毕业论文设计水产养殖中的水质检测系统设计.docx

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毕业论文设计水产养殖中的水质检测系统设计

JIANGXIAGRICULTURALUNIVERSITY

本科毕业设计

题目：

水产养殖中的水质检测系统设计

学院：

工学院

姓名：

杨鸿年

学号：

2011120731

专业：

通信工程

班级：

通信122

指导教师：

董子健职称：

讲师

二0一三年五月

摘要

随着我国经济的快速发展，人民在水产养殖生活中对水质的要求有了很大的提高，但是我国水资源却出现了很多问题，比如水资源短缺、分布不均匀，尤其是水质越来越差。

水质检测工作是水体污染防治工作和水坏境保护的重要组成部分，但是，目前在我国水质检测的实际工作中，大量采用的检测方法已经不能满足要求，因此我们要大量发展和提升水质检测的技术。

本系统是基于51系列单片机AT89C51，通过模数转换器ADC0804将输送来的模拟信号转换成数字信号，然后传送到单片机AT89C51，通过程序算法处理换算出本测量水质的电阻值，然后换算成电导率，通过液晶显示器1602显示出来。

使用DS18B20温度采集模块，传送的信号经过51单片机的转换和处理，将温度值通过字符液晶1602显示器显示出来。

本设计结构简单，使用灵活，具有很大的研究价值。

关键词：

AT89C51；ADC0804;DS18B20；1602液晶显示器；keilC51

Abstract

WithChina'srapideconomicdevelopment,Peopleintheaquaculturelifehasbeengreatlyimprovedthewaterqualityrequirements,butthecountry'swaterresourceshavemanyproblems,suchasshortagesofavailablewater,unevendistribution,especiallywaterqualityisgettingworse.Waterqualitytestingworkisaimportantcompositionpartofwaterpollutionpreventionandcontrolworkandwaterpolluteenvironmentprotection,However,intheactualworkofChina'swaterqualitydetection,alargenumberofusedtestingmethodalreadycannotmeettherequirements,sowehavetodevelopalargenumberofequipmentandenhancewaterqualitytestingtechnology.Thissystemisbasedonthe51seriesmicro-controllerAT89C51.transportedanalogsignalthroughtheanalog-to-digitalconverterADC0804,theanalogsignalwillbeconvertedintoadigitalsignalandthentransmittedtothemicro-controllerAT89C51.translatedbywaterresistancevaluetheprogramalgorithmprocessingofthemeasuring,andthenconvertedintoelectricalconductivitydisplayedintheliquidcrystaldisplay1602.UseDS18B20temperatureacquisitionmodule,transmittedsignalthroughthe51single-chipconversionandprocessing,thetemperaturevaluedisplaybycharacterLCD1602.Thedesignofthestructureissimple,flexible,hasgreatresearchvalue.

Keywords:

AT89C51;ADC0804;DS18B20;1602LEDDISPLAY;KEILC51

1引言

1.1水产养殖中的水质检测简介

在过去，水产养殖都是分散的，不成规模的，人们都是通过在不断的摸索中形成经验，不断提高养殖的技术，从而提高产量。

然后毕竟经验都是有限的，而且不稳定，容易出现错误的经验，导致鱼类大批死亡。

水质的优劣与鱼类健康密切相关。

随着科技的进步，人们可以通过技术手段检测水的各种参数，通过对水的参数进行检测，并根据检测到的参数值进行动态调整，这样就可以大幅度提高水产的产量。

1.2电导率、温度对水产的影响

通过对水的电阻的检测，测出水的电阻，电阻的倒数便是水的电导，根据水的有效长度和有效横截面积得出电极常数，由

（式中P是被测水质的电导，L是测试的导体有效长度，A是导体的有效横截面积）

便得水的电导率，电导率大说明导电能力强，也就说明水质浑浊，在一定范围内适合鱼类的生长，通过DS18B20温度传感器可以检测到水的温度，不同鱼适合在不同温度下生活，通过检测到的值，可以调节水的温度以适合鱼类的最佳生长。

1.3水产养殖中水质检测的若干指标

1、色度：

饮用水的色度如大于15度时多数人即可察觉，大于30度时人感到厌恶。

标准中规定饮用水的色度不应超过15度。

2、浑浊度：

为水样光学性质的一种表达语，用以表示水的清澈和浑浊的程度，是衡量水质良好程度的最重要指标之一，也是考核水处理设备净化效率和评价水处理技术状态的重要依据。

浑浊度的降低就意味着水体中的有机物、细菌、病毒等微生物含量减少，这不仅可提高消毒杀菌效果，又利于降低卤化有机物的生成量。

3、臭和味：

水臭的产生主要是有机物的存在，可能是生物活性增加的表现或工业污染所致。

公共供水正常臭味的改变可能是原水水质改变或水处理不充分的信号。

4、余氯：

余氯是指水经加氯消毒，接触一定时间后，余留在水中的氯量。

在水中具有持续的杀菌能力可防止供水管道的自身污染，保证供水水质。

5、化学需氧量：

是指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需氧量。

化学耗氧量越高，表示水中有机污染物越多。

水中有机污染物主要来源于生活污水或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。

6、细菌总数：

水中含有的细菌，来源于空气、土壤、污水、垃圾和动植物的尸体，水中细菌的种类是多种多样的，其包括病原菌。

我国规定饮用水的标准为1ml水中的细菌总数不超过100个。

7、总大肠菌群：

是一个粪便污染的指标菌，从中检出的情况可以表示水中有否粪便污染及其污染程度。

在水的净化过程中，通过消毒处理后，总大肠菌群指数如能达到饮用水标准的要求，说明其他病原体原菌也基本被杀灭。

标准是在检测中不超过3个原菌。

8、耐热大肠菌群：

它比大肠菌群更贴切地反应食品受人和动物粪便污染的程度，也是水体粪便污染的指示菌。

9、大肠埃希氏菌：

大肠细菌为埃希氏菌属代表菌。

一般多不致病，为人和动物肠道中的常居菌，在一定条件下可引起肠道外感染。

某些血清型菌株的致病性强，引起腹泻，统称病致病大肠杆菌。

肠道杆菌是一群生物学性状相似的G-杆菌，多寄居于人和动物的肠道中。

埃希菌属（Escherichia）是其中一类，包括多种细菌，临床上以大肠埃希菌最为常见。

大肠埃希菌（E.coli）通称大肠杆菌，是所有哺乳动物大肠中的正常寄生菌，一方面能合成维生素B及K供机体吸收利用。

另一方面能抑制腐败菌及病原菌和真菌的过度增殖。

但当它们离开肠道的寄生部位，进入到机体其他部位时，能引起感染发病。

有些菌型有致病性，引起肠道或尿路感染性疾患。

简而言之，大肠埃希菌=大肠杆菌。

1.4水质检测的常用因素及本系统检测的因素

水质检测一般是利用各种传感器对水中的各类参数进行检测。

经常检测的因素有温度、PH值、电导率、溶解氧、浑浊度。

本系统检测的因素是水的电导率和温度。

1.5水质与水电导率的相互关系 

纯水本身可微弱地介离，使水具有微弱的导电能力。

水中含有各种溶解盐类，并以离子的形态存在，使水溶液具有更强的导电性。

当水中插入一对电极时，通电之后，在电场的作用下，带电的离子就产生一定方向的移动，水中阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，使水溶液起导电作用，水的导电能力的强弱程度，就成为电导。

电导度反映了水中含盐量的多少，是水的纯净度的一个重要指标。

水质越纯，温度越低，电离度越低。

因此水的导电率越低。

超纯水几乎不能导电。

溶液导电能力以电阻值来表示，导电能力强电阻值小。

纯水导电性微弱。

电阻率P的物理意义是长度1cm，截面为1cm2均匀导电体的电阻值（即1cm水或水溶液的电阻值），并称之为水的“电阻率”。

电阻率的单位为欧姆·厘米（Ω·cm）。

电阻率（P）的倒数称为电导率（x）（单位为记作欧姆-1·厘米-1）。

2系统设计

2.1系统设计要求

由于不水质的导电能力不同，不同温度对水的电导率也有影响，本设计通过检测不同水质及不同温度下水中的电阻，从而得出其电导率，通过温度传感器得出其温度。

本系统要能实现如下基本功能：

1、实现对水质电导率的检测。

2、实现对水温的检测。

3、实现对水中氧浓度的检测。

4、实现对水的PH值检测。

5、实现对水的浑浊度检测。

2.2系统设计原理

2.21pH值测量原理

PH值是水溶液酸碱度的标志，是水质检测的一个重要指标。

采用pH复合电极传感器对水的pH值信号进行转换，当被测溶液的酸碱度不同时，pH复合电极产生直流电位将发生变化，这样即可将溶液的酸碱度转变成电信号进行采集，而pH复合电极由玻璃电极和甘汞电极组成。

在水溶液的酸碱度测量中，玻璃电极是测量电极，甘汞电极是参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也

随着变化，这就是pH复合电极的测定原理。

当薄膜玻璃的表面被水解时，其表面形成0.6nm厚的溶胀层。

内侧和外侧的溶胀层被玻璃组织分开，同时由于玻璃膜内外两侧不同的表面电位便在玻璃膜上建立了一个电位差。

这一电位差可通过零电流法用一带有pH刻度的毫伏计测量并以pH值的形式显示出来。

当一对电极形成电位差等于零时，被测溶液的pH值即为零电位pH值，一般为7。

此电位遵循能特斯方程，在25度的条件下，质子活度变化一级别时，电位变化59.16mV，即电极转化斜率为59,16。

2.22浊度测量原理

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，是水中悬浮物与胶体光学性质的综合反映。

一升蒸馏水中含有一毫克二氧化硅为一个浊度单位。

浊度的高低虽然不能直接说明水质的污染程度，但由人类生活和工业生活污水造成的浊度增高，仍可表明水质变坏。

目前，浊度分析方法按光接收方式一般可分为透射光法、散射光法、透射光一散射光比较测量法。

我们着重分析透射光浊度法，透射光浊度法如下：

光束射入试样，试样中的浊度物质会使光的强度衰减。

透射光强度随浊度的变化遵从朗伯一比尔定律，即透射光强随浊度增加按指数形式衰减：

透射光浊度法在测量低浊度水样时，大部分光被直接透射，微小浊度变化所引起的透射光变化相当小，且无法对散射光测量信号进行加工处理，准确度低，抗干扰能力弱，且读数不稳定。

2.23溶解氧测量原理

水中溶解氧含量多少是水体质量的一个重要指标。

水中溶解氧的定义为每1千克水溶液中含有的氧的毫克数，单位为mg／t,。

采用极谱型氧电极，可消除流动对溶解氧测量的影响。

由金片组成电极的阴极，由银丝组成阳极即参比电极，两极之间充以电解液，顶端用F46薄膜覆盖。

当在阴极与阳极间加0.7V左右极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧化还原反应，电子转移产生的电流正比于水中氧分压，无氧时氧电极无电流产生，有氧时，其电流大小正比于溶液中氧浓度。

氧在阴极上还原，电极输出电流，其大小受制于多种因素，去掉电极表面状况的变化等不定因素，电极电流与水中氧浓度的关系可描述如下：

（式中I是扩散电流，K是氧电极比例系数，N是反应中电子得失数，F是法拉第常数，S是阴极面积，P是薄膜的透氧系数，L是透线膜的厚度，C是水中的氧浓度）。

极谱型复膜氧电极的输出特性线性度很好，在氧浓度允许范围内都可呈直线关系。

当接触传感器周围的氧浓度发生变化时，从传感器输出开始变化到最终输出90％所需的时间不大于10秒。

该传感器具有结构简单、体积小、重量轻、可在常温下使用等特点。

由于温度和盐度对溶解氧测量影响较大，检测中需采取温度和盐度补偿措施。

另外，大气压力对溶解氧的测量也有一定的影响，由于大气压力随海拔高度而变化，大气压力越高，水溶解氧的能力就越大。

本仪器主要应用于平原地区，基本上可以保证一个标准大气压（101.3kPa），故大气压对溶氧测量的影响可不予考虑。

2.3总体设计方案

本设计将温度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、浑浊度传感器、PH值传感器提供的模拟信号通过模/数转换器ADC0804转换成数字信号，然后将转换后的数字信号传送到单片机中进行算法处理，再通过显示器显示出被检水质的各种参数。

整体设计框图如图1所示。

图1系统整体设计框图

3系统各方案设计论证与选择

3.1电阻检测模块方案论证

方案一：

通过模数转换芯片ADC0804将模拟信号传送到单片机，通过分压原理，通过一定算法处理，从而测出被测水质的电阻。

优点：

测量精确度高。

缺点：

电路相对复杂，算法复杂。

方案二：

运用精确固定电容，对不同电阻放电时间不同的原理，把电阻两端接在比较器输入比较端，输出端连单片机，单片机通过中断记数方式，记录放电时间，并转换成相应的电阻输出。

优点：

电路简单，容易实现，利于错误检查。

并很容易改进成多功能可测电阻、电容的电路。

缺点：

对电路元件要求较高，否则测量误差极大。

同时长期使用，会造成电容容量变化，而造成系统误差。

同时比较器翻转电压也对测量精度影响很大。

方案三：

555多谐振荡器电路如图2所示。

图2多谐振荡器电路

运用555振荡电路中，电容、电阻与周期有相应的数学关系，在固定其中一个电阻和电容时，可根据单片机中断记录的时间，计算出对应的频率、电阻等，在通过显示器显示输出。

通过公式换算得到电阻值。

振荡周期：

得到公式：

优点：

相对而言测量精确一些，对元件要求不是很高。

电路也比较简单，成本较低。

缺点：

555电路固有特性决定了，电路在测量过高或过低电阻是，测量误差大大增加，并有可能电路不正常工作。

但进一步改进可克这些缺点，但会找造成成本大大增加。

综上所述，还是方案一比较符合要求，元件简单，精确度高，故本设计方案选择方案一。

3.2温度传感器方案的选择

随着现代技术，传感器技术，越来越广泛的发展。

温度传感器是检测温度的器件中，种类最多，使用最广泛和增长最快的。

根据该温度传感器的输出信号的模式大致可分为三类：

逻辑输出型温度传感器，模拟式温度传感器，数字式温度传感器。

方案一：

在许多应用中，设计并不需要严格的温度测量，只关心温度是否超过设定范围，一旦温度超过指定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇，空调，加热器等，那么你可以使用逻辑输出温度传感器。

LM56是一个典型的代表。

根据设计要求，不适合使用这种传感器。

方案二：

传统的模拟温度传感器，如热电偶，热电阻和RTD温度监测，在一定的温度范围内的线性关系不是很好，需要进行冷端补偿或铅补偿和热惯性，响应时间慢，所以在市场上已很难买到。

集成的模拟温度传感器与之相比有如下优点，灵敏度高，线性度好，响应速度快，将驱动电路，信号处理电路和必要的逻辑控制电路集成在单片IC，实际尺寸小、使用方便。

常用的模拟温度传感器有电压输出型的LM3911，LM335，LM45，AD22103。

这个方案的缺点是，该模拟信号被转换为数字信号接口电路需要占用微机的数条数据/控制线，限制了计算机的功能扩展;在分布范围很广的温度监测系统中，由于是长距离模拟信号传输，信号很容易扭曲，抗干扰能力差。

所以不采用这个方案。

方案三：

如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。

数字式温度传感器直接输出数字测温信号，不但节约了微机的数条数据/控制线，而且省去了A/D转换、放大、滤波等电路，在长距离传输过程中信号不易失真，抗干扰能力强，所以本设计采用数字式温度传感器。

而DS18B20是由美国DALLAS公司生产的一种自带编码的单线数字温度传感器，可以把温度信号直接转换成数字信号。

每片DS18B20含有唯一的64位序列号。

以便不同测温点的识别。

DS18B20的测温是-55℃到+125℃。

符合本设计的要求，所以本设计采用DS18B20数字式温度传感器。

4系统硬件电路设计

4.1AT8951单片机及其他器件的功能介绍及原理

单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。

这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性，是一个小而完善的计算机系统，通常被称为单片机。

CS-51单片机内部结构如图3所示。

图3单片机引脚图

51单片机包含微处理器、程序存储器（4KBROM）、数据存储器（128BRAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线三大总线。

引脚功能说明：

　AT89S51芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见右图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4...40，在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。

1、主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源。

GND（Pin20）：

接地线。

2、外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端。

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端。

3、控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号。

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号。

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令。

如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

4、可编程输入/输出引脚（32根）

　AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等。

　PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7。

　P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7。

　P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7。

　P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。

　上面就是AT89S51单片机引脚的简单介绍，其它51系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和89S51兼容，只是个别引脚功能定义不同。

4.2DS18B20温度传感器的简介

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。

超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。

DS18B20的主要特征：

（1）全数字温度转换及输出。

（2）先进的单总线数据通信。

（3）最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

（4）12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

（5）可选择寄生工作方式。

（6）检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）。

（7）内置EEPROM，限温报警功能。

（8）64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。

（9）多样封装形式，适应不同硬件系统。

DS18B20工作原理及应用：

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其中一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。

DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据。

RAM及EEPROM结构如表1和表2所示。

表1RAM内部结构

TemperatureLSB（50h）

TemperatureMSB（05h）

THRegisterorUserByte1

TlRegisterorUserByte2

ConfigurationRegister

Reserved（FFH）

Reserved（0CH）

Reserved（10H）

CRC

表2EPROM内部结构

THRegisterorUserByte1

TlRegisterorUserByte2

ConfigurationRegister

4.3ADC0804

1、ADC0804的管脚图如图4所示。

图4ADC0804管脚图

2、芯片参数：

1、工作电压：

+5V，即VCC=+5V。

2、模拟输入电压范围：

0～+5V，即0≤Vin≤+5V。

3、分辨率：

8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～255之间。

4、转换时间：

100us（CK=640KHz时）。

5、转换误差：

±1LSB。

6、参考电压：

2.5V，即ref=2.5V。

3、ADC0804的转换原理

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。