基于AT89S51單片機(jī)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[摘要]本系統(tǒng)是基于低功耗的AT89S51單片機(jī)，通過Ne555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一定頻率的波，再通過單片機(jī)的I/0接口對捕獲高低電平的讀出頻率，然后通過程序算法處理抽換算成電阻的值，使用DS18B20作為溫度采集模塊，用RS485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。經(jīng)過主機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理，將溫度值通過字符液晶1602顯示器顯示。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，具有很大的使用和研究價(jià)值。[關(guān)鍵字]AT89S51單片機(jī)NE555定時(shí)器DS18B20RS485通信throughtheNe555timercontrolintothepumpingresistancevalue,useDS18B20asthetemperatureacquisitionmodule,usingRS485realizelong-distancetransmission.Afterahostdataprocessingandconversion,thetempeadvantagesofsimplestructurRS485communicationprotocol第2章水質(zhì)檢測的因素32.1一般水質(zhì)檢測的因素32.2電子設(shè)備檢測的因素32.3水質(zhì)與水的導(dǎo)電率的相互關(guān)系3第3章系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及總體設(shè)計(jì)方案43.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求43.2總體設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案4第4章系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì)與論證54.1測量電阻模塊方案設(shè)計(jì)54.2溫度傳感器方案選擇64.3通信模塊的方案選擇65.1AT89S51單片機(jī)及其他器件的功能介紹及原理85.2DS18B20溫度傳感器的簡介105.3NE555的簡介及應(yīng)用135.4RS485總線的應(yīng)用及介紹155.5字符液晶1602的介紹175.6電源模塊的設(shè)計(jì)20第6章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)226.1程序設(shè)計(jì)226.2系統(tǒng)主程序流程圖22第7章測試方法及結(jié)果.247.1調(diào)試方法247.2電導(dǎo)率的檢測247.3溫度的檢測25結(jié)束語26致謝27參考文獻(xiàn)28體獲得各種營養(yǎng)物質(zhì)的重要途徑之一。隨著科技的發(fā)展，水污染越來越嚴(yán)重。對水資源的保護(hù)成為一項(xiàng)重要的工程。水質(zhì)檢測是對水資源保護(hù)的重要指標(biāo)。水質(zhì)檢測越來越受到人們的關(guān)注。因此本次設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選擇水質(zhì)檢測系統(tǒng)。其中飲水安全則是影響人體健康和國計(jì)民生的重大問題。飲用水主要考慮對人體健則考慮是否影響產(chǎn)品質(zhì)量或易于損害容器及管道。近年來，由于國際上一些地區(qū)和國家頻繁發(fā)生惡性事件，飲水安全和衛(wèi)生問題引起了全球的關(guān)注，飲水安全已成為全球性的重大戰(zhàn)略性問題。近年來由于本設(shè)計(jì)國工業(yè)生產(chǎn)水平的迅猛發(fā)展，每年的廢水也不斷增加，其中對環(huán)境產(chǎn)生影響的來源主要有：?未經(jīng)處理而排放的生活污水?大量使用化肥、農(nóng)藥、除草劑的農(nóng)田污水?堆放在河邊的工業(yè)廢棄物和生活垃圾?水土流失?礦山污水2.1一般水質(zhì)監(jiān)測的因素總磷、糞大腸菌群、鉛、鎘、汞、鋅、銅、石油類、硫化物、六價(jià)鉻、氰化物氮、亞硝酸鹽氮、氟化物、氯化物、硫酸鹽、陰離子表面活性劑、氰化物、揮發(fā)酚、六價(jià)鉻、銅、鉛、鋅、鐵、錳、鎘、總汞、總砷、硒、總大腸菌群、細(xì)2.3水質(zhì)與水的導(dǎo)電率的相互關(guān)系電阻率P的物理意義是1cm,截面為1cm2均勻?qū)щ婓w的電阻值(即1cm,水或水溶米Ω?cm)。電阻率P的倒數(shù)稱為電導(dǎo)率x單位為記作歐姆-1?厘米-1)。表2-1某質(zhì)量分?jǐn)?shù)各水樣的相對電導(dǎo)率范圍序列測量內(nèi)容相對電導(dǎo)率變化范圍1自來水-0.002-0.0022加入8mg硫酸亞鐵-0.176-0.5673加入4mg硫酸亞鐵-0.063-0.2525加入2mg氯化鉀-0.406-0.5316加入1mg氯化鉀-0.048-0.2017加入2mg磷酸三鈉-0.061-0.1958生活污水-0.283-0.2759某電氣公司處理前水樣-0.500-0.62210某電氣公司處理后水樣-0.478-0.412第3章系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及總體設(shè)計(jì)要求3、遠(yuǎn)距離傳送3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)將溫度模塊、485發(fā)送模塊、485接收模塊、測電阻模塊、顯示低電平的讀出頻率，然后通過程序算法處理抽換算成電進(jìn)行主從機(jī)之間的通信，將從機(jī)信號發(fā)送到主機(jī)，經(jīng)過主機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理，將溫度值以及電阻值通過字符液晶1602顯示器顯示。圖3-1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖圖3-1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖第4章系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì)與論證4.1電阻檢測模塊方案論證相位測量方案的關(guān)鍵問題是電阻測量方法的選擇：圖4-1串聯(lián)電路原理圖根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理可知，串聯(lián)電路上電壓與電阻成正比關(guān)系。通過測圖4-2電橋衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器，使得電表指針指向正中間。由Z1*Z4Z3*Z4.在通過測方案三：利用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)的方案圖4-3555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)根據(jù)555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機(jī)讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電阻值。由是比較符合要求的，由于是通過單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。故本設(shè)計(jì)選擇了方案三。4.2溫度傳感器方案的選擇隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。溫度傳感器是檢模式，可大致分為三類：邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器、數(shù)字式溫度閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其他控制設(shè)備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。在一些溫度范圍內(nèi)的線性不是太好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償，而且熱慣性有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且它還將驅(qū)動(dòng)電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實(shí)際尺寸小，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常用的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、該方案的缺點(diǎn)是模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的借口電路需要占用微機(jī)的數(shù)條數(shù)據(jù)/控制線。有唯一的64位序列號。以便不同測溫點(diǎn)的識別。DS18B20的測溫是+55℃到4.3液通信模塊方案選擇(共4線),對比RS-232,它能更好的抗噪聲和有更遠(yuǎn)的傳輸距離。在工業(yè)環(huán)境中EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。在要長距離通信的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。下表4.1為常見的三種串口通信性表4.1常見的三種串口通信性能比較功能全雙工全雙工半雙工傳輸方式單端差分差分最大速率20kbit/s10kbit/s第5章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的圖5-1單片機(jī)引腳圖器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制引腳功能說明器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，原因，將輸出電流(IIL)。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入(P1.0/T2)和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX),具體如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。如下表為P1口的第二功能：表5-1P1口的第二功能引腳號第二功能P1.0T2(定時(shí)器/計(jì)時(shí)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入),時(shí)鐘輸出P1.1T2EX(定時(shí)器/計(jì)時(shí)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制)器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。P3口亦作為AT89S52在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號。如下表為P3口第:地址鎖存控制信號(ALE)是訪問外部程序存儲器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳()也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作將無效。這一位置“1”,能標(biāo)志位(地址為8EH的SFR的第0位)的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下表5-2P3口第二功能引腳號第二功能P3.2INTO(非)(外部中斷0)P3.3INT1(非)(外部中斷1)P3.4TO(定時(shí)器0外部輸入)P3.5T1(定時(shí)器1外部輸入)P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通):外部程序存儲器選通信號()是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89S52:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程5.1.2、本系統(tǒng)采用的單片最小系統(tǒng)原理圖圖5-2為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖：圖5-2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路。本最小系統(tǒng)中晶振采用12M,起振電容采用PC初始化為0000H,使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。在單片機(jī)最小系統(tǒng)上5.2.1、DS18B20基本知識(5)、數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。TO-92封裝的DS18B20的引腳排列見圖1,其引腳功能描述見表5-3。5.2.3、DS18B20的使用方法計(jì)必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/0線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。圖5-4DS18B20的復(fù)位時(shí)序?qū)τ贒S18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過程。對于DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過圖5-5DS18B20的讀時(shí)序?qū)τ贒S18B20的寫時(shí)序仍然分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序兩個(gè)過程。對于DS18B20寫0時(shí)序和寫1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us,保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣10總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放圖5-6DS18B20的寫時(shí)序圖5-7為DS18B20的程序流程圖：圖5-7DS18B20程序流程圖圖5-8為DS18B20電路圖：圖5-8DS18B20電路圖555時(shí)集成電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的脈沖振蕩器、定時(shí)延時(shí)電路、雙穩(wěn)觸發(fā)電路、檢測電路、電源變換電路、頻率5.3.2、NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳說明圖5-9555時(shí)基電路管腳排列圖圖5-10555電路結(jié)構(gòu)方框圖555芯片引腳圖及引腳描述分壓器上看出，上比較器6腳A1的5腳接在R1和R2之間，所以5腳的電壓如圖5-11為NE555電路圖：圖5-11NE555電路圖5.3.4、本系統(tǒng)所使用的NE555電路的工作原理NE555電路工作原理根據(jù)555定時(shí)器和外部器件構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，電5.4、RS485總線的應(yīng)用及介紹5.4.1、RS485及其接口介紹線),一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)最多10個(gè)接收器(即接收器為1/10單位負(fù)載),通訊距RS485,在RS422后推出，絕大部分繼承了422,主要的差別是RS485可以是半雙工的，而且一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力至少可以驅(qū)動(dòng)32個(gè)接收器(即接收器為1/32單位負(fù)載),當(dāng)使用阻抗更高的接收器時(shí)可以驅(qū)動(dòng)更多的接收器。所以現(xiàn)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機(jī)的RS485情況比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。(2)通過PCI多串的轉(zhuǎn)換時(shí)間(上升或下降時(shí)間)超過電信號沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上的開始和末端都并接終端電阻。終端電阻在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當(dāng)于電格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配。利用一只電容C5.4.3、RS485應(yīng)用可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動(dòng)器和32臺接收器。本系統(tǒng)采用RS485建立多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，并以兩個(gè)從機(jī)為例成功實(shí)現(xiàn)了主機(jī)對從機(jī)及自己的數(shù)據(jù)采集及處理，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信。本次設(shè)計(jì)所使用的RS-485的電路圖圖5-12為RS485電路圖：圖5-12RS485電路圖工作原理本電路中使用的485芯片為im公司的一個(gè)RS-485的接口芯片。具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器跟接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?85工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡單。只需要一個(gè)信號控制485的接收和發(fā)送即可。5.4字符液晶16025.5.1、1602液晶介紹1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的01000001B(41H),顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，本設(shè)計(jì)就因?yàn)?602識別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)表5-41602的16進(jìn)制ASCII碼表：字母B的ASCII為0x42(前面加0x表示十六進(jìn)制)。1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD,多出來的2條線表5-51602引腳功能圖引腳符號功能說明度最高(對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”,使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整4RSRS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指7DBO底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線0位(最低位)8DB1底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位9DB2底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位10DB3底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位11DB4高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位12DB5高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位13DB6高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線6位14DB7高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線7位(最高位)(也是busyflag)16BLK背光電源負(fù)極本系統(tǒng)采用市場上常見的成本較低1602字符液晶為顯示設(shè)備，充分利用5.5.4、本系統(tǒng)采用的1602液晶顯示電路圖5-13為1602液晶顯示電路：圖5-131602液晶顯示電路本設(shè)計(jì)采用1602液晶顯示。如圖4-3所示。3管腳接10K電位器以方端E輸入。LCD1602有多種的使用方式即并口數(shù)據(jù)傳輸和串行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)中由于1/0口充足，所以采用的是并口傳輸方式數(shù)據(jù)和命令端口接單片機(jī)的PO5.6電源模塊設(shè)計(jì)TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。圖5-157805芯片用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。本系統(tǒng)采用常用的低價(jià)三端穩(wěn)壓集成電路7805芯片，通過電容濾波，7805集成芯片的穩(wěn)壓后輸出線性度較如圖5-16電源模塊電路圖：圖5-16電源模塊電路圖第6章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)就是用計(jì)算機(jī)所能接受的語言把所需解決問題的步驟逐一描述出來，也就是編制計(jì)算機(jī)的程序，在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，軟件的編制是重要環(huán)節(jié)。軟件的質(zhì)量直接影響整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)因系統(tǒng)而異，但程序設(shè)計(jì)總是有共同特點(diǎn)及其規(guī)律的。在編寫程序時(shí)，采取