89C52單片機和通信接口實現(xiàn)水質無人監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 C52單片機和通信接口實現(xiàn)水質無人監(jiān)測系統(tǒng)的設計 水產科研的不斷深入以及環(huán)境保護的不斷加強對水質各參數(shù)的連續(xù)實時監(jiān)測提出了更高的要求，如：在水產養(yǎng)殖研究中，要求對池塘、水庫、工廠化養(yǎng)魚池等多種水體的水質連續(xù)監(jiān)控；在環(huán)境保護方面，建立各種水質無人監(jiān)測站以監(jiān)測和記錄江、河、湖泊、地下水以及海岸沿線各點的水質變化，把數(shù)據(jù)通過各種通訊方式實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心開展處理等。傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方式由于測試周期長、不能實時監(jiān)測等原因，已不能適應水產科研以及環(huán)境保護等方面的需求。 本系統(tǒng)以單片機為主控制器，結合 的外圍器件，可實現(xiàn)同時監(jiān)測溶解氧、溫度、pH值、電導率、氨氮等11路參數(shù)的

2、變化，同時顯示在液晶顯示器上，并按設定的時間間隔記錄在EEPROM中；也可通過RS-232串口與遠程計算機通信，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制、遠程校正等功能；還可以通過控制接口控制報警器、增氧機、循環(huán)泵等設備，完成自動控制功能。 1 系統(tǒng)原理 系統(tǒng)硬件構造框圖如圖1所示。 基于89C52單片機和通信接口實現(xiàn)水質無人監(jiān)測系統(tǒng)的設計 傳感器信號將各參數(shù)的變化轉變?yōu)橄鄳奈⑷醯碾娏骰螂妷盒盘?，經精細放大器調理為標準的05V電壓后，送到模/數(shù)轉換器轉換成相應的數(shù)字電壓值，再送入單片機中開展處理。單片機依據(jù)不同的傳感器開展數(shù)值濾波、補償?shù)冗\算后送入液晶顯示屏實時顯示，同時按照設定值，定時存入在非易失EEPRO

3、M中。這些數(shù)據(jù)可以通過本機按鍵在液晶顯示屏上直接讀取或去除，還可以通過RS-232接口由計算機直接讀取數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)由4個按鍵完成自動校準、校零、采集數(shù)據(jù)及存儲數(shù)據(jù)時間間隔設定、數(shù)據(jù)讀取及去除等功能。電源可用交流電或電池供電，由專門的電源監(jiān)控電路監(jiān)測供電狀況并自動切換。當電池電壓低于所定標準電壓時，在液晶顯示上顯示出來，說明需要更換電池。 2 關鍵器件及關鍵技術 2.1 傳感器 2.1.1 溫度傳感器 根據(jù)水質監(jiān)測的需要，我們選用了美國Dallas公司的一線數(shù)字溫度計DS1820，大小如一個三極管，為單總線數(shù)字傳輸。讀寫溫度變換的功率來自于數(shù)據(jù)線而不需要額外電源，每一個DS1820含有一個 的硅

4、串行數(shù)，同一總線上可有多個DS1820。這些特點可滿足多種需要，如不增加信號線，在探頭上按需要可串接多個DS1820，以便同時對上、中、下各層水的溫度以及氣溫等開展監(jiān)測。在使用中發(fā)現(xiàn)，DS1820的測量值與實際值有一定的誤差，每個誤差都不一樣。為了能夠互換而不修改程序或開展校準，把誤差值經特殊變換存在DS1820中原來作為存儲高低溫度觸發(fā)的TH、TL兩個字節(jié)中，這兩個字節(jié)為EEPROM，即使掉電也不會丟失，在單片機讀取測量溫度的同時一并讀入，去除誤差，得到實際值。這樣就可以更換探頭或DS1820而不需要重新校準。 2.1.2 溶解氧傳感器 溶解氧傳感器為自制的極譜型薄膜電極。儀器對電極加上0.

5、7的直流電壓稱為極化電壓，水或空氣中的氧透過薄膜在電極上產生如下反應： 陰極：O2+2H2O+4e4OH- 陽極：4Ag+4Cl4AgCl+4e 氧在陰極上復原，電極輸出電流，在一定溫度下其大小與被測樣品氧濃度呈線性關系。以輸出電流為軸，氧濃度為軸作圖可得一直線，該直線通過零點。不同的溫度其直線的斜率不同，這就是溶氧電極的溫度系數(shù)。產生溫度系數(shù)的原因有兩個：一是電極薄膜氧的透過速率隨溫度而變化，溫度每升高一度大約變化3%，氧電極的電流也相應增加，即溶解氧濃度不變而溫度變化，引起電極靈敏度變化，造成讀數(shù)誤差；二是水中的溶解氧的飽和溶解度隨溫度的不同而不同，由于此種電極是對氧分壓敏感元件，因此不同

6、的溫度下相同的氧分壓輸出相同的電流，但其溶解氧實際濃度值是不同的。為了準確讀出溶解氧值，在傳統(tǒng)的儀器中把熱敏電阻做在電路中開展溫度補償？但需要對電路反復調試？其補償范圍及 受到限制。在本系統(tǒng)中對溫度和溶氧分別采集，用軟件開展補償，不需要對電路開展溫度補償調試。在軟件設計中采取三種方法對溫度系數(shù)開展補償： ，根據(jù)國標中有關各溫度下被空氣飽和的水中溶解氧的實際值，做出溫度與飽和溶解氧的曲線，得到擬合方程存到單片機中，消除影響溫度系數(shù)的第二個原因；第二，測出探頭在各溫度下被空氣飽和的水中的模數(shù)轉換值，做出溫度與轉換值的曲線，得到擬合方程存到單片機中，消除影響溫度系數(shù)的 個原因；第三，實際使用時把在空

7、氣中開展飽和校正時的參數(shù)實時參加到擬合方程中，消除了探頭在使用中的誤差。在軟件中還參加了對鹽度、氣壓的補償。正是利用單片機的運算功能，使得溫度變化可以得到補償，這些功能在傳統(tǒng)的儀器中是很難做到的。 pH值、電導等選用成品探頭，根據(jù)不同探頭的特點，設計不同的信號調理電路，變換為5V的標準輸入電壓，接入系統(tǒng)的A/D轉換器中。 2.2 主要芯片 2.2.1 主控芯片 主控芯片選用ATMEL公司的AT89C52，內部有8K字節(jié)的Flash程序存儲器？免去了擴展外部存儲器的麻煩，在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以十分容易地開展程序的修改，縮短了系統(tǒng)開發(fā)的周期，而且還可以隨用戶的需要和發(fā)展對程序開展修改或升級，使系統(tǒng)不

8、斷地滿足用戶的 要求。 2.2.2 實時時鐘芯片 實時時鐘芯片選用的是美國Dallas公司的DS12C887，內部包含晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充鋰電池等。其內有非易失時鐘、百年歷、警報器、可編程中斷、方波發(fā)生器以及114字節(jié)非易失靜態(tài)RAM供用戶使用。 2.2.3 A/D轉換 A/D轉換選用美國TI公司的TLC2543。片內含有一個14通道多路器，可從11個外部模擬輸入或三個內部自測電壓中選擇一路開展轉換輸出，片內設有采樣保持電路，主處理器只需發(fā)出讀某一通道命令即可。 2.2.4 顯示器 顯示器選用香港精電公司的液晶顯示模塊MDLS-16165？它可同時顯示16個ASCII碼或自定義

9、的特殊字符和圖形符號。它把LCD控制器、點陣驅動器、字符存儲器全部做在一塊線路板上，構成了便于應用的液晶顯示模塊，在應用上已經規(guī)范化。 2.2.5 數(shù)據(jù)記錄芯片 數(shù)據(jù)記錄芯片選用美國Xicor公司推出的新型構造的節(jié)省接口的串行EEPROM器件X84641。它不需要微處理器的連接邏輯或系統(tǒng)總線接口？直接利用一般的微處理器的控制信號？OE、WE、CE以及簡單的讀寫時序與大多數(shù)微處理器接口。本系統(tǒng)設定每批測量數(shù)據(jù)為32字節(jié)，包括測量的日期、時間以及所測的各項參數(shù)。其中日期、時間占4字節(jié)？每個參數(shù)為浮點數(shù)，占4字節(jié)？可以存放7個測量值？基本滿足需要？在8K EEPROM中可存儲240組數(shù)據(jù)。在剩余25

10、6字節(jié)中存儲設置信息、狀態(tài)和軟件運行時的中間狀態(tài)值等，還可存儲24次控制設備開關的時間，包括設備名及其開、關的日期和時間等。 2.2.6 串行通信 為了對所采集數(shù)據(jù)實時傳送或連接遠距離計算機？利用89C52的串行通信接口的標準異步通信方式，通過接口芯片MAX232轉換為標準RS-232接口。 3 軟件設計 軟件所要實現(xiàn)的功能是將通過精細放大器的各路傳感器信號開展A/D轉換？把轉換后的數(shù)字量開展補償轉換處理， 送液晶顯示器顯示、存儲或送通信口遠距離傳輸。其主控程序流程圖及鍵盤分析模塊流程圖分別如圖2和圖3所示。 本監(jiān)控儀的軟件采用C語言與匯編語言混合編程。對時序要求較嚴的部分如DS1820、TLC2543、X84641等用匯編語言編寫成相應的獨立模塊供主程序調用，主控程序、顯示控制、鍵盤程序、各路數(shù)據(jù)的補償運算等用C語言編寫。由于C51支持浮點運算，在對各路數(shù)據(jù)開展補償處理時，其 得到保證。 在程序的編寫過程中，考慮到可移植性和以后的功能升級以及調試的方便，采用模塊化設計。 4 系統(tǒng)測試及結果 我們在研制過程中首先對溶解氧探頭開展測試，研