第單片機(jī)水質(zhì)檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8325單片機(jī)水質(zhì)檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計分析案例 168281.1系統(tǒng)功能 148651.2系統(tǒng)分析 1156351.3主控芯片的分析與選型 2285131.4傳感器模塊的分析與選型 3189071.5通信模塊的分析與選型 675371.6電源模塊的分析與選型 651381.7其他電路的分析與選型 61.1系統(tǒng)功能(1)接通5V移動電源，按下電源開關(guān)，啟動裝置，各模塊電源指示燈點亮。(2)PH檢測模塊電源指示燈正常點亮，PH傳感器能正常工作。(3)LCD液晶顯示器正常點亮，超聲波測距模塊和電導(dǎo)率傳感器能正常工作，LCD液晶屏字符顯示正常。(4)本設(shè)計要求能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，通信模塊就起到了重要作用。1.2系統(tǒng)分析根據(jù)對系統(tǒng)功能進(jìn)行分析與歸納，本次設(shè)計必須要有以下幾部分內(nèi)容：水樣各項數(shù)據(jù)信息采集，遠(yuǎn)程通信，數(shù)據(jù)處理與控制，輸出與輸入。(1)為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的輸入輸出與控制，保證整個系統(tǒng)的正常工作，此次設(shè)計必須要有一個對主控芯片進(jìn)行驅(qū)動的電路。主控芯片驅(qū)動電路有雖然外部晶振，但是為了保證系統(tǒng)時間更加準(zhǔn)確，就需要加入一個獨(dú)立的時鐘電路。(2)為了能夠?qū)Υ郎y水樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，本設(shè)計需要應(yīng)用傳感器技術(shù)，借電導(dǎo)率度傳感器、PH傳感器和水位傳感器來檢測水樣的導(dǎo)電率和PH。(3)為了方便用戶的操作，我們分別需要一個簡單的按鍵模塊和液晶顯示模塊，面向用戶的交互功能就由以上倆個模塊實現(xiàn)。(4)為了能保持整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還需要一個電源模塊，直流穩(wěn)壓模塊是一個不錯的選擇對系統(tǒng)功能進(jìn)行分析后，整理出了系統(tǒng)運(yùn)行的思路，并且將其，塊化。為了方便大家更好的理解，將此系統(tǒng)框圖進(jìn)行簡單描述。此次設(shè)計的系統(tǒng)方案設(shè)計框圖如圖2-1所示。主控芯片主控芯片液晶顯示電源模塊通信模塊超聲波測距模塊電導(dǎo)率模塊PH模塊圖2-1系統(tǒng)方案設(shè)計框圖1.3主控芯片的分析與選型主控芯片有很多種選擇，目前比較主流的單片機(jī)分別有STM32單片機(jī)、51單片機(jī)和MSP430單片機(jī)。⑴51單片機(jī)是一款結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)典的八位單片機(jī)。這個系列單片機(jī)有著完善的寄存器管理以及面向控制的指令系統(tǒng)。并且它價格十分低廉，這款單片機(jī)可以用來處理數(shù)據(jù)，而不是簡單的一個字節(jié)。它可以控制一些簡單的寄存器，還能夠按位進(jìn)行邏輯計算。但是這一款單片機(jī)也是有一些缺點。這系列單片機(jī)沒有集成數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，并且沒有EEPROM，對穩(wěn)定性大打折扣，部分引腳無法在高電平的時候輸出，并且它的運(yùn)行速度與其他倆種選擇相對較慢。⑵STM32系列單片機(jī)是如今在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最廣泛使用的32位處理器。為了充分滿足當(dāng)前高性能和質(zhì)量低成本的用于嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計的各種技術(shù)發(fā)展要求，這系列設(shè)計芯片都必須是全部采用基于ARMCORTEX-MX的內(nèi)核，可以實現(xiàn)很多另外兩款單片機(jī)無法實現(xiàn)的強(qiáng)大功能,并且還擁有許多的外設(shè)功能：雙12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，傳輸速率更快的UART串口和SPI串口。這款芯片也有著最大的存儲器，F(xiàn)lash存儲器最高可達(dá)到512KB，SRAM存儲器最高可達(dá)到64KB。這一系列還有著最高112個I/O口。同時為了滿足用戶更多的拓展需求，還開放了眾多的通信接口，可以滿足現(xiàn)在絕大部分物聯(lián)網(wǎng)裝置的需求。⑶MSP430單片機(jī)，有非常高的工作效率，并且功耗超級低，是16位陣列微處理器，指令在操作系統(tǒng)中直接運(yùn)行起來速度更快、功耗也更低。但是此設(shè)計要有許多的外圍拓展，顯然它不是此設(shè)計的最佳選擇。由意法半導(dǎo)體ST公司開發(fā)與研制的STM32系列的處理器是一種采用ARM7架構(gòu)的32位、支持實時仿真與跟蹤的嵌入式微控制器。因為本次系統(tǒng)的設(shè)計不僅僅是為了追求其成本的最低或更少功耗，而是要求其能夠在充分利用本次設(shè)計中所具有的功能前提下，為其設(shè)計的實驗系統(tǒng)各個實驗項目必須具備更豐富的接口和功能，所以選擇這款控制芯片主。此款控制型芯片可用于完成對單片機(jī)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)后操作比較簡單容易，具有良好的學(xué)習(xí)、實踐研究價值。1.4傳感器模塊的分析與選型傳感器模塊是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，所以傳感器的選擇也尤為重要，假設(shè)傳感器不夠靈敏，穩(wěn)定性不高，那么所測得的數(shù)據(jù)就對于我們而言意義就沒有那么大。電導(dǎo)率傳感器和PH傳感器都是精度比較高得傳感器，使用和使用結(jié)束之后必須妥善處理，以免傳感器測量準(zhǔn)確度下降。(1)水位傳感器的選擇對于自動水位測量傳感器，此次自動測試的系統(tǒng)設(shè)計基本技術(shù)指標(biāo)要求：自動測量水位精度高、反應(yīng)啟動速率快、穩(wěn)定性好、對環(huán)境影響小、安全可靠、使用壽命較長。常見的水位傳感器主要有：浮球式傳感器：工作原理和測量方法都很落后，可靠性差，測量精度低。而且由于浮球式結(jié)構(gòu)，在水中很容易沾染污漬，生出水藻，難以清理。電極式傳感器：借助液體的導(dǎo)電性能測量水位高度，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。但是電極式傳感器長期在水中放電，影響水體，還會產(chǎn)生電解，污染水體環(huán)境。超聲波傳感器：測量精度高，不需要接觸水體，并且超聲波傳感器不會受水體的狀況而影響精度，抗干擾性強(qiáng)。這個測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要就是選用A-HC-SR04超聲波測量模塊，這個聲波模塊的測量性能很穩(wěn)定，測度的直線距離也很準(zhǔn)確。它通常可以為每個使用者同時提供20-400cm的非接觸型測量距離。該傳感器具有檢測距離功能，測量時的距離準(zhǔn)確率通常能夠同時高達(dá)大3mm，并且經(jīng)常能與國外國產(chǎn)SRF05等新型超聲波距離測距儀器模塊互相競爭。模塊的測距精度高，盲區(qū)(2cm)測距超近，穩(wěn)定的測距精度進(jìn)行測距，是這一模塊系列產(chǎn)品最終是否能夠成功地順利走向市場的有力理論基礎(chǔ)。水位超聲波測距模塊借助于超聲波反射性好的特點，基本設(shè)計和工作原理：主控芯片向超聲波模塊發(fā)送信號，模塊接收數(shù)據(jù)后，超聲波發(fā)射端發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物后返回，接收端接收到信號后，向主控芯片發(fā)送信號，主控芯片通過A/D轉(zhuǎn)換，然后將花費(fèi)的脈沖周期返回給單片機(jī)，然后通過計算，測出距離。超聲波測距原理框圖如圖2-2所示。定時器定時器傳輸超聲波接收計時控制增益放大震蕩計算調(diào)制超聲波發(fā)射障礙物圖2-2超聲波測距原理框圖(2)電導(dǎo)率傳感器的選擇電導(dǎo)率信號傳感器按照其信號測量的工作原理和測量計算用的方法不同，大致來說可以將各種傳感器信號分為各種電極式電導(dǎo)率信號傳感器、電感式電導(dǎo)率信號傳感器、和各種超聲波電導(dǎo)率信號傳感器。電極型電導(dǎo)率電阻傳感器主要原理是根據(jù)固體電解質(zhì)中導(dǎo)電的化學(xué)原理，采用直接電阻式的測量方法，對電導(dǎo)率測量進(jìn)行直接實現(xiàn)式的測量，這一個電導(dǎo)率所測量的主要電極在電阻測量的整個過程中被直接表現(xiàn)出來成為一個復(fù)雜的量子電化學(xué)測量體系。電感式電導(dǎo)率傳感器可以依據(jù)電磁傳感器的感應(yīng)工作原理來實現(xiàn)測量和檢驗液體的電導(dǎo)率。超聲波電導(dǎo)率測量傳感器系統(tǒng)可以根據(jù)不同超聲波物體流動時的不同而通過變化速度來準(zhǔn)確測量電導(dǎo)率。總?cè)芙庑怨腆w，我們通常把它稱為各種溶解性固體的總量，測量單位為毫克/升(mg/L)，要表達(dá)的就是1升水中至少要溶有多少毫克的溶解性固體。TDS數(shù)值越高，就說明水中所含的溶質(zhì)特別多。總?cè)芙夤腆w說的就是水中所有溶質(zhì)的總和，無機(jī)物與有機(jī)物通常就是其中主要的溶質(zhì)。一般的可用這個電導(dǎo)率的取值來大概地了解一個溶液中的鹽分，在一般的情況下，電導(dǎo)率取值越高，鹽分就會變得更高,TDS也會變得更高。在這些無機(jī)物中，有的可能被溶解為離子態(tài)的成分，的其他很多以分子狀態(tài)存呈現(xiàn)。由于自然水中所含的各種有機(jī)物和其他呈現(xiàn)分子態(tài)的無機(jī)物不考慮，所以一般也就把水中的含鹽度稱為總?cè)芙庑缘墓腆w。本次水質(zhì)檢測采用的傳感器模塊，能夠?qū)崟r地檢測各類水質(zhì)的TDS數(shù)值，就是說它能夠?qū)崿F(xiàn)檢測水中的化學(xué)物和液體的電導(dǎo)性參數(shù)。注意，傳感器只可以將探針放入水中，可將整個探頭進(jìn)入水中。(3)PH傳感器的選擇PH測量簡單來說就是一個原電池測量體系,是將所有的敏感化學(xué)性電能都可以轉(zhuǎn)換成作為其他電能的一種測量方法，用在電池端的測量輸出輸入電壓我們通常可以稱之為利用電極測量輸出的參比電位；測量參比輸出電位由兩個半導(dǎo)體電池組合而成，個可以叫做電極測量輸出電極，可以叫做測量參比電極；PH測量電極薄膜是一支在電池端部分別被風(fēng)吹成白色氣體或者飛沫泡狀的于PH敏感化學(xué)物質(zhì)上的一層玻璃導(dǎo)電薄膜。在一個管子里均勻地直接充填一種帶有一定飽和分量AGC1的3mol/lKCL水的緩沖溶液，PH1的值固定為7。在對被測水樣中所含氫離子量的濃度數(shù)值進(jìn)行其PH數(shù)值檢測時，主要檢測目的就是為了準(zhǔn)確檢測水樣液體中所含氫離子量的濃度，檢測水樣中液體溫度的不斷提高，離子電位差的數(shù)值將來也會隨之有所提高。對于每1℃的恒定溫度就會發(fā)生電位變大，來就會直接導(dǎo)致一個電位大約為0.2mv/PERPH的溫度變化。用第一PH的數(shù)值計算公式得出來計數(shù)代替第一PH的數(shù)值,則每1℃第1PH的值改為0.0033PH的數(shù)值。這也已經(jīng)是充分說明了:在20~30℃之間和7PH左右的兩個時間段內(nèi)對測量來講,沒有必要對其中的內(nèi)部溫度不斷變化持續(xù)情況同時進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償；在內(nèi)部氣溫分別>30℃或<20℃和7PH溫度值分別>8PH或6PH的工業(yè)應(yīng)用檢測場所則必須同時做好對其內(nèi)部溫度的持續(xù)變化情況做出適當(dāng)補(bǔ)償。可以很方便的檢測液體的PH值選用這一個PH值檢測傳感器模塊，它由PH電極和PH值轉(zhuǎn)換器兩個部分組成。PH電極檢測水樣重的氫離子濃度，將測得的數(shù)據(jù)通過PH值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成特定的電壓信號，之后就按照標(biāo)準(zhǔn)的曲線把輸出來的電壓信號改變成了待檢測溶液中的PH。1.5通信模塊的分析與選型通信模塊也是此系統(tǒng)設(shè)計上的重點，常見的物聯(lián)網(wǎng)通信方法主要有藍(lán)牙，ZigBee，蜂窩通信以及WIFI。藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸慢，覆蓋范圍小，沒有辦法實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。ZigBee是一項低功耗的局域網(wǎng)技術(shù)。如果廣泛推廣，家中設(shè)備全都進(jìn)行組網(wǎng)的話，成本會很低，但是現(xiàn)在ZigBee技術(shù)還沒有廣泛的走進(jìn)家庭，適用性太低，無法選用。蜂窩無線通訊終端的高速移動性是其主要優(yōu)點，并且它還擁有了越區(qū)切換及跨本地網(wǎng)絡(luò)自動漫游的功能。由互聯(lián)網(wǎng)基站子系統(tǒng)和移動互聯(lián)網(wǎng)交換子系統(tǒng)等設(shè)施所組成的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)所提供的話音、數(shù)據(jù)、視頻影像等服務(wù)被稱為蜂窩移動通信業(yè)務(wù)，不適合此設(shè)計。WIFI如今已經(jīng)是稱為一般家庭中不可缺少的設(shè)備，WIFI技術(shù)發(fā)展之快也是前所未有的，現(xiàn)已成為互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一支重要力量。WIFI信號覆蓋范圍比較廣，半徑可達(dá)100米左右。但是Vivato公司推出了一款新型交換機(jī)，改變了這一現(xiàn)狀，通過了解這款產(chǎn)品能夠把WIFI無線網(wǎng)絡(luò)100米的通信距離擴(kuò)大到了約6.5公里。這樣WIFI傳輸就更能起到大作用，雖然由WIFI技術(shù)傳輸?shù)臒o線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進(jìn)，但傳輸速度非常快，符合個人和社會信息化的需求并且在未來高速的數(shù)據(jù)傳輸背景下，此設(shè)計選用WIFI通信是最有意義的。1.6電源模塊的分析與選型本設(shè)計的控制電路要求是滿足其它模塊的功耗要求,選用了直流式穩(wěn)壓源。直流穩(wěn)壓電源從其特性上大致可以劃分為兩種：線性穩(wěn)壓電源和高壓開關(guān)穩(wěn)壓電壓源。由于本產(chǎn)品的設(shè)計主要是面向室外應(yīng)用，移動電源要求的優(yōu)先級很高，開關(guān)式穩(wěn)壓電源雖然其能量的轉(zhuǎn)化效率很高、電路穩(wěn)定可靠。但是它的電路很復(fù)雜，并且電路波紋與噪聲大，并不適合本設(shè)計的時序控制電路。最終選擇的線性穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡單、電源波紋和噪聲低、成本也低。1.7其他電路的分析與選型LCD的顯示設(shè)備可以分為文字段的顯示設(shè)備和文本信號字符式的顯示設(shè)備。字符的顯示就是按照所需的時間來顯示一個基本的字符。此設(shè)計采用的是字符型顯示。選用LCD1602作為這個設(shè)計的顯示設(shè)備。與現(xiàn)在市面上普通化和傳統(tǒng)化的LED系列顯示器硬件相比,液晶文字顯示在硬件設(shè)計上具有硬件體積小、功耗低、顯示視頻內(nèi)容豐富等特性，而且不需要再根據(jù)額外安裝硬件驅(qū)動控制電路。液晶文字顯示控制模塊已發(fā)展成為了目前各種單片式主機(jī)硬件應(yīng)用程序軟件設(shè)計中最常見的一種文字顯示控制元件，LCD1602可以分別同時顯示2行16個字的英文和多種漢字，可以滿足此設(shè)計的需求。電路中，為了