毕业论文-基于51单片机的水质检测系统设计

毕业论文-基于51单片机的水质检测系统设计内容摘要：

片机最小系统原理图 此单片机最小系统由 AT89S52 单片机、时钟电路及复位电路组成，时钟电路采用内部时钟利用单片机内部一个高增益的反向放大器，把一个晶振和两个电容器组成的自激震荡电路接到 XTAL1（ 19 脚）和 XTAL2（ 18 脚）之间。 震荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。 本最小系统中晶振采用 12M，起振电容采用 30pF。 CPU 第 9 管脚复位（ RST）功能，本设计具有上电复位功能， 主要功能是把 PC初始化为 0000H，使单片机从 0000H单元开始执行程序。 在单片机最小系统上电时，利用 R11 和 C3 充放电原理，以达到实现的单片机最小系统的复位。 温度传感器的简介 、 DS18B20 基本知识 DS18B20 数字温度计是 DALLAS 公司生产的 1－ Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。 因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 DS18B20 产品的特点： （ 1）、只要求一个端口即可实现通信。 （ 2）、在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （ 3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （ 4）、测量温度范围在－ 55。 C 到＋ 125。 C之间。 （ 5）、数字温度计的分辨率用户可以从 9位到 12 位选择。 （ 6）、内部有温度上、下限告警设置。 、 DS18B20 的引脚介绍 TO－ 92封装的 DS18B20 的引脚排列见图 1，其引脚功能描述见表 53。 图 53（ DS18B20 底视图） 表 53 DS18B20 详细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入 /输出引脚。 开漏单总线接口引脚。 当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。 3 VDD 可选择的 VDD 引脚。 当工作于寄生电源时 ，此引脚必须接地。 、 DS18B20 的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 AT89S51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，本设计必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。 所有时序都是将 主机作为主设备，单总线器件作为从设备。 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始， 11 如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 图 54 DS18B20 的复位时序 对于 DS18B20 的读时序分为读 0时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us才能完成。 图 55 DS18B20 的读时序 对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0时序和写 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 写 0时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO总线上的“ 0”电平，当要写 1时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 图 56 DS18B20 的写时序 12 图 57为 DS18B20 的程序流程图： 图 57 DS18B20程序流程图 、本系统所使用的 DS18B20 电路 图 58为 DS18B20 电路图： 图 58 DS18B20 电路图 、 NE555 简介及应用 、 NE555 基本知识 555 时集成电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。 它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小 IC。 它有很多优异的性能而且用途极广，它们表现在：第一，开始 主机发送低脉冲 释放总线 标志位置位 初始化完成 清除标志位 等待回应 13 定时精度，工作速度和可靠性高；第二，使用的电源电压范围宽，从 3V 到 18V，能和数字 电路直接连接；第三，有一定的输出功率，可驱动微电机，指示灯、扬声器，第四，结构简单，使用灵活，用途广泛，可组成各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、检测电路、电源变换电路、频率变换电路等，被广泛应用于自动控制，测数，通信等各个领域。 、 NE555 内部结构及引脚说明 图 59 555时基电路管脚排列图 图 510 555电路结构方框图 555 芯片引脚图及引脚描述 555 的 8 脚是集成电路工作电压输入端，电压为 5～ 18V，以 UCC 表示；从分压器上看出 ，上比较器 6 脚 A1 的５脚接在 R1 和 R2 之间，所以 5 脚的电压固定在 2UCC/3 上；下比较器 A2 接在 R2 与 R3 之间， A2 的同相输入端电位被固定在 UCC/3 上。 根据５５５定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻值。 由 、 本系统使用的 NE555 电路 如图 511 为 NE555 电路图： 图 511 NE555电路图 、本系统所使用的 NE555电路的工作原理 NE５５５电路工作原理根据５５５定时器和外部器件构成无稳态多谐振荡器 ，电源 14 经 R4对电容 C充电，使电容两端电压按指数规律上升，当 uc上升到（ 2/3） Vcc时，输出out为低电平，放电管 VT导通，把电容两端电压从（ 1/3） Vcc上升到（ 2/3） Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间 TPH的长短与电容的充电时间有关。 充电时间常数 T充 =（ R4＋ Rx） C。 Rx和放电管放电，电路进入第二暂稳态 .其维持时间 TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数 T放＝ RxC0随着 C的放电，电容两端电压下降，当 uc下降到（ 1/3） Vcc时，输出 out。 为高电平，放电管 VT截止， Vcc再 次对电容 c充电，电路又翻转到第一暂稳态。 不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。 电路一旦起振后， uc电压总是在（ 1/3～ 2/3） Vcc之间充电和放电，从而在输出端产生一系列的脉冲频率波形，通过输出脚与单片机连接，将脉冲频率信号输入到单片机中。 、 RS485 总线的应用及介绍 、 RS485 及其接口介绍 RS232 使用 12V,0,12V 电压来表示逻辑，（ 12V表示逻辑 1， 12V表示逻辑 0），全双工，最少 3条通信线（ RX,TX,GND），因为使用绝对电压 表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速时几十米也是可以的。 RS422，在 RS232 后推出，使用 TLL 差动电平表示逻辑，就是两根的电压差表示逻辑， RS422 定义为全双工的，所以最少要 4 根通信线（一般额外地多一根地线），一个驱动器可以驱动最多 10 个接收器（即接收器为 1/10 单位负载），通讯距离与通讯速率有关系，一般距离短时可以使用高速率进行通信，速率低时可以进行较远距离通信，一般可达数百上千米。 RS485，在 RS422 后推出，绝大部分继承了 422，主要的差别是 RS485 可以是半双 工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动 32个接收器（即接收器为 1/32单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。 所以现在大多数全双工 485 驱动 /接收器对都是标： RS422/485 的，因为全双工 RS485 的驱动 /接收器对一定可以用在 RS422 网络。 RS485 的电气特性：逻辑 1以两线间的电压差为 +（ 26） V 表示；逻辑 0以两线间的电压差为 （ 26） V 表示。 接口信号电平比 RS232C 降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL 电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。 RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接 32个结点。 在 RS485 通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。 很多情况下，连接 RS485 通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“ A”、“ B”端连接起来。 而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因： (1)共模干扰问题： RS485 接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某 个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。 但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围， RS485 收发器共模电压范围为 7～ +12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。 当网络线路中 共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。 (2)EMI 问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 由于 PC机默认的只带有 RS232 接口，有两种方法可以得到 PC 上位机的 RS485 电路：（ 1）通过 RS232/RS485 转换电路将 PC 机串口 RS232 信号转换成 RS485 信号，对于情况 15 比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。 （ 2）通过 PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为 RS485 类型的扩展卡。 RS485 的网络布置 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。 在构建网络时，应注意如下几点： （ 1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 有些网络连接尽管不正确 ，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。 （ 2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。 在 RS485 组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降 低。 理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。 但这在实际上难以掌握，美国 MAXIM 公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的 3 倍以上时就可以不加匹配。 一般终端匹配采用终端电阻方法， RS485 应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。 终端电阻在 RS485 网络中取 120Ω。 相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在 100～ 120Ω。 这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。 另外一种比较省电的匹配方式是 RC 匹配。 利用一只电容 C隔断直流成分可以节省大部分功率。 但电容 C 的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。 还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。 最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成，工厂中已经铺设了延伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状，推出了串 口服务器来取代多串口卡，这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资，节约成本，相当于通过 tcp/ip 把多串口卡放在了现场。 、 RS485 应用 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS485 串行总线标准。 RS485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。 加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 市场上一般 RS485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。 RS485 用于多点互连 时非常方便，可以省掉许多信号线。 应用 RS485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和 32台接收器。 本系统采用 RS485 建立多机通信网络，并以两个从机为例成。