單片機課程設(shè)計（論文）智能水中溶氧測定儀的設(shè)計

1、本科生課程設(shè)計（論文）目錄第1章 緒論11.1 溶氧概述11.2 溶解氧測定儀的工作原理11.3 設(shè)計目的2第2章 方案論證32.1 概述32.2 方案的選擇3第3章 硬件電路設(shè)計53.1 模擬通道的設(shè)計53.1.1 傳感器的選型53.1.2 儀表放大器選型53.1.3 a/d轉(zhuǎn)換器的選型63.2 后向通道的設(shè)計73.2.1單片機的選型73.2.2 時鐘芯片的選擇73.2.3 液晶顯示器83.2.4 報警電路93.2.5 鍵盤電路93.2.6 輸出電路103.3 總體設(shè)計電路11第4章 軟件設(shè)計12第5章 總結(jié)13參考文獻14附錄.15 第1章 緒論1.1 溶氧概述近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)

2、展，越來越多的人開始意識到監(jiān)測水中溶氧的必要性和重要性。尤其是大中型發(fā)電廠、水處理廠、油田及環(huán)保等單位，為確保水質(zhì)，保證設(shè)備長期正常運行，必須嚴格地監(jiān)測和控制所用水中的溶解氧含量。目 前，普遍采用專用儀器（溶氧儀）代替化學(xué)法測定溶解氧含量。溶氧儀主要由主機和傳感器(電極) 構(gòu)成。傳感器主要有兩種，即原電池式“do”電極和極譜式復(fù)膜電極。原電池式“do”電極由于消耗電極材料、精度低、壽命短而逐漸被淘汰。而極譜式復(fù)膜電 極以其受干擾小、使用壽命長、便于儲存等優(yōu)點被大量應(yīng)用在do測量上。目前，國內(nèi)也生產(chǎn)極譜式電極溶氧儀，但存在準確度差、穩(wěn)定性差、定標復(fù)雜、各種補償功能不足的缺點。國外的溶氧儀雖然精度

3、高，但其價格昂貴，維護困難，難以滿足國內(nèi)的需求。溶解氧（do）是指溶解于水中的氧的含量，它以每升水中氧氣的毫克數(shù)表示。溶解在水中的氧稱為溶解氧，溶解氧以分子狀態(tài)存在于水中。水中溶解氧量是水質(zhì)重要指標之一，也是水體凈化的重要因素之一，溶解氧高有利于對水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；反之，溶解氧低，水體中污染物降解較緩慢。水中溶解氧含量受到兩種作用的影響：一種是使do下降的耗氧作甩，包括好氧有機物降解的耗氧，生物呼吸耗氧；另一種是使do 增加的復(fù)氧作用，主要有空氣中氧的溶解，水生植物的光合作用等。這兩種作用的相互消長，使水中溶解氧含量呈現(xiàn)出時空變化。水被有機物污染后，由于好氧菌作用

4、使其氧化，消耗掉溶解氧。如果得不到空氣中氧的及時補充，那么水的溶解氧就減少，最終導(dǎo)致水體變質(zhì)。所以把溶解氧作為水質(zhì)污染程度的一項指標。溶解氧越少，表明污染程度越嚴重。1.2 溶解氧測定儀的工作原理測量水中溶解氧含量的儀表屬于電流式分析儀器，電流式分析儀的傳感器能夠把被分析物質(zhì)濃度的變化轉(zhuǎn)換成電流信號的變化。按工作原理的不同，又可分為原電池式和極普式。常見的溶解氧測定儀多采用隔膜電極作換能器，將溶氧濃度（實際上是氧分壓）轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大、調(diào)整（包括鹽度、溫度補償），模數(shù)轉(zhuǎn)換顯示。測定溶解氧實用的膜電極有兩種類型：極譜型（polarography）和原電池型（galvanic cell）。

5、極譜型（polarography）：電極中，由黃金（au）環(huán)或鉑（pt）金環(huán)作陰極；銀-氯化銀（或汞-氯化亞汞）作陽極。電解液為氯化鉀溶液。陰極外表面覆蓋一層透氧薄膜。薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡膠等透氣材料。陰陽兩電極之間外加0.51.5v的極化電壓。有的極化電壓為0.7伏。當溶解氧透過薄膜到達黃金陰極表面，在電極上發(fā)生如下反應(yīng)： 陰極被還原：o2+2h2o+4e4oh；陽極被氧化：4cl+4ag-4e4agcl 。1.3 設(shè)計目的國內(nèi)生產(chǎn)的極譜式電極溶氧儀存在準確度差、穩(wěn)定性差、定標復(fù)雜、各種補償功能不足的缺點。國外的溶氧儀雖然精度高，但其價格昂貴，維護困難，難以滿足國內(nèi)的

6、需求。因此，設(shè)計了基于at89c51微控制器的智能在線溶解氧分析儀，該系統(tǒng)具有低功耗、精確度高、穩(wěn)定 性好、存儲量大等特點。第2章 方案論證2.1 概述智能溶解氧測定儀采用超低功耗單片機測量和控制，功耗低，可靠性高，可實現(xiàn)智能化測量，采用極譜法測量， 采用微處理技術(shù)，操作簡單。有四個按鍵可以實現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，采用液晶顯示，可以實現(xiàn)當前do含量、水溫和系統(tǒng)時間的顯示。2.2 方案的選擇 圖2.1是智能水中溶氧測定儀的基本組成方框。主要由溫度傳感器、溶氧傳感器、放大器、a/d轉(zhuǎn)換器、單片機控制、液晶顯示器，電源等組成。溫度傳感器是把溫度轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）的器件，溫度傳感器輸出電壓的大小隨溫度的

7、高低變化而變化，電壓值的變化范圍從幾個微伏到幾個毫伏。不同的溫度傳感器，輸出電壓的范圍也差別很大。放大器的主要功能是把微弱的溫度電壓信號放大到（02）伏或（05）伏的范圍內(nèi)，以便進行a/d轉(zhuǎn)換。a/d轉(zhuǎn)換器把放大后的模擬溫度電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字溫度電壓信號。單片機at89c51是智能溫度計的控制核心，一方面控制a/d轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，另一方面將采集到的數(shù)字溫度電壓值，經(jīng)過計算處理，得到相應(yīng)的溫度值，送到液晶顯示器以數(shù)字形式顯示測量的溫度。液晶顯示器用于顯示測量溫度，水中氧含量的結(jié)果和系統(tǒng)時間。當do含量低于設(shè)定標準值時，能夠進行聲光報警。溫度傳感器 單 片 機 89c51

8、液晶顯示器儀表放大器a/d轉(zhuǎn)換器電 源氧傳感器儀表放大器報警電路鍵盤圖2.1 智能水中溶氧測定儀的基本組成方框圖本設(shè)計也可以直接選用輸出為數(shù)字量的溫度度傳感去和氧傳感器，但是由于其造價太高，所以選用以上設(shè)計方案。第3章 硬件電路設(shè)計智能在線溶氧儀的設(shè)計以低功耗8位控制器at89c51為核心，可分為八個部分：微控制器、氧傳感器、溫度傳感器、信號處理及a/d轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報警電路等。3.1 模擬通道的設(shè)計本設(shè)計的模擬輸入通道一般包傳感器、儀表放大器和a/d轉(zhuǎn)換器。根據(jù)設(shè)計要求和工藝要求本設(shè)計采用溫度傳感器測量水溫和溶氧傳感器測量水中氧含量。由于采集的模擬信號微弱，并為了充分利用a/d轉(zhuǎn)換器的

9、分辨率，通常將放大器的工作窗口定位在信號的特點范圍內(nèi)，以“窗口放大”的形式工作，采用儀表放大儀對信號進行放大。為了便于把信號輸入單片機，必須將信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號所以采用a/d轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。3.1.1 傳感器的選型溫度傳感器選為ad590，ad590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，精度高，輸出為模擬量。ad590參數(shù)：ad590的測溫范圍：-55 +150 ；ad590的電源電壓范圍：4v30v。電源電壓從4v到6v變化，電流變化1a，相當于溫度變化1k。ad590可以承受44v正相電壓和20 v反相電壓。因而器件反接也不會損壞器件；輸出電阻：710 。氧傳感器采用

10、的復(fù)合式溶氧傳感器，其中氧傳感器基于極譜原理。3.1.2 儀表放大器選型 放大器選為bb公司的儀表放大器ina114。ina114內(nèi)部集成了3個運算放大器和6個50k的精密電阻，可以方便的改變放大系數(shù)。主要功能是把模擬的溫度電壓信號放大到a/d轉(zhuǎn)換器要求的輸入電壓范圍。使放大器a的輸出電壓為0.0v。放大器的放大倍數(shù)選擇為10，保證溫度在0150范圍內(nèi)變化，而放大器的輸出電壓在50v的范圍內(nèi)。3.1.3 a/d轉(zhuǎn)換器的選型根據(jù)設(shè)計要求a/d轉(zhuǎn)換器選為max1132。max1132轉(zhuǎn)換的電壓范圍可達+12v，比其他adc轉(zhuǎn)換電壓范圍要寬；它的精度達到16位，轉(zhuǎn)換速度最高可達到200kp/s，足以

11、滿足系統(tǒng)對精度和速度的要求，do200個變化值，溫度400個變化值。新型adc芯片maxl132與一般adc芯片相比，僅需單一+5v供電，同時帶有內(nèi)部基準電壓且外圍電路簡單，因而可簡化電路設(shè)計。同時，基于maxll32的串行接口也易于與單片機進行連接。圖3.1為max1132與單片機的連接圖。圖中將max1132的cs與單片機p1.0腳相連，max1132的片選端由單片機經(jīng)p1.0腳發(fā)出信號選通；控制字節(jié)由單片機p1.1腳輸出到adc的din端；轉(zhuǎn)換結(jié)果則由p1.3腳從adc的dout端讀入單片機，讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時鐘sclk可由p1.2腳依次發(fā)出高低電平來構(gòu)成：p1.4腳接至表示max1132

12、工作狀態(tài)的串行選通輸出sstrb，單片機則通過p1.4腳查詢adc的工作狀態(tài)；而進行逐次逼近轉(zhuǎn)換的時鐘則由max1132內(nèi)部時鐘發(fā)生器產(chǎn)生。圖3.1 max1132與單片機的連接圖3.2 后向通道的設(shè)計3.2.1單片機的選型單片機選用at89c51，at89c51由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2.2 時鐘芯片的選擇時鐘芯片選用dallas公司的ds1302芯片，ds1302是一種高性能、低功耗、帶ram的實時時鐘，具有

13、計算2100年之前的秒、分、時、日、星期、月、年的能力，并能計算調(diào)整閏年。在系統(tǒng)關(guān)機時可以保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。簡單的三線串行i/o口方式，寬范圍工作電壓2.05.5v，當工作電壓為2.0v時工作電流小于300na；備份電源引腳vcc1可接入電池或大容量電容器，對備份電源有可選的涓流充電能力。ds1302與單片機的連接如圖3.2所示。圖3.2 ds1302與單片機的連接3.2.3 液晶顯示器本系統(tǒng)選用tcl602a液晶顯示模塊。ticl602a是2x16個字符型液晶顯示模塊。lcd控制器hd44780是整個顯示系統(tǒng)的核心，具有自身的時鐘信號，并有完整的指令系統(tǒng)，它是用低功耗coms技術(shù)制造的大規(guī)模點陣

14、lcd控制器，和微處理器相連，它能使點陣lcd顯示大小寫英文字母，數(shù)字和符號；lcd驅(qū)動器hd44100是用低功耗coms技術(shù)制造的大規(guī)模lcd運動驅(qū)動ic，它既可當行驅(qū)動用，也可當列驅(qū)動用；lcd顯示器其上排列著若干字符顯示位，每個顯示位可顯示一個字符。把tcl602a液晶顯示模塊作為終端接在單片機的并行接口上。圖3.3給出了tcl602a液晶模塊與單片機連接的接口電路。圖中的rs端接單片機的p3.4口，rw端接p3.5口，e端接p3.3的口，d0d7端接平p1.0p1.7口。液晶顯示模塊在編制驅(qū)動子程序的時候，要注意時序的配合，根據(jù)tcl602a時序的規(guī)范，在寫操作時，使能信號e的下降沿有

15、效，在軟件設(shè)置順序上，先設(shè)置rs和rw的狀態(tài)，再設(shè)置數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生e信號的脈沖，最后復(fù)位rs和rw狀態(tài)。在讀操作時，使能信號e的高電平有效，所以在軟件設(shè)置順序上，先設(shè)置rs和rw狀態(tài)，再設(shè)置e信號為高電平，這時從數(shù)據(jù)口讀取數(shù)據(jù)，然后將e信號置低，最后復(fù)位rs和rw狀態(tài)。圖3.3 液晶模塊與單片機連接的接口電路3.2.4 報警電路本設(shè)計需要聲光報警，所以選用蜂鳴器和led燈作為執(zhí)行器件接在單片機的輸出口。蜂鳴器和led燈與單片機的連接如圖3.4所示。圖3.4 報警電路3.2.5 鍵盤電路按鍵選擇查詢方式的獨立按鍵，通常按鍵都是低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時i/o口線有確定的高電平。圖3.5

16、為獨立式按鍵電路。圖3.5 獨立式按鍵電路3.2.6 輸出電路輸出電路由標準電流輸出電路、控制繼電器和通信接口等組成。利用at89c51的pwm（脈寬調(diào)制）輸出420ma標準電流，用于控制或外接記錄儀。通信電路采用rs485總線接口同上位計算機組成工控網(wǎng)絡(luò)，rs485 采用平衡式差分傳輸方式，抗干擾能力強，傳輸距離遠，通訊速率高。采用max485芯片實現(xiàn)通信，通信線路采用雙絞線，圖3.6為max485的接口電路。圖3.6 max485的接口電路。3.3 總體設(shè)計電路氧傳感器及溫度傳感器輸出的模擬信號，經(jīng)過放大處理后，進行a/d轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入微控制器進行分析處理，然后對數(shù)據(jù)進行存

17、儲和上傳，并顯示。當do含量低于設(shè)定值時，進行聲光報警。第4章 軟件設(shè)計 開始初始化，設(shè)堆棧指針，清除ram緩沖區(qū)，初始化lcd顯示器，調(diào)用max1132的a/d轉(zhuǎn)換程序，對溫度和do進行采樣，送lcd顯示器，顯示當前溫度調(diào)用max1132的a/d轉(zhuǎn)換子程序，將溫度的電壓數(shù)字值和do存放到內(nèi)部a/d輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)調(diào)用a/d輸入數(shù)字值到數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換子程序，將數(shù)字溫度電壓值轉(zhuǎn)換為其相應(yīng)的溫度數(shù)字，存放到數(shù)字溫度的緩沖區(qū)調(diào)用送lcd顯示器顯示子程序，然后調(diào)用動態(tài)掃描子程序設(shè)計的部分流程圖如圖4.1。圖4.1 程序流程圖第5章 總結(jié)本課程設(shè)計敘述了智能水中溶氧測定儀的設(shè)計，包括硬件組成和軟件的設(shè)計，該

18、系統(tǒng)在硬件設(shè)計上主要是通過溫度傳感器對溫度進行采集，氧傳感器對氧含量進行采集，把溫度和氧含量轉(zhuǎn)換成變化的電壓，然后由放大器將信號放大，通過a/d轉(zhuǎn)換器max1132將模擬信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字信號。其硬件設(shè)計中最核心的器件是單片機at89c51，它一方面控制a/d轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，另一方面，將采集到的數(shù)字溫度電壓值經(jīng)計算機處理得到相應(yīng)的溫度值，送到液晶顯示器，以數(shù)字形式顯示測量的溫度和氧含量。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，簡單可靠，操作靈活，功能強大，性能價格比高，較好的滿足了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研的需要。參考文獻1 高鋒.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及實用技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,20062 郭強.

19、液晶顯示器的驅(qū)動和控制.北京:北京清華蓬遠科貿(mào)公司,20063 李朝青.單片機原理及接口技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20074 徐惠民,安德寧.單片微型計算機原理.北京:北京郵電大學(xué)出版社,20075李朝青.pc機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)m .北京航空航天大學(xué)出版社,2006附錄tc1602液晶顯示程序如下：#include #include#include#include#includesbit p1_4 = p14;sbit p1_3 = p13;sbit p1_5 = p15;#define lcm_rw p1_4 #define lcm_rs p1_3#define lcm_e p

20、1_5#define lcm_data p2 #define busy 0x80 void writedatalcm(unsigned char wdlcm);void writecommandlcm(unsigned char wclcm,buysc);unsigned char readdatalcm(void);unsigned char readstatuslcm(void);void lcminit(void);void displayonechar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char ddata);void display

21、listchar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char code *ddata);void delay5ms(void);void delay400ms(void); unsigned char code uctech=win_belong_to;unsigned char code net=guo_xiaoxin;void main(void)delay400ms(); lcminit();delay5ms(); displaylistchar(0,0,uctech);displaylistchar(0,1,net);readdata

22、lcm(); while(1); void writedatalcm(unsigned char wdlcm)readstatuslcm(); lcm_data = wdlcm;lcm_rs = 1;lcm_rw = 0;lcm_e = 0; lcm_e = 0; lcm_e = 1;/寫指令void writecommandlcm(unsigned char wclcm,buysc) /buyscif (buysc) readstatuslcm(); lcm_data = wclcm;lcm_rs = 0;lcm_rw = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 1;/讀

23、數(shù)據(jù)unsigned char readdatalcm(void)lcm_rs = 1;lcm_rw = 1;lcm_e = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 1;return(lcm_data);/讀狀態(tài)unsigned char readstatuslcm(void)lcm_data = 0xff;lcm_rs = 0;lcm_rw = 1;lcm_e = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 1;while (lcm_data & busy);return(lcm_data);void lcminit(void) lcm_data = 0;writecommandlcm(0x38,0); delay5ms();writeco