【正文】 .................................... 20 第一章 緒 論 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測試儀的研究背景 水作為一種重要的資源，與人們的生活和生產(chǎn)都 有著密切聯(lián)系。 TDS(溶解性總固體，又稱總含鹽量 ),測量單位為毫克 /升（ mg/L ） ,它表明 1升水中溶有多少毫克溶解性總固體，或者說 1升水中的離子總量。 TDS水質(zhì)檢測方法通常 分為 兩種 ， 分別為稱量法和電極測定法。 稱量法測定 TDS時，將一定量的水樣經(jīng)過濾，在標準溫度下烘干，直接求得 TDS值。 電極法測量 TDS是一種電化學分析方法，儀器測量時，將電極置于溶液中，使用交流電源 ，通過測量電流的大小得到溶液的電阻率，由于溫度影響電導率的測量，因此采用熱敏電阻對溫度進行補償。運用電解質(zhì)溶液導電產(chǎn)生電流，由電阻與電導率之間的關系公式，通過 測量電阻間接求得 TDS數(shù)值 的方法。 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測試儀的發(fā)展現(xiàn)狀 目前水質(zhì) 檢 測的方法有分光光度法、熒光法、原子色譜法、電導率法等。電導率檢測法研究成熟、簡單易用，使用方便。電極電導率測量法根據(jù)電解質(zhì)導電原理，通過測 量電阻得到電導率，測量電極過程表現(xiàn)為復雜的電化學系統(tǒng)，極化效應、電容效應和溫度影響電導率準確測量，使得傳統(tǒng)的電導率檢測儀精度較低，智能化不夠。 電導率測量方法按有無電極分為有電極測量方法與無電極測量方法，其中有電極的電導率測量方法用的較多，按電極在測量電路中的位置可分為電流法、電橋法、分壓法、頻率法［ 1］ 。電橋法在實 驗分析中電極作為電橋的一臂，高要求的實驗室分析常用此方法。電極與分壓電阻串聯(lián)，分壓電阻可調(diào)大小，分出的電壓經(jīng)放大、檢波和濾波電路得到相關值。測得的結果精度高，并且可遠程傳輸。 論文研究目標與主要研究內(nèi)容 論文研究目標： 本畢業(yè)論文研究的目標是 基于 AT89C2051單片機為核心器件，設計一個可測量水 TDS值的儀表， 本科畢業(yè)論文 2 論文主要研究的內(nèi)容及技術參數(shù) 主要以下幾點： （ 1）根據(jù)系統(tǒng)要求，研究 TDS值的測量原理及其傳感器設計； （ 2）根據(jù) TDS值非線性特點，研究其補償方法，測量誤差小于 2%； （ 3）研究溫度與 TDS值的關系，研究溫度補償方法； （ 4）以 LED數(shù)碼管方式顯示測量結果； （ 5） 分析系統(tǒng)功能需求，設計各個硬件電路模塊電路圖及總體電路圖；設計系統(tǒng)各子程序流程圖及總體程序流程圖 。 本科畢業(yè)論文 3 第二章 系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)主要設計方案 論文利用單片 機 實現(xiàn) TDS值 信號在線采集， 并 設置溫度測量模塊 , 采用數(shù)字溫度傳感器DS18b20 進行溫度 測量 。電路主要包括 傳感器、 信號采集電路、溫度補償電路、控制電路、數(shù)碼管顯示電路和報警電路。 系統(tǒng)整體框圖 圖 21 系統(tǒng)整體硬件框圖 AT89C2051單片機簡介 AT89C2051單片機是 CMOS 8位微處理器，有著 2k字節(jié)的閃速可以重復使用的只讀存儲器， 128字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器，具有低電壓，高性能。內(nèi)含通用閃速存儲單元和位中央處理器。該單片機 VCC口接電源電壓， GND 口接地， RST為復位輸入。 XTAL2接口是振蕩反相放大器的輸出。配備一個編程器，編輯程序，進行編譯，實行固化，將其插到電路板試驗，重復之前的操作，此調(diào)試方法存在對片內(nèi) RAM的信息無法清楚的缺點。 傳感器 測量電路 單片機 數(shù)碼管顯示 按鍵 DS18b20 報警電路 本科畢業(yè)論文 4 TDS 值測量原理及電路 TDS值測量原理 TDS表 示 1升水中溶有多少毫克溶解性總固體，或者說 1升水中的離子總量。 導體的導電過程是由于導體本身存在的自由電子在電場作用下運動而產(chǎn)生的 ,它的導電能力除了與金屬本身性質(zhì)有關外 ,還與它的長度和橫截面積有關。L/A 式中： R 為導體電阻 (Ω), L 為導體的有效長度 (cm)； A為導體的有效橫截面積 (cm2)； ρ 為電阻率 (Ω． cm)。電阻越大 , 導電能力越弱。因此，可得表達式 [3]： S=l／ R=A／ （ ρ?L） =k?A／ L=k/θ 式中： S 是電導，單位為 西門子 (s)； k 是電導率，單位為每厘米西門子 (δ?cm)1，或 S／ cm；θ =L/A為電極常數(shù)為電導池常數(shù) (cm1)。電導率越大則物質(zhì)導電性能越強 , 電阻就越小 , 反之導電性能越差 , 電阻越大。在溶液的測量中，由于水質(zhì)測量儀器確定，使得測量儀器探針的直徑、長度都固定，既上式中的 L（導體的有效長度）， A（導體的有效橫截面積）不變，探針之間水的體積就固定，因此，通過測量電導率 k，即可求出水質(zhì)電阻 R。通過表達式可知，當測量儀器固定時，電阻只與電導率有關，又由于電阻只與 TDS有關，因此 TDS只與電導率有關。 K 為 25℃時水的電導率 （ S /m） 。 直接測量水的溶解性總固體 程序步驟繁多，測量穩(wěn)定 性差，實行起來 復雜 。P / A I N 012P / A I N 113P 14P 15P 16P 17P 18P 19R S T / V pp1P / R X D2P / T X D3P / ^ IN T 06P / ^ IN T 17P / T 08P / T 19P 11X T A L 24X T A L 15GND10V C C20U1a t 89 c 20 51圖 22 單片機 AT89C2051 引腳 圖 本科畢業(yè)論文 5 使得 TDS的測量變得簡單快速、實用方便，測量結果精度更高。所以在 水質(zhì)檢測儀器的 設計 中 , 應 加以消除溫度對 TDS的影響。 測量電路如圖 23示。當 CON2上接的兩根探針（傳感器）插入被測溶液時，形成了一個電極，從而整個電路構成一個封閉的諧振電路，此時 555芯片的第三個引腳向單片機輸入了一個與被測溶液電導率有關的頻率 f。而時基電路的輸出端引腳 3接入的開關晶體管 Q1，具有擴展時基 電路的帶載能力。 T R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D IS7VCC8GND1U255512J1C O N 2V C CB1C2E3Q1805 0C3103C4104P 圖 23TDS 值測量電路 555 定時器是由電壓比較器， RS 觸發(fā)器，放電管，相同大小的串聯(lián)電阻和輸出端組成。有較大的電源電壓范圍。 555 定時器的使用存在著模擬和數(shù)字信號的轉變。 如圖 24所示，為 555定時器結構圖。 1腳接地， 8腳接電源，控制電壓端 5 腳懸空，使基準電壓不變，電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓是 2VCC/3，電壓比較器 C2 的反相輸入端電壓是 VCC/3。當端口 TR的電壓 V1VCC/3，電壓比較器 C2輸 出 0， RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端為 1。 表 21 555 定時器的功能表 清零端 高觸發(fā)端 TH 低觸發(fā)端 Q 放電管 T 功能 0 0 導通 直接清零 1 0 1 保持上一狀態(tài) 保持上一狀態(tài) 1 1 0 1 截止 置 1 1 0 0 1 截止 置 1 1 1 1 0 導通 清零 該電路由具有低功耗、高輸入阻抗、寬電壓范圍特點的 MOS 型時基電路與電極 CE 及定時電容 Ct 一起構成多諧振蕩電路，并在時基電路的輸出端引腳 3 接入開關晶體管 Tl，用來擴展時基電路的 帶載能力，保證電導率在大范圍內(nèi)測量時，輸出頻率 fo具有很好的線性。 充電 過程： VCC— Q1— 電極 J1— C4， 按指數(shù)規(guī)律上升，當上升到Vc≥ 2／ 3Vcc 時， 6 腳內(nèi)部高限比較器反轉，時基電路復位， 3腳輸出低電平， Q1截止，同時 7 腳內(nèi)集電極開路放電管導通，放電過程： C4— J1— 7 腳。如此以上過程反復循環(huán)， 周而復始 形 成振蕩輸出 fo。 輸出頻率 fo與電導 G(t)成正比，實現(xiàn)了電導率到輸出頻率的線性轉換。分析電路工作原理得到 f=（ RC4），其中 R為被測溶液的電阻。 l 是兩根探頭的間距， s是探頭插入被測液的深度與探頭橫截面直徑的乘積 。 兩根探針所夾的被測溶液視為電阻。 論文 TDS測試儀最終按以上公式進行程序設計計算。溶液溫度升高時，粒子水化作 用減弱，溶液粘度降低，運動阻力減小，離子熱運行加快，電場作用下，離子的定向運動也加快，導電能力增加，溶液電導率增大。由于溶液的電導率隨溫度升高而增大 , 因此溶液電導率的溫度系數(shù)是正的。因此，溶液在電導率測定時，要求被測溶液溫度調(diào)至 25℃，但實際測量過程往往受各種因素影響，無法將溶液樣品溫度控制 并穩(wěn)定在基準溫度范圍內(nèi)，此時，對測量所得結果，需要進行溫度補償。恒溫法原理簡單，測量效果好，但需要復雜的精密恒溫裝置，設備昂貴，難以推廣于實際的使用。 自動溫度補償法，在測量儀器中設置自動溫度補償電路，在測量任意溫度的溶液時，都能自動進行溫度補償并顯示出補償至基準溫度 25℃ 時該溶液的電導率值。 熱敏電阻補償法其運用 熱敏電阻隨溫度的變化將抵消溶液電阻隨溫度的變化的原理，使所測電導率不受溫度變化影響。 使用軟件擬合電導率和溫度的經(jīng)驗公式對測得的電導率及水溫進行數(shù)據(jù)處理 ,可以較好的做到溫度補償，直接得到補償后的數(shù)值。 溶液的溫度每升高 1℃，電導率增加約 2%，溫度校正系數(shù)與溫度成一元線性關系， 當測量溫度為 25℃ 左右時， 溫度補償公式為： Ks=Kt/[+)] 式中 Kt和 Ks分別為 t℃ 和 25℃下溶液的電導率 ， t為 測量時的 溫度。該方法不僅減少了硬件電路的復雜性，還使水質(zhì)測試儀更 方便 使用和精確。 TDS18b20數(shù)字溫度傳感器 采用 單線接口方式，具有 3引腳，測溫范圍為－ 55～ +125℃，工作電壓范圍為 3~ 5V，采用外部電源供電方式， VCC引腳接工作電源， GND引腳接地 ,DA引腳接單片機 ，在 VCC引腳與 DA引腳之間接一個約 的上拉電阻，使系統(tǒng)不工作時為高電平。 共陽極數(shù)碼管工作原理 本設計采用 3 位八段數(shù)碼管，數(shù)碼管是一種以發(fā)光二極管為基本單元的半導體發(fā)光器件。如圖 26所示： . 圖 26LED 數(shù)碼管引腳定義 此電路使用的是共陽極數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管，在應用時，將共陽數(shù)碼管公共端 COM接 +5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當為高電平時，對應字段就不亮。對各個數(shù)碼管的的 COM端分時輪流控制，使各個數(shù)碼管輪流受控顯示。動態(tài)顯示驅動效果好，能夠節(jié)省大量的 I/O端口，編程簡單，顯示亮度高， 而且功耗低。 數(shù)碼管的 8個腳 ah接到單片機的 P1口，位選控制端 13分別接三極管 Q2Q4的集電極，三極管的基極分別接到單片機的 ，三極管的發(fā)射極連接在一起接 +5V電源。數(shù)碼管顯示 TDS值。 當 腳本科畢業(yè)論文 10 為低電平時，三極管導通，然后 LED導通， 電流經(jīng)過電阻 R12， 電路電流形成回路，蜂鳴器發(fā)聲 ；當 ，三極管 截止 ，蜂鳴器沒有響應。如再次按下按鈕，程序清空被測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)進行初始化 , 當按鍵開始測量時，計數(shù)器開始工作，測量并計算電導率的數(shù)值，讀取溫度值，對采集來的溫度信號運用軟件算法補償?shù)姆椒▽囟犬a(chǎn)生的電導率測量誤差進行補償，運用軟件算法對所得數(shù)據(jù)進行處理和計算 ， 按鍵鎖定計算結果，最后將計算得到的結果存儲并顯示在數(shù)碼管上。測量結束后，關閉計數(shù)器，系統(tǒng)清零。軟件通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提高儀器精確度和可靠度。從而得到周期，既得到輸出頻率，系統(tǒng)運用電導率與輸出頻率之間的計算公式程序得到電導率值。 如圖 32所示，為電導率測量流程框圖。單片機發(fā) skipROM命令，使傳感器能夠接收并響應之 后系統(tǒng)發(fā)出啟動 T0、 T1 開 始 T0定時時間是否到 讀取 T1計數(shù)值 關 T0、 T1 計算電導率 返回 計算頻率 本科畢業(yè)論文 13 的命令。 圖 33為 DS18b20溫度采集流程框圖。結合 TDS與電阻之間的算術關系，可由系統(tǒng)測得的電 導率值通過相關公式求出 TDS值。 TDS值測量流程框圖，如圖 34所示。由測量所得的 TDS值軟件查 找單片機 LED段碼表，找出相對應的段碼，再將查找出的段碼輸送至數(shù)碼管，數(shù)碼管根據(jù)接收到的段碼，選擇相應的字段進行顯示。 數(shù)碼管顯示流程框圖，如圖 35所示。按鍵報 警流程框圖，如圖 36所示。按下按鍵，鎖定相關數(shù)據(jù)，蜂鳴器發(fā)出信號，測試成功。再次按下按鍵，清除數(shù)據(jù)，實行下一項測試。具有自動校正，自動溫度補償，可重復使用等特性。該研制儀器能在任何時間、任何地點快速準確地測試水質(zhì) ,具有防水、防腐、質(zhì)輕、堅固、耐腐蝕等優(yōu)點，顯著減少了