一种基于单片机液体浊度仪的设计
一种基于单片机液体浊度仪的设计[20200406141417]
摘要
浊度是用来表示水的浑浊程度，是反映水体质量的重要指标。因此，测量水的浊度参数对环保工作和人体健康有重大意义。
本文首先介绍了浊度测量原理，在研究浊度仪工作原理基础上设计了一种基于C8051F060型单片机的液体浊度仪，可以实时测量水的浑浊度。该浊度仪主要由浊度传感器、单片机、LCD液晶屏、键盘等几个部分组成，利用单片机内部的10位ADC可以将传感器输出的模拟信号转换成数字量并显示在液晶上。为适应不同需要，本浊度仪还设定了两种工作方式，分别为一次性测量和连续测量。接着本文详细阐述了浊度仪IO口配置、ADC2初始化和按键模块的编程思路。
最后，论文进行了实验研究，对不同浊度水样进行多次测量，虽然测量结果稍有波动但总体符合设计要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机浊度仪透射散射
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究意义 1
1.2 浊度仪生产现状及发展前景 1
1.3 本设计的任务和主要内容 1
2. 浊度测量原理 3
2.1浊度的定义及其单位 3
2.2浊度的测量方法 3
2.2.1 散射光测量法 3
2.2.2 透射光测量法 4
2.2.3 散射光—透射光对比测量法 5
2.3 浊度的标定 6
2.4 浊度传感器原理 6
2.5 本章小结 8
3. 浊度仪的硬件电路设计 9
3.1 浊度仪的整体设计 9
3.2 单片机控制电路 9
3.2.1 JTAG调试接口 9
3.2.2 可编程IO 10
3.2.3 10位ADC（ADC2） 11
3.3 按键电路 12
3.4 状态显示电路 12
3.5 液晶显示电路 13
4. 浊度仪的软件设计 14
4.1 软件设计总体思路及主程序流程图 14
4.2 IO端口配置模块 15
4.2.1 交叉开关引脚分配 15
4.2.2 配置端口引脚的输入/输出方式 15
4.3 ADC2初始化模块 17
4.3.1 单端或差分工作方式 17
4.3.2 电压基准 18
4.3.3 ADC2的使能和工作方式 19
4.4 按键模块 20
4.6 本章小结 23
5. 调试与实验 24
5.1 硬件电路的功能调试 24
5.1.1 按键及LCD液晶屏调试 24
5.1.2 ADC调试 24
5.1.3 传感器调试 24
5.2 软件功能调试 25
5.2.1 精确AV+电压 25
5.2.2 数字滤波 25
5.3 重复性测试实验 27
6. 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 不足与展望 29
参考文献 30
附录一 31
附录二 32
致 谢 36
1. 绪论
1.1 课题研究意义
水的浊度表示水清澈或浑浊的程度，是污水处理厂净化污水后，对出水水质要求重要参数之一，是反映水质优劣的一个重要的指标。优质的饮用水应当晶莹透澈，天然水中含有很多悬浮物，如砂，粘土，水溶性有机化合物，浮游生物等。水的浊度高，杂质含量也高。水中的无机物和其他悬浮颗粒本身并不一定是有害健康，但是他们能吸收细菌和病毒，是潜在的不安全因素。浊度的测量对于水环境监测来说也十分重要，因为人们往往可以通过浊度的大小来判断出水环境污染程度。此外，在食品生产、医药生产、纺织、印染等各行工业生产中，水质的优劣也会直接影响产品的质量和生产过程。
由此可见，浊度仪在城镇供水、工业生产、环境保护、医疗防疫等诸多行业部门中有着极其广泛的用途。
1.2 浊度仪生产现状及发展前景
国外浊度仪发展起步早、技术成熟，20世纪90年代后，很多国外仪器仪表公司相继推出了许多性能稳定、技术先进的浊度仪，占据了我国主要市场。在众多浊度仪产品中，具有代表性的浊度仪品牌有：美国罗斯蒙特公司；德国恩德斯·豪斯公司；英肯特公司；美国哈期公司；法国波尼梅隆公司；美国大湖公司；瑞士助力公司；日本ＤＫＫ公司；本东亚电波公司；以及日本横河公司。这些新型工业浊度仪大多基于微处理器的计算机技术，带背光LCD液晶屏显示。几乎所有高端浊度仪产品都带有自动清洗装置，低端浊度仪产品可根据需要选择是否自带清洗装置。
80年代以前，我国浊度仪发展几乎还是一片空白。90年代以后，我国不断吸收和改进国外先进技术成果，逐渐弥补了我国浊度仪的发展落后的缺陷，但与国外产品相比仍有很大差距。
表1.1 部分浊度仪的价格与产地
产品名称价格产地
浊度仪BSZ0--100NTU15000RMB厦门飞华
实验室浊度仪H1--2100AN5198美元美国
便携式浊度仪H5--H193703807美元美国
台式浊度仪H5--LP20001118美元意大利
浊度仪TURBI--TECH20I探头4070英镑英国
浊度仪P10--System770IR探头1975英镑英国
1.3 本设计的任务和主要内容
本课题主要研究的是一种基于单片机的液体浊度仪。在了解浊度测量的有关理论基础上，设计一种家用型便携式浊度仪。该浊度仪主要可分为以下三个部分：
1) 浊度测量部分。该部分包含浊度传感器和单片机，利用浊度传感器将液体浊度转换为电压信号，然后单片机采集电压信号。
2) 显示部分。该部分包含LCD液晶屏和三个状态灯，分别用定性和定量的方法表示水的浑浊程度。
3) 按键部分。该部分由五个按键组成，分别用于控制浊度仪启动测量和上下翻动已测得浊度数据。
TS型浊度传感器可以将液体浊度转换成电流信号，该信号通过单片机内部的10位ADC转换为0~1023的数值。为了减小误差和消除干扰，每采样50次所得值，除去一个最大值和一个最小值后相加取求平均值，并将该值通过公示转换成传感器输出的电压值送到1602液晶屏显示。
本设计与传统浊度仪不同之处在于，所采用的单片机是Cygnal集成产品公司推出的C8051F060单片机。该单片机对8051内核进行很大的改造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设。该单片机内部包含两个16位ADC和一个10位ADC，无需外接AD转换芯片，大大简化了硬件电路、减小浊度仪体积。
单片机功能的增强也导致运用复杂性提高。与MCS-51单片机相比，C8051F型单片机同样具有P0~P3等24个IO口，不同的是这些IO口可以配置成漏极开路、推挽输出和弱上拉三种工作方式。此外，ADC2（10位ADC）还可以设置不同的启动方式、转换通道以及转换时间等。因此，根据不同需要灵活配置端口工作方式以及ADC2的初始化是本设计的难点。
2. 浊度测量原理
本章主要介绍了浊度的定义及其单位、浊度测量原理及浊度测量方法和浊度的标定方法。
2.1浊度的定义及其单位
浊度也被称为浑浊度，用于表示水中的悬浮颗粒对光线透过水产生的阻碍程度，是水的光学性质。需要注意的是水的浊度与色度是不一样的，除去悬浮杂质的水所表现出来的颜色称为真色（即由可溶性物质引起的），有时候水的颜色很深但却不浑浊。浑浊度是对光穿过水样使其发生散射及吸收的光学特性表征，而且对于质量相同但颗粒大小不同的杂质，由于其对光吸收能力不同，所表现出来的浊度也是不同的。
不同国家使用浊度单位不尽相同，“ppm”、“FTU”、“NTU”、“度”、“mg/l”等是常见的浊度单位，我国以福尔马肼标准NTU 为浊度单位。NTU的定义：使用福尔马肼聚合物作为标准溶液，1升水中含有1毫克此悬浮物时，称为一个散射浊度单位，记为1NTU。
摘要
浊度是用来表示水的浑浊程度，是反映水体质量的重要指标。因此，测量水的浊度参数对环保工作和人体健康有重大意义。
本文首先介绍了浊度测量原理，在研究浊度仪工作原理基础上设计了一种基于C8051F060型单片机的液体浊度仪，可以实时测量水的浑浊度。该浊度仪主要由浊度传感器、单片机、LCD液晶屏、键盘等几个部分组成，利用单片机内部的10位ADC可以将传感器输出的模拟信号转换成数字量并显示在液晶上。为适应不同需要，本浊度仪还设定了两种工作方式，分别为一次性测量和连续测量。接着本文详细阐述了浊度仪IO口配置、ADC2初始化和按键模块的编程思路。
最后，论文进行了实验研究，对不同浊度水样进行多次测量，虽然测量结果稍有波动但总体符合设计要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机浊度仪透射散射
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究意义 1
1.2 浊度仪生产现状及发展前景 1
1.3 本设计的任务和主要内容 1
2. 浊度测量原理 3
2.1浊度的定义及其单位 3
2.2浊度的测量方法 3
2.2.1 散射光测量法 3
2.2.2 透射光测量法 4
2.2.3 散射光—透射光对比测量法 5
2.3 浊度的标定 6
2.4 浊度传感器原理 6
2.5 本章小结 8
3. 浊度仪的硬件电路设计 9
3.1 浊度仪的整体设计 9
3.2 单片机控制电路 9
3.2.1 JTAG调试接口 9
3.2.2 可编程IO 10
3.2.3 10位ADC（ADC2） 11
3.3 按键电路 12
3.4 状态显示电路 12
3.5 液晶显示电路 13
4. 浊度仪的软件设计 14
4.1 软件设计总体思路及主程序流程图 14
4.2 IO端口配置模块 15
4.2.1 交叉开关引脚分配 15
4.2.2 配置端口引脚的输入/输出方式 15
4.3 ADC2初始化模块 17
4.3.1 单端或差分工作方式 17
4.3.2 电压基准 18
4.3.3 ADC2的使能和工作方式 19
4.4 按键模块 20
4.6 本章小结 23
5. 调试与实验 24
5.1 硬件电路的功能调试 24
5.1.1 按键及LCD液晶屏调试 24
5.1.2 ADC调试 24
5.1.3 传感器调试 24
5.2 软件功能调试 25
5.2.1 精确AV+电压 25
5.2.2 数字滤波 25
5.3 重复性测试实验 27
6. 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 不足与展望 29
参考文献 30
附录一 31
附录二 32
致 谢 36
1. 绪论
1.1 课题研究意义
水的浊度表示水清澈或浑浊的程度，是污水处理厂净化污水后，对出水水质要求重要参数之一，是反映水质优劣的一个重要的指标。优质的饮用水应当晶莹透澈，天然水中含有很多悬浮物，如砂，粘土，水溶性有机化合物，浮游生物等。水的浊度高，杂质含量也高。水中的无机物和其他悬浮颗粒本身并不一定是有害健康，但是他们能吸收细菌和病毒，是潜在的不安全因素。浊度的测量对于水环境监测来说也十分重要，因为人们往往可以通过浊度的大小来判断出水环境污染程度。此外，在食品生产、医药生产、纺织、印染等各行工业生产中，水质的优劣也会直接影响产品的质量和生产过程。
由此可见，浊度仪在城镇供水、工业生产、环境保护、医疗防疫等诸多行业部门中有着极其广泛的用途。
1.2 浊度仪生产现状及发展前景
国外浊度仪发展起步早、技术成熟，20世纪90年代后，很多国外仪器仪表公司相继推出了许多性能稳定、技术先进的浊度仪，占据了我国主要市场。在众多浊度仪产品中，具有代表性的浊度仪品牌有：美国罗斯蒙特公司；德国恩德斯·豪斯公司；英肯特公司；美国哈期公司；法国波尼梅隆公司；美国大湖公司；瑞士助力公司；日本ＤＫＫ公司；本东亚电波公司；以及日本横河公司。这些新型工业浊度仪大多基于微处理器的计算机技术，带背光LCD液晶屏显示。几乎所有高端浊度仪产品都带有自动清洗装置，低端浊度仪产品可根据需要选择是否自带清洗装置。
80年代以前，我国浊度仪发展几乎还是一片空白。90年代以后，我国不断吸收和改进国外先进技术成果，逐渐弥补了我国浊度仪的发展落后的缺陷，但与国外产品相比仍有很大差距。
表1.1 部分浊度仪的价格与产地
产品名称价格产地
浊度仪BSZ0--100NTU15000RMB厦门飞华
实验室浊度仪H1--2100AN5198美元美国
便携式浊度仪H5--H193703807美元美国
台式浊度仪H5--LP20001118美元意大利
浊度仪TURBI--TECH20I探头4070英镑英国
浊度仪P10--System770IR探头1975英镑英国
1.3 本设计的任务和主要内容
本课题主要研究的是一种基于单片机的液体浊度仪。在了解浊度测量的有关理论基础上，设计一种家用型便携式浊度仪。该浊度仪主要可分为以下三个部分：
1) 浊度测量部分。该部分包含浊度传感器和单片机，利用浊度传感器将液体浊度转换为电压信号，然后单片机采集电压信号。
2) 显示部分。该部分包含LCD液晶屏和三个状态灯，分别用定性和定量的方法表示水的浑浊程度。
3) 按键部分。该部分由五个按键组成，分别用于控制浊度仪启动测量和上下翻动已测得浊度数据。
TS型浊度传感器可以将液体浊度转换成电流信号，该信号通过单片机内部的10位ADC转换为0~1023的数值。为了减小误差和消除干扰，每采样50次所得值，除去一个最大值和一个最小值后相加取求平均值，并将该值通过公示转换成传感器输出的电压值送到1602液晶屏显示。
本设计与传统浊度仪不同之处在于，所采用的单片机是Cygnal集成产品公司推出的C8051F060单片机。该单片机对8051内核进行很大的改造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设。该单片机内部包含两个16位ADC和一个10位ADC，无需外接AD转换芯片，大大简化了硬件电路、减小浊度仪体积。
单片机功能的增强也导致运用复杂性提高。与MCS-51单片机相比，C8051F型单片机同样具有P0~P3等24个IO口，不同的是这些IO口可以配置成漏极开路、推挽输出和弱上拉三种工作方式。此外，ADC2（10位ADC）还可以设置不同的启动方式、转换通道以及转换时间等。因此，根据不同需要灵活配置端口工作方式以及ADC2的初始化是本设计的难点。
2. 浊度测量原理
本章主要介绍了浊度的定义及其单位、浊度测量原理及浊度测量方法和浊度的标定方法。
2.1浊度的定义及其单位
浊度也被称为浑浊度，用于表示水中的悬浮颗粒对光线透过水产生的阻碍程度，是水的光学性质。需要注意的是水的浊度与色度是不一样的，除去悬浮杂质的水所表现出来的颜色称为真色（即由可溶性物质引起的），有时候水的颜色很深但却不浑浊。浑浊度是对光穿过水样使其发生散射及吸收的光学特性表征，而且对于质量相同但颗粒大小不同的杂质，由于其对光吸收能力不同，所表现出来的浊度也是不同的。
不同国家使用浊度单位不尽相同，“ppm”、“FTU”、“NTU”、“度”、“mg/l”等是常见的浊度单位，我国以福尔马肼标准NTU 为浊度单位。NTU的定义：使用福尔马肼聚合物作为标准溶液，1升水中含有1毫克此悬浮物时，称为一个散射浊度单位，记为1NTU。
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