基于單片機的水質檢測系統

楊曉芳，徐煒旻

（鹽城工學院信息工程學院 江蘇 鹽城 224051）

0 引言

在經濟快速發展的背景下，人們的生活質量逐漸提高，人們對水資源的保護意識逐步增強。傳統的水質檢測系統功能單一，精確度低且耗時長，因而需要設計一款多功能、高精度且使用方式簡單、價格低廉的水質檢測系統。本設計以STC89C52單片機為控制核心，將單片機技術、傳感器技術、A/D轉換技術和通信技術相結合，設計一款集測量溫度、pH值和電導率功能為一體的水質檢測系統。利用溫度傳感器，pH傳感器和電導率傳感器獲取水質數據產生模擬信號，經A/D轉換變為數字信號，單片機對信息進行采集，再經過處理后在顯示屏上顯示，實現水質檢測。同時該系統具備在檢測結果超出所設定范圍時，蜂鳴器會發出報警的功能，還可實時傳輸數據到電腦端。

1 系統總體設計方案

基于單片機的水質檢測系統總體分成兩大部分，分別是數據采集部分和數據處理部分，具體包括單片機模塊、模數轉換模塊、溫度傳感器模塊、pH傳感器模塊、電導率傳感器模塊、報警電路模塊、顯示模塊等幾部分組成，系統硬件的總體結構如圖1所示。

圖1 系統硬件總體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機模塊

選用STC89C52為控制核心，該芯片運轉快、抗干擾強，指令代碼兼容傳統單片機，具有很強的適應性，并且與其他系列的單片機相比較而言，性價比較高。STC89C52有按鍵復位和上電復位兩種方式，本設計采用的是按鍵復位。復位電路由電容、電阻和按鍵三個元件組成，其中電容C=10 μF，電阻R=10 kΩ。晶振電路由一個11.059 2 MHz的晶振和兩個30 pF的電容組成。晶振的作用是起振，在系統中還可以為數字電路提供基本的時鐘信號，兩個電容在電路中主要起到穩頻的作用。

2.2 電源模塊

設計電源電路的主要目的就是為了給單片機系統提供穩定可靠的電壓，本系統中電源電路提供5 V直流電壓，并利用濾波電容來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑，從而實現電路提供穩定電源的效果。

2.3 溫度傳感器模塊

DS18B20溫度傳感器體積小，使用方便，精確度較高，還具備抗干擾能力，而且輸出是數字信號，溫度測量范圍在-55 ℃至+125 ℃之間。該溫度傳感器通過單總線由單片機STC89C52讀取數據，但單總線一般要求外接一個4.7 kΩ的上拉電阻。

2.4 A/D轉換模塊

TLC2543芯片具有11個輸入端口，是12位串行A/D轉換器，能夠將采集的模擬量轉化為數字量。TLC2543體積小、價格低廉，而且分辨率較高、穩定性強，在進行模數變換時速度快。

2.5 pH傳感器模塊與電導率傳感器模塊

pH傳感器能夠檢測液體中的氫氧離子濃度并轉換成所需的輸出信號，即溶液的酸堿度。電導率傳感器主要用于檢測任何一種溶液中的離子濃度，電導率的大小能夠反映水質中自由離子的濃度，電導率越大表明所檢測水質含有雜質越多，從而可以看出水污染的程度，根據魚類適宜生存環境，在測試時設定電導率范圍在4.0～10.0 s/m之間。pH傳感器模塊的“1”和“2”端口分別接“GND”和“VCC”，“3”端口接A/D轉換模塊TLC2543芯片的“A0”端口；電導率傳感器模塊的“3”端口接TLC2543芯片的“A1”端口。pH傳感器和電導率傳感器模塊的電路設計如圖2所示。

圖2 pH傳感器模塊與電導率傳感器模塊

2.6 顯示模塊

液晶顯示器在日常生活中隨處可見，主要以顯示數字、符號和圖形為主。字符型液晶顯示器是其中一種，大多基于HD44780芯片設計，控制原理基本相同。本設計所使用的LCD1602液晶顯示器，能夠顯示兩行，每行顯示16個字符。LCD1602與單片機的連接方式有直接和間接兩種方式，主要區別是所用數據線數量不同。

2.7 報警電路模塊

報警電路模塊是水質檢測系統的重點功能之一，當單片機系統進行水質檢測時，首先利用按鍵設定檢測目標的最大值和最小值，然后檢測系統中的溫度、pH值和電導率，當檢測數據超出設定的上下限時，LED燈會亮起，同時蜂鳴器會提示報警。該模塊設計的目的是提醒使用者當前水質不符合設定范圍的標準。

2.8 通信模塊

單片機通信是指單片機與其他設備的信息交流，可分為串行通信和并行通信。通信模塊可以將單片機系統所采集的數字信息通過串口通信技術傳輸到電腦端的串口助手軟件中，方便使用者實時地監測數據。

3 系統軟件設計

軟件設計系統的總體程序流程為：打開電源，系統進行初始化，此時系統為溫度檢測狀態。當按下切換模式按鍵時，系統可進入pH檢測狀態。再次按下按鍵，系統則進入電導率檢測狀態。同時另外設有按鍵，可以設定檢測數據結果上下限取值范圍，若超出此范圍，蜂鳴器提示報警且LED燈亮，系統設計的總體程序流程如圖3所示。

圖3 總體程序流程圖

3.1 測溫模塊程序設計

本設計是采用DS18B20溫度傳感器來實現溫度檢測，DS18B20內部可以實現將模擬信號溫度轉換為數字信號溫度，所以該設計不需要通過A/D轉換器進行模數轉換。設計程序是為了驅使DS18B20工作，主要是針對復位、溫度轉換、溫度讀取及數據的讀寫編譯的。系統在進入工作狀態后，對DS18B20進行初始化操作，經過判定DS18B20是否存在，存在即可進入下一操作指令，執行ROM操作指令，然后執行存儲操作指令，最后讀取溫度。主程序讀取溫度后，需要將讀取數據變換為數字溫度，因為轉換的溫度數據是以16位二進制的形式存在的。當數據低8位全部為0時，取溫度為正，否則取負。數字溫度計算形式為16乘以數據的高8位，加上0.062 5乘以數據的低8位來得到。

3.2 A/D轉換模塊程序設計

由于pH傳感器和電導率傳感器產生的信號是模擬信號，所以需要使用A/D轉換器轉換為數字信號。本次設計選用的是TLC2543芯片來完成，設計程序過程如下：在TLC2543開始工作進行模數轉換時，首先讓EOC觸發器復位，然后啟動轉換，將傳感器經過處理產生的模擬信號轉換為數字信號，當轉換完成后，EOC觸發器再次復位，最后單片機讀取A/D轉換后的數據并存儲。

3.3 顯示模塊程序流程

本次設計的LCD1602顯示子程序是由接線引腳定義、檢測LCD當前狀態、向LCD發送指令和數據、LCD的初始化及光標設置、顯示字符串、LCD清屏等函數構成。當接通電源后，系統對LCD1602進行初始化操作，然后向其發送指令和數據，LCD1602接收命令后將數據顯示，當接收下一指令時，會清除當前數據然后再次執行命令。

3.4 警報模塊程序設計

在系統開始穩定工作后，單片機讀取溫度，pH值和電導率的數據參數，如果判定結果超出設定范圍，LED燈亮且蜂鳴器報警提示。

4 實驗驗證與總結

4.1 硬件調試

水質檢測系統主要由STC89C52單片機、TLC2543模數轉換器、LCD液晶顯示器、傳感器、蜂鳴器、數個按鍵及LED燈構成。焊接時，要注意元器件的引腳問題，注意避免虛焊和漏焊的情況。焊接完成后，使用萬用表檢測電路是否故障。經檢查無誤后，再將燒好程序的STC89C52安裝到底座上，進行開機測試。最后將溫度傳感器、pH傳感器、電導率傳感器、USB數據線、電源線等依次安裝到底座上，實物成品如圖4所示。

圖4 實物成品圖

在安裝時，要注意USB數據線和溫度傳感器最下端為黑色導線，pH傳感器最左邊為紅色導線，電導率傳感器最左邊為綠色導線，發生路線連接錯誤現象，可能會導致電路故障。制作完成后，本設計實物成品應具有三種功能：溫度測量、pH值測量和電導率測量。成品實物上有五個按鍵，以用藍色貼紙進行標記，key 1和key 2按鍵控制設定上限值的加減，key 3和key 4按鍵控制設定下限值的加減，key 5控制溫度、pH值和電導率測量的顯示屏界面的轉換。

4.2 總體功能調試

開啟電源，單片機系統進入工作狀態，LCD1602顯示屏亮起，直接顯示溫度和所設定的上下限值，檢測溫度為23.2 ℃，設定范圍在20～30 ℃之間，這表明開機正常，可采取下一步測試操作。

經過檢測，單片機系統能夠正常工作后，開始對采集的水源進行檢測，測試圖如圖5所示。溫度測試時將溫度傳感器的探頭插入從中采集的水源，LCD1602顯示屏會顯示數字溫度。根據魚類適應生存基本條件，設定溫度范圍在22 ℃～28 ℃之間，此時檢測溫度為29.3 ℃超出所設定的范圍，則LED1燈亮顯示紅色，同時蜂鳴器會發出報警聲，如圖5(a)所示。在對采集的水源進行溫度檢測過后，用key5按鍵切換界面進入pH檢測，并設定上下限值。根據魚類適應生存基本條件，設定pH值范圍在6.5～8.5之間，如檢測pH值為6.9，檢測結果在設定上下限值的范圍內，如圖5(b)所示。當檢測pH值超出設定的范圍時，則LED2亮顯示綠色，同時蜂鳴器會發出報警。設定電導率范圍在4.0～10.0 s/m之間。檢測結果顯示電導率為6.3 s/m。如圖5(c)所示，當檢測電導率超出設定的范圍時，則LED3亮顯示橘黃色，同時蜂鳴器會發出報警。

圖5 水源檢測測試圖

另外，本設計的水質檢測系統還能夠利用串口通信技術將數據傳送至電腦端的串口助手軟件中。串口助手XCOM V 2.0的參數設置為：選擇COM3：USB-SERIAL串口，波特率采用9 600 b/s。在進行測試時，檢測數據會進行實時傳輸。該功能可供使用者實時查看數據并記錄數據，然后使用者可以通過近期的數據研究當前水質環境變化，如果水質出現異常狀態，可提前進行水質調整，避免由于信息延遲而造成不必要的經濟損失。

4.3 結論及改進措施

本設計是基于單片機設計的一款水質檢測系統，通過利用單片機技術、傳感器技術、A/D轉換技術和通信技術來實現。本設計的水質檢測系統使用方便，檢測較準確，同時其價格低廉、使用壽命長，性價比優越，消費者普遍可以接受，有推廣使用的價值。

本設計的功能基本都已實現，但仍存在著一些不足，其具有抗干擾能力較弱的特點，使用時易受到外界環境的影響。隨著科技向更高精度發展，設計中存在的一些問題將會得到很好的解決。