单片机的地下水监测系统设计
本设计详细阐述了多参数地下水监测系统的研究方案、组成结构及其特点。整个采集系统完成对地下水的水位、水温等参数的测量，而且在需要时，可适当扩充被测量的地下水参数。系统使用相应的传感器，将地下水参数由物理量转换为电信号，经过各自的前置放大电路进行一级放大，信号变为合适的幅度，经过滤波电路以消除其它频率的干扰信号，并进行二级放大处理，送入A/D转换器进行A/D转换。转换后的数字信号被送入AT89C52单片机，进行报警、显示等各种数据处理。
关键字 地下水监测，单片机，传感器
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外地下水监测研究现状 1
2 系统方案设计 1
2.1 系统总体设计 1
2.2 传感器选择 2
3 系统硬件设计 6
3.1 前置放大电路设计 6
3.2 多路模拟开关设计 7
3.3 滤波电路设计 7
3.4 单片机系统设计 8
3.5 A/D转换电路设计 9
3.6 看门狗电路设计 10
3.7 人机接口电路设计 12
3.8 通信接口电路设计 14
3.9 电源模块设计 15
4 元件安装焊接及系统调试 15
4.1 元件安装 16
4.2 焊接注意的基本事项 16
4.3 硬件调试 16
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 27
1 引言
1．1 研究背景与意义
地下水作为全球水资源的重要部分，在我国许多地区和城市，地下水都是重要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
的供水来源。地下水监测是合理利用地下水的前提和保障，可以有效的保护地下水的生态环境，监测到的信息对于工农业发展、生活用水以及湿地环境保护等都具有十分重要的意义，直接关系着人民生活，关系着我国国民经济的建设又好又快的发展。有关这些年所监测到的监测信息为水资源保护和充分开发利用做出了很大贡献。但目前地下水监测依然存在许多不足，人员和技术与国外发达国家还存在很大差距，再加上监测技术和方法的落后以及信息实时传输能力的不足等问题的存在，根本满足不了水资源管理的要求。
1．2 国内外地下水监测研究现状
目前，国内的监测技术与国外的相比还有很大差距。虽然不管是工作人员的操作能力上还是在监测科技的发展程度上和发达国家还存在着一定的差距，但是，多年来，在政府的支持下，在科研人员的不懈奋斗中，在全体工作人员的努力下，我国的监测技术有了长足的发展，逐渐拉近了与发达国家的差距，在全国许多地区和城市也建立了完善的监测网络，为国家地下水探测工作提供了丰富的数据支持。
近年来，国家和政府一直致力于监测系统的发展，不管是在水利，天文，地震等方面取得巨大的成就，在水监测方面政府也一直借鉴国外成熟的技术，以及派出工作人员赴国外学习先进的操作技术和完善的理论知识，为之后国家监测工作提供了必要的技术支持，保障了国民用水的安全，也为社会经济的发展提供了强大的后援。
再者，环保节约型社会也离不开监测技术的支持，地下水的合理利用不仅关乎着工农业的用水，也切身关系着民众的饮水安全，以及整个生态的平衡。
2 系统方案设计
2. 1系统总体设计
此次设计的系统是对地下水的各参数进行实时监测，然后通过串口总线，把采集到的数据传输给计算机，然后计算机通过算法进行分析，本系统是利用多种传感器来完成数据采集的工作。整个设计如图2.1所示。采集到的是电压信号，然后经A/D转换器转换成数字信号送给单片机。之后，单片机根据送来的信号进行各种处理，如数据存储、显示、报警等功能。
图2.1 总设计框图
本次毕业设计的监测系统是可用于在户外进行工作的，在设计过程中以高效，简单，可靠作为设计原则。其设计重点是：
（1）系统中用来检测地下水参数的是水位、溶解氧、电导率等传感器，具有高效性和操作简单性、抗干扰能力强等特点。
（2）电路中使用多路模拟开关，可以将多路信号分别传送到A/D中，不仅节省了电路消耗而减少了电路设计的成本。
（3）通过4个按键来设置各参数的标准数据，用来和传感器采集到的数据作比较。
（4）采用LCD液晶显示器，系统采用低功耗设计。
（5）采用声音报警，将采集到的数据与标准数据进行比较。当不符合标准时，蜂鸣器报警。
2.2 传感器选择
在现代科学技术发展过程中离不开传感器技术的发展[1~3]。目前电脑技术的不断成熟，现代信息处理技术也得到了长足发展完善。但传感器发展现状有它的不足，它的发展相对于PC机信息处理功能来说就显的比较缓慢了，不能适应监测技术的需求从而影响了其他技术的进一步发展。综上原因，现在更多的科科研人员对传感器技术给予重视，加速了传感器技术的发展，来适应信息处理技术需求。对于本次设计，传感器的选择是至关重要的[4]。
2.2.1水位传感器
随着各种传感器的研制和开发。有大量新型的传感器不断问世并被应用于水文自动测报系统中。目前在水位测量仪器中除了应用较为广泛的浮子式编码水位传感器以外，压力式水位传感器有价格合理、简化土建施工、安装便利等优点，所以，本系统选用压力式水位传感器来监测地下水的水位。实物如图2.2所示：
图2 .2压力式传感器
2.2.2水温传感器
在水温检测中使用最多的是热电偶、集成温度传感器和铂电阻。随着科技的发展，水温传感器也有了成熟的发展。之前的热电偶检测因为灵敏度低，在许多场合已经不在使用。而集成温度传感器是在大规模集成电路技术发展的道路中逐渐发展起来的，有一定的使用性，本次设计使用的是AD590。AD590具有抗干扰能力强，传输距离远等优点。如图2.3所示：
图2.3 AD590
AD590共有3个引脚，其检测电路如图2.4所示：
图2.4AD590检测电路
2.2.3电导率传感器
电导率表示着某种物质传输电流能力的强弱程度。人们经常用电导来表示物质在液体中导电能力的大小，是评定水质的一个很重要的方面。导电的能力由水中电解质的浓度决定。水中溶解性盐类对它有着极大的关系，在温度一定的情况下，水的纯度越高那么电导率越低。
感应式电导率传感器适用于多种恶劣的环境中，比如高温，腐蚀性的溶液中，所以本次设计选择电感式电导率传感器。其测量原理如图2.5所示：
图2.5感应式电导率传感器测量原理
电导率传感器的封装引脚有4个，其检测电路如图2.6所示：
图2.6 电导率传感器检测电路
2.2.4 PH值传感器
水中参数除了水温等重要参数外，酸度也是检验水质的重要指标，它们能全面地反映出地下水的化学环境的改变。本系统采用PH值光纤传感器来测PH值。
1 引言 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外地下水监测研究现状 1
2 系统方案设计 1
2.1 系统总体设计 1
2.2 传感器选择 2
3 系统硬件设计 6
3.1 前置放大电路设计 6
3.2 多路模拟开关设计 7
3.3 滤波电路设计 7
3.4 单片机系统设计 8
3.5 A/D转换电路设计 9
3.6 看门狗电路设计 10
3.7 人机接口电路设计 12
3.8 通信接口电路设计 14
3.9 电源模块设计 15
4 元件安装焊接及系统调试 15
4.1 元件安装 16
4.2 焊接注意的基本事项 16
4.3 硬件调试 16
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 27
1 引言
1．1 研究背景与意义
地下水作为全球水资源的重要部分，在我国许多地区和城市，地下水都是重要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
的供水来源。地下水监测是合理利用地下水的前提和保障，可以有效的保护地下水的生态环境，监测到的信息对于工农业发展、生活用水以及湿地环境保护等都具有十分重要的意义，直接关系着人民生活，关系着我国国民经济的建设又好又快的发展。有关这些年所监测到的监测信息为水资源保护和充分开发利用做出了很大贡献。但目前地下水监测依然存在许多不足，人员和技术与国外发达国家还存在很大差距，再加上监测技术和方法的落后以及信息实时传输能力的不足等问题的存在，根本满足不了水资源管理的要求。
1．2 国内外地下水监测研究现状
目前，国内的监测技术与国外的相比还有很大差距。虽然不管是工作人员的操作能力上还是在监测科技的发展程度上和发达国家还存在着一定的差距，但是，多年来，在政府的支持下，在科研人员的不懈奋斗中，在全体工作人员的努力下，我国的监测技术有了长足的发展，逐渐拉近了与发达国家的差距，在全国许多地区和城市也建立了完善的监测网络，为国家地下水探测工作提供了丰富的数据支持。
近年来，国家和政府一直致力于监测系统的发展，不管是在水利，天文，地震等方面取得巨大的成就，在水监测方面政府也一直借鉴国外成熟的技术，以及派出工作人员赴国外学习先进的操作技术和完善的理论知识，为之后国家监测工作提供了必要的技术支持，保障了国民用水的安全，也为社会经济的发展提供了强大的后援。
再者，环保节约型社会也离不开监测技术的支持，地下水的合理利用不仅关乎着工农业的用水，也切身关系着民众的饮水安全，以及整个生态的平衡。
2 系统方案设计
2. 1系统总体设计
此次设计的系统是对地下水的各参数进行实时监测，然后通过串口总线，把采集到的数据传输给计算机，然后计算机通过算法进行分析，本系统是利用多种传感器来完成数据采集的工作。整个设计如图2.1所示。采集到的是电压信号，然后经A/D转换器转换成数字信号送给单片机。之后，单片机根据送来的信号进行各种处理，如数据存储、显示、报警等功能。
图2.1 总设计框图
本次毕业设计的监测系统是可用于在户外进行工作的，在设计过程中以高效，简单，可靠作为设计原则。其设计重点是：
（1）系统中用来检测地下水参数的是水位、溶解氧、电导率等传感器，具有高效性和操作简单性、抗干扰能力强等特点。
（2）电路中使用多路模拟开关，可以将多路信号分别传送到A/D中，不仅节省了电路消耗而减少了电路设计的成本。
（3）通过4个按键来设置各参数的标准数据，用来和传感器采集到的数据作比较。
（4）采用LCD液晶显示器，系统采用低功耗设计。
（5）采用声音报警，将采集到的数据与标准数据进行比较。当不符合标准时，蜂鸣器报警。
2.2 传感器选择
在现代科学技术发展过程中离不开传感器技术的发展[1~3]。目前电脑技术的不断成熟，现代信息处理技术也得到了长足发展完善。但传感器发展现状有它的不足，它的发展相对于PC机信息处理功能来说就显的比较缓慢了，不能适应监测技术的需求从而影响了其他技术的进一步发展。综上原因，现在更多的科科研人员对传感器技术给予重视，加速了传感器技术的发展，来适应信息处理技术需求。对于本次设计，传感器的选择是至关重要的[4]。
2.2.1水位传感器
随着各种传感器的研制和开发。有大量新型的传感器不断问世并被应用于水文自动测报系统中。目前在水位测量仪器中除了应用较为广泛的浮子式编码水位传感器以外，压力式水位传感器有价格合理、简化土建施工、安装便利等优点，所以，本系统选用压力式水位传感器来监测地下水的水位。实物如图2.2所示：
图2 .2压力式传感器
2.2.2水温传感器
在水温检测中使用最多的是热电偶、集成温度传感器和铂电阻。随着科技的发展，水温传感器也有了成熟的发展。之前的热电偶检测因为灵敏度低，在许多场合已经不在使用。而集成温度传感器是在大规模集成电路技术发展的道路中逐渐发展起来的，有一定的使用性，本次设计使用的是AD590。AD590具有抗干扰能力强，传输距离远等优点。如图2.3所示：
图2.3 AD590
AD590共有3个引脚，其检测电路如图2.4所示：
图2.4AD590检测电路
2.2.3电导率传感器
电导率表示着某种物质传输电流能力的强弱程度。人们经常用电导来表示物质在液体中导电能力的大小，是评定水质的一个很重要的方面。导电的能力由水中电解质的浓度决定。水中溶解性盐类对它有着极大的关系，在温度一定的情况下，水的纯度越高那么电导率越低。
感应式电导率传感器适用于多种恶劣的环境中，比如高温，腐蚀性的溶液中，所以本次设计选择电感式电导率传感器。其测量原理如图2.5所示：
图2.5感应式电导率传感器测量原理
电导率传感器的封装引脚有4个，其检测电路如图2.6所示：
图2.6 电导率传感器检测电路
2.2.4 PH值传感器
水中参数除了水温等重要参数外，酸度也是检验水质的重要指标，它们能全面地反映出地下水的化学环境的改变。本系统采用PH值光纤传感器来测PH值。
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