CN106841324A - 一种基于单片机的tds水质检测仪 - Google Patents

一种基于单片机的tds水质检测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单片机的TDS水质检测仪，包括由单片机、时钟电路、复位电路组成的单片机最小系统，以及与单片机连接的电导率测量电路、显示电路，还包括温度测量电路、MAX232电平转换电路以及PC机，所述温度测量电路直接与单片机U1连接，单片机通过MAX232电平转换电路与PC机连接，本发明利用单片机实现电导率测量、温度补偿、TDS值测量、按键锁存结果、显示数据等功能；通过电导率测量电路中的探头采集电导率信号，引入了温度测量电路，提高TDS值测量的准确性；单片机通过MAX232电平转换电路与PC机的RS232接口连接，便于数据的存储和分析。

Description

一种基于单片机的TDS水质检测仪
技术领域
本发明涉及环保检测领域，尤其涉及一种基于单片机的TDS水质检测仪。
背景技术
水是生命之源，人类在生产生活中都离不开水。随着社会经济的发展、科学的进步和人民生活水平的提高，环境污染越来越严重，其中，水环境污染最为严重。在水资源日益短缺的今天，水质问题受到了更多地关注，因此对水质进行测试能使我们更好地保护水资源，保证合格的水质，这对正常生产、保证产品质量和人们健康具有非常重要的意义。
TDS是英文total dissolved solids的缩写，中文解释为溶解性总固体，又称总含盐量，定义为水中含有各种溶解性矿物盐类的总量，它包含无机盐和有机物的总量，测量单位为毫克/升(1mg/L＝1ppm)，它表明1升水中溶有多少毫克溶解性总固体，或者说1升水中的离子总量。通俗的说，TDS值代表了水中溶解物杂质含量，TDS值越大，水中溶解物杂质越多，说明水中的可导电物质的杂质含量大。就自来水而言，TDS值越高越表明水不纯(不考虑有机物污染的前提)。通过检测溶解性总固体(TDS)，可以分析水的总矿化度。TDS水质测试仪就是一种通过测量水的电导率来反映水质矿化程度的仪器。目前市场上出现的TDS水质测试仪通常采用复杂的采集单元、信号处理单元以及控制单元来实现，体积庞大、成本高，不利于水质检测仪的普及应用。
中国专利文献CN 204270486U公开了一种基于无线传感器网络的水质电导率监测节点装置，包括用于供电的电源、电导率传感器探头、核心控制单元，以及与核心控制单元双向连接的数据传输单元，所述电导率传感器探头通过信号调理单元与数据采集单元连接，所述核心控制单元采用STM32F407芯片，所述数据传输单元采用CC2530芯片。该水质电导率监测节点装置硬件电路简单、集成度高、成本低，通过水的电导率数据测试水质的TDS值；但是，电导率易受温度影响，而相同的水质在不同的温度下TDS值应该是一致的，当温度发生变化时，该装置测试的TDS值具有一定的失真性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单片机的TDS水质检测仪，以STC89C52芯片为核心，利用单片机技术实现电导率测量、温度补偿、TDS值测量、按键锁存结果、显示数据等功能；通过电导率测量电路中的探头采集电导率信号，由于温度对电导率有很大的影响，所以温度也影响TDS值的测量，为了降低温度对最终TDS测量值的影响，引入了温度测量电路；在温度测量电路中，采用数字温度传感器DS18B20采集温度信号，补偿由于温度变化引起的电导率值测量误差，最后将补偿后的结果通过计算得出TDS值，并将其显示在数码管上，提高TDS值测量的准确性；同时单片机通过MAX232电平转换电路与PC机的RS232接口连接，便于数据的存储和分析。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于单片机的TDS水质检测仪，包括由单片机U1、时钟电路2、复位电路3组成的单片机最小系统，以及与单片机U1连接的电导率测量电路4、显示电路5，还包括温度测量电路6、MAX232电平转换电路7以及PC机，所述温度测量电路6直接与单片机U1连接，单片机U1通过MAX232电平转换电路7与PC机连接，且所述单片机U1的型号为STC89C52芯片。
具体地，所述电导率测量电路4包括电导率探头DBT1、555定时器U2、功率三极管Q2，所述功率三极管Q2的基极与555定时器U2的第3引脚连接，功率三极管Q2的基极集电极与555定时器U2的第4引脚连接，功率三极管Q2的发射极同时与555定时器U2的第7引脚、电导率探头DBT1的一极连接，电导率探头DBT1的另一极同时与555定时器U2的第2引脚和第6引脚连接，555定时器U2的第5引脚、第6引脚分别通过电容器C4、电容器C5接地，第1引脚直接接地，555定时器U2的第3引脚与STC89C52芯片的第15引脚连接，555定时器U2的第8引脚接电源VCC。
进一步地，所述温度测量电路6包括温度传感器U3和电阻器R3，所述温度传感器U3的第1引脚接地，第3引脚接电源VCC，第2引脚与STC89C52芯片的第7引脚连接，电阻R3连接在温度传感器U3的第2引脚与第3引脚之间。
再进一步地，所述MAX232电平转换电路7包括MAX232芯片U4以及由若干电容组成的外围电路，所述MAX232芯片U4的第11引脚、第12引脚分别与STC89C52芯片的第11引脚、第10引脚连接，MAX232芯片U4的第11引脚同时通过依次连接的发光二极管D1和电阻R24接电源VCC；MAX232芯片U4的第13引脚、第14引脚分别与PC机的RS232接口的第6引脚、第7引脚连接；MAX232芯片U4的第1引脚与第3引脚之间、第4引脚与第5引脚之间分别连接有电容C7、电容C8，MAX232芯片U4的第6引脚、第16引脚分别通过电容C9、电容C10接地，第2引脚通过电容C6接电源VCC，且第16引脚同时连接电源VCC。
更进一步地，所述显示电路5包括数码管LED和上拉排阻RP1，数码管LED的段选控制端的A-G引脚和DP引脚分别与STC89C52芯片的第39-32引脚连接，数码管LED的位选控制端1-4引脚分别与STC89C52芯片的第21-24引脚连接，上拉排阻RP1与数码管LED的段选控制端连接。
优选地，所述数码管LED为四位共阳数码管。
更进一步地，所述基于单片机的TDS水质检测仪还包括与STC89C52芯片连接的按键电路8，所述按键电路8包括按键开关K2和电阻R4，按键开关K2的一端与STC89C52芯片的第8引脚连接、另一端接地，且按键开关K2与STC89C52芯片的连接端通过电阻R4接电源VCC。
优选地，所述电导率探头DBT1的型号为FZT651。
优选地，所述温度传感器U3的型号为DS18B20。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明以STC89C52芯片为核心，利用单片机技术实现电导率测量、温度补偿、TDS值测量、按键锁存结果、显示数据等功能；电导率测量电路测量被测溶液的电导率，并通过温度传感器测量被测溶液的温度，STC89C52芯片对测量的电导率和温度进行温度补偿，通过相关公式计算TDS值，显示在数码管上，提高TDS值测量的准确性；整个系统结构简单、响应快速、自动化程度高、实用性好和成本低廉，便于在生活、生产中大力推广。
(2)本发明中电导率测量电路由555定时器、电导率探头及其外围电路组成，电导率探头DBT1的两根探针插入被测溶液后形成了一个电极，使整个电导率测量电路构成封闭的多谐振荡电路，而由该多谐振荡电路产生的与被测溶液电导率有关的频率f由555定时器的第3引脚输出，向STC89C52芯片的第15引脚输入，电极和被测溶液的等效电阻作为一个多谐振荡电路的阻抗元件，将被测溶液电导率的变化转化成多谐振荡电路的输出频率，该方法成本低，容易实现。
(3)本发明中温度测量电路采用数字温度传感器DS18B20采集温度信号，数字温度传感器DS18B20具有体积小、精度高、适用电压宽、可组网的优点，具有良好的测量效果，而且具有防水功能，适合对溶液温度进行测量；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。数字温度传感器DS18B20采集的温度数据转化为相应的数字信号，然后将数字信号传送给STC89C52芯片，通过STC89C52芯片作相应的数据处理得到温度值，再通过STC89C52芯片的程序进行温度补偿。
(4)本发明中显示电路使用的是4位共阳极数码管LED，并采用上拉排阻PR1与数码管LED的段选控制端连接，降低输入阻抗，提供泄荷通路，从而提高STC89C52芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。
(5)本发明的STC89C52芯片通过MAX232电平转换电路与PC机的RS232接口连接，实现人机交互，便于数据的存储和处理。
附图说明
图1是本发明的整体系统框图。
图2是本发明中最小单片机系统的电路图。
图3是本发明中电导率测量电路的电路图。
图4是本发明中温度测量电路的电路图。
图5是本发明中MAX232电平转换电路与单片机连接的电路图。
图6是本发明的整体电路图。
附图中各模块的名称为：
U1-单片机，U2-555定时器，U3-温度传感器，U4-MAX232芯片，2-时钟电路，3-复位电路，4-电导率测量电路，5-显示电路，6-温度测量电路，7-MAX232电平转换电路，8-按键电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种基于单片机的TDS水质检测仪，包括单片机最小系统、电导率测量电路4、显示电路5、温度测量电路6、MAX232电平转换电路7。
单片机最小系统由STC89C52芯片、时钟电路2、复位电路3组成。由于STC89C52芯片内部带有振荡电路，所以时钟电路2只需包括一个晶振X1和电容C1、电容C2即可，并按照图2方式连接，电容C1、电容C2的电容容量一般在15pF至50pF之间，本实施例中选择22pF的电容。时钟电路2的主要任务是给STC89C52芯片的正常工作提供一个稳定的时钟信号，STC89C52芯片在这个时钟信号的节奏下逐个地执行指令。本实施例中时钟电路2采用的是内部时钟方式，选用12M的晶振X1和两个22pF的电容与STC89C52芯片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。
为了保证单片机系统中的电路能稳定可靠工作，复位电路是不可或缺的一部分。STC89C52芯片为高电平复位，如图2所示，在STC89C52芯片的复位引脚RST上连接一个电容C3到电源VCC，再连接一个电阻R2到GND，由此形成一个RC充放电回路，这样可以保证STC89C52芯片在上电时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。同时，STC89C52芯片的复位引脚RST还通过一个复位按钮K1和电阻R1连接电源VCC，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K1后单片机内部的程序自动从头开始执行。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个机器周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。本实施例的复位电路3既可实现手动复位，又可实现自动上电复位。
TDS值表明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。本发明中的TDS值是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。
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：
式(2.1)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
令则我们称K为电导率，是电阻率的倒数。令所以
电导率K的单位为每厘米西门子，符号为S·cm-1.电导率是指导体长度为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(2.4)可得到电导率K。
K＝G·J (2.4)
由于TDS与电导率之间存在显著地相关关系，溶解固体与电导之间的关系可用下面的经验公式估算：
TDS＝(0.55～0.70)·K (2.5)
式(2.5)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0.55～0.70随水质的不同而异。
如图3所示，电导率测量电路4包括电导率探头DBT1、555定时器U2、功率三极管Q2，其中，电导率探头DBT1的型号选用FZT651；功率三极管Q2的基极与555定时器U2的第3引脚连接，功率三极管Q2的基极集电极与555定时器U2的第4引脚连接，功率三极管Q2的发射极同时与555定时器U2的第7引脚、电导率探头DBT1的一极连接，电导率探头DBT1的另一极同时与555定时器U2的第2引脚和第6引脚连接，555定时器U2的第5引脚、第6引脚分别通过电容器C4、电容器C5接地，第1引脚直接接地，555定时器U2的第3引脚与STC89C52芯片的第15引脚连接，555定时器U2的第8引脚接电源VCC。当电导率探头DBT1的两根探针插入被测溶液后形成了一个电极，使整个电导率测量电路4构成封闭的多谐振荡电路，而由该多谐振荡电路产生的与被测溶液电导率有关的频率f由555定时器的第3引脚输出，向STC89C52芯片的第15引脚输入，电极和被测溶液的等效电阻作为一个多谐振荡电路的阻抗元件，将被测溶液电导率的变化转化成多谐振荡电路的输出频率。
电导率测量电路4的具体工作原理为：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，555定时器的引脚3输出高电平。电源VCC通过电极向电容C5充电，功率三极管Q2导通，充电过程为：电源VCC→功率三极管Q2→电极→电容C5。当充电至Vc≥2/3VCC时，555定时器第6引脚内部的高限比较器反转，第3引脚输出低电平，功率三极管Q2截止，第7引脚内部的集电极开路放电管导通，放电过程为：电容C5→电极→555定时器的第7引脚。当放电至Vc≤1/3VCC时，555定时器第2引脚内部的低限比较器反转，第3引脚再次输出高电平，电容C5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：
式(2.6)中：G(t)＝1/Rx，G(t)为电极实测的电导值；K0＝0.772/C5，K0为电导-频率转换系数。由上述公式可以看出，输出频率f与电导G(t)成正比，即振荡输出频率f与电导率呈线性关系。从上述公式中可推导出TDS
式(2.7)中，两探头之间的间距L，探头浸入溶液深度与探头横截面长度的乘积S，频率f,电容C5的容值均为已知参数，即可计算出TDS值。
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。而本发明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。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。如图4所示，本发明的温度测量电路6采用DS18B20数字温度传感器进行温度数据采集，DS18B20数字温度传感器支持“单线总线”接口，测量温度的范围为－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；适应电压范围宽，电压范围为3.0～5.5V，采用外部电源供电的方式。DS18B20数字温度传感器有三个引脚，第3引脚VCC为外接供电电源输入端，第1引脚GND为电源地，第2引脚DQ为数字信号输入/输出端与STC89C52芯片的第7引脚连接，该电路中，第3引脚与第1引脚之间接一个上拉电阻R3，其阻值约为4.7K，使电路不工作时处于高电平；DS18B20所采集的温度数据经过传感器转化为相应的数字信号，然后将数字信号传送给STC89C52芯片，通过STC89C52芯片相应的数据处理得到温度值，再通过STC89C52芯片的程序进行温度补偿。
为了便于实现人机交互，STC89C52芯片可通过MAX232电平转换电路7直接与PC机的RS232接口连接，如图5所示，MAX232电平转换电路7包括MAX232芯片U4以及由若干电容组成的外围电路，所述MAX232芯片U4的第11引脚、第12引脚分别与STC89C52芯片的第11引脚、第10引脚连接，MAX232芯片U4的第11引脚同时通过依次连接的发光二极管D1和电阻R24接电源VCC；MAX232芯片U4的第13引脚、第14引脚分别与PC机的RS232接口的第6引脚、第7引脚连接；MAX232芯片U4的第1引脚与第3引脚之间、第4引脚与第5引脚之间分别连接有电容C7、电容C8，MAX232芯片U4的第6引脚、第16引脚分别通过电容C9、电容C10接地，第2引脚通过电容C6接电源VCC，且第16引脚同时连接电源VCC。
如图6所示，显示电路5包括4位共阳数码管LED和上拉排阻RP1，4位共阳数码管LED外部低电平才能点亮相应的内部二极管，数码管的8个段选控制端引脚A-G和DP接到STC89C52芯片P0口的第39-32引脚上，4个位控制端引脚1-4分别接在STC89C52芯片P2.0-P2.3口的第21-24引脚上，通过P2.0-P2.3口使相应的数码管被选中，再通过P0口使相应段位数码管显示数字，数码管LED显示的数字是TDS值；同时，上拉排阻RP1的引脚依次与数码管LED的段选控制端引脚连接，降低输入阻抗，提供泄荷通路，从而提高STC89C52芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。
本发明还设置有按键电路8，所述按键电路8包括按键开关K2和电阻R4，按键开关K2的一端与STC89C52芯片的第8引脚连接、另一端接地，且按键开关K2与STC89C52芯片的连接端通过电阻R4接电源VCC；在电路中，当STC89C52芯片的第8引脚为低电平时，电路导通，按键开关K2第一次按下，按键开关K2按钮，程序清空被测数据。
本发明选择STC89C52芯片作为系统的控制核心，通过电导率测量电路中的电导率。探头实现电导率信号的采集，并采用温度传感器进行温度测量，通过温度补偿方法减小温度对电导率测量值的影响，从而提高水质TDS值的测量精度，最后将测量值显示在数码管上。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于单片机的TDS水质检测仪，包括由单片机(U1)、时钟电路(2)、复位电路(3)组成的单片机最小系统，以及与单片机(U1)连接的电导率测量电路(4)、显示电路(5)，其特征在于：还包括温度测量电路(6)、MAX232电平转换电路(7)以及PC机，所述温度测量电路(6)直接与单片机(U1)连接，单片机(U1)通过MAX232电平转换电路(7)与PC机连接，且所述单片机(U1)的型号为STC89C52芯片；所述电导率测量电路(4)包括电导率探头DBT1、555定时器(U2)、功率三极管Q2，所述功率三极管Q2的基极与555定时器(U2)的第3引脚连接，功率三极管Q2的基极集电极与555定时器(U2)的第4引脚连接，功率三极管Q2的发射极同时与555定时器(U2)的第7引脚、电导率探头DBT1的一极连接，电导率探头DBT1的另一极同时与555定时器(U2)的第2引脚和第6引脚连接，555定时器(U2)的第5引脚、第6引脚分别通过电容器C4、电容器C5接地，第1引脚直接接地，555定时器(U2)的第3引脚与STC89C52芯片的第15引脚连接，555定时器(U2)的第8引脚接电源VCC；所述MAX232电平转换电路(7)包括MAX232芯片(U4)以及由若干电容组成的外围电路，所述MAX232芯片(U4)的第11引脚、第12引脚分别与STC89C52芯片的第11引脚、第10引脚连接，MAX232芯片(U4)的第11引脚同时通过依次连接的发光二极管D1和电阻R24接电源VCC；MAX232芯片(U4)的第13引脚、第14引脚分别与PC机的RS232接口的第6引脚、第7引脚连接；MAX232芯片(U4)的第1引脚与第3引脚之间、第4引脚与第5引脚之间分别连接有电容C7、电容C8，MAX232芯片(U4)的第6引脚、第16引脚分别通过电容C9、电容C10接地，第2引脚通过电容C6接电源VCC，且第16引脚同时连接电源VCC。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的TDS水质检测仪，其特征在于：所述温度测量电路(6)包括温度传感器(U3)和电阻器R3，所述温度传感器(U3)的第1引脚接地，第3引脚接电源VCC，第2引脚与STC89C52芯片的第7引脚连接，电阻R3连接在温度传感器(U3)的第2引脚与第3引脚之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的TDS水质检测仪，其特征在于：所述显示电路(5)包括数码管LED和上拉排阻RP1，数码管LED的段选控制端的A-G引脚和DP引脚分别与STC89C52芯片的第39-32引脚连接，数码管LED的位选控制端1-4引脚分别与STC89C52芯片的第21-24引脚连接，上拉排阻RP1与数码管LED的段选控制端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于单片机的TDS水质检测仪，其特征在于：所述数码管LED为四位共阳数码管。
5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的TDS水质检测仪，其特征在于：还包括与STC89C52芯片连接的按键电路(8)，所述按键电路(8)包括按键开关K2和电阻R4，按键开关K2的一端与STC89C52芯片的第8引脚连接、另一端接地，且按键开关K2与STC89C52芯片的连接端通过电阻R4接电源VCC。
6.根据权利要求1所述的一种基于单片机的TDS水质检测仪，其特征在于：所述电导率探头DBT1的型号为FZT651。
7.根据权利要求2所述的一种基于单片机的TDS水质检测仪，其特征在于：所述温度传感器(U3)的型号为DS18B20。
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