基于單片機智能水池設計

于沁雯

（四川工商學院計算機學院，四川 成都 611745）

1 緒論

1.1 智能水池系統的研究背景

在現代社會的活動中，不斷增加的的活動種類以及數量，使得我們對水資源的質量和品質得到了很大程度上的變化，人們如果不對水資源進行保護和管理的話，將會在未來對于我們的生活得到更進一步的危害。綜上，我們可以通過對水資源的檢測來判斷水的質量，從而達到我們對于水的監控。在國內的一些生產廠家中，現在大部分都是在生產一些單一參數的水質檢測儀，在最近的幾年中也不乏有一些生產廠家試圖去生產水質自動化檢測的裝置。

1.2 智能水池系統的研究意義

在智能水池系統中的水的質量檢測中對我們的生活也是有著非常重要的意義：智能水池系統能夠確定水當中的污染物的種類數量以及分布有哪些，從中可以分析出來污染物的來源和途徑等等是什么。水池中的水污染物對人體造成的危害可以通過我們的智能水池系統來判斷出，水池中的生產以及如何對水資源的污染物進行防止和處理也是可以通過在智能水池系統，所以我們因此也達到了在對人們身體安全的情況下，能夠讓智能水池系統生產和發展達到利益的最大化。在最后我們要對周邊附近的地方觀察和評估從而確定是否可以進行水產業進行開發，從而進一步去避免因為我們的盲目而對一些資源方面的浪費。

1.3 智能水池系統的研究需要完成的任務

該智能水池系統可以實現對渾濁度以及溫度的實時顯示，在該系統中通過對按鍵的設置來調節渾濁度的閾值，若超出閾值的設置將發出警報。通過LCD1602液晶顯示器中可以顯示出渾濁度和溫度以及對閾值的選擇；通過按鍵模塊設計，使用按鍵選擇調解的渾濁度的最大值或者最小值，通過功能為上下按鍵來調解渾濁度的大??；運用蜂鳴器模塊，若渾濁度超出閾值時將進行警報；通過渾濁度測試儀來測量待測液體的渾濁度，反應該待測液體的渾濁度。

2 智能水池系統的硬件設計

2.1 單片機最小系統

在這個控制系統當中，智能水池系統中用到的的單片機最小系統是整個系統中的主要核心模塊，在這個單片機里的最小系統中的重要包括成分都有電源電路的部分、STC89C52單片機的核心模塊、復位電路的部分以及晶振電路的部分而組成，單片機的最小系統能夠通過I/O口和其他各種外圍電路相結合，然后通過軟件程序的編寫來實現想要的不同種類的功能，該系統如圖2-1所示。

圖2-1 單片機最小系統示意圖

2.2 電源電路

STC89C52單片機是一個運用5V電源供電，運用一般手機充電器的頭可以輸出電壓為5V的特性，能夠直接給智能水池系統供電，智能水池系統中電源電路中采用了DC電源接口能夠更加方便和穩定的供電，再通過連接自鎖開關，能夠更好的控制電源的開關。智能水池系統中的電源電路的設計圖如圖2-2所示。

圖2-2 智能水池系統電源電路示意圖

2.3 晶振電路

其中這個單片機必須能夠連接晶振電路才能夠在正常工作的情況下，從而作用才能進行有時鐘信號。同時在該系統中的晶振電路部分會有時鐘信號的產生，這也是通過通電并啟動后會有震蕩而得來的，因此這就是來維持正常的基準信號。在系統中的晶振部分的電路如圖2-3所示。

圖2-3 智能水池系統晶振電路示意圖

2.4 復位電路

在此次系統中為了能夠得到最初的狀態，從而用復位電路使單片機和其他模塊初始化。采用手動復位的方式，通過按鍵的形式從而來達到復位的目的。運用按鍵開關連接電阻和電容的方式實現復位模塊。當通過改變按鍵的時侯RST引腳就會有電平的變化是由低電平變為高電平，也將會實現復位。智能水池系統復位電路如圖2-4所示。

圖2-4 智能水池系統復位電路示意圖

2.5 顯示模塊

LCD1602液晶顯示器在智能水池系統中的模塊是顯示模塊。它是由主電路、液晶顯示屏等的元器件組合而成的。其中點陣型液晶顯示模塊的字符通常都是由許許多多的5×7或者5×11的形式來組合在一起的。液晶顯示屏上的字符和行間距都可以通過字符位來顯示出每一個字符以及它們之間的間隔。16×2在點陣型液晶顯示屏中可以理解為它每行有16個字符以及能夠顯示兩行。LCD1602液晶顯示器引腳如圖2-5所示。

圖2-5 LCD1602液晶顯示器的引腳圖

2.6 按鍵模塊

此按鍵模塊設置為獨立按鍵，因為需要的按鍵功能不需要太多，所以運用三個按鍵連接I/O口來構成獨立鍵盤設計。獨立按鍵判斷是否被觸發是根據讀取到的高低電平來決定的。單片機剛通上電時，I/O口是通過被連接上高電平，當它的電平是從高轉化為低的時候，那么按鍵將會被觸發；若按鍵被釋放時，被觸發的電平也將會恢復成為高電平。按鍵K3是一鍵多義，當第一次按下時是更改渾濁度閾值，第二次按下時是更改PH的閾值，按鍵K2是“+”，按鍵K4是“—”。智能水池系統按鍵電路如圖2-6所示。

圖2-6 智能水池系統按鍵電路示意圖

2.7 溫度傳感器模塊（DS18B20）

DS18B20溫度傳感器在能夠編程的分辨率里達到9到12位的設備中進行溫度讀數。也正是因為它是一條口線的連接方式，從而它必須先完成ROM的設定，才能夠將記憶和控制的能力進行正常的使用。

當我們完成了溫度的測量出的數據時候，那么存儲在它的存儲器當中。一般測量出的結果都會被防止在存儲器中，然后對其進行一系列的指揮從而更好的進行閱讀存儲。其中它的引腳圖如圖2-7所示；DS18B20溫度傳感器原理圖如圖2-8所示。

圖2-7 DS18B20溫度傳感器引腳圖

圖2-8 DS18B20溫度傳感器示意圖

2.8 數模轉換模塊

ADC0832數模轉換是8位的A/D轉換器，它的連接方式是通過三線接口的方式然后再與單片機相連接。這個模塊通常一般是能夠適應模擬量相關的轉換要求。它還能夠減少數據帶來的誤差并且轉換的速度又快又穩，可以通過雙數據來進行數據校驗工作。它的數模轉換是能夠使得電壓的輸入在0~5V之間，ADC0832引腳如圖2-9所示。

圖2-9 ADC0832的引腳圖

2.9 報警模塊

它是一種直流電壓供電是蜂鳴器的供電原理。我們通常情況下的類型是有壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器的這兩種類型是蜂鳴器的種類。蜂鳴器是可以通過電信號從而產生的磁場，然后在與磁鐵一起推動線圈上的鼓膜，從而有了振動發聲。在報警模塊中三極管相當于一個開關，如果基極作為一個高電平的時候，那么導通三極管就會產生提示音，然后再通過蜂鳴器的鳴叫來聽是否有異常情況。智能水池系統報警電路如圖2-10所示。

圖2-10 渾濁度測量儀模塊實物

圖2-10 智能水池系統報警電路示意圖

2.10 渾濁度測量儀模塊

渾濁度測量儀模塊是可以通過檢驗液體中的透光程度以及散射程度來進一步的判斷出待測液體的渾濁度的情況。在它的內部結構中，其實是有一個紅外線的對管的，但是如果當光能夠穿過一定量的水的時候，我們就可以通過的光透過的情況從而來進行判斷待測液體的污濁程度。渾濁度傳感器模塊是能夠將輸出來的電流信號轉變為電壓信號，同時在通過單片機中的A/D轉換來進行處理。具體渾濁度測量儀模塊實物圖如圖2-13所示。

3 智能水池系統的軟件編程設計

3.1 主程序設計方案

我們首先對智能水池系統中的不同模塊之間進行初始化。設置渾濁度的閾值，我們在通過對渾濁度傳感器在想要進行測量的待測液體中測量，這樣我就可以實時出反映的溫度以及渾濁度，對于設置的閾值，如果渾濁度傳感器測量待測液體時超出了閾值的測量，則蜂鳴器就會報警。通過蜂鳴器的報警以及液晶顯示屏上的內容，進而可以相對準確的來判斷出渾濁度是否超出設定值。通過流程圖的形式更加清晰的展示了我的主程序的設計方案，所以智能水池系統主程序設計方案流程圖如圖3-1所示。

圖3-1 智能水池系統主程序設計方案流程圖

3.2 LCD1602顯示程序設計

設置液晶顯示屏上顯示的內容是LCD1602顯示程序設計主要的方面，以及設置顯示方式。通過對LCD1602顯示程序設計來達到對渾濁度以及溫度的實時顯示的展現，并且我們通過在對按鍵方面的設置來顯示出設置的渾濁度的閾值。LCD1602顯示程序設計如圖4-3所示。

圖3-2 LCD1602顯示程序設計流程圖

3.3 ADC0832程序設計

在這個的模塊作用下，它不僅能夠運行出在一般情況下的模擬量轉換，而且它的最高的分辨率也是能夠達到256級。正因為如此，這樣它是由8位的分辨率A/D轉換芯片來構成的此模塊。其中它的芯片給的供電額度是在0~5V之間。為了減少相對應的誤差，我們可以進行兩個數據的輸出的目的來達到校驗數據的功能，并且它也穩定的發揮同時它的轉換的速度也很快的。智能水池系統ADC0832程序設計流程圖如圖4-4所示。

圖4-4 智能水池系統單片機工作檢測圖

圖3-3 ADC0832程序設計流程圖

3.4 溫度模塊程序設計

智能水池系統設計中，正因為溫度模塊是經過一條路來進行數據的傳輸，然而這條路徑需要通過讀和寫。注意總線控制器發出的間隙信號才能對DS18B20正確的操作和控制。在程序編寫時，要把握好電平根據時間的變化，控制好DS18B20。智能水池系統模塊程序設計流程圖如圖3-4所示。

圖3-4 模塊程序設計流程圖

4 系統調試

4.1 顯示器部分調試

對顯示器模塊進行檢查，通過電源的接通，觀察一下液晶顯示器有沒有正常的顯示出來，顯示屏中的字是否正確顯示，顯示屏中是否有出現亂碼的現象。智能水池系統顯示屏顯示如圖4-1所示。

圖4-1 智能水池系統顯示器調試圖

4.2 渾濁度檢測儀模塊調試

將渾濁度傳感器放入待測液體，測量待測液體的渾濁度值，通過蜂鳴器來對設置的閾值進行反饋。如果待測液體超過對渾濁度傳感器設置的閾值，那么蜂鳴器就會報警。智能水池系統模塊調試如圖5-2所示。

圖4-2 智能水池系統渾濁度檢測儀模塊調試圖

4.3 萬用表對電路調試

檢測電路中的供電情況，萬用表調到電壓檔位，檢測單片機的電源引腳與地的引腳，它們之間的電壓值，觀察顯示屏中的電壓值是否在5V的左右從而判斷是否能正常供電。智能水池系統電源電壓測試如圖4-3所示。

圖4-3 智能水池系統電源電壓檢測圖

檢測單片機是否能夠正常的進行工作，將萬用表調到電壓檔位進行檢測，黑表筆接觸單片機30引腳，紅表筆接觸單片機20引腳，觀察萬用表顯示是否在一點多。智能水池系統單片機工作檢測如圖5-4所示。

4.4 軟件部分調試

硬件檢查完可以的情況下，通過Keil軟件對代碼編程進行測試，根據具體的硬件模塊進行軟件的仿真。在代碼正確的情況下，用仿真軟件進行檢查，軟件能否正常運作。軟件代碼編程的調試如圖4-5所示。智能水池系統仿真如圖4-6所示。

圖4-5 智能水池系統程序調試圖

圖4-6 智能水池系統仿真調試圖

4.5 功能測試

當接通電源并且打開開關時，初始化屏幕上第一行顯示PH：0，Temp：25℃；第二行顯示Sta：Manu。第一行PH值是當前未測量待測液體時的初始化的值，25℃為初始化時當前溫度值。智能水池系統測試如圖4-7所示。

圖4-7 智能水池系統測試圖

隨后準備好的待測液體，將渾濁度傳感器放入待測液體中，液晶顯示屏將會顯示PH值，并且實時顯示待測液體的溫度。如果PH值超出了設置的閾值時，蜂鳴器將會進行報警。此時檢測待測液體PH值為7，當前溫度為27℃。智能水池系統功能測試圖如圖4-8所示。

圖4-8 智能水池系統功能測試圖

結論

本次課題主要是通過了一個以單片機為核心的智能水池系統，首先描述了智能水池系統目前的國內外發展的情景狀況，通過關于單片機的智能水池系統外部元件以及單片機內部的程序編程。主要的硬件部分是通過STC89C52型號的單片機用作于中心控制模塊，智能水池系統中通過與復位模塊、顯示模塊、按鍵模塊、溫度傳感器、渾濁度檢測儀一起來構成智能水池系統的硬件電路，再將通過編輯軟件程序，來使得能夠實現本課題設計需要實現的功能：通過使用按鍵輸入來更改渾濁度和溫度的最大值與最小值，運用渾濁度檢測儀在待測液體內測量是否達到設置的最值，并通過蜂鳴器來警報，顯示模塊可以實時觀看測量的溫度與渾濁度值是多少并在顯示屏中顯示。最后在對系統的功能進行調試，將分別對硬件部分和軟件部分來進行檢查，從而達到了最初實現的功能。