【正文】 是 否 大 于 或 等 于 2 0且 小 于 3 0K s = K t / ( 0 . 0 0 1 6 9 t + 0 . 5 5 8 3 )K s = K t / ( 0 . 0 1 8 t + 0 . 5 4 7 3 ) K s = K t / ( 0 . 0 0 1 8 9 t + 0 . 5 2 8 1 )K s = K t / ( 0 . 0 2 2 t + 0 . 4 5 )K s 的 值 給 ρT D S = 0 . 5 5 ρYNYNYN讀 取 溫 度 值 圖 34 TDS 值測(cè)量 流程框圖 數(shù)碼管顯示 將測(cè)量所得的 TDS數(shù)據(jù)傳送給數(shù)碼管，運(yùn)行時(shí)，所有數(shù)碼管接收單片機(jī)輸出的相同字形碼，對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行位選擇，選擇需要顯 示的數(shù)碼管，該位就會(huì)顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。讀取采集到的溫度值，使用軟件擬合電導(dǎo)率和溫度的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)測(cè)得的電導(dǎo)率及水溫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 實(shí)現(xiàn) 溫度補(bǔ)償，直接得到補(bǔ)償后的 TDS值。 圖 33 DS18B20 溫度采集流程框圖 TDS值測(cè)量 TDS與電阻之間存在直接聯(lián)系，而電阻與電導(dǎo)率有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，導(dǎo)體的有效橫截面 積已知的情況下，電阻只與電導(dǎo)率有關(guān)。發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令，傳感器進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，傳感器將轉(zhuǎn)換后的溫度值發(fā)送到數(shù)據(jù)線(xiàn)，單片機(jī)讀取溫度值，最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 圖 32 電導(dǎo)率測(cè)量流程框圖 DS18B20溫度采集 溫度采集的流程 中 ，單片機(jī)通過(guò) 口向 DS18b20發(fā)出復(fù)位脈沖，完成對(duì)此 系統(tǒng)初始化，傳感器準(zhǔn)備接收命令。從而系統(tǒng)通過(guò)頻率輸出轉(zhuǎn)換得到電導(dǎo)率值。 N Y N Y 圖 31 系統(tǒng)總體流程圖 關(guān)閉計(jì)數(shù) 器、清零 開(kāi)始 初始化 按鍵掃描 是否開(kāi)始測(cè)量 啟動(dòng)計(jì)數(shù) 器 電導(dǎo)率 計(jì)算 溫度補(bǔ)償 TDS 值計(jì)算 是否鎖存結(jié)果 顯示結(jié)果 結(jié)束 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 12 電導(dǎo)率測(cè)量 對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，此程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先啟動(dòng) T0、 T1， T0為系統(tǒng)設(shè)置的定時(shí)時(shí)間 值 ，當(dāng)測(cè)量時(shí)間到設(shè)定時(shí)間 T0時(shí)，關(guān)閉 T0、 T1輸出端口，系統(tǒng)自動(dòng)讀取 T1，既 T0時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)值。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列的檢測(cè)、分析、轉(zhuǎn)換、計(jì)算處理，并將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給相關(guān)的模塊。測(cè)量過(guò)程中，為了 方便 測(cè)量?jī)x器 的使用 ，當(dāng)儀器浸入溶液 測(cè)量成功后 ，系統(tǒng)接受相應(yīng)數(shù)據(jù) 并 發(fā)出報(bào) 警 信號(hào)，提醒使用者測(cè)量完成 。 S1SWPBP3.4 圖 29 按鍵電路 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體流程圖 系統(tǒng)軟件流程如圖 31所示。 按鍵電路如圖 29所示， 當(dāng) 8腳為低電平時(shí)，電路導(dǎo)通， 按鍵第一次按下，儀器開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量完成后，再次按下按鈕，蜂鳴器發(fā)出測(cè)量成功信號(hào)，系統(tǒng)保存并顯示所測(cè)結(jié)果。 e1d246c4a11b73829f10112h3g5A B CU4L E D 3DE2C3B1Q2P N PE2C3B1Q385 5 0E2C3B185 5 0P N PR1470R2470R3470R4470R5470R6470R7470R8R9V C CV C CV C CR 1110kP 3. 2P 3. 1P 3. 0P 1. 6P 1. 5P 1. 4P 1. 3P 1. 2P 1. 1P 1. 0 圖 27 顯示電路 按鍵與報(bào)警電路 R 1 3R E S 2Q5P N PD1LEDR 1 2R E S 2L S 1S P E A K E RV C CP 3 .3 圖 28 報(bào)警電路 報(bào)警電路如圖 28所示， 由于蜂鳴器工作需要較大的電流 ， 一個(gè)管腳難以使蜂鳴器發(fā)聲，因此設(shè)置一個(gè)三極管進(jìn)行電流放大，增加通過(guò)蜂鳴器的電流，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。通過(guò) P3口可以使相應(yīng)的數(shù)碼管位被選中，然后通過(guò) P1口送入相應(yīng)的段碼顯示。 如圖 27所示為顯示電路， ， 此數(shù)碼管為共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管，所以需要外部低電平才能使相應(yīng)的內(nèi)部二極管點(diǎn)亮。實(shí)際顯示過(guò)程中，各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但由于每位數(shù)碼湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 管的點(diǎn)亮?xí)r間僅為 1～ 2ms，掃描的速度足夠快，再加上發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)及人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，看上去就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù) ，不會(huì)有閃爍感。該電路采用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 a,b,c,d,e,f,g,dp這 8個(gè)字段的同名端連在一起，每個(gè)數(shù)碼管的公 共極 COM 都對(duì)應(yīng)一個(gè)位選通控制電路，每個(gè)位選通控制電路由各自獨(dú)立的I/O 線(xiàn)控制，運(yùn)行時(shí)，所有數(shù)碼管接收單片機(jī)輸出的相同字形碼，由于單片機(jī)對(duì)位選通 COM端電路實(shí)行控制，決定了哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，打開(kāi)需要顯示的數(shù)碼管的選通控制，該位就會(huì)顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。每一顯示筆劃用一個(gè)字母對(duì)應(yīng)表示， DP是小數(shù)點(diǎn)。 DS18b20 采集溫度數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，再將 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接受信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后得到溫度值 。 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 溫度測(cè)量電路 123D S2D S18b2 0R 14 KVC CVccDAGNDP 圖 25 溫度測(cè)量電路 溫度測(cè)量電路，如圖 25 所示。 當(dāng)測(cè)量溫度 偏離 25℃時(shí) ，根據(jù)以上公式計(jì)算所得的電導(dǎo)率誤差較大，為了提高測(cè)量精度，對(duì)不同的溫度范圍，采用不同的 溫度校正系數(shù)公式 進(jìn)行計(jì)算： Ks=Kt/(+) 1℃≤ t≤ 10℃ Ks=Kt/(+) 10℃≤ t≤ 20℃ Ks=Kt/(+) 20℃≤ t≤ 30℃ Ks=Kt/(+) 其他溫度范圍 [6] 本設(shè)計(jì)通過(guò)溫度測(cè)量電路精確測(cè)量電導(dǎo)率和溶液溫度，借助數(shù)據(jù)擬合的方法擬合出經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行軟 件溫度補(bǔ)償。 論文采用軟件補(bǔ)償法。但實(shí)際設(shè)計(jì)復(fù)雜，有局限性，很難找到一款與不同溶液有相同電導(dǎo)率溫度特性的熱敏電阻。該方法分為熱敏電阻補(bǔ)償法和擬合經(jīng)驗(yàn)公式補(bǔ)償法 。手動(dòng)補(bǔ)償法需先測(cè)出溶液溫度 , 再將測(cè)量?jī)x上的溫度補(bǔ)償旋鈕調(diào)至所測(cè)得的溫度數(shù)值 ,儀表所顯示的是基準(zhǔn)溫度下該水樣的電導(dǎo)率，由于其溶液溫度系數(shù)只考慮為 ，溫度補(bǔ)償誤差較大。 恒溫法 是將被測(cè)水樣恒溫到 25℃，測(cè)得其基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率。 在被測(cè)溶液固定的情況下，為了使所測(cè)電導(dǎo)率數(shù)值之間具有可比性，需要溶液統(tǒng)一在25℃這個(gè)基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率進(jìn)行比較以判斷水質(zhì)。反之亦然。 溫度補(bǔ)償原理與電路 溫度補(bǔ)償原理 溶液電導(dǎo)率測(cè)量受溫度影響很大，電解質(zhì)的電離常數(shù)、離子運(yùn)動(dòng)速度、溶解度等 都直接受溫度的影響，從而溫度直接影響溶液電導(dǎo)率測(cè)量的精度。由此，可以確定頻率和電導(dǎo)率的線(xiàn)性關(guān)系， 即： 10f? ?? 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 由此推算出 72 . 8 8 8T D S ( 0 . 5 5 ~0 . 7 0 ) 1 0f? ? ?。本試驗(yàn)中的 l =15mm， s=40mm? =60mm2，則ls =； C4= F。由于， lR s?? ，其中 ? 是被測(cè)溶液的電阻 率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，探針尺寸固定，故 ls 是常數(shù)。 如圖 23測(cè)量電路， 運(yùn)用 555定時(shí)器、 CON2上接上一對(duì)固定長(zhǎng)度的探針并將它們接入到被測(cè)溶液中 ， 定時(shí)電容 C C3和 開(kāi)關(guān)晶體管 Q1構(gòu)成多諧振蕩電路。 經(jīng)分析 得出以下公式 [5]： f0=(t) G(t)=1 /Rx一電極實(shí)測(cè)的電導(dǎo)值； K0=。 按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng) 放電至Vc≤ 1／ 3Vcc 時(shí)，腳 2 內(nèi) 低限比較器反轉(zhuǎn)，引腳 3 再次輸出高電平， 電容再次充電 。電路工作原理：電路開(kāi)始運(yùn)行時(shí)電容 C4上的電壓為 0，實(shí)際電路處在置位狀態(tài)，引腳 3 輸出高電平， Q1 導(dǎo)通。 555定時(shí)器的功能表， 如 表 21所示。當(dāng)滿(mǎn)足高觸發(fā)端 TH 的電壓 V22VCC/3，低觸發(fā)端 TR的電壓 V1VCC/3，電壓比較器 C1和電壓比較器 C2分別輸出 0和 1，此時(shí) RS 觸發(fā)器置 0，使輸出端為 0。 圖 24 555 定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 555 定時(shí)器中的 RS 觸發(fā)器和放電管都受比較器輸出電壓控制。擁有可靠的測(cè)量功能，使用方便，并且價(jià)格低。是構(gòu)成多諧振蕩器的主要器件。有兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，分別為 VCC/3， 2VCC/3。這一功能保證了電導(dǎo)率在大范圍測(cè)量時(shí)，輸出頻率 f具有很好的線(xiàn)性。該多諧振蕩電路中是由 MOS型時(shí)基電路、探針與被測(cè)液構(gòu)成的電極和定式電容 C4組成。 該電路是被測(cè)溶液的電導(dǎo)率諧振檢測(cè)電路。 TDS值 測(cè)量電路 由于被測(cè)溶液 的電導(dǎo)率與 TDS值有一定關(guān)系， 即公式 TDS = ( ~ )?K， 可通過(guò)被測(cè)量溶液的電導(dǎo)率推算出水的 TDS值。 溫 度 升高，固體雜質(zhì)的溶解度 增大 ，電離度升高 ,離子 總量 增多， 粒子水化作用減弱，溶液粘度降低，運(yùn)動(dòng)阻力減小，離子熱運(yùn)行加快， 使得 TDS變大。 而電導(dǎo)率的測(cè)定 簡(jiǎn)便 、 穩(wěn)定、快速 ,電導(dǎo)率反映出 溶解固體 量 ， 可通過(guò)測(cè) 量 電導(dǎo)率 ,推算出 水中溶解性總固體的 含量 。 根據(jù) 以上公式 ,可通過(guò)待測(cè)溶液的電 導(dǎo)率數(shù)據(jù) , 求出溶解固體與鹽分的濃度。可用 通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率估算 TDS，溶解固體與電導(dǎo)之間的關(guān)系 經(jīng)驗(yàn)公式 如下 [4]: TDS = ( ~ )?K 式中 : TDS 為水中溶解固體 （ m g /L） 。 由于 TDS與電阻之間存在直接聯(lián)系，電阻與電導(dǎo)率之間又有著顯著相關(guān)關(guān)系，因此電導(dǎo)率與 TDS之間存在著必然的聯(lián)系。溶液的電導(dǎo)率等于溶液中各種離子電導(dǎo)率之和。電導(dǎo)率是表示物質(zhì)導(dǎo)電性能的物理指標(biāo)。反之則越強(qiáng)。 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù) ， 用于衡量物質(zhì)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。其關(guān)系式為 [2]: R =ρ水樣經(jīng)過(guò)濾 后 , 在一定溫度下烘干 , 所得的固體殘?jiān)Q(chēng)為溶解性總固體 , 包括不易揮發(fā)的可溶性鹽類(lèi)、有機(jī)物及能通過(guò)過(guò)濾器的不溶解微粒等。用普通仿真器仿真 2051,便 于 調(diào)試，但存在差距。 AT89C2051開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的方法有兩種。 XTAL1接口是振蕩反相器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。有 15 個(gè)I/O接口， 2個(gè) 16位計(jì)數(shù)器， 6個(gè)中斷源，具有中斷系統(tǒng)，精密電壓比較器，可編程串行通道口，空閑節(jié)電方式和掉電節(jié)電方式。生產(chǎn)采用 ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，與 MCS51 指令集兼容。 設(shè)計(jì)原理是通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)量電路中的探頭采集電導(dǎo)率信號(hào)，同時(shí)采用溫度傳感器DS18b20 測(cè)量水溫，將采集到的信號(hào)傳送到單片機(jī)并對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，運(yùn)用軟件算法補(bǔ)償?shù)姆椒?對(duì) 溫度 引起的 電導(dǎo)率測(cè)量的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，最后將補(bǔ)償后的結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。通過(guò)軟件算法補(bǔ)償由于溫度而引起的電導(dǎo)率值測(cè)量誤差， 從而提高了 水質(zhì) 測(cè)量精度。 主要研究?jī)?nèi)容： 本課題是 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測(cè)試儀 設(shè)計(jì)，其 具體要研究的內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)： （ 1） 研究 AT89C2051單片機(jī)原理及其應(yīng)用； （ 2） 研究數(shù)碼顯示管的 顯示功能 ； （ 3）研究按鍵模塊，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用按鍵對(duì)各個(gè)功能的切換； （ 4）研究電極電導(dǎo)率測(cè)量法的原理，溫度補(bǔ)償減小測(cè)量誤差的方法； （ 5）研究通過(guò) DS18b20測(cè)量溫度并輸送測(cè)量信號(hào)的方式； （ 6）研究系統(tǒng)整個(gè)電路圖的設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 2 成本低，易做成便攜式電導(dǎo)儀。頻率法：通過(guò)多諧振蕩電路將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，電極作為振蕩電路的一部分。分壓法是一種研發(fā)成熟且應(yīng)用廣泛的測(cè)量方法。電流法，電極一般在運(yùn)放的輸入端，原理是：激勵(lì)源在電極中產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流是被測(cè)電導(dǎo)率的 正比，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻產(chǎn)生交流電壓，最后經(jīng)放大、整流、濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。這些都有待于進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。根據(jù)其測(cè)量方法研制的儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、反應(yīng)速度靈敏、實(shí)用性好和成本低廉的特點(diǎn)。前三種由水體吸收折射光譜，估算水體的溶質(zhì)和濃度，測(cè)量精度準(zhǔn)確，但操作不方便 ， 耗