单片机的水质监测系统的设计与制作
目 录
引言 1
一、 系统的整体设计 2
(一) 功能要求 2
(二) 系统方案设计 2
(三) 方案选择及元器件介绍 3
二、 系统硬件设计 4
(一) 单片机 4
(二) LCD1602型集成液晶概述 6
(三) DS18B20温度传感器介绍 8
(四) 电导率测量电路简介 9
三、 软件系统设计 12
(一) 软件系统流程图设计 12
(二) LCD1602液晶屏工作流程图 13
(三) DS18B20测温流程设计 14
(四) ADC0832转换流程设计 15
四、 Proteus系统仿真 16
五、 系统的调试与结果 19
(一) 调试界面显示 19
(二) 结果分析 20
总结 21
致谢 22
参考文献 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB图 25
附录三 元件列表 26
附录四 实物图 27
附录五 源程序 28
引言
所谓基于单片机的水质检测系统，指的是通过微处理器的控制以及信号处理功能，配合一些多功能传感器，实现水的PH值、纯净度、有益菌、大肠杆菌、重金属含量、离子含量以及温度等参数测量，从而能够直接计算出水质情况的电子测量控制系统，通常情况下它由微处理器模块（单片机、DSP以及FPGA等控制器）、传感器、按键、显示器以及报警器等部分组成，它的出现是电子技术以及微处理器技术高速发展与成熟的一个典型象征，随着人们对有更加安全更加科学的生活方式的不断追求和渴望，电子水质测量仪应运而生，此时正值单片机高速发展并且趋向成熟的一段时期，各种依靠单片机实现的水质测量系统不断投向市场，其中有一种通过测量水的电导率的测量系统较为突出，它主要依靠的原理是，水质很大程度上受水中的电解质影响，而电解质是水中的一种可移动的带电离子，当其产生定向的运动时，就产生了电流现象，这样水就表现出了导电特性，可以看出越纯净的水导电性越差，而导电性能越好的水则越不纯净，水
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
不断追求和渴望，电子水质测量仪应运而生，此时正值单片机高速发展并且趋向成熟的一段时期，各种依靠单片机实现的水质测量系统不断投向市场，其中有一种通过测量水的电导率的测量系统较为突出，它主要依靠的原理是，水质很大程度上受水中的电解质影响，而电解质是水中的一种可移动的带电离子，当其产生定向的运动时，就产生了电流现象，这样水就表现出了导电特性，可以看出越纯净的水导电性越差，而导电性能越好的水则越不纯净，水中电解质含量过高，因此这种水质测量系统通过测量水的导电特性，来测量水的质量情况，这就是电子水质测量系统的原理。可以发现，这种电子系统操作方便，不需要专门的知识就可以操纵它对水进行质量检测，测量结果直接显示在屏幕上，能够为大多数人群所使用。另外，由于温度也是导致电导率发生变化的主要因素之一，因此测量系统必须考虑到温度的情况，即温度与电导率的关系曲线，这对于微处理器的信号处理性能有较高的要求。
国内外对于水质测量技术的研究目前处于一种火热的状态，因为它的实用价值非常的高，一旦设计出了更高性能、更低成本的水质测量仪器，就能够迅速进入市场，淘汰相对落后的产品，从而滋生出了一大批生产研发水质测量仪器的企业。英国牛津大学的一个研究小组目前采用了ARM处理器作为主控核心，嵌入了以太网控制器，数字信号处理技术，将水质测量仪器产生的数据通过互联网进行传输，从而形成了水质测量仪器组网，对大型水域进行水质测量，使得管理人员能够进行集中管理。而国内对于水质测量仪器的研究也取得了相当大的成果。
本课题主要设计一款方便实用的水质测量控制系统，选用单片机作为主控芯片，并在片外结合其他模块，实现水质优劣的测量和显示。这款水质测量仪控制系统的优点是便于携带，操作简单等。本课题通过测量TDS（水中杂质量）和水温来判断水质的程度。
系统的整体设计
功能要求
水质测量系统可以实现以下指标：
能够快速测量水的温度以及导电率；
通过液晶屏显示水质测量结果；
系统采用+5V直流电源供电。
系统方案设计
本设计的结构原理框图如图1-1所示，其中由单片机主控芯片、晶振电路以及复位电路组成的单片机最小系统作为硬件的核心部分，负责对AD模块以及温度采集模块传送来的数据做计算和处理，并驱动液晶屏将处理结果显示在液晶屏上，与此同时还要负责对按键的检测以及报警器的驱动等。
AD模块主要由模数转换芯片组成，负责对由精密电阻以及水的等效电阻组成的分压电路进行电压采集，并将采集结果发送给单片机主控芯片；温度传感器主要用于对水中的温度进行采集，并通过单总线方式将采集结果传送给单片机主控芯片；按键模块主要由机械按键组成，用于启动和暂停系统的测量；显示模块主要由液晶屏组成，对电导率、水温以及水质测量结果显示给使用者；报警器由蜂鸣器以及MOS管组成，当水质较差时，发出报警信号。
图1-1 整体系统框图
方案选择及元器件介绍
方案一：若以使用经验和成本为第一考虑要素，那么51单片机将是一个不错的选择。目前市面上51单片机具有广泛的市场，无论是在高校教学还是工业控制场合，都能看到51单片机的身影。大学期间的单片机课程主要对51单片机（如AT89C51、STC89C51等）的内部结构、使用方法等有过全面的教学，并且其内部寄存器数量较少，相比于其他类型的单片机更容易进行程序构建，选择51单片机作为主控核心，能够使得顺利完成毕业设计具有保障。另外在成本方面，51单片机芯片根据其内部资源情况价格不一，但价格都相对较低廉；51单片机的程序烧写方式采用两根线形式的串口来完成，这样相对于其他厂家的单片机来说，无需配置价格昂贵的仿真器。在单片机性能上，所有51单片机都采用同一种内核——MCS—51作为CPU，外部都集成了计时器、中断以及串口等模块，这样极大方便了系统软件系统的构建；不但如此，51单片机的处理速度也能够胜任大多数应用场合。
方案二：若从单片机处理速度、性能、稳定度以及内置资源等方面考虑，意大利ST公司的STM32单片机是最佳选择。在处理速度上，其主频达到72MHz以上，内部高稳定度的PLL锁相环模块能够将外部时钟倍频到工作频率，这样就大大提高了指令的处理速度。STM32单片机芯片内部大多集成了ADC、DAC、IIC、SPI以及DMA等常用模块，这点是51单片机所不具有的，这样往往通过一片STM32芯片就能完成一个复杂系统的设计。其内部程序储存器（FLASH）空间大小达到64k以上，而51单片机只有4k或者8k左右，这样在进行庞大
引言 1
一、 系统的整体设计 2
(一) 功能要求 2
(二) 系统方案设计 2
(三) 方案选择及元器件介绍 3
二、 系统硬件设计 4
(一) 单片机 4
(二) LCD1602型集成液晶概述 6
(三) DS18B20温度传感器介绍 8
(四) 电导率测量电路简介 9
三、 软件系统设计 12
(一) 软件系统流程图设计 12
(二) LCD1602液晶屏工作流程图 13
(三) DS18B20测温流程设计 14
(四) ADC0832转换流程设计 15
四、 Proteus系统仿真 16
五、 系统的调试与结果 19
(一) 调试界面显示 19
(二) 结果分析 20
总结 21
致谢 22
参考文献 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB图 25
附录三 元件列表 26
附录四 实物图 27
附录五 源程序 28
引言
所谓基于单片机的水质检测系统，指的是通过微处理器的控制以及信号处理功能，配合一些多功能传感器，实现水的PH值、纯净度、有益菌、大肠杆菌、重金属含量、离子含量以及温度等参数测量，从而能够直接计算出水质情况的电子测量控制系统，通常情况下它由微处理器模块（单片机、DSP以及FPGA等控制器）、传感器、按键、显示器以及报警器等部分组成，它的出现是电子技术以及微处理器技术高速发展与成熟的一个典型象征，随着人们对有更加安全更加科学的生活方式的不断追求和渴望，电子水质测量仪应运而生，此时正值单片机高速发展并且趋向成熟的一段时期，各种依靠单片机实现的水质测量系统不断投向市场，其中有一种通过测量水的电导率的测量系统较为突出，它主要依靠的原理是，水质很大程度上受水中的电解质影响，而电解质是水中的一种可移动的带电离子，当其产生定向的运动时，就产生了电流现象，这样水就表现出了导电特性，可以看出越纯净的水导电性越差，而导电性能越好的水则越不纯净，水
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
不断追求和渴望，电子水质测量仪应运而生，此时正值单片机高速发展并且趋向成熟的一段时期，各种依靠单片机实现的水质测量系统不断投向市场，其中有一种通过测量水的电导率的测量系统较为突出，它主要依靠的原理是，水质很大程度上受水中的电解质影响，而电解质是水中的一种可移动的带电离子，当其产生定向的运动时，就产生了电流现象，这样水就表现出了导电特性，可以看出越纯净的水导电性越差，而导电性能越好的水则越不纯净，水中电解质含量过高，因此这种水质测量系统通过测量水的导电特性，来测量水的质量情况，这就是电子水质测量系统的原理。可以发现，这种电子系统操作方便，不需要专门的知识就可以操纵它对水进行质量检测，测量结果直接显示在屏幕上，能够为大多数人群所使用。另外，由于温度也是导致电导率发生变化的主要因素之一，因此测量系统必须考虑到温度的情况，即温度与电导率的关系曲线，这对于微处理器的信号处理性能有较高的要求。
国内外对于水质测量技术的研究目前处于一种火热的状态，因为它的实用价值非常的高，一旦设计出了更高性能、更低成本的水质测量仪器，就能够迅速进入市场，淘汰相对落后的产品，从而滋生出了一大批生产研发水质测量仪器的企业。英国牛津大学的一个研究小组目前采用了ARM处理器作为主控核心，嵌入了以太网控制器，数字信号处理技术，将水质测量仪器产生的数据通过互联网进行传输，从而形成了水质测量仪器组网，对大型水域进行水质测量，使得管理人员能够进行集中管理。而国内对于水质测量仪器的研究也取得了相当大的成果。
本课题主要设计一款方便实用的水质测量控制系统，选用单片机作为主控芯片，并在片外结合其他模块，实现水质优劣的测量和显示。这款水质测量仪控制系统的优点是便于携带，操作简单等。本课题通过测量TDS（水中杂质量）和水温来判断水质的程度。
系统的整体设计
功能要求
水质测量系统可以实现以下指标：
能够快速测量水的温度以及导电率；
通过液晶屏显示水质测量结果；
系统采用+5V直流电源供电。
系统方案设计
本设计的结构原理框图如图1-1所示，其中由单片机主控芯片、晶振电路以及复位电路组成的单片机最小系统作为硬件的核心部分，负责对AD模块以及温度采集模块传送来的数据做计算和处理，并驱动液晶屏将处理结果显示在液晶屏上，与此同时还要负责对按键的检测以及报警器的驱动等。
AD模块主要由模数转换芯片组成，负责对由精密电阻以及水的等效电阻组成的分压电路进行电压采集，并将采集结果发送给单片机主控芯片；温度传感器主要用于对水中的温度进行采集，并通过单总线方式将采集结果传送给单片机主控芯片；按键模块主要由机械按键组成，用于启动和暂停系统的测量；显示模块主要由液晶屏组成，对电导率、水温以及水质测量结果显示给使用者；报警器由蜂鸣器以及MOS管组成，当水质较差时，发出报警信号。
图1-1 整体系统框图
方案选择及元器件介绍
方案一：若以使用经验和成本为第一考虑要素，那么51单片机将是一个不错的选择。目前市面上51单片机具有广泛的市场，无论是在高校教学还是工业控制场合，都能看到51单片机的身影。大学期间的单片机课程主要对51单片机（如AT89C51、STC89C51等）的内部结构、使用方法等有过全面的教学，并且其内部寄存器数量较少，相比于其他类型的单片机更容易进行程序构建，选择51单片机作为主控核心，能够使得顺利完成毕业设计具有保障。另外在成本方面，51单片机芯片根据其内部资源情况价格不一，但价格都相对较低廉；51单片机的程序烧写方式采用两根线形式的串口来完成，这样相对于其他厂家的单片机来说，无需配置价格昂贵的仿真器。在单片机性能上，所有51单片机都采用同一种内核——MCS—51作为CPU，外部都集成了计时器、中断以及串口等模块，这样极大方便了系统软件系统的构建；不但如此，51单片机的处理速度也能够胜任大多数应用场合。
方案二：若从单片机处理速度、性能、稳定度以及内置资源等方面考虑，意大利ST公司的STM32单片机是最佳选择。在处理速度上，其主频达到72MHz以上，内部高稳定度的PLL锁相环模块能够将外部时钟倍频到工作频率，这样就大大提高了指令的处理速度。STM32单片机芯片内部大多集成了ADC、DAC、IIC、SPI以及DMA等常用模块，这点是51单片机所不具有的，这样往往通过一片STM32芯片就能完成一个复杂系统的设计。其内部程序储存器（FLASH）空间大小达到64k以上，而51单片机只有4k或者8k左右，这样在进行庞大
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