1、陕西理工学院毕业设计I基于单片机的 TDS 水质测试仪设计王春（陕理工物理与电信工程学院电子信息工程专业 1103班，陕西 汉中，723000）指导老师：秦伟摘要本设计通过研究分析 TDS（溶解性总固体）测量的原理，设计了一款以 STC89C52 单片机为核心的水质测试仪。本设计通过电导率测量电路实现电导率信号的采集，并采用温度传感器进行温度测量，使用温度补偿方法减小温度对电导率测量值的影响，通过单片机程序进行相关计算得出 TDS 值。该设计包括信号采集电路、按键电路、温度测量电路、数码管显示电路。该水质测试仪结构简单，操作容易，低成本，测量的 TDS 值对帮助人们了解水质情况起到了非常重要的
2、作用。关键字STC89C52，溶解性总固体，水质测试陕西理工学院毕业设计The design of TDS water quality tester based on SCMWang Chun(Grade03,Class11,Major Electronic Information Engineering，College of physics and telecommunication engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor:Qin WeiAbstract This design st
3、udies the principle of Total Dissolved Solids (TDS) measurement.And it designs a water quality tester which takes STC89C52 Single Chip Microcomputer (SCM) as the core.The design collects the electrical conductivity signal by electrical conductivity measurement circuit .And it uses temperature sensor
4、 to measure temperature. And it reduces the influence of temperature on the electric conductivity measurement by using the temperature compensation method.And through the SCM program for correlation calculation to calculate the value of TDS.The design includes signal acquisition circuit, key circuit
5、, temperature measurement circuit and digital tube display circuit.The water quality testing instrument has the advantages of simple structure, easy operation, low cost, which play a very important role in helping people to understand the situation of water quality . keywordsSTC89C52, TDS, water qua
6、lity testing陕西理工学院毕业设计目录引言 .11 设计内容与方案 .21.1设计内容与要求 .21.2方案论证 .21.3方案选择 .21.3.1单片机的选择 .31.3.2温度传感器的选择 .32 系统硬件电路设计 .42.1单片机最小系统 .42.1.1单片机 STC89C52简介 .42.1.2单片机最小系统 .42.2 TDS值测量电路 .52.2.1 TDS值测量原理 .52.2.2 TDS测量电路 .62.3温度补偿原理与电路 .82.3.1温度补偿原理 .82.3.2温度测量电路 .82.4数码管显示电路 .92.4.1共阳极数码管工作原理 .92.4.2数码管显示电
7、路 .102.5按键电路 .102.6总体电路图 .113 系统软件设计 .123.1软件设计的整体思想 .123.2总流程图与各部分流程图 .123.2.1总流程图 .123.2.2 电导率测量 .133.2.3 温度测量流程图 .143.2.4 TDS测量流程图 .153.2.5 按键电路流程图 .163.2.6 数码管显示流程图 .174 软硬件调试 .184.1 软件调试 .184.2 硬件调试 .18结论 .19展望 .20致谢 .21参考文献 .22陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 26 页引言水是生命之源，人类在生产生活中都离不开水。在地球水圈中，水资源的总量为 137 90，
8、其中海水约占总量的 973，淡水仅占其 27。淡水所占比例不但少，而且大部分分布3km在地球南北极冰雪覆盖下的冰川、冰盖中，而可利用的淡水资源就只有河流、淡水湖和地下水的一部分，还不到总量的 1 1。现如今随着社会经济的发展、科学的进步和人民生活水平的提高，环境污染越来越严重，其中，水环境污染最为严重。在水资源日益短缺的今天，水质问题受到了更多地关注，因此对水质进行测试能使我们更好地保护水资源，保证合格的水质，这对正常生产、保证产品质量和人们健康具有非常重要的意义。TDS是英文 total dissolved solids的缩写，中文解释为溶解性总固体，又称总含盐量，定义为水中含有各种溶解性矿
9、物盐类的总量，它包含无机盐和有机物的总量，测量单位为毫克/升（1mg/L=1ppm），它表明 1升水中溶有多少毫克溶解性总固体，或者说 1升水中的离子总量。通俗的说，TDS 值代表了水中溶解物杂质含量，TDS 值越大，水中溶解物杂质越多，说明水中的可导电物质的杂质含量大。就自来水而言，TDS 值越高越表明水不纯（不考虑有机物污染的前提）。通过检测溶解性总固体（TDS），可以分析水的总矿化度。TDS 水质测试仪就是一种通过测量水的电导率来反映水质矿化程度的仪器。本设计研究的 TDS水质测试仪主要对检测溶解于水中的总固体含量从而达到对水质进行检测试的仪器，该仪器是通过测量水的电导率来间接的反映 T
10、DS值。水的导电性越好，TDS 值越大。理论上相同的水质不同的温度下的 TDS值是一致的，而电导率与 TDS值却是不一样的，温度影响溶液的电导率的。要求同样的水质不同的温度下测定的值都要一致，所以要精确测量不同水质不同水温下的 TDS值，必须有温度补偿，通过测定的水温来进行 TDS值的校正。目前市场上的 TDS检测都是采用探针的方式，采用直流的方式，直接加电压于探针两极，测定两电极间的电压，得出电导率，再通过计算得出水的 TDS值 2。本设计研究的 TDS水质测试仪只能检测到移动的电离子。随着社会的发展和科学的进步，TDS 水质测试仪的发展越来越完善，它在保证性能的基础上简化了功能，从而具有了
11、特别强的价格优势，环境适应性强，清晰的显示，简易的操作和优良的测试性能使其具有很高的性价比。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 26 页1 设计内容与方案1.1设计内容与要求本设计通过研究分析 TDS测量原理，选择单片机作为系统的控制核心，通过电导率测量电路中的探头实现电导率信号的采集，并采用温度传感器进行温度测量，通过温度补偿方法减小温度对电导率测量值的影响，从而提高水质测量精度，最后将测量值显示在数码管上。设计要求：（1）工作温度范围 0-80，测量范围为 0-9999ppm，测量误差 2。（2）能够锁定检测数据，便于读取。（3）测量范围内尽一步提高测量精度。1.2方案论证方案一：电桥测量
12、法 TDS 测量电路数码管显示电路时钟电路单片机复位电路温度测量电路 声光报警电路该方案采用的是用电桥测量法测量水的电导率，这种测量方法是指电极和被测溶液的等效阻抗构成一个平衡或不平衡电桥的桥臂，电桥输出的是被测溶液的电导率的变化情况。这种方法虽然灵敏度高，但是测量范围较小。时钟电路和复位电路组成单片机最小系统。声光报警电路用于提醒数据测量成功，温度补偿电路进行数据校正，数码管显示电路显示测量数据。方案二：频率法 TDS 测量电路单片机最小系统电路 单片机 数码管显示电路按键电路温度测量电路该方案采用的是频率法测电导率，该方法是把电极和被测溶液的等效电阻作为一个多谐振荡电路的阻抗元件，将被测溶
13、液电导率的变化转化成多谐振荡电路的输出频率。该方法成本低，容易实现。按键电路便于锁存测量值。 1.3方案选择有以上两个方案可以看出，方案一用电桥方法测量电导率，测量范围较小，而设计要求测量范围较大，所以方案一的电桥法不能满足要求。方案二所用的频率法测溶液的电导率比较简单，成本低廉，易于实现。在方案一中，声光报警电路的实用性不是很大，因此为了设计成本和简便性考虑可以去掉声光报警电路，加上按键电路，可以方便的对测量值进行锁存，更加满足设计要求。综上所述，本设计选择方案二。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 26 页1.3.1单片机的选择方案一：核心器件采用 AT89C51单片机，AT89C51 芯
14、片有 4K字节的内部 FLASH PERAM，可以在3V的低压下工作，而且该芯片与 MCS-51系列单片机完全兼容，但是该芯片运用于电路设计中时由于没有具备 ISP在线编程技术，所以当在对电路进行调试时，由于对错误的程序修改或对程序加入新增功能需要烧入程序时，需要拔插芯片进行烧制程序，而对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏 3。方案二：核心器件采用 STC公司的 STC89C52单片机作为处理器。该芯片沿用了经典的 MCS-51内核，并且在 MCS-51基础上做了很多改进；该芯片指令代码完全兼容传统的 8051单片机；该芯片有 12时钟/机器周期和 6时钟/机器周期可以任选，还具有 8k字节
15、可编程 FLash存储器和 512字节 RAM；该芯片不需要专用编程器或专用仿真器，可以直接使用串口下载。相较于传统的 51单片机，STC89C52的综合性能更高 4。由于本设计需要较高的处理速度和较强的抗干扰性能，因此选择 STC89C52作为核心器件。STC89C52作为一款高性能的 CMOS 8位微控制器可以满足这一要求。1.3.2温度传感器的选择DS18B20数字温度传感器是 DALLAS半导体公司生产的一线式智能数字温度传感器，是世界上首片支持“一线总线”接口的温度传感器。新型数字温度传感器 DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用
16、中取得了良好的测温效果 5。由于本设计需要测量液体的温度，需要将温度传感器浸入被测溶液中，所以需要选择防水型的DS18B20温度传感器。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 26 页2 系统硬件电路设计本设计硬件电路系统主要由 TDS测量电路，时钟电路，复位电路，按键电路，温度测量电路，数码管显示电路组成。其中时钟电路、复位电路和单片机组成单片机最小系统。2.1单片机最小系统2.1.1单片机 STC89C52简介。STC89C52 使用经典 MCS-51内核，但在其原来基础上做了很多改进使得芯片具有传统 51单片机不具备的功能,而且该单片机与工业 80C51产品的指令代码和引脚完全兼容。STC8
17、9C52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash存储器，512 字节 RAM，32 位 I/O口线，看门狗定时器，内置 4 KB带电可擦可编程只读存储器（EEPROM），MAX810 复位电路，3 个 16位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7向量 4级中断结构（兼容传统 51的 5向量 2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 3
18、5MHz，6T/12T 可选 6。STC89C52的引脚结构图如图 2.1所示。图 2.1 STC89C52引脚图VCC：电源电压GND：地P0口：P0 口是一组 8位漏极开路型双向 I/O口，即地址/数据总线复用口，名称为 P0.0-P0.7。 P1口：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，名称为 P1.0-P1.7。P2口：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，名称为 P2.0-P2.7。P3口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，名称为 P3.0-P3.7。RST：复位输出。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复
19、位，复位后程序计数器 PC=0000H。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 2.1.2单片机最小系统单片机的最小系统应包含单片机、电源电路、时钟电路和复位电路等，包含的引脚有VCC，GND，XTAL1，XTAL2，RST， /VPP7。图 2.2为单片机最小系统。EA陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 26 页图 2.2 单片机最小系统STC89C52使用 12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在 15pF至 50pF之间，该电路选择 22pF的电容。时钟电路
20、的主要任务是给单片机 STC89C52的正常工作提供一个稳定的时钟信号，单片机在这个时钟信号的节奏下逐个地执行指令。单片机的时钟信号的产生方式有两种，一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式。外部时钟方式是把已有的时钟信号从 XTAL1或 XTAL2送入单片机，该方式一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用的是内部时钟方式，选用 12M的晶振和两个22pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。 STC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚 RST上连接一个电容到 VCC，再连接一个电阻到 GND，由此形成一个 RC充放电回路，这样可以保证单片机在上电时 RST脚上有
21、足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态。当单片机系统在运行中，受到干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。为了保证单片机系统中的电路能稳定可靠工作，复位能可靠工作，复位电路是不可或缺的一部分，复位电路包括手动复位和上电复位。单片机在开始工作时都需要复位，这样就可以使整个系统处于确定的初始状态，从初始状态开始工作。89系列单片机的复位信号是从 RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统工作状态正常，振荡器稳定后，如果 RST引脚上有一个高电平并且保持 2个机器周期（24 个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。2.2 TDS值测量电路2
22、.2.1 TDS值测量原理TDS表明 1升水中溶有多少毫克溶解性总固体，或者说 1升水中含有的离子总量。而本设计的TDS值通过测量被测溶液的电导率计算得出。电导率是表示物质导电性能的物理指标。电导率越大物质的导电性能越强，相应的电阻就越小，反之物质导电性能越小，电阻越大，电导率也越小。溶陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 26 页液的电导率等于溶液中各种离子电导率之和。在水样经过过滤后，在一定温度下烘干所得的固体残渣，其中包括不易挥发的可溶性盐类、有机物及能通过过滤器的不溶解微粒等，都称为溶解性总固体。导体的导电能力与导体本身的自由电荷在电场作用下的运动有关，所以其导电能力与导体的性质及它的长
23、度和横截面积有关。其关系式为：SRL（2.1）式（2.1）中，R 为电阻，L 为导体有效长度，S 为导体的有效横截面积， 为电阻率。而电导L1G（2.2）令 ，则我们称 K为电导率，是电阻率的倒数。令 ，所以1 JSL（J 为电导池常数） KG（2.3）电导率 K的单位为每厘米西门子，符号为 Scm-1.电导率是指导体长度为 1cm,横截面积为 1cm2所具有的电导值，对电解质导体来说相当于 1cm3的溶液再相距 1cm的两电极间所具有的电导量 8。测量溶液时，由于水质测试仪的确定，使得测量仪器探针的有效长度 L和有效横截面积 A不变，探针之间水的体积就可以固定，通过式（2.4）可得到电导率
24、K。JS（2.4）由于 TDS与电导率之间存在显著地相关关系，由资料 9可知，溶解固体与电导之间的关系可用下面的经验公式估算：70.5.TD）（2.5）式（2.5）中：TDS 为水中溶解固体（mg/L）；K 为 25时水的电导率（S/m）。上式只是粗略的反映了溶解性总固体与电导率之间的数量关系，系数 0.550.70随水质的不同而异。2.2.2 TDS测量电路图 2.3为 TDS测量电路。陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 26 页图 2.3 TDS测量电路该电路是被测溶液的电导率检测多谐振荡电。当排针上接的两根探针插入被测溶液，形成了一个电极，使整个电路构成封闭的谐振电路，而由该谐振电路产生
25、的与被测溶液电导率有关的频率 f由 555芯片的 3引脚输出，向单片机 P3.5口输入。这个多谐振荡电路是由探针与被测溶液构成的电极和电容 C5组成。555定时器是美国 Signetics公司 1972年研制的用于取代机械式定时器数字电路与模拟电路相结合的的中规模集成电路，因输入端设计有三个 5K 的电阻而得名。555 定时器是由两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电三极管，电阻分压器和输出缓冲器五个基本单元组成。有两个基准电压，分别为 VCC/3，2VCC/3，是构成多谐振荡器的主要器件。使用 555定时器的电路使用灵活、方便并且价格低廉，只需外接少量电阻电容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。如图 2.4所示，为 555定时器结构图。图 2.4 555定时器结构图由 3个 5K 的电阻串联构成的电阻分压器为两个电压比较器 C1 和 C2提供参考电压。如控制电压输入端 5悬空，则比较器 C1的参考电压为 13VCC，加在同相端；C 2的参考电压为 23VCC，加在反相端。4 脚是复位输入端，当 有效时，基本 RS触发器被置“0”，晶体管导通，输出端RD
