传感器说明书

目 录

一、设计目的及意义 ................................................. 2

二、水质的监测 ...................................................... 3

2.1检测方法介绍..................................................3

2.2水质监测方案的制定............................................3

2.3水环境监测质量控制工作中的控制................................3

2.4水质在线监测技术系统框图......................................3

三、仪器及电路的选择.................................................4

3.1传感器的选择及原理............................................4

3.2单片机的选择及原理 ........................................... 5

3.3数/模转换器的选用 ............................................ 9

3.4电路的选择 .................................................. 10

四、系统汇编语言 ................................................... 14

4.1 水质监测主程序流程图 ........................................ 14

4.2 程序清单 .................................................... 14

4.3 系统的调试 .................................................. 17

五、对本设计的评价 ................................................. 18

六、对本次设计的感想体会............................................19

七、参考文献.......................................................20

一、设计的目的和意义

水是人类赖以生存和发展的物质基础，饮水安全则是影响人体健康和国计民生的重大问题。各行各业都需要用水，所以我们必须对水质进行检测来达到我们的要求。

近年来由于我国工业水平的迅猛发展导致严重的水污染及水资源短缺，严重制约着经济的发展和危害着人类的健康，这迫使水体多参数自动控制系统成为社会热点问题，人们十分渴望水体的合理利用。

因此，本设计的出现具有重要的意义。第一，了解污水水质，为污水处理技术方案提供依据。因为描述定义一种污水，主要就是从其常规水质指标角度来说的，常规水质指标包含了污水的基本特征和信息。污水的水质特征决定了他适合采用什么处理方法，常规指标提供了最基本和最重要的依据。

第二，为水处理工艺提供参考。以生物法处理废水为例，各个工艺单元都对进水水质有相关的要求，出水水质也要达到设计效果，所以就要在各个工艺节点对水水质进行检测，并以此判断运行是否正常。

总的来说，常规水质监测是用来反映水质基本特征的。为行政的、经济的、技术的表征污水提供化指标。

另外，通过对水质监测系统的研究，可以对检测和测控有一个更深入的了解，尤其是在电子测控方面，应用到电子测试的一些基本知识，配合对单片机的研究，可以对自己在监测和测控方面进行很大的提升。而且在当今时代监测和测控的技术逐渐的仪表化。另外，研究如何将传感器与外围电路配合，将感应的模拟信号转变成数字信号也是非常重要的，这样对传感器和数模转换器的应用也会得到提升，对单片机的学习尤为重要，可以丰富自己的设计能力和单片机程序语言的设计能力。

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二、水质的监测

2.1检测方法介绍

水质监测是指对水样的各项指标进行测试，可以根据这些指标进行分类，对水体质量进行判断和综合评价。其检测内容可以是PH值、各种溶于水的自由离子、细菌总数及矿化度等。

使用电子设备进行水质检测，主要是利用各类传感器对水中的参数进行检测。其检测内容可以是浑浊度、电导率、温度等。

2.2水质监测方案的制定

水质监测方案的确定步骤有：进行采样前的调查研究，明确监测目的，收集资料；确定监测项目；设定监测网点（设置监测断面和采样点）；确定采样时间和频率；选择采样及监测的技术；数据处理；提出监测报告要求；制订质量保证程序、措施及方案实施计划。

2.3水环境监测质量控制工作中的控制

水环境监测的过程控制指的是对实验室监测和现场监测过程的控制。着重把握好以下几个方面：一，对水质监测点位置的设置。水质监测站点测得的监测数据应能体现水质情况。二，水质样品的实时采集。三，对水质样品的质量控制。样品在采集、运输、保存、交接、制备和分析测试过程中，应遵守既定操作流程，确保样品的质量。基础环节不能忽视。

2.4水质在线监测技术系统框图

水质在线监测系统是环境监测原理、现代传感器技术、自动控制技术、网络通信、软件工程、大型数据库系统和环境评价管理交叉发展的产物。其基本框图

图2.1 水质在线监测系统基本框图

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三、仪器及电路的选择

3.1传感器的选择及原理

1、传感器的介绍

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。我国国家标准(GB7665－87)中说，传感器(Transducer/Sensor)的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。我们的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

这一定义包含了以下几方面的意思：

⑴传感器是测量装置，能完成检测任务；

⑵它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； ⑶它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；

⑷输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器是直接进行测量的环节。

2、传感器的选择

传感器可分为化学传感器、光导纤维传感器和生物传感器。本次选用的传感器是化学传感器。

化学传感器是利用化学反应产生的电信号或其他信息（如光效应、热效应、场效应及质量变化等）来进行测定的。被分析物透过选择性薄膜后发生特定化学反应，产生的信息被相应的化学或物理换能器转变成可定量或可处理的电信号，经过二次放大后得到显示。如硝酸盐氮、各种金属离子（如Ag+、Pb2+、Cd2+、Ca2+等）都可通过特定电极引起电化学反应来检测。这类传感器是在水质自动监测中应用最广的传感器。化学传感器的技术原理图示如下图3.1。

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图3.1 化学传感器的技术原理图

本设计选用的是玻璃电极，其测量的线性范围是1~9.5pH。PH玻璃电极是20世纪初出现的电化学式传感器，它有多种形式，其中目前应用广泛的是这样一种结构，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。首先把PH敏感玻璃膜的配料熔融为液态玻璃体。然后用铅玻璃管（对H离子无响应）蘸取融化的玻璃体趁热吹成珠泡形，冷却后装入内参比液和Ag- AgcL参比电极，接好电极引线，封上电极帽后就是PH玻璃电极。

PH敏感玻璃电极对试液中的H离子具有选择性响应。PH玻璃电极的主要干扰离子是Na，当它与H共存于试液时，Na离子会造成测量误差，此误差称为咸误差。

玻璃电极属于固态膜电极，PH敏感玻璃膜的主要成分是SiO2。不存在自由活动的带电载体，因此没有导电性，干玻璃不能响想H离子。需在蒸馏水中泡24小时之后，膜表面形成水化层，在界面处有离子交换反应并形成电位差。

3.2单片机选择及工作原理

1、单片机的介绍

单片机也称为微控制器或嵌入式微控制器。其内部结构与普通计算机结构类似，也是由中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出（I/O）3大基本部分构成。实际就是把一台普通计算机经过简化，浓缩在一小片芯片内，形成了芯片级计算机，即单芯片微型计算机，简称单片机。具有性能高，价格低；体积小，可靠性高；低电压，低功耗的特点。

单片机内有两个存储器，一个用于存放程序，称为程序存储器；另一个用于程序运行时暂时存放数据，称为数据存储器，也称寄存器。在寄存器中有一部分寄存器具有特殊功能，称为特殊功能寄存器（如P0、P1、P2、P3端口寄存器）。单片机的主要功能是通过向特殊功能寄存器写入0或1二进制数来实现的。

2、单片机的分类

⑴按用途分类

东北电力大学 单片机按用途可分为两大类：专用型单片机和通用型单片机。专用型单片机用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好、不能再修改，电子表里的单片机就是其中的一种，其特点是生产成本低，适合大批量生产。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路、编写不同的应用程序就可实现不同的功能。

⑵按位数分类

单片机按位数可分为有低档的4位机、8位机，高档的8位机、16位机、32位机。其中，低档的4位机、8位机属于早期生产的初级单片机，寻址范围不大于4KB，且无串行口。

当前广泛应用的是高档8位机，这类单片机已能满足控制领域中多数场合的需求。

⑶按系列分类

单片机按系列可分为80C51系列、PIC系列、AVR系列等。目前最常用的单片机有如下几种：Intel公司生产的80C51系列、MCS96系列单片机。

Atmel公司生产的AT89系列（80C51内核）、AVR系列单片机。

Microchip公司生产的PIC系列单片机。

Motorla公司生产的68HCXX系列单片机。

Zilog公司生产的Z86系列单片机。

Philips公司生产的87、80系列（80C51内核）单片机。

Siemens公司生产的SAB80系列（80C51内核）单片机。

NEC公司生产的78系列单片机。

80C51单片机与AT89C51的别：

80C51单片机由于应用早，影响很大，已成为了事实上的工业标准。最早是由Intel公司开发和生产，后来许多著名厂商如Atmel等公司申请了版权，生产了各种与80C51兼容的单片机系列。虽然制造工艺不断的改进，但内核却没有变化，我们称这些与80C51内核相同的单片机为80C51系列单片机或51系列单片机。

AT89C51单片机是Atmel公司1989年的产品，Atmel率先把80C51内核与Flash技术相结合，推出了AT89系列单片机。

AT89C51 与80C51单片机的基本机构是一样的，编程所使用的指令及单片机的管脚都与80C51相同，即完全兼容。由于采用了Flash工艺制作内部存储器（也称闪速存储器），用户可以用电方式进行反复快速擦出、改写。这为初学者学习单片机提供了极大的方便。

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图3.2 AT89C51单片机引脚图

AT89C51引脚功能描述

VCC：电源端

GND：接地端：

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O接口。当它用作输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口写1时，引脚用作高阻抗输入。

当访问数据存储器和外部程序时，P0口也被作为低8位地址/数据分时复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

表3-1 P1口第二功能表

P1口：P1口是具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动

东北电力大学 4个TTL逻辑电平。对P1写“1”时，上拉电阻把端口拉高，此时可以用作输入口。

此外P1口还有被用作第二功能。

P2口：P2口是一个具有上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。与P1口功能类似。

P3口：P3口是一个具有上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。与P1口功能类似。

P3口亦可作为AT89C51单片机特殊功能（第二功能）使用。

表3-2 P3口第二功能表

3、单片机的选择

本次课题设计即是选用AT89C51单片机,其引脚如上图3.2。单片机振荡电路中的石英晶体振荡器频率选12MHz，则振荡周期= 1/（12MHz），机械周期=12×振荡周期=1μs。（振荡周期：也称时钟周期，是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期，一般为11.0592MHZ，12MHZ和24MHZ用的也比较多；机器周期：一个机器周期包含6个状态周期S1~S6，也就是12个时钟周期。在一个机器周期内，CPU可以完成一个独立的操作；指令周期：它是指CPU完成一条操作的所需的全部时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。

4、单片机的最小系统

所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机的最小配置系统。对于单片机内部资源已能够满足系统余姚的，可直接采用最小系统。由于MCS-51系列单片机片内不能集成时钟电路所需要的晶体振荡器，也没有复位电路，因此在构成最小

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系统时必须有外界设备。如下图为AT89C51的最小原理图。

图3.3 单片机最小系统原理图

8051/8751的最小系统如下：

由于片外没有扩张存储器和外设，P0、P1、P2、P3 都可以作为用户I/O接口实用。

片内数据储存器有128B，地址空间为00H~7FH，没有片外数据存储器。 内部有4KB的程序存储器，地址空间为0000H~0FFFH，没有片外程序存储器。EA应接高电平。

可以使用两个定时计数器T0和T1，一个全双工的串行通信接口，五个中断源。

3.3数/模转换器的选用

A/D转换：由于单片机只能识别数字信号所以必把传感器输出的模拟信号进行数字化处理，因此，在智能仪器的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换芯片。使用A/D转换器时需要根据实际所需精度与分辨率的不同选择不同的A/D转换芯片，确定采样频率一保证单片机的实时行要求。由于环境对A/D转换器存在一定影响，一次在选择A/D转换器的时候必须考虑环境因素。还应根据单片机接口特征选择A/D转换器的输出状态。A/D转换器与单片机的接口一般要完成的操作有单片机发出启动转换信号，单片机取回转换

东北电力大学 结束状态信号，读取需要转换的数据[10]。由于A/D转换对于提高数据精度具有较大影响，因此需要选择一款精度较高的器件，所以本次采用ADC0832作为A/D转换芯片。

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832具有以下特点：

1、8位分辨率；

2、双通道A/D转换；

3、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

4、5V 电供电时输入电压在0~5V之间；

5、工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

6、一般功耗仅为15mW；

7、8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；

8、商用级芯片温宽为0°C to +70°C，工业级芯片温宽为−40°C to +85°C。 单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下单片机与ADC0832的接口应该为4条数据线，分别是DI、CS、DO、CLK。但因为DI端和DO端在通信时未同时有效地并与单片机的接口是双向的，固电路设计时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用。

图3.4 ADC0832与单片机的接口电路图

3.4电路的选择

1、晶振电路和复位电路

单片机若要正常工作，还需要有一些必要的外围电路，才能正常的工作。比

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如复位电路和晶振电路就是单片机必要的外围电路。

（1）、晶振电路

与复位电路一样，晶振电路同样是单片机系统的典型外围电路。单片机的工作，是从ROM中读取指令，然后执行的过程。单片机访问一次存储器的时间称为一个机器周期，座位单片机工作的时间基准。没有晶振就没有时钟周期，没有时钟周期就无法执行程序，单片机就无法工作。因此，晶振可以说是单片机系统的心脏。本系统采用的晶振频率为12MHZ。

晶振电路一般可以分为内部时钟方式和外部时钟方式。本系统采用内部时钟方式的晶振电路。

图3.5晶振电路

（2）、复位电路

单片机的复位如同计算机的充气一样，任何单片机工作之前都要有一个复位的过程，对于单片机来说，复位时单片机还没有执行程序之前而做的准备工作。一般单片机的复位只需要5毫秒。

复位电路是典型的单片机系统的外部电路，基本的复位电路一般采用上电复位和按键复位两种复位方式。本系统设计采用按键复位电路，方便并且可以对单片机工作状态进行直接重启。

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图3.6 复位电路

2、显示电路设计

本系统实现的功能要求对待测场所的环境温度实现实时监控和显示，因此，需要有显示电路的设计，来完成这一功能。

（1）、数码管介绍

单片机应用系统中，LED数码管一般用做简单显示输出设备，一般用于显示数字和简单信息。LED数码管显示器具有显示清晰、亮度高、操作简单、接口方便等优点，基本可以满足普通单片机系统的需要而被广泛使用。

LED数码管是由发光二极管按一定的结构排列而成的显示器件。通常使用的是带有小数点的8段数码管，分为共阳极和共阴极数码管两种。

a) 共阳极数码管 b) 共阴极数码管 c) 数码管引脚图

图3.7段LED数码管结构图

表3-4 数字字符对应共阴极和共阳极字段码表

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（2）、数显电路设计

本次设计的显示部分采用两个数码管的共阳极连接，采用动态显示驱动。 R是限流电阻。

图3.8 数码管显示电路图

如图3.8中所示，端口1连接数码管，以显示输入模拟电压转换后的数字值。Q1和Q2是两只共阳极数码显示管的控制三极管，三极管的基极分别接在单片机P2端口的P2.6和P2.7引脚上。也就是，P2.6输出为0时三极管Q1导通，与其相连的共阳极数码管显示器开始工作；P2.6输出为1时三级管Q1截止，与其相连的数码管显示器停止工作。三极管Q2的工作与Q1三级管相同。

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四、系统汇编语言

4.1水质监测主程序流程图

由水质pH值监测系统的硬件连接框图设计该系统软件部分。启动模拟/数字转换器（ADC）；检查模/数转换是否完成，若转换未完成（/INTR为1）则继续检查，若转换完成(/INTR为0)则跳转至数值读取部分；读取部分，设定读取，调用显示子程序。下面是软件程序的流程图。

图4.1 水质pH值监测系统的软件程序流程图

4.2程序清单

以下是用汇编语言编写的监测系统程序：

通过这个程序我们可以观察到数码管上显示的数字的变化，可以检测监测系统是否正常工作。通常往被监测对象的溶液中加入盐算，加入盐酸后，改变pH值，通过玻璃电极可以将其转化为电量，经过数模转化送入单片机进行数字信息的处理，pH值的变化最后改变了送入单片机中进行处理的数字量，这些信息最

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后通过显示模块反映出来，如果我们观察到显示模块上的数字在不断变化，则系统正常工作。

1: ORG 00H ;起始地址 2: START:

3: MOV P2，#00111111B ;数码管有显示

4: SETB P2.0 ;启动ADC,/WR送入一个低电位脉冲

5: NOP 6: CLR P2.0 7: BACK:

8: MOV A,P2

9: JNB A.1,LOOP ;检查是否完成转换,/INTR是否为0 10: JMP BACK 11: LOOP:

12: CLR P2.0 ;设定读取 13: MOV A,P0 14: SETB P2.0 15: MOV R0,A 16: ACALL DISPLAY 17: JMP BACK

18: DISPLAY: ;显示部分 19: MOV B,#5

20: DIV AB ;A为商,B为余数 21: MOV B,#10

22: DIV AB ;A为个数B为小数 24: MOV R1,A 25: MOV R2,B

26: MOV R3,50 ;设导通率为50 27: LOOP1: MOV A,R2 ;取小数 28: ACALL CHANG0 ;调用显示子程序 29: CLR P2.6 ;开小数显示 30: ACALL DLY10ms ;调用延时10ms程序 31: SETB P2.6 ;关小数显示 32: MOV A,R1 ;取个位

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33: ACALL CHANG1

34: CLR P2.7 ;开个位显示 35: ACALL DLY10ms ;调用延时10ms程序 36: SETB P2.7 ;关个位显示

37: DJNZ R3，LOOP1 ;100次显示未完成继续扫描 38: CHANG0:

39: MOV DPTR,#TABLE0 ;调入查表起始地址TABLE0 40: MOVC A,@A+DPTR ;取表子程序 41: MOV P1,A

42: RET ;取表子程序返回 43: CHANG1:

44: MOV DPTR,#TABLE1 ;调入查表起始地址TABLE1 45: MOVC A,@A+DPTR 46: MOV P1,A

47: RET ;取表子程序返回 48: DLY10ms: ;10ms延时子程序 49: MOV R6,#20 50: D1: MOV #R7,250 51: DJNZ R7, $ 52: DJNZ R6,D1 53: RET

54: TABLE0: ;7段代码表

55: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H, 82H,0F8H,80H,90H 56: TABLE1: ;8段代码表 57: DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H 58: END 代码详解：

START：起始程序进入点。 BACK：查询转换是否完成进入点。 LOOP：循环执行进入点。 DISPLAY：显示子程序进入点。 LOOP1：显示进入点。

CHANG：取表显示子程序进入点。 DLY10ms：延时10ms子程序进入点。

TABLE：代码表的进入点。 程序说明：

1~3：程序代码的起始地址。 4~6：启动ADC。

7~10：检查是否转换完成？ 12：设定读取。 13：读取数据。 18~37：显示子程序。 38~47：取表子程序。 48~53：延时10ms子程序。 54~57：显示控制码。 58：程序结束。

4.3 系统的调试

1、测试的仪器：示波器，盐酸等。

2、首先分别调试单元模块，确保模块正常工作，再进行整个系统调试，以提高调试效率。

3、单片机模块的测试，本文所选单片机的晶振是12MHz,所以ALE脚输出的频率是晶振频率的1/6，所以可以达到约2MHz，我们可以选用示波器在ALE上测信号，当我们得到约2 MHz频率的方波时，说明单片机模块正常工作。

4、系统调试测试

各模块正常工作后，进行系统调试，系统调试主要进行软件和硬件的综合调试，观察系统是否符和功能的要求。经测试，系统的性能满足要求。

五、对本设计的评价

水质监测为环境管理、环境科学研究提供了数据和资料，确定水体中污染物的分布状况、追溯污染物的来源、污染途径和预测水体的变化趋势，对人类的饮水进行了监测，给人类提供了安全的饮水环境,并且对环境有很强的适应能力因此具有很广阔的市场前景。

本设计初步探讨了水质监测系统的结构。采用和汇编语言，用单片机AT89C51为核心，设计了一种适合在我国基层环境与水质监测单位应用的水质pH值监测系统。在水质pH值监测系统中运用了AT89C51单片机，提高了自动化水平，降低了设备的成本。其实，将本论文设计的水质pH值监测系统，组装在一起，既是一个轻便的水质pH读取器，也可是一个在线水质pH动态监测系统。通过这次设计是自己对单片机的应用得到了更深的认识，另外传感器的使用，程序的开发，显示系统的设计，怎样选择A/D转换器等都有了更好的提升。知道了自己在学习单片机方面有哪些不足之处，以便于以后更好更深入的来学习单片机。

本文设计的水质pH值监测系统功能过于单一，通信传输及接口技术欠缺，这些都是还需要改进的地方，监测系统的内容还需丰富。

六、感想体会

通过这次课程设计我学到了很多，比如传感器、单片机、电路等的知识，并且通过课程设计对书本上的内容有了更具体清晰的了解。实践是检验真理的唯一标准，我认识到，只有对所学知识加以运用、实践才能更好更牢固得掌握它们，让他们真正为我们所用。学无止境，在以后的工作和学习中，我会更加努力，争取取得更好的成绩。

七、参考文献

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[5] 楼然苗，李光飞．单片机课程设计指导．北京航空航天大学出版社，2007． [6] 王为清，邱文勋．51单片机应用开发[M]．北京：人民邮电出版社，2007． [7] 朱定华，戴汝平．单片机原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2006． [8] 张学记，张书圣．电化学与生物传感器/原理、设计及其在生物医学中的

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