时间后，余留在水中的氯量。在水中具有持续的杀菌能力可防止供水管道的自身污染，保证供水水质。 5、化学需氧量：是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需氧量。化学耗氧量越高，表示水中有机污染物越多。水中有机污染物主要来源于生活污水或工业废水的

12、排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。 6、细菌总数：水中含有的细菌，来源于空气、土壤、污水、垃圾和动植物的尸体，水中细菌的种类是多种多样的，其包括病原菌。我国规定饮用水的标准为1ml水中的细菌总数不超过100个。 7、总大肠菌群：是一个粪便污染的指标菌，从中检出的情况可以表示水中有否粪便污染及其污染程度。在水的净化过程中，通过消毒处理后，总大肠菌群指数如能达到饮用水标准的要求，说明其他病原体原菌也基本被杀灭。标准是在检测中不超过3个原菌。 8、耐热大肠菌群：它比大肠菌群更贴切地反应食品受人和动物粪便污染的程度，也是水体粪便污染的指示菌。 9、大肠埃希氏菌：大肠细菌为埃希氏菌属代表菌。一般多不

13、致病，为人和动物肠道中的常居菌，在一定条件下可引起肠道外感染。某些血清型菌株的致病性强，引起腹泻，统称病致病大肠杆菌。肠道杆菌是一群生物学性状相似的G-杆菌，多寄居于人和动物的肠道中。埃希菌属（Escherichia）是其中一类， 包括多种细菌，临床上以大肠埃希菌最为常见。大肠埃希菌（E.coli）通称大肠杆菌，是所有哺乳动物大肠中的正常寄生菌，一方面能合成维生素B及K供机体吸收利用。另一方面能抑制腐败菌及病原菌和真菌的过度增殖。但当它们离开肠道的寄生部位，进入到机体其他部位时，能引起感染发病。有些菌型有致病性，引起肠道或尿路感染性疾患。简而言之，大肠埃希菌=大肠杆菌。1.4 水质检测的常用因

14、素及本系统检测的因素 水质检测一般是利用各种传感器对水中的各类参数进行检测。经常检测的因素有温度、PH值、电导率、溶解氧、浑浊度。本系统检测的因素是水的电导率和温度。1.5 水质与水电导率的相互关系 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

15、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的物理意义是长度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”。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）。 2 系统设计2.1 系统设计要求 由于不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，从而得出其电导率，通过温度传感器得出其温度。 本系统要能实现如下基本功能： 1、实现对水质电导率的检测。 2、实现对水温的检测。 3、实现对水中氧浓度的检测。 4

16、、实现对水的PH值检测。 5、实现对水的浑浊度检测。2.2 系统设计原理2.21 pH值测量原理 PH值是水溶液酸碱度的标志，是水质检测的一个重要指标。采用pH复合电极传感器对水的pH值信号进行转换，当被测溶液的酸碱度不同时，pH复合电极产生直流电位将发生变化，这样即可将溶液的酸碱度转变成电信号进行采集，而pH复合电极由玻璃电极和甘汞电极组成。在水溶液的酸碱度测量中，玻璃电极是测量电极，甘汞电极是参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也随着变化，这就是pH复合电极的测定原理。当薄膜玻璃的表面被水解时，其表面形成0.6nm厚的溶胀层。内侧和外侧的溶胀层被玻璃组织分开，同

17、时由于玻璃膜内外两侧不同的表面电位便在玻璃膜上建立了一个电位差。这一电位差可通过零电流法用一带有pH刻度的毫伏计测量并以pH值的形式显示出来。当一对电极形成电位差等于零时，被测溶液的pH值即为零电位pH值，一般为7。此电位遵循能特斯方程，在25度的条件下，质子活度变化一级别时，电位变化59.16mV，即电极转化斜率为59,16。2.22 浊度测量原理 浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，是水中悬浮物与胶体光学性质的综合反映。一升蒸馏水中含有一毫克二氧化硅为一个浊度单位。浊度的高低虽然不能直接说明水质的污染程度，但由人类生活和工业生活污水造成的浊度增高，仍可表明水质变坏。目前，浊度分

18、析方法按光接收方式一般可分为透射光法、散射光法、透射光一散射光比较测量法。我们着重分析透射光浊度法，透射光浊度法如下：光束射入试样，试样中的浊度物质会使光的强度衰减。透射光强度随浊度的变化遵从朗伯一比尔定律，即透射光强随浊度增加按指数形式衰减：透射光浊度法在测量低浊度水样时，大部分光被直接透射，微小浊度变化所引起的透射光变化相当小，且无法对散射光测量信号进行加工处理，准确度低，抗干扰能力弱，且读数不稳定。2.23 溶解氧测量原理 水中溶解氧含量多少是水体质量的一个重要指标。水中溶解氧的定义为每1千克水溶液中含有的氧的毫克数，单位为mgt,。采用极谱型氧电极，可消除流动对溶解氧测量的影响。由金片

19、组成电极的阴极，由银丝组成阳极即参比电极，两极之间充以电解液，顶端用F46薄膜覆盖。当在阴极与阳极间加0.7V左右极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧化还原反应，电子转移产生的电流正比于水中氧分压，无氧时氧电极无电流产生，有氧时，其电流大小正比于溶液中氧浓度。氧在阴极上还原，电极输出电流，其大小受制于多种因素，去掉电极表面状况的变化等不定因素，电极电流与水中氧浓度的关系可描述如下：（式中I是扩散电流，K是氧电极比例系数，N是反应中电子得失数，F是法拉第常数，S是阴极面积，P是薄膜的透氧系数，L是透线膜的厚度，C是水中的氧浓度）。 极谱型复膜氧电极的输出特性线性度很好，在氧浓

20、度允许范围内都可呈直线关系。当接触传感器周围的氧浓度发生变化时，从传感器输出开始变化到最终输出90所需的时间不大于10秒。该传感器具有结构简单、体积小、重量轻、可在常温下使用等特点。由于温度和盐度对溶解氧测量影响较大，检测中需采取温度和盐度补偿措施。另外，大气压力对溶解氧的测量也有一定的影响，由于大气压力随海拔高度而变化，大气压力越高，水溶解氧的能力就越大。本仪器主要应用于平原地区，基本上可以保证一个标准大气压(101.3kPa)，故大气压对溶氧测量的影响可不予考虑。2.3 总体设计方案 本设计将温度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、浑浊度传感器、PH值传感器提供的模拟信号通过模/数转换器A

21、DC0804转换成数字信号，然后将转换后的数字信号传送到单片机中进行算法处理，再通过显示器显示出被检水质的各种参数。整体设计框图如图1所示。 ADC0804 51 单 片 机 温度模块显示模块 电导率模块 溶解氧模块 浑浊度模块 PH模块 电源模块时钟电路 图 1 系统整体设计框图3 系统各方案设计论证与选择3.1 电阻检测模块方案论证方案一： 通过模数转换芯片ADC0804将模拟信号传送到单片机，通过分压原理，通过一定算法处理，从而测出被测水质的电阻。 优点：测量精确度高。 缺点：电路相对复杂，算法复杂。方案二： 运用精确固定电容，对不同电阻放电时间不同的原理，把电阻两端接在比较器输入比较端

22、，输出端连单片机，单片机通过中断记数方式，记录放电时间，并转换成相应的电阻输出。 优点：电路简单，容易实现，利于错误检查。并很容易改进成多功能可测电阻、电容的电路。 缺点：对电路元件要求较高，否则测量误差极大。同时长期使用，会造成电容容量变化，而造成系统误差。同时比较器翻转电压也对测量精度影响很大。方案三：555多谐振荡器电路如图2所示。 图 2 多谐振荡器电路 运用555振荡电路中，电容、电阻与周期有相应的数学关系，在固定其中一个电阻和电容时，可根据单片机中断记录的时间，计算出对应的频率、电阻等，在通过显示器显示输出。通过公式换算得到电阻值。振荡周期： 得到公式： 优点：相对而言测量精确一些

23、，对元件要求不是很高。电路也比较简单，成本较低。 缺点：555电路固有特性决定了，电路在测量过高或过低电阻是，测量误差大大增加，并有可能电路不正常工作。但进一步改进可克这些缺点，但会找造成成本大大增加。 综上所述，还是方案一比较符合要求，元件简单，精确度高，故本设计方案选择方案一。3.2 温度传感器方案的选择 随着现代技术，传感器技术，越来越广泛的发展。温度传感器是检测温度的器件中，种类最多，使用最广泛和增长最快的。根据该温度传感器的输出信号的模式大致可分为三类：逻辑输出型温度传感器，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，设计并不需要严格的温度测量，只关心温度是否超过设定

24、范围，一旦温度超过指定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇，空调，加热器等，那么你可以使用逻辑输出温度传感器。LM56是一个典型的代表。根据设计要求，不适合使用这种传感器 。 方案二：传统的模拟温度传感器，如热电偶，热电阻和RTD温度监测，在一定的温度范围内的线性关系不是很好，需要进行冷端补偿或铅补偿和热惯性，响应时间慢，所以在市场上已很难买到。集成的模拟温度传感器与之相比有如下优点，灵敏度高，线性度好，响应速度快，将驱动电路，信号处理电路和必要的逻辑控制电路集成在单片IC，实际尺寸小、使用方便。常用的模拟温度传感器有电压输出型的LM3911，LM335，LM45，AD22103。 这个方案

25、的缺点是，该模拟信号被转换为数字信号接口电路需要占用微机的数条数据/控制线，限制了计算机的功能扩展;在分布范围很广的温度监测系统中，由于是长距离模拟信号传输，信号很容易扭曲，抗干扰能力差。所以不采用这个方案。 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

26、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。4 系统硬件电路设计4.1 AT8951单片机及其他器件的功能介绍及原理 单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性，是一个小而完善的计算机系统，通常被称为单片机。CS-51单片机内部结构如图3所示。图 3 单片机引脚图 51单片机包含微处理器、程序存储器(4KBROM)、数

27、据存储器(128BRAM)、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三大总线。引脚功能说明： AT89S51芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见右图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4.40，在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。1、主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源。 GND(Pin20)：接地线。2、外接晶振引脚（2根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端。 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端。3、

28、控制引脚（4根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号。 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令。如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 4、可编程输入/输出引脚（32根） AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等。 PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P

29、0.0P0.7。 P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7。 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7。 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。 上面就是AT89S51单片机引脚的简单介绍，其它51系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和89S51兼容，只是个别引脚功能定义不同。4.2 DS18B20温度传感器的简介 温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力

30、强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。DS18B20的主要特征： (1)全数字温度转换及输出。 (2)先进的单总线数据通信。 (3)最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 (4)12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 (5)可选择寄生工作方式。 (6)检测温度范围为55C +125C (67F +257F)。 (7)内置EEPROM，限温报警功能。 (8)64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。 (9)多样封装形式，适应不同硬件系统。 DS18B20工作原理及应用： DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其中一个工作周期可分

31、为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是： ROM 只读存储器，用于存放DS18B20编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。 RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的

32、镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据。RAM及EEPROM结构如表1和表2所示。表1RAM内部结构Temperature LSB(50h)Temperature MSB(05h)TH Register or User Byte 1Tl Register or User Byte 2Configuration RegisterReserved(FFH)Res

33、erved(0CH)Reserved(10H)CRC 表2 EPROM内部结构TH Register or User Byte 1Tl Register or User Byte 2Configuration Register4.3 ADC08041、ADC0804的管脚图如图4所示。图4 ADC0804管脚图2、芯片参数： 1、工作电压：+5V，即VCC=+5V。 2、模拟输入电压范围：0+5V，即0Vin+5V。 3、分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。4、转换时间：100us（CK=640KHz时）。5、转换误差：1LSB。6、参考电压：2.5V，即ref

34、=2.5V。3、ADC0804的转换原理 ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。 以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下所示（原则上先从左侧最高位寻找起）。第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻

35、找位=该假设位=0）第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）这样8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找。4、ADC0804的典型接法如图5所示。图 5 ADC0804的典型接法各个管脚的作用： D0-D7：八位数字量输出端。 CLK：为芯

36、片工作提供工作脉冲，时钟电路如图所示，时钟频率计算方式是。 CK=1/(1.1RC）。 CS：片选信号。 WR：写信号输入端。 RD：读信号输入端。 INTR：转换完毕中断提供端。其他管脚连接如图5所示，是供电和提供参考电压的管脚输入端。4.4 PH检测模块 检测模块采用pH复合电极和放大电路组成测量单元。由于pH复合电极的内阻相当大，可达108欧姆，且其输出的信号比较微弱，通常只有上百毫伏。因此，必须过信号放大再进行模数转换，以实现正常的数据显示。为了降低测量噪声、提高系统稳定性，本设计采用了运算放大器CA3140，此芯片是美国无线电公司研制开发的一种BIMOS运算放大器。在一片集成芯片上，

37、它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双极晶体管的优点，采用MOSFET输入，双极输出技术，首次结合了COSMOS运放的卓越性能，具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用于完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。检测电路如图6所示。图6 PH检测电路 图6中，本设计电路由CA3140、LM324和UA741组成。其中，pH值复合电极信号传入由运算放大器CA3140和可调电阻组成的一级放大电路，通过改变可调电阻的电阻值设置放大倍数，本设计采用RV2设置放大5倍。放大后的信号与LM324的跟随电路输出进行加法运算，再经过由UA741构成的反向放大电路实现05V、48V的信号输

38、出。4.5 浊度检测模块 本设计中采用氘灯作为光源，硅光电池作为光电转换器件，此光电探测器输出微小的电流信号不易被辨别，应使信号进行放大和整流滤波。为降低测量噪声、提高系统稳定性，本检测电路采用LM324和两个OP07组成。电路图如图7所示。图7浊度检测电路图7中，首先由一个运放OP07构成同相比例放大电路，得到几十毫伏的调制电压信号；为去除前级放大电路中混有的干扰信号，本设计选用二阶压控高通滤波电路来滤除干扰信号。二阶高通滤波器的传递函数为： 根据运放的同相、反相输入端外接电阻应当基本对称的原则(即R8/R9=R11)，求出电阻的值。用此电路可滤除环境自然光、照明灯光以及电源型滤波动等电磁干

39、扰信号；然后用一个LM324运放将信号放大到所需范围，最后用LC兀波电路将直流脉冲信号变为可检测的直流信号。4.6 溶解氧检测模块 本设计采用极谱型氧电极作为溶解氧传感器，氧电极在两端加上0.7V左右的电压后才可正常工作。氧电极取得0.7V极化电压及信号放大调理电路如图8所示。图8 溶解氧检测电路 图8中，调整R5可改变DO+的电位，调整R6可改变DO-的电位。调整到适当位置使DO+和DO-之间，即氧电极之间的电压为0.7V，就得到了极化电压。从氧电极得来的是比较微弱的电流信号,因此需要将电流信号转换成电压信号，其中利用热敏电阻R对薄膜的温度特性进行补偿。转换后的电压信号与第一级运算放大器的相

40、输入端相通，由图可知电压信号被放大了10倍，这样就得到了适合测量的电压信号。热敏电阻Re完成对温度的二次补偿，确保了氧电极薄膜在测量时不受温度影响，从而保证测量精度。测得电压信号后，由式C=KV+Vo即可计算出溶液中的氧含量。4.7 液晶显示模块 液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在嵌入式应用系统中得到越来越广泛的应用，这讲中向大家介绍的LCD1602 液晶显示模块（其内部控制器为HD44780 芯片），它可以显示两行，每行16 个字符，因此可相当于32 个LED 数码管，而且比数码管显示的信息还多。采用单+5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价

41、比。 1602 字符型LCD 模块的管脚分布如图9 所示。 图 9 LCD1602引脚图1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地。 第2脚：VCC接5V电源正极。 第3脚：V0为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）。 第4脚：RS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。 第5脚：RW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。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。 第71

42、4脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。值得提出的是，各种液晶厂家均有提供几乎都是同样规格的1602 模块或兼容模块，尽管各厂家的对其各自的产品命名不尽相同；但其最初采用的LCD 控制器采用的是HD44780，在各厂家生产的1602 模块当中，基本上也都采用了与之兼容的控制IC，所以从特性上基本上是一样的；当然，很多厂商提供了不同的字符颜色、背光色之类的显示模块。 LCD1602 有11 个控制指令， 见表2。其中，DDRAM ：显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码；CGROM ：字符发生存储器；CGRAM ：用户自定义的字符图形RA

43、M。限于篇幅原因在此不做详细叙述，读者可以上网查看HD44780 芯片资料和LCD1602 数据手册。4.8 稳压电源设计稳压电源设计电路如图10所示。图10 稳压电源设计电路 220V交流电源经过变压器整流桥电路变为12V，经电容滤波到L7805。L7805是一个稳压三极管，它可以支持5V到12V 的电源输入，经过降压后，稳定输出5V 的直流电压。一般在输入电源的正负级之间并上一个无极性电容和一个1000UF的有极性电容，起到对电源滤波的作用。由于本设计使用220V交流电供电。单片机要求在稳定的电源下才能正常工作，本身单片机工作在晶震12M下，产生的干扰信号也是大的。所以需要提供一个稳定的直

44、流电源给单片机，这样能保证单片机稳定的工作。4.9 最小系统设计 单片机最小系统是利用最少的外围器件而使单片机工作的电路组织形式。最小系统只包含单片机、振荡器、复位电路和电源。如图11为最小系统电路图。 时钟信号：单片机的XTAL2和XTAL1接晶振，这种结构通过晶振电容C1、C2与单片机内部结构组成一个时钟信号源，晶振的频率决定系统的时钟频率。对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。但由于图中的电容C1、C2起系统时钟频率微调和稳定的作用。 图11最小系统电路5 系统软件设计5.1 软件设计 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

45、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

46、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。5.2 程序流程图5.21 温度检测程序流程图 程序首先进行主程序初始化，包括液晶显示控制的初始化和定时器T0的初始化，然后发命令执行温度转换，转换后调用温度函数，将调用函数后得到的值暂存，再调用数据处理子程序，将处理后的数据发送到1602液晶显示器，在显示器上显示被测水质的温度值。主程序初始化后的程序不断循环，从而不断显示现在的温度。温度检测程序流程图如图12所示。开始主程序初始化调用温度函数

47、读取温度暂放调数据处理子程序生成字符显示温度值图 12 温度检测模块程序框图5.22 电阻检测程序流程图程序首先进行主程序初始化，包括液晶显示控制的初始化和定时器T0的初始化，初始化后调用ADC0804模/数转换程序，将传送来的模拟信号转换为数字信号，由转换后的数据输入到1602液晶显示器，显示出被测水质的电阻值。主程序初始化后的程序不断循环，从而不断显示现在被测水质的电阻值。电阻检测程序流程图如图13所示。开 始输入信号主程序初始化调用ADC0804转换程序读取数据显示电阻值图13 电阻检测模块程序框图参考文献1 张毅刚单片机原理及应用M.高等教育出版社，20042 何立民.51系列单片机应

48、用系统设计，北京航空航天大学出版社，1993，19-24.3 汪道辉编著，单片机系统设计与实践，电子工业出版社，2005.4 吴金,沈庆阳,郭庭吉8051单片机实践与应用M清华大学出版社，2002.5 谭浩强C程序设计M北京：清华大学出版社，2005（第三版）6 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，2008，10 7 郑联英. 水溶液电导率的测量方法研究. 北京化工大学出版社，2007，6月.8 赵亮. 跟我学51单片机（七）LCD1602液晶显示模块.电子制作. 2011: 74-779刘迎春 叶湘滨传感器原理设计与应用国防科技大学出版社，2004年，2月10童诗

49、白 华成英模拟电子技术基础高等教育出版社，2006，5月11阎石数字电子技术基础高等教育出版社，2006年，5月12邱关源 罗先觉电路高等教育出版社，2006，3月13 秦飞单片机常用模块与综合系统实例精读电子工业出版社，2007，4月14 张晞51系列单片机实用C语言程序设计人民邮电出版社，2005，3月15 彭为，黄科单片机典型系统设计实例精讲电子工业出版社20065附录1 电路原理图.附录2 程序一、DS18B20.h/功能：DS18B20头文件/*/#ifndef _DS18B20_H_#define _DS18B20_H_/*/#define unchar unsigned char

50、#define unint unsigned intextern void DS18B20_reset(void);/DS18B20复位函数extern void DS18B20_write_byte(unchar val);/DS18B20写命令函数extern unchar DS18B20_read_byte(void);/DS18B20读1字节函数extern unint DS18B20_read_temp();/读出温度函数extern void DS18B20_delay_11us(unint t);/ 11us延时函数/*/#endif2、 DS18B20.c #include#i

51、nclude /_nop_();延时函数用#include DS18B20.hsbit DQ=P21; /温度输入口unint temp;unchar data temp_data2=0 x00,0 x00; /读出温度暂放/*11us延时函数*/void DS18B20_delay_11us(unint t) for (;t0;t-);/*/*DS18B20复位函数*/void DS18B20_reset(void)char presence=1;while(presence) while(presence) DQ=1;_nop_();_nop_();/从高拉倒低 DQ=0; DS18B20

52、_delay_11us(50); /550 us DQ=1; DS18B20_delay_11us(6); /66 us presence=DQ; /presence=0 复位成功,继续下一步 DS18B20_delay_11us(45); /延时500 us presence=DQ; DQ=1; /拉高电平/*DS18B20写命令函数*/向1-WIRE 总线上写1个字节void DS18B20_write_byte(unchar val) unchar i;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); /从高拉倒低DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_

53、();_nop_(); /5 usDQ=val&0 x01; /最低位移出DS18B20_delay_11us(6); /66 usval=val/2; /右移1位DQ=1;DS18B20_delay_11us(1);/*DS18B20读1字节函数*/从总线上取1个字节unchar DS18B20_read_byte(void)unchar i;unchar value=0;for(i=8;i0;i-) DQ=1;_nop_();_nop_(); value=1; DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 us DQ=1;_nop_();_nop_();

54、_nop_();_nop_(); /4 us if(DQ)value|=0 x80; DS18B20_delay_11us(6); /66 usDQ=1;return(value);/*读出温度函数*/unint DS18B20_read_temp()DS18B20_reset(); /总线复位DS18B20_delay_11us(200);DS18B20_write_byte(0 xcc); /发命令DS18B20_write_byte(0 x44); /发转换命令DS18B20_reset(); DS18B20_delay_11us(1);DS18B20_write_byte(0 xcc)

55、; /发命令DS18B20_write_byte(0 xbe);temp_data0=DS18B20_read_byte(); /读温度值的低字节temp_data1=DS18B20_read_byte(); /读温度值的高字节/temp=temp_data1;/temp=8; /temp=temp|temp_data0; / 两字节合成一个整型变量。temp=(temp_data1*256)+temp_data0)*0.0625*10;DS18B20_delay_11us(6); return temp; /返回温度值0123格式3、 Shuizhijiance.c #include#inc

56、lude #include DS18B20.h #define DATA P0sbit RW=P26;/1602写数据sbit RS=P27;/1602写地址sbit EN=P25; /1602工作使能sbit adcs=P24;/可以硬件直接接地sbit adrd=P23;sbit adwr=P22;unsigned char T0count=0;unsigned char timecount=0;bit flag;unsigned long z;unsigned int b8=R,=,0,0,.,0,k,0Xf4;unsigned char table19=T,e,m,=,0,0,.,0,

57、0 xdf; /*unsigned int table1=0,320,640,960,1280,1600, 1920,2240,2560,2880,3200, 3520,3840,4160,4480,4800;unsigned int table2=0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200,220,240,260,280,300; */unint R,data0,data1,C,data2,h,l,q,ad_val_h,ad_val_l,ad_val,ReadTempDate,templ,temph,temp0;float x,y;/*1602的程序*/voi

58、d delay(unint z)/延时程序unint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);unchar get_ad()/adc0804操作unchar temp;adcs=1;adwr=1;_nop_();delay(1);adcs=0;adwr=0;_nop_();delay(1);adwr=1;adcs=1;delay(1);P1=0 xff;adcs=1;adrd=1;delay(1);_nop_();_nop_();_nop_();delay(20);adcs=0;adrd=0;_nop_();temp=P1;delay(1);adrd=1;adcs=1;return temp; /*延时1MS*/void Delay1ms(unsigned int mm)unsigned int i; for(mm;mm0;mm-) for(i=100;i0;i-);/