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基于IAP15F2K61S2单片机水质检测系统程序设计

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ID:135229 发表于 2019-3-15 19:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
本系统由前级采集电路和运算放大电路等信号处理模块，A/D转换模块和数据显示模块三部分组成。单片机模块以STC15F60S2为核心，利用PH传感器检测液体PH值，超声波传感器检测水位。本系统主要实现PH值测量，液位情况测量和电压测量三个功能，经过最终级联、调试，结果表明，PH值测量误差低于0.3，液位测量误差低于1mm，因此达到很高的准确度，各项指标均优于题目要求。

一系统方案1.1  PH传感器选择
【方案一】采用无温度检测的PH传感器
该方案电路简单，易于实现，但是在温度变化大的情况下，易受温度影响，测量值波动较大，误差较大不易修正。
【方案二】采用自带温度监测的PH传感器
该方案克服了环境温度与液体温度相差较小时，PH检测误差较小，易于检测，稳定性好，误差易于修正。
【方案三】采用液体温度检测与PH传感器相结合
该方案电路相对来说比较复杂，可实现性不大，稳定性不高。
考虑到电路的稳定性及可实现性，我们选择方案二。
1.2  液位测量选择
【方案一】光电监测
该方法对于定位测量效果好、精度高。但不适合对水位高度的测量，无法实时检测液面高度。
【方案二】超声波监测
此方法测量时间短，对实时测量液面精度高。测量范围取决于高频脉冲的频率及声波的大小，对于近距离测量精确都高，价格实惠。
【方案三】平行导线线迹测量
此方法测量精度高，但测量范围小、易沾被测物，不适合强酸性或强碱性液体测量。
考虑到测量精度和系统的可行性，我们选择方案二。
二系统理论分析与计算
2.1 水情信号处理的分析
2.1.1 PH值处理的分析
本系统利用PH传感器检测液体酸碱度。PH检测电路由前置120dB缓冲放大部分与后级高增益部分构成。本模块的PH检测采取TLC4502进行放大。最终系统将输出信号与标准信号源的输出值进行比较，得出PH值，并计算出相对精度。
2.1.2 液位处理的分析
采用超声波传感器对水和白醋、纯净水进行液位检测，运用TI公司的高速比较器TL047对前级放大电路输出信号进行处理。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。返回信号通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波发射到返回的时间，测试距离=(高电平持续时间*声速(340M/S))/2,最后将测量值与系统所得值进行对比，并计算得到相对误差。
2.2 电压检测方法的分析
利用STC15F60S2单片机采用A/D转换电路将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。与万用表所测结果进行对比，并计算精度。


三电路与程序设计
3.1 总体方案设计
该水情检测系统由PH传感器和超声波传感器组成。PH传感器用于液体酸碱度测量，超声波传感器用于液体高度测量。信号经过前级的放大整形后进入A/D转换，A/D转换后将数据传输给单片机，单片机对数据进行整理和计算，并将结果显示出来。系统总体实现框图如图1.1所示。

3.2 电路设计
3.2.1PH检测电路设计
PH检测电路由前置120dB缓冲放大部分与后级高增益部分构成。本模块的PH检测采取TLC4502进行放大，可有效抑制噪声。本模块采用的温度传感器为热敏电阻，其阻值随温度变化而变化。采用惠斯登电桥保证后续的差分放大时，运算放大器的正反向输入电压值为正值，则在此极限温度下，电桥处于平衡状态，差分放大输入电压差为0。如图3.2所示。


3.2.2液位检测电路
运用TI公司的高速比较器TL047对前级放大电路输出信号进行处理。同时采用了EM78小型微处理器进行信号转换使其更加准确，并且很好的抑制了噪声干扰。如图3.3所示。


3.3 软件设计
STC15F60S2单片机在该系统主要完成数据计算，功能切换和显示功能。主程序流程图如图3.4所示。  


四测试方案与测试结果
4.1 测试方法与仪器
4.1.1测试方法
1)PH值的测量方法：通过对水和白醋、纯净水进行多次测量，采取TLC4502进行放大，最终将系统的输出信号与标准信号源的输出值进行比较，得出PH值，并计算出相对精度。
2) 液位的测量方法：采用超声波传感器对水和白醋、纯净水进行液位检测，运用TI公司的高速比较器TL047对前级放大电路输出信号进行处理。如有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波发射到返回的时间，测试距离=(高电平持续时间*声速(340M/S)) /2,最后将测量值与系统所得值进行对比，并计算得到相对误差。
3) 电压的测量方法：将万用表测量值与单片机所测值进行对比，得到相对精度。
4.1.2 测试仪器
表4.1   测试仪器
  
序号
  
名称型号规格
数量
1
SIGLENT-SDS3053（500M示波器）
1
2
Agileat 33600A（DDS函数信号发生器）
1
3
SUIN-SS3323  （直流稳压源）
1
4
NFC-C1000-1型多功能计数器
1
4.2  测试结果4.2.1 PH值的测量
测量结果：使用信号源输出不同幅度的直流电压信号，记录实际测量值。测试结果如表4.2所示
表4.2   PH测量
  
待测物
  
标准PH值
实际PH值
相对误差

  
水和白醋
2.45
2.90
18.36*10-2
3.42
3.56
4.66*10-2
3.60
3.70
2.77*10-2

  
纯净水和白醋
3.50
3.40
2.86*10-2
3.90
3.93
0.76*10-2
3.70
3.55
4.05*10-2
结论：向塑料容器中注入若干毫升的水和白醋，可以在规定时间内完成PH值测量并显示，测量偏差远小于0.5；多次向纯净水中注入若干白醋，能在2分钟内稳定显示每次的PH值，同时测量偏差不大于0.1。
4.2.2 液位的测量
不同待测物液位测试结果如表4.3所示。
表4.3  液位测量
  
待测物
  
测量距离/mm
实际距离/mm
相对误差
水和白醋
158
153
3.1*10-2
纯净水
120
122
1.6*10-2
结论：向塑料容器中注入若干毫升的水和白醋，在1分钟内完成水位测量并显示，测量偏差不大于5mm；将塑料容器清空，多次向塑料容器注入若干纯净水，在1分钟内稳定显示，每次的水位值偏差不大于2mm。
4.2.3 电压的测量
供电电池的电压测试结果如表4.4所示。
表4.4   电压测量
  
输入幅度/V
  
测量值/V
相对误差
3.25
3.24
3.0*10-3
4.98
4.96
4.0*10-3
结论：可以完成供电电池的输出电压测量并显示，测量偏差小于0.01V。
综上所述，本设计已达到要求。
五总结
该系统以STC15F60S2为核心测量器件，配合放大电路设计了高精度水情检测系统。经过最终的调试，实现了不同情况下水位、PH值及电压的测量。本系统性能优良，工作可靠，操作简单，使用方便，完全满足题目中所有的指标要求。在设计过程中要注意以下问题：电压小于5V时，采用光耦元器件误差较大，当电压高于5V时，应采用A/D转换电路减小误差。

单片机源程序如下:
  1. #include <stc15f2k60s2.h>
  2. #include <intrins.h>
  3. #include <lcd12864.h>

  5. //引脚定义
  6. sbit     RX    =  P4^2;
  7. sbit     TX    =  P4^4;

  9. #define FOSC    11059200L
  10. #define BAUD    9600

  12. #define uchar unsigned char
  13. #define uint unsigned int
  14. #define ulong unsigned long

  16. #define     URMD    0           //0:使用定时器2作为波特率发生器
  17.                                 //1:使用定时器1的模式0(16位自动重载模式)作为波特率发生器
  18.                                 //2:使用定时器1的模式2(8位自动重载模式)作为波特率发生器
  19.                              
  20. #define ADC_POWER   0x80            //ADC电源控制位
  21. #define ADC_FLAG    0x10            //ADC完成标志
  22. #define ADC_START   0x08            //ADC起始控制位
  23. #define ADC_SPEEDLL 0x00            //540个时钟
  24. #define ADC_SPEEDL  0x20            //360个时钟
  25. #define ADC_SPEEDH  0x40            //180个时钟
  26. #define ADC_SPEEDHH 0x60            //90个时钟
  27. /*---全局变量声明---*/
  28. uchar code CharCode1[]="**水情监测系统**";
  29. uchar code CharCode2[]="液位值：";
  30. uchar code CharCode3[]="PH值：";
  31. uchar code CharCode4[]="电压值：";
  32. uchar number0[5];                        //水位值储存
  33. uchar number1[5];                        //PH值储存
  34. uchar number2[7];                        //电压值储存
  35. uchar Test0;                                //标志
  36. uint ad_data1;                                //十位AD值
  37. unsigned int  time=0;
  38.          long S=0;
  39.          bit  flag =0;
  40. ulong distance;                   //距离显示
  41. /*---函数声明---*/
  42. void InitUart();
  43. void InitADC();
  44. void Timer0Init(void);                                                                        //10毫秒@11.0592MHz
  45. void Timer2Init(void);                                                                        //10毫秒@11.0592MHz
  46. ulong GetADCResult(uchar ch);
  47. void Delay(uint n);
  48. void IO_Init();                                                                                        //I/O口初始
  49. void LCD12864();                                                                                //LCD初始化显示
  50. void PH_Value();                                                                                //PH监测化
  51. ulong PH_read(long PH);                                                                        //PH值转换
  52. void Voltag_read();                                                                                //电压监测
  53. /*---液位---*/
  54. void Conut(void);
  55. void Distance_Value();                                                                        //液位监测
  56. void delayms(unsigned int ms);
  57. void Timer_Count(void);
  58. void  StartModule();                                                                  //T1中断用来扫描数码管和计800MS启动模块
  59. ulong datas_Value(long datas);                                                        //数据修正
  60. /*---主函数---*/
  61. void main()
  62. {
  63.           IO_Init();                                                //I/O口初始化
  64.         LCD12864_Init();                                //LCD初始化
  65.         InitUart();                     //初始化串口
  66.     InitADC();                      //初始化ADC
  67.         Timer0Init();                                        //定时器0初始化
  68.         Timer2Init();                                        //定时器2初始化
  69.     while (1)
  70.     {
  71.                         LCD12864();
  72.                         if(Test0==1)
  73.                         {
  74.                                 Test0=0;
  75.                                 PH_Value();
  76.                                 Voltag_read();
  77.                                 Distance_Value();        
  78.                         }                                
  79.     }
  80. }
  81. void IO_Init()                //I/O口模式选择
  82. {
  83.         P0M0 = 0x00;P0M1 = 0x00;P1M0 = 0x00;P1M1 = 0x00;
  84.         P2M0 = 0x00;P2M1 = 0x00;P3M0 = 0x00;P3M1 = 0x00;
  85.         P4M0 = 0x00;P4M1 = 0x00;P5M0 = 0x00;P5M1 = 0x00;
  86.           P6M0 = 0x00;P6M1 = 0x00;P7M0 = 0x00;P7M1 = 0x00;
  87. }
  88. void LCD12864()                //LCD初始化显示
  89. {
  90.         uchar i=0;
  91.         uchar j=0;
  92.         uchar k=0;
  93.         uchar t=0;
  94.         LCD12864_SetWindow(0,        0);                        //系统名称显示
  95.         while(CharCode1[i]!='\0')
  96.         {
  97.                 LCD12864_WriteData(CharCode1[i]);
  98.                 i++;
  99.                 if(i==16)
  100.                 {
  101.                         i=0;
  102.                         break;
  103.                 }
  104.         }
  105.         LCD12864_SetWindow(1, 0);                        //液位显示
  106.         while(CharCode2[j]!='\0')
  107.         {
  108.                 LCD12864_WriteData(CharCode2[j]);
  109.                 j++;
  110.                 if(j==15)
  111.                 {
  112.                         j=0;
  113.                         break;
  114.                 }
  115.         }
  116.         LCD12864_SetWindow(2, 0);                        //PH值显示
  117.         while(CharCode3[k]!='\0')                                
  118.         {
  119.                 LCD12864_WriteData(CharCode3[k]);
  120.                 k++;
  121.                 if(k==8)
  122.                 {
  123.                         k=0;
  124.                         break;
  125.                 }
  126.         }
  127.         LCD12864_SetWindow(3, 0);                 //电压值显示
  128.         while(CharCode4[t]!='\0')
  129.         {
  130.                 LCD12864_WriteData(CharCode4[t]);
  131.                 t++;
  132.                 if(t==13)
  133.                 {
  134.                         t=0;
  135.                         break;
  136.                 }
  137.         }
  138. }
  139. void PH_Value()                                                                //PH监测
  140. {
  141.         long PH;
  142.         long datas;
  143.         long num;
  144.         uint i;
  145.         datas=GetADCResult(0);
  146. //        num=datas*(4.5/1.0240);
  147.         num=datas_Value(datas*(4.5/1.024));
  148.         PH=PH_read(num);                                                //PH-Value对比
  149.         number0[0]=PH/1000;                                                 //求十位
  150.         number0[1]=PH%1000/100;                                           //求个位
  151.         number0[2]='.';
  152.         number0[3]=PH%100/10;                                        //求十分位
  153.         number0[4]=PH%10;                                                //求百分位
  154.         LCD12864_SetWindow(2,3);
  155.         for(i=0;i<5;i++)
  156.         {
  157.                 if(i==2)
  158.                         LCD12864_WriteData(number0[i]);
  159.                 else
  160.                         LCD12864_WriteData(number0[i]+48);
  161.         }
  162. }
  163. ulong PH_read(long PH)                                                //PH值转换
  164. {
  165.                 long datas;
  166.                 if(PH>4242)
  167.                 {
  168.                         datas=0;
  169.                 }else if(PH>4065)
  170.                 {
  171.                         datas=0+(PH-4065)/177.00;
  172.                 }else if(PH>3885)
  173.                 {
  174.                         datas=1+(PH-3885)/180.00;
  175.                 }else if(PH>3709.8)
  176.                 {
  177.                         datas=2+(PH-3709.8)/175.20;
  178.                 }else if(PH>3532.5)
  179.                 {
  180.                         datas=3+(PH-3532.5)/177.30;
  181.                 }else if(PH>3354)
  182.                 {
  183.                         datas=4+(PH-3354)/178.50;
  184.                 }else if(PH>3177.5)
  185.                 {
  186.                         datas=5+(PH-3177.5)/176.50;
  187.                 }else if(PH>3000)
  188.                 {
  189.                         datas=6+(PH-3000)/177.50;
  190.                 }else if(PH>2822.5)
  191.                 {
  192.                         datas=7+(PH-2822.5)/177.50;
  193.                 }else if(PH>2646)
  194.                 {
  195.                         datas=8+(PH-2646)/176.50;
  196.                 }else if(PH>2467.5)
  197.                 {
  198.                         datas=9+(PH-2467.5)/178.50;
  199.                 }else if(PH>2292)
  200.                 {
  201.                         datas=10+(PH-2292)/175.50;
  202.                 }else if(PH>2115)
  203.                 {
  204.                         datas=11+(PH-2115)/177.00;
  205.                 }else if(PH>1938)
  206.                 {
  207.                         datas=12+(PH-1938)/177.00;
  208.                 }else if(PH>1758)
  209.                 {
  210.                         datas=13+(PH-1758)/180.00;
  211.                 }
  212.                 else
  213.                 {
  214.                         datas=14;
  215.                 }
  216.                 datas=datas*100;
  217.                 return datas;
  218. }
  219. void Voltag_read()                                                        //电压监测
  220. {
  221.         long voltag;
  222.         long datas;
  223.         uint i;
  224.         datas=GetADCResult(1);
  225. //        voltag=datas*(4.5/1.024);
  226.         voltag=datas_Value(datas*(4.5/1.024));
  227.         number1[0]=voltag/1000;                                           //求个位
  228.         number1[1]='.';
  229.         number1[2]=voltag%1000/100;                                //求十分位
  230.         number1[3]=voltag%100/10;                                //求百分位
  231.         number1[4]='V';
  232.         LCD12864_SetWindow(3, 4);
  233.         for(i=0;i<5;i++)
  234.         {
  235.                 if(i==1|i==4)
  236.                         LCD12864_WriteData(number1[i]);
  237.                 else
  238.                         LCD12864_WriteData(number1[i]+48);
  239.         }
  240. }
  241. /*---液位---*/
  242. void Conut(void)
  243. {
  244.         int i;
  245.         time=TH0*256+TL0;
  246.         TH0=0;
  247.         TL0=0;
  248.         S=(time*1.8)/10;                             //算出来是mm
  249.         S=280-S;
  250.         if((S>=7000)||flag==1)                 //超出测量范围显示“-”         
  251.                 flag=0;
  252.         else
  253.         {
  254.                 number2[0]=S/1000;
  255.                   number2[1]=S/100%10;
  256.                   number2[2]=S/10%10;
  257.                   number2[3]=S%10;
  258.                   number2[4]='m';
  259.                   number2[5]='m';
  260.                   LCD12864_SetWindow(1,4);
  261.                 for(i=0;i<6;i++)
  262.                 {
  263.                         if(i==4|i==5)
  264.                                 LCD12864_WriteData(number2[i]);        
  265.                         else
  266.                                 LCD12864_WriteData(number2[i]+48);
  267.                 }
  268.          }
  269. }
  270. void delayms(unsigned int ms)
  271. {
  272.         unsigned char i=100,j;
  273.         for(;ms;ms--)
  274.         {
  275.                 while(--i)
  276.                 {
  277.                         j=10;
  278.                         while(--j);
  279.                 }
  280.         }
  281. }
  282. void Timer_Count(void)
  283. {
  284.         TR0=1;                            //开启计数
  285.         while(RX);                        //当RX为1计数并等待
  286.         TR0=0;                                //关闭计数
  287.     Conut();                        //计算

  289. }
  290. void  StartModule()                          //T1中断用来扫描数码管和计800MS启动模块
  291. {
  292.           TX=1;                                         //800MS  启动一次模块
  293.           _nop_();
  294.           _nop_();
  295.           _nop_();
  296.           _nop_();
  297.           _nop_();
  298.           _nop_();
  299.           _nop_();
  300.           _nop_();
  301.           _nop_();
  302.           _nop_();
  303.           _nop_();
  304.           _nop_();
  305.           _nop_();
  306.           _nop_();
  307.           _nop_();
  308.           _nop_();
  309.           _nop_();
  310.           _nop_();
  311.           _nop_();
  312.           _nop_();
  313.           _nop_();
  314.           TX=0;
  315. }
  316. void Distance_Value()
  317. {
  318.         unsigned int valA;
  319.         delayms(60);
  320.         RX=1;
  321.         StartModule();
  322.     for(valA=7510;valA>0;valA--)
  323.         {   
  324.                 if(RX==1)
  325.                 {
  326.                         Timer_Count();
  327.                 }
  328.         }
  329. }
  330. ulong datas_Value(long datas)                                //数据修正
  331. {
  332.         int i;
  333.         long v,sum,value[20];
  334.         for(i=0;i<20;i++)
  335.         {
  336.                 value[i]=datas;
  337.                 sum+=value[i];
  338.         }
  339.         v=sum/50.00;
  340.         return v;
  341. }
  342. /*---发送ADC结果到PC---*/
  343. /*
  344. void ShowResult(char ch)
  345. {
  346. // SendData(ch);                   //显示通道号
  347. //        SendData(GetADCResult(ch));     //显示ADC高8位结果

  349. //   SendData(ADC_RESL);                    //显示低2位结果
  350. }
  351. */
  352. /*---读取ADC结果---*/
  353. unsigned long GetADCResult(uchar ch)
  354. {
  355.     ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START;
  356.     _nop_();                        //等待4个NOP
  357.     _nop_();
  358.     _nop_();
  359.     _nop_();
  360.     while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG));//等待ADC转换完成
  361.     ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG;                                 //Close ADC
  362.         ad_data1=ADC_RES<<2;                                                //因为是10位的AD，因此需要把AD转换后的低8位向高位移动2位
  363.     ad_data1=ad_data1|ADC_RESL&0x03;                        //再把高8位和低2位相加。
  364.         ad_data1=ad_data1/1.024;
  365.     return ad_data1;                                        //返回ADC结果
  366. }
  367. /*---初始化ADC---*/
  368. void InitADC()
  369. {
  370.     P1ASF = 0xff;                   //设置P1口为AD口
  371.         CLK_DIV &=0xdf;
  372.     ADC_RES = 0;                    //清除结果寄存器
  373.         ADC_RESL= 0;
  374.     ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDH;
  375.     Delay(2);                       //ADC上电并延时
  376. }
  377. /*---初始化串口---*/
  378. void InitUart()
  379. {
  380.     SCON = 0x5a;                //设置串口为8位可变波特率
  381. #if URMD == 0
  382.     T2L = 0xd8;                 //设置波特率重装值
  383.     T2H = 0xff;                 //115200 bps(65536-18432000/4/115200)
  384.     AUXR = 0x14;                //T2为1T模式, 并启动定时器2
  385.     AUXR |= 0x01;               //选择定时器2为串口1的波特率发生器
  386. #elif URMD == 1
  387.     AUXR = 0x40;                //定时器1为1T模式
  388.     TMOD = 0x00;                //定时器1为模式0(16位自动重载)
  389.     TL1 = 0xd8;                 //设置波特率重装值
  390.     TH1 = 0xff;                 //115200 bps(65536-18432000/4/115200)
  391.     TR1 = 1;                    //定时器1开始启动
  392. #else
  393.     TMOD = 0x20;                //设置定时器1为8位自动重装载模式
  394.     AUXR = 0x40;                //定时器1为1T模式
  395.     TH1 = TL1 = 0xfb;           //115200 bps(256 - 18432000/32/115200)
  396.     TR1 = 1;
  397. #endif
  398. }
  399. /*---发送串口数据---*/
  400. /*
  401. void SendData(uchar dat)
  402. {
  403.     while (!TI);                    //等待前一个数据发送完成
  404. ……………………

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