基于51单片机的水质监测系统

龙源期刊网单片机的水质监测系统作者：卢孟常来源：《商情》2014年第44期【摘要】本文研究一种基于51单片机的小区供水系统远程水质监控、自动控制的系统电路，实现小区生活用水或水产养殖水塘的水质监控、水位自动控制。【关键词】51单片机，水质检测，433M无线模块，传感器本设计中对水质的检测方法主要采用通过前端电路对水质PH值、水质浑浊度和水质温度等数据进行采集，然后通过无线方式将水质采集数据远程传输到监控室中的主机进行分析。设计思路：以单片机为主要控制器件设计的一种无线远程水质监测系统，主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要包括传感器的选择，单片机的选择，无线传输方式选择，显示部分设计等;软件设计主要包括主程序设计和子程序设计，监测结果通过显示模块进行显示。1.系统设计方案本设计采用两组单片机系统，甲机负责各路水质传感器、水位检测等数据采集，乙机负责信号处理、输出、显示及水泵电机的驱动。甲乙两单片机之间的信号采用大功率433MGFSK制式远程无线数传模块进行通信，该数传模块与单片机之间接口可直接采用串口通信，系统框图如图1所示。2.硬件设计2.1微处理器本设计采用的是STC系列中的12c5A60S2单片机。该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。与普通的51单片机相比，其具有以下特点：1.使用同样频率晶振情况下，其速度是普通51单片机的8～12倍。2.内部自带有8路10位的D/A转换电路，即P1口的8路I/O口。可以通过程序定义打开此功能，设计者无需在电路中单独接入D/A转换电路。3.具有双串口功能，即多开了一个串口。硬件上为P1口的P1.2（RXD）和P1.3（TXD）。龙源期刊网功能。其中两个定时器与传统8051兼容，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。5.具有EEPROM和SPI接口。6.中断优先级有四种状态可以定义。2.2LCD1602液晶屏作为本系统的显示部分，将采用设计者比较常用的LCD1602液晶屏。1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。LCD1602采用标准的16引脚接口，其接口分为液晶命令口和液晶数据操作口，其中DB0～DB7作为液晶数据操作口接单片机的P0口，由于STC系列单片机的P0口可以配置为准双向口或强上拉，因此，P0口无需接上拉电阻，可以直接驱动液晶屏。此外，RS、R/W和E口分别接单片机的P2.0、P2.1和P2.2作为液晶命令口。VEE是调整液晶屏偏置电压的输入端，在该端口接入一个10K的电位器，通过调整该电位器可以改变液晶的对比度。2.3TS浊度传感器。TS浊度传感器是一种主要用于洗衣机、洗碗机等产品的水污浊程度测量的传感器。通过测量水的污浊程度来判断所洗物品洁净程度，从而确定最佳的洗涤时间。该传感器的工作原理是：当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，透过的光多，电流大，反之透过的光少，电流小。通过测量接收端电流的大小，就可以计算出水的污浊程度。TS浊度传感器内部原理如图2所示（虚线框内为浊度传感器内部）。浊度电流信号经过电阻R1转换为0V～5V电压信号，利用A/D转换器进行采样处理，单片机就可以获知当前水的污浊度。2.4PH值传感器。本设计中采用PH值玻璃电极传感器，主要由PH值测量电极和运算放大电路所组成，其测量核心部件为PH值测量电极。PH值测量电极主要由指示类电极和参考类电极组成。指示类电极主要有玻璃电极和金属电极两类。其中的玻璃电极应用较为广泛。PH玻璃电极是20世纪初出现的电化学式传感器，它包括：电极引线，电极帽，铅玻璃，PH敏感玻璃膜，内参比液，Ag-AgcL电极。其工作原理是：当玻璃PH电极与被测物接触时，由于水化作用，其膜与水接触形成水合交层，每当氢离子进入或离开玻璃膜时，胶层的电中性会被破坏，这样，在界面上就会形成电位，该电位的大小取决于溶液胶层中氢离子的活度。同时，参比电极与溶液接触产生一个近似恒定的电位。这样，与溶液接触的一对电极偶便存在一个电位差E，其大小与H的活度呈对应关系，通过对该电压测量计算即可得到PH值。2.5443M无线传输模块。无线数据传输广泛运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统等领域中。目前的无线数据传输技龙源期刊网频段。而就其性能而言，2.4GHz频段设备信号传输距离短，传输过程衰减大，信号穿透、绕射能力弱，信号易被物体遮挡。443MHz频段设备信号强，传输距离长，穿透、绕射能力强，传输过程衰减较小。考虑到实际情况，本系统将采用443MHz无线大功率收发模块，该收发模块有232/485和TTL三种接口类型，可以根据电路要求选择相应的接口类型。设计者无需考虑模块的内部接口协议，只需将单片机的串口端引出并与单片机共地，即可将该单片机所需发送的数据变成无线信号传送出去，接收端与发送端的工作原理一致，两者可以互换。3.软件设计该系统软件设计部分主要包括甲乙两单片机的串口通信、D/A转换程序和液晶显示三部分。甲单片机P0口负责采集数据，并启动内部ADC;转换完成后初始化开串口工作模式、串口状态和波特率;然后将数据传送至SBUF，并检测TI位;接收端接受数据转换至液晶显示;当数值超过预先设定上限时，则输出报警信号。通过这个程序我们可以观察到液晶屏上显示的数字变化，可以检测监测系统是否正常工作。当两机处于正常通信状态时，液晶屏上第一行显示“T0～T35”循环计数。第二行则显示浊度电压、温度和PH值等数据信息。当由于系统故障引起两机通信不良时，屏幕只显示数字“T”而无其他信息，提示监控者通信故障信息。