基于单片机的tds水质测试仪设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的tds水质测试仪设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

TC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚 RST上连接一个电容到 VCC，再连接一个电阻到 GND，由此形成一个 RC充放电回路，这样可以保证单片机在上电时 RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态。 当单片机系统在运行中，受到干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 为了保证单片机系统中的电路能稳定可靠工作，复位能可靠工作，复位电路是不可或缺的一部分，复位电路包括手动复位和上电复位。 单片机在开始工作时都需要复位，这样就可以使整个系统处于确定的初始状态，从初始状态开始工作。 89系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。 当系统工作状态正常，振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并且保持 2 个机器周期（ 24个振荡周期）以上，则 CPU就可以响应并将系统复位。 TDS 值测量电路 TDS值测量原理 TDS 表明 1 升水中溶有多少毫克溶解性总固体，或者说 1 升水中含有的离子总量。 而本设计的TDS 值通过测量被测溶液的电导率计算得出。 电导率是表示物质导电性能的物理指标。 电导率越大物质的导电性能越强，相应的电阻就越小，反之物质导电性能越小，电阻越大，电导率也越小。 溶 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 28 页 液的电导率等于溶液中各种离子电导率之和。 在水样经过过滤后，在一定温度下烘干所得的固体残渣，其中包括不易挥发的可溶性盐类、有机物及能通过过滤器的不溶解微粒等，都称为溶解性总固体。 导体的导电能力与导体本 身的自由电荷在电场作用下的运动有关，所以其导电能力与导体的性质及它的长度和横截面积有关。 其关系式为： SR L （ ） 式（ ）中， R为电阻， L为导体有效长度， S为导体的有效横截面积，ρ为电阻率。 而电导 LR  S1G （ ） 令 K1，则我们称 K为电导率，是电阻率的倒数。 令 JSL ，所以 JKLK  SG （ J为电导池常数） （ ） 电导率 K 的单位为每厘米西门子，符号为 S• 1cm,横截面积为 1cm2所具有的电导值，对电解质导体来说相当于 1cm3的溶液再相距 1cm 的两电极间所具有的电导量 [8]。 测量溶液时，由于水质测试仪的确定，使得测量仪器探针的有效长度 L和有效横截面积 A不变，探针之间水的体积就可以固定，通过式（ ）可得到电导率 K。 JSK （ ） 由于 TDS 与电导率之间存在显著地相关关系，由资料 [9]可知，溶解固体与电导之间的关系可用下面的经验公式估算： ~ D S  ）（ （ ） 式（ ）中： TDS 为水中溶解固体（ mg/L）； K 为 25℃时水的电导率（ S/m）。 上式只是粗略的反映了溶解性总固体与电导率之间的数量关系，系数 ~。 TDS测量电路 图 TDS测量电路。 图 TDS 测量电路 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 28 页 该电路是被测溶液的电导率检测多谐振荡电。 当排针上接的两根探针插入被测溶液，形成了一个电极，使整个电路构成封闭的谐振电路，而由该谐振电路产生的与被测溶液电导率有关的频率 f由 555芯片的 3引脚输出，向单片机。 这个多谐振荡电路是由探针与被测溶液构成的电极和电容 C5组成。 555定时器 是美国 Sigics公司 1972年研制的用于取代机械式定时器数字电路与模拟电路相结合的的中规模集成电路，因输入端设计有三个 5KΩ 的电阻而得名。 555定时器是由两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电三极管，电阻分压器和输出缓冲器五个基本单元组成。 有两个基准电压，分别为 VCC/3， 2VCC/3，是构成多谐振荡器的主要器件。 使用 555定时器的电路使用灵活、方便并且价格低廉，只需外接少量电阻电容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 如图 ，为 555定时器结构图。 图 555 定时器结构图 由 3个 5KΩ的电阻串联构成的电阻 分压器为两个电压比较器 C1 和 C2提供参考电压。 如控制电压输入端 5悬空，则比较器 C1的参考电压为 1／ 3VCC，加在同相端； C2的参考电压为 2／ 3VCC，加在反相端。 4脚是复位输入端，当 RD有效时，基本 RS触发器被置“ 0”，晶体管导通，输出端 3为低电平。 正常工作时而应无效。 6脚和 2脚是信号输入端。 当 6脚电压 2／ 3VCC， 2脚电压 1／ 3VCC时，比较器 C2输出高电平，基本 RS触发器被复位置 0，晶体管导通，输出端 3为低电平。 当 6脚的电压 2／ 3VCC， 2脚电压 1／ 3VCC时，比较器 C1输出高电平，基本 RS触发器被置 1，晶体管截止，输出端 3为高电平。 当 6脚电压 2／ 3VCC， 2脚电压 1／ 3VCC时，基本 RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变 [10]。 综上所述，可得 555定时器功能，如表。 表 555 定时器功能表 RD(输入 ) UTH(输入 ) UTR(输入 ) U0（输出） TD（输出） 0 X X 低 导通 1 2VCC/3 VCC/3 低 导通 1 2VCC/3 VCC/3 不变 不变 1 2VCC/3 VCC/3 高 截止 1 2VCC/3 VCC/3 高 截止 该电路工作原 理：电路刚开始运行时电容 C5上的电压为 0，实际电路处在置位状态，引脚 3输出高电平。 VCC通过电极向 C5充电， Q2导通，充电过程为： VCCQ2— 电极 — C5。 当上升到 Vc≥ 2/3VCC时， 6脚内部高限比较器反转， 3脚输出低电平， Q2截止， 7脚内集电极开路放电管导通，放电过程：C5— 电极 — 7 引脚。 当放电至 Vc≤ 1／ 3VCC 时，脚 2 内低限比较器反转，引脚 3 再次输出高电平， 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 28 页 电容再次充电。 如此以上过程循环往复形成振荡输出频率 f。 经电路原理得出以下公式： )( 0 tGKRf x  （ ） 式（ ）中： G(t)=1/Rx， G(t)为电极实测的电导值； K0=， K0为电导 频率转换系数。 由式（ ）可以看出，输出频率 f与电导 G(t)成正比，即频率和电导率呈线性关系 [11]。 在设计过程中，探针的尺寸固定，即 L/S=常数， L 为两探头之间的间距， S 为探头浸入溶液深度与探头横截面长度的乘积。 本实验中 L=， S=4cm*=，所以 L/S==250m1；C5=。 将两探针之间的被测溶液也视为电阻，可确定 f与 K的线性关系，即 :K=•105f,即推算出 f )~(T D S。 由于溶液电导率测量受温度影响很大，电解质的电离度、溶解度、离子运动速度等都直接受温度的影响，溶液温度升高时，离子热运行加快，导电能力增加，溶液电导率增大。 反之亦然。 而本设计是根据被测溶液电导率来计算 溶液 TDS 值，所以温度直接影响溶液电导率测量的精度，也就是直接影响 TDS值的测量精度。 如上面所述，温度对 TDS 值的测量精度影响是非常大的。 当被测溶液的温度不是基准温度，即25℃时，就必须进行温度补偿，也就是说需要将测量结果补偿到基准温度下的数值，从而排除温度对测量值的影响 [12]。 国内外已经商品化的仪器温度补偿的方法主要有三种： （ 1） 样品恒温法：就是加装水样预处理的恒温装置，先将被测溶液的温度补偿到 25℃条件下再进行测量，但是这种方法需要昂贵精密的恒温装置，条件也很难控制，所以在现场很少被采用。 （ 2）手动调 整补偿法：在电导率仪器上设置一个手动温度补偿调整器。 这种方法在使用前必须先测量被测溶液的温度值然后再调整温度系数，一般为 2%/℃。 采用这种方法的仪器仅限于实验使用表。 （ 3）自动温度补偿法：在测量仪器中设置自动温度补偿电路，在测量任意温度的溶液时，都能自动进行温度补偿并且显示出补偿至基准温度 25℃时该溶液的电导率值。 该方法分为热敏电阻补偿法和拟合经验公式补偿法。 热敏电阻补偿法实际设计复杂，有局限性。 使用软件拟合公式处理法对测得的溶液的电导率和温度进行处理，可以较好地得到温度补偿后的数值 [13]。 本设计采用软 件拟合公式补偿法。 被测溶液的温度每升高 1℃，电导率就增加约 2%，温度校正系数与温度成一元线性关系，当测量温度为 25℃左右时，其温度补偿公式为： Ks=Kt/[+)] （ ） 式（ ）中， Ks 为 25℃下溶液的电导率， Kt为 t℃下溶液的电导率， t为被测溶液的温度。 当测量温度偏离 25℃时，由于以上公式所得的电导率误差较大，为了提高测量精度，所以 采用不同的温度校正系数来进行计算，不同温度范围内的温度校正系数也不同。 式（ ） 式（ ）为不同温度范围下的温度补偿公式： Ks=Kt/(+) 1℃≤ t≤ 10℃ （ ） Ks=Kt/(+) 10℃≤ t≤ 20℃ （ ） Ks=Kt/(+) 20℃≤ t≤ 30℃ （ ） Ks=Kt/(+) 其他温度范围 （ ） 本设计通过测量电导率和通过 DS18B20 防水型温度传感器测量溶液温度，借助数据拟合的方法拟合出经验公式进行软件温度补偿。 这种方法不但使硬件电路变得没有那么复杂，而且使该 TDS 水质测量仪使用更加方便，测量也更加精确。 图 DS18B20引脚图。