单片机的水质测量系统设计
摘 要水质测量器控制系统指的是以单片机芯片作为控制器并结合其他必要功能模块的角色而实现的一种能够实现对水温、水质电离子测量等功能的自动控制系统，它的出现和普及大大改变了人们的生活方式，因此本次毕业设计将以单片机控制系统作为研究对象。在硬件系统上使用了目前在大学教学和市场上最受欢迎的51单片机作为控制器芯片，在其片外配置了水温采集传感器、导电性检测探头、模数转换器等功能模块；在软件上通过C语言编写了程序代码，并通过Keil软件环境进行了程序代码的优化和编译。在硬件系统和软件系统都设计完毕后，对这款控制系统进行了大量的测试和优化，在测试过程中系统表现出了非常高的稳定性和使用价值，非常适合进行大量生产并逐步取代相关产品。
目录
一、 引言 1
（一） 水质测量器控制系统的发展背景 1
（二） 水质测量器系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控单片机的对比与选择 3
（二） AT89C51处理器简介 4
（三） LCD1602液晶屏幕介绍 4
（四） 水温传感器简介 5
（五） 水质传感器 6
（六） AD采样芯片简介 7
（七） 蜂鸣器概述 8
三、 硬件系统设计 9
（一） 水质测量器系统的硬件结构框图设计 9
（二） 51单片机最小系统 9
1. 时钟电路 10
2. 复位电路 10
（三） LCD1602电路设计 10
（四） 水温传感器电路设计 11
（五） AD采样芯片电路设计 11
（六） 蜂鸣器电路设计 12
（七） 按键电路 13
四、 软件系统设计 13
（一） 水质测量器系统的软件工作流程设计 14
（二） LCD1602显示流程设计 15
（三） 水温传感器工作流程设计 15
1. 复位操作 16
2. 读数据操作 16
3. 写数据操作 16
（四） AD转换工作流
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
程设计 17
1. 启动指令 17
2. 通道选择指令 17
3. 读取指令 18
五、 系统仿真与调试 18
总 结 22
参考文献 23
致 谢 24
附录一 原理图 25
附录二 元件列表 26
附录三 程序 27
引言
水质测量器控制系统的发展背景
水质测量器控制系统就是指一种内部嵌入单片机等微处理器作为主控芯片，在单片机片外搭配水质测量探头、高精度液晶屏、按键、报警器以及某些无线收发模块，这些系统所表现出的特点往往是以单片机作为核心部分，在软件上以SPI、IIC或者串口等一些典型接口进行相互之间数据收发。本课题将要设计的这种水质测量器控制系统主要为了完成对水中电离子导电能力的测量、水温的测量以及水中盐离子含量的测量等功能，从而实现对水的浑浊度以及纯净度等参数进行测量，能够实现这种功能的系统或者机械结构在很早以前就已经出现了，较早期的水质测量器系统在组成上以机械结构占据主要部分，在功能的实现上也主要是以机械结构来实现的，随着电子技术逐渐发展后，设计者将一些简易的电子功能融入到传统水质测量器系统中，虽然这些功能在实现难度上非常容易，但是诸如高精度测量、便携式等特性的加入，使得传统水质测量器系统更加具有实用性，使用者在用这种传统水质测量器系统时能够得到更高的使用体验感，因此设计者们意识到这一趋势之后，不断将当时较为先进的电子技术和成熟控制技术嵌入到传统水质测量器系统内部。在二十世纪后半页半导体技术和单片机技术实现大发展后，传统水质测量器系统迎来了发展的新契机，单片机丰富的控制方式和成熟的控制性能得到了设计师的一致好评，这一时机的水质测量器系统设计人员纷纷将单片机控制系统进行嵌入，通过将模数转换器、水温采集器等模块的搭配，实现了水质优劣快速测量等新型智能功能。上世纪七十年代后期集成传感器技术的成熟为新型水质测量器控制系统的发展注入了新鲜的血液，这些外型小巧、测量灵敏的传感器探头往往能够按照被测对象的变化而按规律输出相应能够被测量到的电压/电流信号，通过单片机等微处理器与集成传感器的搭配，是实现更高性能水质测量器系统的最佳搭配。
水质测量器系统的国内外发展现状
水质测量器控制系统在我国的研究起步期相对较晚，其开始时间大约可以追溯到二十世纪初，当时单片机控制系统在国内飞速普及后，使得国内一些技术从业人员开始将目光对准了将单片机系统嵌入到水质测量器控制系统内部，国内的相关技术人员不断从国外一些先进的成熟系统中进行学习，在此基础上能够实现一些简单的开环控制系统，但是对于水质测量器系统的复杂控制，相对于当时国外一些发达国家还有一定的差距。目前国内外对于水质测量器控制系统的研究仍旧处于一种热情的状态，由于微处理器技术不断发展，这在很大程度上不断促进水质测量器系统向前发展，得益于微处理器的处理速度、处理性能、生产成本以及稳定性的逐渐提升，使得水质测量器系统也在不断提高其性价比。
本文主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
使用AT89C51单片机作为主控芯片，结合其他模块构建一个51单片机最小系统，实现一款能够实现水的温度以及导电率测量等功能的水质测量器控制系统；
具有水温采集功能，水温检测精度大于0.5℃，并且测量速度不低于1秒；
具有对水的导电性测量功能；
具有液晶显示功能，对水温以及导电性能进行高精度检测；
系统采用+5V直流电压进行供电。
方案选择及元器件介绍
主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取，第一是ATMEL公司生产的AT89C51单片机，第二个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机。
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
目录
一、 引言 1
（一） 水质测量器控制系统的发展背景 1
（二） 水质测量器系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控单片机的对比与选择 3
（二） AT89C51处理器简介 4
（三） LCD1602液晶屏幕介绍 4
（四） 水温传感器简介 5
（五） 水质传感器 6
（六） AD采样芯片简介 7
（七） 蜂鸣器概述 8
三、 硬件系统设计 9
（一） 水质测量器系统的硬件结构框图设计 9
（二） 51单片机最小系统 9
1. 时钟电路 10
2. 复位电路 10
（三） LCD1602电路设计 10
（四） 水温传感器电路设计 11
（五） AD采样芯片电路设计 11
（六） 蜂鸣器电路设计 12
（七） 按键电路 13
四、 软件系统设计 13
（一） 水质测量器系统的软件工作流程设计 14
（二） LCD1602显示流程设计 15
（三） 水温传感器工作流程设计 15
1. 复位操作 16
2. 读数据操作 16
3. 写数据操作 16
（四） AD转换工作流
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
程设计 17
1. 启动指令 17
2. 通道选择指令 17
3. 读取指令 18
五、 系统仿真与调试 18
总 结 22
参考文献 23
致 谢 24
附录一 原理图 25
附录二 元件列表 26
附录三 程序 27
引言
水质测量器控制系统的发展背景
水质测量器控制系统就是指一种内部嵌入单片机等微处理器作为主控芯片，在单片机片外搭配水质测量探头、高精度液晶屏、按键、报警器以及某些无线收发模块，这些系统所表现出的特点往往是以单片机作为核心部分，在软件上以SPI、IIC或者串口等一些典型接口进行相互之间数据收发。本课题将要设计的这种水质测量器控制系统主要为了完成对水中电离子导电能力的测量、水温的测量以及水中盐离子含量的测量等功能，从而实现对水的浑浊度以及纯净度等参数进行测量，能够实现这种功能的系统或者机械结构在很早以前就已经出现了，较早期的水质测量器系统在组成上以机械结构占据主要部分，在功能的实现上也主要是以机械结构来实现的，随着电子技术逐渐发展后，设计者将一些简易的电子功能融入到传统水质测量器系统中，虽然这些功能在实现难度上非常容易，但是诸如高精度测量、便携式等特性的加入，使得传统水质测量器系统更加具有实用性，使用者在用这种传统水质测量器系统时能够得到更高的使用体验感，因此设计者们意识到这一趋势之后，不断将当时较为先进的电子技术和成熟控制技术嵌入到传统水质测量器系统内部。在二十世纪后半页半导体技术和单片机技术实现大发展后，传统水质测量器系统迎来了发展的新契机，单片机丰富的控制方式和成熟的控制性能得到了设计师的一致好评，这一时机的水质测量器系统设计人员纷纷将单片机控制系统进行嵌入，通过将模数转换器、水温采集器等模块的搭配，实现了水质优劣快速测量等新型智能功能。上世纪七十年代后期集成传感器技术的成熟为新型水质测量器控制系统的发展注入了新鲜的血液，这些外型小巧、测量灵敏的传感器探头往往能够按照被测对象的变化而按规律输出相应能够被测量到的电压/电流信号，通过单片机等微处理器与集成传感器的搭配，是实现更高性能水质测量器系统的最佳搭配。
水质测量器系统的国内外发展现状
水质测量器控制系统在我国的研究起步期相对较晚，其开始时间大约可以追溯到二十世纪初，当时单片机控制系统在国内飞速普及后，使得国内一些技术从业人员开始将目光对准了将单片机系统嵌入到水质测量器控制系统内部，国内的相关技术人员不断从国外一些先进的成熟系统中进行学习，在此基础上能够实现一些简单的开环控制系统，但是对于水质测量器系统的复杂控制，相对于当时国外一些发达国家还有一定的差距。目前国内外对于水质测量器控制系统的研究仍旧处于一种热情的状态，由于微处理器技术不断发展，这在很大程度上不断促进水质测量器系统向前发展，得益于微处理器的处理速度、处理性能、生产成本以及稳定性的逐渐提升，使得水质测量器系统也在不断提高其性价比。
本文主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
使用AT89C51单片机作为主控芯片，结合其他模块构建一个51单片机最小系统，实现一款能够实现水的温度以及导电率测量等功能的水质测量器控制系统；
具有水温采集功能，水温检测精度大于0.5℃，并且测量速度不低于1秒；
具有对水的导电性测量功能；
具有液晶显示功能，对水温以及导电性能进行高精度检测；
系统采用+5V直流电压进行供电。
方案选择及元器件介绍
主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取，第一是ATMEL公司生产的AT89C51单片机，第二个是德州仪器公司生产的MSP430系列单片机。
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
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