单片机的水质监测系统设计
摘 要本课题选用了“基于单片机的水质监测系统设计”作为研究对象，选用了宏晶公司推出的STC89C51单片机作为核心部件，设计了一个能够实现对水温、水质测量功能的智能系统。这款控制系统的实现主要依靠了51单片机强大的控制作用，通过输入输出各种形式的电平信号来对水温采集传感器、模数转换器等模块的控制，从而将各模块的功能融为一体。本文在硬件和软件两个层面上对水质检测控制系统进行了分别设计，在软件上通过原理图以及在软件上通过流程图的形式对整个控制系统的设计思路以及设计过程进行了阐述。经过了大量的测试和验证，本文所设计的系统能够达到很高的性能指标，非常适合将其推向水质检测系统的市场之中，并且具有取代现有相关产品的实力。
目录
一、 引言
（一） 水质检测控制系统的发展背景
（二） 水质检测系统的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 方案选择及元器件介绍
（一） 控制器的选取
（二） STC89C51单片机简要介绍
（三） AD采样芯片简介
（四） LCD1602点阵显示器简介
（五） DS18B20传感器概述
三、 硬件系统设计
（一） 水质检测系统的系统结构框图设计
（二） STC89C51单片机最小系统设计
1. 复位电路设计
2. 时钟电路设计
（三） AD采样芯片电路设计
（四） 按键电路
（五） 点阵显示器电路设计
（六） DS18B20传感器电路设计
（七） 报警器电路设计
四、 软件系统设计
（一） 水质检测系统的主程序流程图设计
（二） AD转换工作流程设计
1. 启动指令
2. 通道选择指令
3. 读取指令
（三） 点阵显示工作流程设计
（四） DS18B20传感器工作流程设计
五、 实物展示
（一） 实物制作
（二） 问题总结
总
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 元件列表
附录三 程序
附录四 实物图
引言
水质检测控制系统的发展背景
水质检测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检测控制系统主要为了完成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，较早期的水质检测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检测系统中，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，使得传统水质检测系统更加具有实用性，使用者在用这种传统水质检测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检测系统内部。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，传统水质检测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，这一时机的水质检测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检测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检测系统的最佳搭配。
水质检测系统的国内外发展现状
水质检测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检测控制系统内部，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，但是对于水质检测系统的复杂控制，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检测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检测系统向前发展，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，使得水质检测系统也在不断提高其性价比。
本文主要研究内容
在对水质检测控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对水质检测控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图，本课题确立了如下的设计研究内容：
使用STC89C51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等功能的水质检测控制系统；
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；
具有液晶显示功能，对水温能进行高精度检测；
系统采用+5V直流电压进行供电。
方案选择及元器件介绍
控制器的选取
本文考虑到了上一章对控制系统所设定的功能指标等参数，最终从众多类型的控制器中选择出了两款，分别为我们熟知的高性价比单片机STC89C51和进入市场不久的新型高性能单片机STM32，这两款单片机无论在开发资料普及度还是成熟度上，都已经达到了很高的程度，如果选择其中一个用于本文所设计的系统中，能够大大提高控制系统的稳定度、性价比以及各项功能指标参数，由于这两款芯片同属于单片机范畴，因此相似点较多，下面对这两款单片机进行各项性能对比，从而最终选择出更适合的一个来作为本文所设计系统的核心控制器。
首先需要说的是在学生届享有充分知名度的STC89C51单片机，这款单片机采用+5V直流电压供电，内部的程序代码存储器以及RAM都较小，只有4k字节和512字节的容量，只能够适用于小型项目开发；在片内集成的功能模块资源上，STC89C51有两个定时器、两个外部中断和一个UART模块；在GPIO管脚的数量方面，STC89C51单片机只有32个可供用户软件配置的管脚，并且只有P3.2和P3.3两个管脚具有外部中断能力，其他管脚无捕获触发功能；在成本方面，STC89C51单片机的市场均价为3元一片，配合其他开发设备，总价不多于10元，是一款非常适合学生进行实验的单片机芯片；在开发资料方面，无论是学校图书馆还是网络上，都有大量丰富的开发资源，这点非常有利于本次毕业设计的进行。
目录
一、 引言
（一） 水质检测控制系统的发展背景
（二） 水质检测系统的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 方案选择及元器件介绍
（一） 控制器的选取
（二） STC89C51单片机简要介绍
（三） AD采样芯片简介
（四） LCD1602点阵显示器简介
（五） DS18B20传感器概述
三、 硬件系统设计
（一） 水质检测系统的系统结构框图设计
（二） STC89C51单片机最小系统设计
1. 复位电路设计
2. 时钟电路设计
（三） AD采样芯片电路设计
（四） 按键电路
（五） 点阵显示器电路设计
（六） DS18B20传感器电路设计
（七） 报警器电路设计
四、 软件系统设计
（一） 水质检测系统的主程序流程图设计
（二） AD转换工作流程设计
1. 启动指令
2. 通道选择指令
3. 读取指令
（三） 点阵显示工作流程设计
（四） DS18B20传感器工作流程设计
五、 实物展示
（一） 实物制作
（二） 问题总结
总
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 元件列表
附录三 程序
附录四 实物图
引言
水质检测控制系统的发展背景
水质检测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检测控制系统主要为了完成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，较早期的水质检测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检测系统中，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，使得传统水质检测系统更加具有实用性，使用者在用这种传统水质检测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检测系统内部。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，传统水质检测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，这一时机的水质检测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检测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检测系统的最佳搭配。
水质检测系统的国内外发展现状
水质检测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检测控制系统内部，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，但是对于水质检测系统的复杂控制，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检测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检测系统向前发展，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，使得水质检测系统也在不断提高其性价比。
本文主要研究内容
在对水质检测控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对水质检测控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图，本课题确立了如下的设计研究内容：
使用STC89C51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等功能的水质检测控制系统；
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；
具有液晶显示功能，对水温能进行高精度检测；
系统采用+5V直流电压进行供电。
方案选择及元器件介绍
控制器的选取
本文考虑到了上一章对控制系统所设定的功能指标等参数，最终从众多类型的控制器中选择出了两款，分别为我们熟知的高性价比单片机STC89C51和进入市场不久的新型高性能单片机STM32，这两款单片机无论在开发资料普及度还是成熟度上，都已经达到了很高的程度，如果选择其中一个用于本文所设计的系统中，能够大大提高控制系统的稳定度、性价比以及各项功能指标参数，由于这两款芯片同属于单片机范畴，因此相似点较多，下面对这两款单片机进行各项性能对比，从而最终选择出更适合的一个来作为本文所设计系统的核心控制器。
首先需要说的是在学生届享有充分知名度的STC89C51单片机，这款单片机采用+5V直流电压供电，内部的程序代码存储器以及RAM都较小，只有4k字节和512字节的容量，只能够适用于小型项目开发；在片内集成的功能模块资源上，STC89C51有两个定时器、两个外部中断和一个UART模块；在GPIO管脚的数量方面，STC89C51单片机只有32个可供用户软件配置的管脚，并且只有P3.2和P3.3两个管脚具有外部中断能力，其他管脚无捕获触发功能；在成本方面，STC89C51单片机的市场均价为3元一片，配合其他开发设备，总价不多于10元，是一款非常适合学生进行实验的单片机芯片；在开发资料方面，无论是学校图书馆还是网络上，都有大量丰富的开发资源，这点非常有利于本次毕业设计的进行。
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