单片机的水质检测系统的设计
目 录
一、引言 1
二、水质检测方案设计 1
（一）水质检测系统总体设计方案 2
（二）芯片简介 2
1.STC89C52的功能介绍 2
2.温度传感器介绍 3
3. ADC0832简介 4
4. LCD1602简介 4
5. MAX232芯片介绍 4
三、水质检测系统硬件设计 5
（一）最小系统的实现 6
（二） 测量模块的实现 7
1. 温度传感器原理 7
2. 电导率的测量 8
3. 溶解氧的测量 10
4. PH值的测量 11
（三） 传感器数据采集模块设计 11
1. ADC0832的外围接线 11
（四）显示模块的实现 12
1. LCD1602的外围接线 12
（五） 串口模块的实现 13
1. 串口外围电路 13
（六） 电源模块的实现 14
四、水质检测系统软件设计 14
（一） 主程序设计 14
（二）A/D转换部分的程序设计 15
（三）LCD显示模块的程序设计 15
（四)DS18B20温度传感器模块软件设计 16
五、水质检测系统测试 17
六、总结与展望 18
参考文献 21
附录 22
附录1 22
附录2 24
一、引言
水是生命之本，水也是人体获得各种营养的重要途径，然而伴随着科技的发展，水污染越来越严重。因此对水资源的保 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
护成为一项重要的工程。水资源的保护必须要严格测量水质，通过多种检测方法，测量出水质的参数，科学保护水资源，防止水资源受到污染。
水资源的水质，每个时期测量的结果都会有差异，把每个时期的水质变化都测量出，分析水质变化的总体流向趋势，在水质检测中，要检测水质污染的多种参数，把采集的数据进行深入的分析，找到污染水资源的源头，重点治理那些受污染的水资源，并对未污染的水资源进行保护。同时，和有关的环境部分进行深入的沟通，做好水质检测和防护工作，并定期对水质的情况，进行深入检测。
在水质的测量中，有几个参数必须要检测：水质的PH值、水质的温度、水质的电导率、水质在水中溶解养的能力等参数。电导率体现水中自由离子浓度的大小。pH值可以反应出水的酸碱度污染状况。水温会影响到其他测量的参数。溶解氧是指水体中的含氧量。通过这4个参数的测量，就能分析出水质的情况。
随着技术的发展，水质检测工具也在逐渐的发生变化。从笨重的大型检测设备转向便捷小型的检测设备，水质检测的功能也从单一逐渐转向多功能测量。在21世纪，水质检测将是一个重要的环节，检测的手段也要跟随着技术，逐步的更新。
水质监测车是最早的现场检测手段，20世纪40、50年代，各种型号的水质分析箱开始使用与水质现场检测。2010年张新华与朱烈峰利用已开发的远程水质检测系统及点击超声波清洗机等仪器设备进行研究与实验，通过电极纳米材料沉积和超声清洗方法解决了污水在线检测电极的问题；2013年周梦然、刘帆、聂梦雅针对突水水源的判别方法不能实现突水预警，且处理时间较长、过程复杂等问题，设计了一种采用激光诱导荧光技术、以FPGA为核心处理器的水质检测系统，可以快速检测矿井突水水源的变化前兆；2014年岳超、宛西原、何航和李达学为实现水质重金属离子的在线检测，解决水环境中重金属离子应急检测的难题，设计了基于离子选择性电极法和阳极溶出伏安法的重金属离子检测系统。
基于单片机的水质检测系统，从原理和检测参数角度，本次重点采集水质的温度、水质的PH值、水质的导电率和水质溶解氧能力的强弱。通过传感器采集水质的数据，并把采集的数据通过ADC0832模数转换模块，进行数据处理，处理后的数据发送给单片机，单片机对采集的数据处理和转换，最后在LCD液晶显示器上显示，通过LCD液晶显示器，可以实时监测水质的信息。单片机通过串口把采集的数据传送给上位机，上位机对采集的数据进行显示，便于使用者监测。
二、水质检测系统方案设计
（一）水质检测系统总体设计方案
基于单片机的水质检测系统由4个部分组成：控制单元、检测单元、显示单元、供电电源。这四个部分构成了单片机的水质总系统，本次设计的单片机水质检测系统总方案设计如图2-1所示。
图2-1 水质检测框图
在本次设计中，检测单元重点检测水质的温度、PH值、导电率和水质溶解氧能力的强弱，这些数据的采集要通过专一的传感器来采集数据[6]。电源模块是为各个模块单元提供稳定的5V电源。控制单元主要是由单片机实现控制。在采集到水质的信号后，对采集的模拟信号数字化，通过ADC转换模块把采集的数据转化为单片机可以接受的数字信号，转化的后的数字信号，发送给显示单元。显示单元是单片机把采集的水质信号处理后，会通过LCD液晶显示器显示，便于实时检测水质的信息。
（二）芯片简介
1.STC89C52的功能介绍
本次设计中，选用STC89C52作为主控制芯片。在性能上，STC89C52功能强大，并且价格实惠。
它内置标准51内核，内部可存储512字节，工作频率范围在0至40MHZ，它有8个中断源，3236个通用IO口，1个通用异步通信口，3个16位的定时器计数器，它的机器周期有增强型和普通型，增强型时为6时钟，普通型时为12时钟，它的工作电压在3.8-5.5V范围内。
单片机STC89C52 的P1口和P3口还具有第二功能，见表2-1和表2-2。
表2-1 P1口的第二功能
表2-2 P3口的第二功能
2.温度传感器介绍
基于单片机的水质检测系统，温度传感器DS18B20的管脚图如图2-2所示。
图2-2 DS18B20的管脚图
DS18B20的温度传感器中，主要引脚功能如下：GND（温度传感的1脚）作为电源地。VDD（温度传感器的3脚）作为供电电源的正端。I/O（温度传感器的信号端）用来发送和接受数据。
3. ADC0832简介
水质检测系统中，采用ADC0832来实现数据的转换，处理速度很快，可以达到微秒量级，并且可以有2个通道可以来实现数据的采集，具有双输出的功能，同时接收的数据必须要校验，以保证数据的准确性。
它的引脚功能为CS：片选功能，低电平芯片使能；CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND：芯片参考0电位；D1：数据信号输入，选择通道控制；D0:数据信号输出，转换数据输出；CLK：芯片时钟输入；VCC：电源输入。
ADC0832数据转换芯片一共有4个引脚端子与单片机实现数据的连接。在实现的数据转换的过程中，数据输入之前，ADC0832要进行数据的初始化，保持使能的CS的端子电平比较低，而此时DO/DI与CLK引脚的电平不受限。数据转换的时，保持使能CS低电位，实现数据的转换，直至数据转换结束。
一、引言 1
二、水质检测方案设计 1
（一）水质检测系统总体设计方案 2
（二）芯片简介 2
1.STC89C52的功能介绍 2
2.温度传感器介绍 3
3. ADC0832简介 4
4. LCD1602简介 4
5. MAX232芯片介绍 4
三、水质检测系统硬件设计 5
（一）最小系统的实现 6
（二） 测量模块的实现 7
1. 温度传感器原理 7
2. 电导率的测量 8
3. 溶解氧的测量 10
4. PH值的测量 11
（三） 传感器数据采集模块设计 11
1. ADC0832的外围接线 11
（四）显示模块的实现 12
1. LCD1602的外围接线 12
（五） 串口模块的实现 13
1. 串口外围电路 13
（六） 电源模块的实现 14
四、水质检测系统软件设计 14
（一） 主程序设计 14
（二）A/D转换部分的程序设计 15
（三）LCD显示模块的程序设计 15
（四)DS18B20温度传感器模块软件设计 16
五、水质检测系统测试 17
六、总结与展望 18
参考文献 21
附录 22
附录1 22
附录2 24
一、引言
水是生命之本，水也是人体获得各种营养的重要途径，然而伴随着科技的发展，水污染越来越严重。因此对水资源的保 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
护成为一项重要的工程。水资源的保护必须要严格测量水质，通过多种检测方法，测量出水质的参数，科学保护水资源，防止水资源受到污染。
水资源的水质，每个时期测量的结果都会有差异，把每个时期的水质变化都测量出，分析水质变化的总体流向趋势，在水质检测中，要检测水质污染的多种参数，把采集的数据进行深入的分析，找到污染水资源的源头，重点治理那些受污染的水资源，并对未污染的水资源进行保护。同时，和有关的环境部分进行深入的沟通，做好水质检测和防护工作，并定期对水质的情况，进行深入检测。
在水质的测量中，有几个参数必须要检测：水质的PH值、水质的温度、水质的电导率、水质在水中溶解养的能力等参数。电导率体现水中自由离子浓度的大小。pH值可以反应出水的酸碱度污染状况。水温会影响到其他测量的参数。溶解氧是指水体中的含氧量。通过这4个参数的测量，就能分析出水质的情况。
随着技术的发展，水质检测工具也在逐渐的发生变化。从笨重的大型检测设备转向便捷小型的检测设备，水质检测的功能也从单一逐渐转向多功能测量。在21世纪，水质检测将是一个重要的环节，检测的手段也要跟随着技术，逐步的更新。
水质监测车是最早的现场检测手段，20世纪40、50年代，各种型号的水质分析箱开始使用与水质现场检测。2010年张新华与朱烈峰利用已开发的远程水质检测系统及点击超声波清洗机等仪器设备进行研究与实验，通过电极纳米材料沉积和超声清洗方法解决了污水在线检测电极的问题；2013年周梦然、刘帆、聂梦雅针对突水水源的判别方法不能实现突水预警，且处理时间较长、过程复杂等问题，设计了一种采用激光诱导荧光技术、以FPGA为核心处理器的水质检测系统，可以快速检测矿井突水水源的变化前兆；2014年岳超、宛西原、何航和李达学为实现水质重金属离子的在线检测，解决水环境中重金属离子应急检测的难题，设计了基于离子选择性电极法和阳极溶出伏安法的重金属离子检测系统。
基于单片机的水质检测系统，从原理和检测参数角度，本次重点采集水质的温度、水质的PH值、水质的导电率和水质溶解氧能力的强弱。通过传感器采集水质的数据，并把采集的数据通过ADC0832模数转换模块，进行数据处理，处理后的数据发送给单片机，单片机对采集的数据处理和转换，最后在LCD液晶显示器上显示，通过LCD液晶显示器，可以实时监测水质的信息。单片机通过串口把采集的数据传送给上位机，上位机对采集的数据进行显示，便于使用者监测。
二、水质检测系统方案设计
（一）水质检测系统总体设计方案
基于单片机的水质检测系统由4个部分组成：控制单元、检测单元、显示单元、供电电源。这四个部分构成了单片机的水质总系统，本次设计的单片机水质检测系统总方案设计如图2-1所示。
图2-1 水质检测框图
在本次设计中，检测单元重点检测水质的温度、PH值、导电率和水质溶解氧能力的强弱，这些数据的采集要通过专一的传感器来采集数据[6]。电源模块是为各个模块单元提供稳定的5V电源。控制单元主要是由单片机实现控制。在采集到水质的信号后，对采集的模拟信号数字化，通过ADC转换模块把采集的数据转化为单片机可以接受的数字信号，转化的后的数字信号，发送给显示单元。显示单元是单片机把采集的水质信号处理后，会通过LCD液晶显示器显示，便于实时检测水质的信息。
（二）芯片简介
1.STC89C52的功能介绍
本次设计中，选用STC89C52作为主控制芯片。在性能上，STC89C52功能强大，并且价格实惠。
它内置标准51内核，内部可存储512字节，工作频率范围在0至40MHZ，它有8个中断源，3236个通用IO口，1个通用异步通信口，3个16位的定时器计数器，它的机器周期有增强型和普通型，增强型时为6时钟，普通型时为12时钟，它的工作电压在3.8-5.5V范围内。
单片机STC89C52 的P1口和P3口还具有第二功能，见表2-1和表2-2。
表2-1 P1口的第二功能
表2-2 P3口的第二功能
2.温度传感器介绍
基于单片机的水质检测系统，温度传感器DS18B20的管脚图如图2-2所示。
图2-2 DS18B20的管脚图
DS18B20的温度传感器中，主要引脚功能如下：GND（温度传感的1脚）作为电源地。VDD（温度传感器的3脚）作为供电电源的正端。I/O（温度传感器的信号端）用来发送和接受数据。
3. ADC0832简介
水质检测系统中，采用ADC0832来实现数据的转换，处理速度很快，可以达到微秒量级，并且可以有2个通道可以来实现数据的采集，具有双输出的功能，同时接收的数据必须要校验，以保证数据的准确性。
它的引脚功能为CS：片选功能，低电平芯片使能；CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND：芯片参考0电位；D1：数据信号输入，选择通道控制；D0:数据信号输出，转换数据输出；CLK：芯片时钟输入；VCC：电源输入。
ADC0832数据转换芯片一共有4个引脚端子与单片机实现数据的连接。在实现的数据转换的过程中，数据输入之前，ADC0832要进行数据的初始化，保持使能的CS的端子电平比较低，而此时DO/DI与CLK引脚的电平不受限。数据转换的时，保持使能CS低电位，实现数据的转换，直至数据转换结束。
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