基于at89c2051單片機的tds水質測試儀設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 兩根探針所夾的被測溶液視為電阻。由此，可以確定頻率和電導率的線性關系， 即： 10f? ?? 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 7 由此推算出 72 . 8 8 8T D S ( 0 . 5 5 ~0 . 7 0 ) 1 0f? ? ?。 論文 TDS測試儀最終按以上公式進行程序設計計算。 溫度補償原理與電路 溫度補償原理 溶液電導率測量受溫度影響很大，電解質的電離常數、離子運動速度、溶解度等 都直接受溫度的影響，從而溫度直接影響溶液電導率測量的精度。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。反之亦然。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是正的。 在被測溶液固定的情況下，為了使所測電導率數值之間具有可比性，需要溶液統一在25℃這個基準溫度下的電導率進行比較以判斷水質。因此，溶液在電導率測定時，要求被測溶液溫度調至 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 并穩定在基準溫度范圍內，此時，對測量所得結果，需要進行溫度補償。 恒溫法 是將被測水樣恒溫到 25℃，測得其基準溫度下的電導率。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。手動補償法需先測出溶液溫度 , 再將測量儀上的溫度補償旋鈕調至所測得的溫度數值 ,儀表所顯示的是基準溫度下該水樣的電導率，由于其溶液溫度系數只考慮為 ，溫度補償誤差較大。 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。該方法分為熱敏電阻補償法和擬合經驗公式補償法 。 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。但實際設計復雜，有局限性，很難找到一款與不同溶液有相同電導率溫度特性的熱敏電阻。 使用軟件擬合電導率和溫度的經驗公式對測得的電導率及水溫進行數據處理 ,可以較好的做到溫度補償，直接得到補償后的數值。 論文采用軟件補償法。 溶液的溫度每升高 1℃，電導率增加約 2%，溫度校正系數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。 當測量溫度 偏離 25℃時 ，根據以上公式計算所得的電導率誤差較大，為了提高測量精度，對不同的溫度范圍，采用不同的 溫度校正系數公式 進行計算： Ks=Kt/(+) 1℃≤ t≤ 10℃ Ks=Kt/(+) 10℃≤ t≤ 20℃ Ks=Kt/(+) 20℃≤ t≤ 30℃ Ks=Kt/(+) 其他溫度范圍 [6] 本設計通過溫度測量電路精確測量電導率和溶液溫度，借助數據擬合的方法擬合出經驗公式進行軟 件溫度補償。該方法不僅減少了硬件電路的復雜性，還使水質測試儀更 方便 使用和精確。 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 8 溫度測量電路 123D S2D S18b2 0R 14 KVC CVccDAGNDP 圖 25 溫度測量電路 溫度測量電路，如圖 25 所示。 TDS18b20數字溫度傳感器 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，使系統不工作時為高電平。 DS18b20 采集溫度數據，所采集的數據經傳感器轉換為相應數字信號，再將 轉換后的信號傳送給單片機，單片機接受信號并進行相應的數據處理后得到溫度值 。 共陽極數碼管工作原理 本設計采用 3 位八段數碼管，數碼管是一種以發光二極管為基本單元的半導體發光器件。每一顯示筆劃用一個字母對應表示， DP是小數點。如圖 26所示： . 圖 26LED 數碼管引腳定義 此電路使用的是共陽極數碼管，共陽數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數碼管，在應用時，將共陽數碼管公共端 COM接 +5V，當某一字段發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。該電路采用動態顯示驅動，動態驅動是將所有數碼管的 a,b,c,d,e,f,g,dp這 8個字段的同名端連在一起，每個數碼管的公 共極 COM 都對應一個位選通控制電路，每個位選通控制電路由各自獨立的I/O 線控制，運行時，所有數碼管接收單片機輸出的相同字形碼，由于單片機對位選通 COM端電路實行控制，決定了哪個數碼管會顯示出字形，打開需要顯示的數碼管的選通控制，該位就會顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。對各個數碼管的的 COM端分時輪流控制，使各個數碼管輪流受控顯示。實際顯示過程中，各位數碼管并非同時點亮，但由于每位數碼湖州師范學院求真學院本科畢業論文 9 管的點亮時間僅為 1～ 2ms，掃描的速度足夠快，再加上發光二極管的余輝效應及人的視覺暫留現象，看上去就是一組穩定的顯示數據 ，不會有閃爍感。動態顯示驅動效果好，能夠節省大量的 I/O端口，編程簡單，顯示亮度高，而且功耗低。 如圖 27所示為顯示電路， ， 此數碼管為共陽級數碼管，所以需要外部低電平才能使相應的內部二極管點亮。 數碼管的 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 ，三極管的發射極連接在一起接 +5V電源。通過 P3口可以使相應的數碼管位被選中，然后通過 P1口送入相應的段碼顯示。數碼管顯示 TDS值。 e1d246c4a11b73829f10112h3g5A B CU4L E D 3DE2C3B1Q2P N PE2C3B1Q385 5 0E2C3B185 5 0P N PR1470R2470R3470R4470R5470R6470R7470R8R9V C CV C CV C CR 1110kP 3. 2P 3. 1P 3. 0P 1. 6P 1. 5P 1. 4P 1. 3P 1. 2P 1. 1P 1. 0 圖 27 顯示電路 按鍵與報警電路 R 1 3R E S 2Q5P N PD1LEDR 1 2R E S 2L S 1S P E A K E RV C CP 3 .3 圖 28 報警電路 報警電路如圖 28所示， 由于蜂鳴器工作需要較大的電流 ， 一個管腳難以使蜂鳴器發聲，因此設置一個三極管進行電流放大，增加通過蜂鳴器的電流，驅動蜂鳴器發聲。 當 腳湖州師范學院求真學院本科畢業論文 10 為低電平時，三極管導通，然后 LED導通， 電流經過電阻 R12， 電路電流形成回路，蜂鳴器發聲 ；當 ，三極管 截止 ，蜂鳴器沒有響應。 按鍵電路如圖 29所示， 當 8腳為低電平時，電路導通， 按鍵第一次按下，儀器開始測量，測量完成后，再次按下按鈕，蜂鳴器發出測量成功信號，系統保存并顯示所測結果。如再次按下按鈕，程序清空被測 數據。 S1SWPBP3.4 圖 29 按鍵電路 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 11 第三章 系統軟件設計 系統總體流程圖 系統軟件流程如圖 31所示。系統進行初始化 , 當按鍵開始測量時，計數器開始工作，測量并計算電導率的數值，讀取溫度值，對采集來的溫度信號運用軟件算法補償的方法對溫度產生的電導率測量誤差進行補償，運用軟件算法對所得數據進行處理和計算 ， 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碼管上。測量過程中，為了 方便 測量儀器 的使用 ，當儀器浸入溶液 測量成功后 ，系統接受相應數據 并 發出報 警 信號，提醒使用者測量完成 。測量結束后，關閉計數器，系統清零。系統對信號進行一系列的檢測、分析、轉換、計算處理，并將數據結果傳送給相關的模塊。軟件通過數據處理系統提高儀器精確度和可靠度。 N Y N Y 圖 31 系統總體流程圖 關閉計數 器、清零 開始 初始化 按鍵掃描 是否開始測量 啟動計數 器 電導率 計算 溫度補償 TDS 值計算 是否鎖存結果 顯示結果 結束 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 12 電導率測量 對電導率進行測量，此程序開始運行時，首先啟動 T0、 T1， T0為系統設置的定時時間 值 ，當測量時間到設定時間 T0時，關閉 T0、 T1輸出端口，系統自動讀取 T1，既 T0時間內所產生的脈沖個數值。從而得到周期，既得到輸出頻率，系統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。從而系統通過頻率輸出轉換得到電導率值。 如圖 32所示，為電導率測量流程框圖。 圖 32 電導率測量流程框圖 DS18B20溫度采集 溫度采集的流程 中 ，單片機通過 口向 DS18b20發出復位脈沖，完成對此 系統初始化，傳感器準備接收命令。單片機發 skipROM命令，使傳感器能夠接收并響應之后系統發出啟動 T0、 T1 開 始 T0定時時間是否到 讀取 T1計數值 關 T0、 T1 計算電導率 返回 計算頻率 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 13 的命令。發溫度轉換命令，傳感器進行溫度轉換，傳感器將轉換后的溫度值發送到數據線，單片機讀取溫度值，最后對采集的數據進行處理。 圖 33為 DS18b20溫度采集流程框圖。 圖 33 DS18B20 溫度采集流程框圖 TDS值測量 TDS與電阻之間存在直接聯系，而電阻與電導率有關，當導體的有效長度，導體的有效橫截面 積已知的情況下，電阻只與電導率有關。結合 TDS與電阻之間的算術關系，可由系統測得的電導率值通過相關公式求出 TDS值。讀取采集到的溫度值，使用軟件擬合電導率和溫度的經驗公式對測得的電導率及水溫進行數據處理 實現 溫度補償，直接得到補償后的 TDS值。 TDS值測量流程框圖，如圖 34所示。 開 始 初始化 發讀取溫度命令 讀取溫度值 發 skipROM 命令 發溫度轉換命令 數據處理 發 skipROM 命令 返回 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 14 開 始返 回T e m p 是 否 大 于 或 等 于 1且 小 于 1 0T e m p 是 否 大 于 或 等 于 1 0且 小 于 2 0T e m p 是 否 大 于 或 等 于 2 0且 小 于 3 0K s = K t / ( 0 . 0 0 1 6 9 t + 0 . 5 5 8 3 )K s = K t / ( 0 . 0 1 8 t + 0 . 5 4 7 3 ) K s = K t / ( 0 . 0 0 1 8 9 t + 0 . 5 2 8 1 )K s = K t / ( 0 . 0 2 2 t + 0 . 4 5 )K s 的 值 給 ρT D S = 0 . 5 5 ρYNYNYN讀 取 溫 度 值 圖 34 TDS 值測量 流程框圖 數碼管顯示 將測量所得的 TDS數據傳送給數碼管，運行時，所有數碼管接收單片機輸出的相同字形碼，對數碼管進行位選擇，選擇需要顯 示的數碼管，該位就會顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。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碼管，數碼管根據接收到的段碼，選擇相應的字段進行顯示。這樣數碼管就完成了顯示功能。 數碼管顯示流程框圖，如圖 35所示。 湖州師范學院求真學院本科畢業論文 15 圖 35 數碼管顯示流程框圖