基4G水质参数远程监测系统研究
摘 年着国济飞速发展水资源破坏日益严重生活需求水工业废水处理存严重问题水质净化技术成熟水质监测实时性存着缺陷水污染挑战水资源保护治理刻容缓节约水环保水循环水新代首务水监测尤重传统水质监测利工采样检测范围较动化信息化程度较低实时周期长效率低时代题符新型水质参数监测系统研究迅猛发展
基国水质监测需求文基4G通讯技术AT89C52 作控单片机实现水质进行监测熟悉温度溶解氧氨氮PH等传感器收集水参数然液晶屏会实时显示测水质温度溶解氧氨氮pH值利4G通信远程发送数代工监测具非常明显应价值
关键词 4G 水质监测 单片机 数采集 AD转换 线传感器
Research on remote monitoring system of water quality
parameters based on 4 G
Abstract With the rapid development of China＇s economy in recent years the destruction of water resources is also growing Whether it is life needs or the treatment of industrial waste water there are serious problems due to the immature water purification technology water quality monitoring realtime there is a big flaw water pollution also gives people a big challenge So the water resources protection and governance without delay How to save water environmental water recycling water is our new generation of the primary task To this end monitoring of water is particularly important Most of the traditional water quality monitoring is the use of manual sampling detection range is small low degree of automation and information and realtime long cycle low efficiency This does not match our theme of the times So the rapid development of new water quality parameter monitoring system
Based on the requirements of water quality monitoring in China this paper is based on 4G communication technology AT89C52 as the main control micro controller to achieve the water quality monitoring with our familiar temperature dissolved oxygen ammonia pH and other sensors to collect water parameters and then LCD screen will be displayed in real time measured water temperature dissolved oxygen ammonia and pH and finally use 4G communication to send data remotely Instead of the previous manual monitoring has a very significant application value
Key words：4G water quality monitoring Single chip data collection A D conversion Wireless sensor
目录
第章 绪 1
11国水质监测背景 1
12国水质监测技术研究发展现状 1
13国外水质监测技术研究发展现状 2
第二章 监测方案选择述 3
21 pH值测量方法pH传感器 3
22 氨氮测量方法传感器 5
23 混浊度浊度传感器 6
第三章 硬件电路原理功概述 8
31 ADC0832芯片介绍 8
32 单片机芯片选择 8
321方案：AT89C52单片机 8
322方案二：STC89C52单片机 9
33 液晶芯片选择 9
331方案：采12864液晶显示屏 9
332方案二：采LCD1602液晶显示屏 10
34 4G模块通讯协议 10
第四章硬件电路设计软件电路设计 12
41单片机控制电路 12
42复位电路设计 12
43 电源电路设计 13
44 时钟电路设计 13
45 软件程序流程图 14
46 AD转换电路流程图 15
47 STC89C52简介 16
48 LCD1602液晶显示模块简介 17
481 LCD1602引脚功 17
482 LCD1602显示模块电路原理图 18
49 水质转换检测电路 19
总结 20
展 21
致谢 21
参考文献 23
第章 绪
11国水质监测背景
着国济日益发展口数量庞水资源需求日益增时水环境破坏断增求必须合理水环保节水社会全世界面纯净水水危机国中毋容置疑国世界口国家原水资源丰富国均拥水量显足加水分布均水资源浪费污染严重城市缺水等严重导致国水资源短缺背景水监测系统日益发展起水质监测水温PH溶氧浑浊度等基础参数进行监测研究传统水质监测工采集仅速度慢效率低十分繁琐样求寻求更先进技术实现水质实时监测着网络覆盖线通信技术中4GLTE网络特低功耗 低速率延时短优点农业工业生态保护等领域占突出位水质监测水环境保护提供数资料水资源环境理保护重手段水质监测理影响民生活方面国正处济迅速发展阶段保护环境尤水资源时发展济已成社会焦点问题必建立水质实时监测系统水污染时发现减少济损失
12国水质监测技术研究发展现状
水质优劣直接影响生活生活水方面讲水污染容易感染疾病工业水讲工业废水城市污水江河湖泊生态着巨破坏力旦污染难修复传统水质监测工亲采集样品样带实验室进行分析样仅增加水质监测周期成效低水质污染带损失已法挽回基4G网络水质监测系统够针水质具体情况采集信息实时发送远程服务器进行分析处理避免发现问题晚造成必损失需种够普实时监测系统次设计目
国水质监测技术年发展起国设备较传统完成水质部分参数监测技术开始起步2000年前水质监测仪器基国外进口种现象难满足国复杂变水环境2000年着技术交流国家水质监测重视水质监测系统飞速发展仅引进量 先进技术资源国研发出监测仪器陆续出现例西安交研制第台序注射动监测仪数采集器虚拟仪器等等直2009年中国废水污染源监测设备成已超10亿元预计接年设备投入持续增长国特例规定单位GDP耗年减少4污水排放少减少10目标水污染防治程中水质监测作污染预警持续性污染物含量监测水质治理效果评判重方式国百家型企业生产监测系统产品COD线监测仪氨氮监测仪水质五参数监测仪水质采样器等等中国水质检测系统发展奠定基础
13国外水质监测技术研究发展现状
水质需求国外发达国家早生产水质监测仪器该技术断发展起初测试员亲采样收集测水然带回实验室水进行方面检测该方案缺陷获取水实时动态数操作冗长繁琐着技术精益求精未知断探索日美国德国等发达国家断完善仪器功精度世纪六七十年开始应研发监测系统实时监测种水状1960年时候美国建立较完善水质监测系统1975年美国已式样水质监测站超10000先进技术美国成水质监测实力强国家英国法国世纪重点领域建立完善水质监测系统例DAEWS瑙河旁许国家通方案监测瑙河水段时信息发生河水污染问题4G通信系统会启动预警服务站发送消息拟定排方案
第二章 监测方案选择述
21 pH值测量方法pH传感器
生活中常测定溶液pH值方法pH指示剂法pH试纸测量法pH选择电极测定方法现代工业程中测量pH值方法电极测定法玻璃电极pH选择电极测定法根放溶液中测量电极参电极间电动势变化确定溶液pH值pH选择电极测定法数玻璃电极玻璃电极玻璃容器够装种液体然测液体放入玻璃容器中玻璃电极玻璃容器非常薄膜两种溶液分离开溶液两侧离子浓度差会产生电动势E电动势两溶液pH值关两溶液中分放入电极测量间电动势通测量电动势推测出两溶液pH值差果知道玻璃电极容器溶液pH 值够计算出测溶液pH 值
玻璃电极电极间产生电动势会满足斯特方程具体方程表示：
（21）
式中：E衡电极电位
标准电极电位
N失电子数
F法拉第常数96485C／MOL
R气体常数8．314J／(mol·K)
T热力学温度
A氧化态物质活跃度
B原态物质活跃度
公式（21）中n取1变形表达式：
E （22）
式（22）中lg（）氢离子浓度称PH值公式（22）pH电极输出电动势水溶液温度计算出水溶液pH值S值测量中会产生定误差实际测量中需进行减误差具体方案：假设S值相温度常温取pH值标准溶液pH电极测电动势满足斯特方程：
+S (23)
假设PH值7PH电极测电动势0斯特方程：
0+S*7（24）
S会受温度影响需控制温度假设常温T25℃PH电极斯特系数S测量时温度斯特系数表示：
S终PH值计算式：
pH7+ （24）
pH传感器种检测液体中氢离子浓度然相信电流信号传感器般化学部分信号传输部分组成pH传感器工作原理通玻璃电极参电极间电势差计算出氢离子浓度PH传感器时候pH传感器进行保护措施般保护套套住传感器然插入测液体中般较优传感器会温度补偿系统减温度监测结果影响
YBK10WQ201种常见pH传感器参数型号图21示
图21 YBK10WQ201
● 输出：420mA
● 工作量程： 014PH
● 精度： 2
● 工作电压： 1030 VDC
● 电流强度：55mA
● 压力额度：0100 psi
耗电 55mA + 传感器输出相（420 mA） 启动时间 3秒
工作温度 5°C ～ +55°C
22 氨氮测量方法传感器
氨氮指氮游离氨（）铵离子（）形态溶水中氨氮检测方法致分动分光光度法蒸馏滴定动监测法离子色谱法氨气敏电极法四种面前两方法做介绍
（1）动分光光度法分光法游离态氨氮相应化学试剂混合发生化学反应生成颜色化合物化合物颜色深度测液体中氨氮浓度成正关系轻易氨氮浓度常见指示剂纳氏试剂苯酚次氯酸盐碘化汞钾等等中钠氏试剂色法目前止应广泛方法
（2）蒸馏滴定动监测法原理测液体pH 值调节6074左右然样液中放入氧化镁蒸馏硼酸接收液吸收蒸馏出氨氮
ISAAmmoI氨氮全动线分析传感器种常见pH传感器图22示
图22 ISAAmmoI氨氮全动线分析传感器
型号
ISAAmmoI
检测项目
氨氮
类型
水质线分析仪
测量范围
NH4N(01000)mgl
测量精度
±3FS
电源电压
(930)VDC
表21 ISAAmmoI具体参数
23 混浊度浊度传感器
浊度表示水体透明程度反映水溶液中颗粒物含量少水中常见悬浮物体细沙微生物物泥土等悬浮物存导致水浑浊水质分析中明确规定：浊度标准单位度定义升水中含1毫克构成溶液浊度1度然浊度反映水污染程度唯标准水浊度升高表明水质量变坏
浊度传感器常做水质监测领域测量水污浊程度浊度传感器仅具高准确度性易清洁具极佳抗污力该传感器部IR958PT958封装红外线外光线进溶液时溶液污浊度影响着透射光数量浊度较时穿透光较少然接收端会少量透光强度转换相应电流信号根测量电流确定透射光数量进知水污浊度
OBS3+传感器种发射红外光然根接收反射光进行测量浊度OBS3+具极强密闭性完全浸没水中优良制作工艺更深水正常工作OBS3+传感器图23示
图23 OBS3+ 浊度传感器
第三章 硬件电路原理功概述
31 ADC0832芯片介绍
ADC0832 美国国家半导体公司生产种8 位分辨率双通道AD转换芯片该芯片具特点：8位分辨率双通道AD转换输入输出电TTLCMOS相兼容5V电源供电时输入电压05V间等该芯片单片机接口采串行接口方式引线少易单片机连接图31ADC0832 引脚示意图中CS片选低电芯片CH0 模拟输入通道0作IN+CH1 模拟输入通道1作IN+GND 芯片参考0 电位DI 数信号输入选择通道控制DO 数信号输出转换数输出CLK 芯片时钟输入输入电源参考电压输入
图31 ADC0832引脚图
32 单片机芯片选择
321方案：AT89C52单片机
AT89C52款高性低电压CMOS型8位单片机具高密度非易失性存储等特点功十分强AT89C52单片机优点关联开发设备求十分低极降低需开发时间加密写入程序劳动成果保护次AT89C52市场供应足价格十分低廉芯片够5V电压编写程序擦写时间短仅仅需十毫秒AT89C52芯片够出程序存储器加密功程度保证程序系统仿制抄袭较成熟保护户成果
322方案二：STC89C52单片机
STC89C52指令系统方案提AT89C52完全兼容实际运中前者芯片问题
（1）AT89C52单片机支持ISP载载话必须载器STC89C52样直接USB转串口载载软件直接网载
（2）STC89C52单片机重特点指令执行速度相快AT89C52三三十倍速度快固然事种情况时候前者单片机运行程序STC89C52STC89C52时必须注意加长延AT89C52十三十倍点调试时候便知
（3）STC89C52单片机求工作环境相简单电压5V时候甚3V4V样工作样低5伏环境AT89C52合适某系统STC89C52工作AT89C52单片机效时直接查系统观察否供电正常
综合两种方案进行较学期间学数电单片机C语言等方面课程考虑学生够获学资源深入解选择STC89C52完成次系统设计
33 液晶芯片选择
331方案：采12864液晶显示屏
采12864液晶显示屏价格便宜技术成熟具汉字图形型液晶显示模块具够直接屏中显示字图功显示屏中置存储汉字字符64X256点阵显示RAM该显示屏够直接接入CPU够出两种界面连接单片机LCD12864显示屏图32示
图32 LCD12864液晶显示屏
332方案二：采LCD1602液晶显示屏
采率较高价格低廉够时显示32字符LCD1602液晶显示屏1602够明确显示数字字母符号等显示16*2字符超32寄存器左右回显示右左回显示
总结：言两显示器功原理差两者难度相差然12864液晶显示更全面更字符更具体实现显示功造价方便LCD1602液晶显示屏前者便宜实现设计功选择者
34 4G模块通讯协议
4G新时代代名词网络信息潮流4GLTE网络迅速崛起次设计巨优势应水质参数远程监测领域利采集水质参数信息实时发送远程终端进行实时步监测提高监测效率水质监测发展奠定新台阶着社会进步需求日益增长采集信息数量频率着严格求时4G相GPRS（2G）3G着巨优势
4G通讯模块海龙尚公司生产longsungU8300C支持FDDLTETDDLTETDSCDMAUMTSEDGE等种网络制式FDDLTE网络中U8300C接入速度行达100Mbps行达50Mbps外拥众接口包含USB接口UART接口RESET接口等操作灵活简单
UDP协议传输速度快4G远程终端UdpclientC中必须先调socket()函数文件描述接着定义传送协议端口号然调sendto（）根ip指定址等服务器响应调recvfrom（）接收服务器传递信息接收消息回应必定客户端处阻塞状态线循环解决述问题找种方法设置5s时间延时数传输时候闹钟函数alarm（）设置超时调sigaction（）设置参数SANOMASK重启方案效防止阻塞程序期运行需关闭数传输时双方调close（）函数具体方案图33
图33 ＵＤＰ传输协议框图
利UDP 协议传输数时传输速率重水质参数进行实时远程监控时采集频率较高时先前采直接中断进行次数传输造成丢包接受数绝部分时间出现巨变出现数丢失进行次数传输时服务器会收通知出现连续数丢失达设定阈值服务器提示报警4G模块引极程度优化程序开发扩展性良
第四章硬件电路设计软件电路设计
41单片机控制电路
单片机运行时需少元件组成设计控制电路果电路图缺少意部分控制电路法运行
STC89C52说芯片晶振电路复位电路组成控制器应系统控制器运行控制外部电路应系统电路图41示
图41单片机系统
42复位电路设计
电阻极性电容开关组成该控制器复位电路开关控制复位次开关电路硬件进行复位操作控制器复位时间极性电容值决定定范围值越时间越短复位电路原理图图42示
图42 复位电路
43 电源电路设计
系统控制器控制电路外部提供5V电压供电电路中设计中考虑元器件需电压值会设计图43示电源电路
图43 电源电路
44 时钟电路设计
晶振电路110952MHz晶振接两30uF电容组成电容应该限接晶振控制器处理数命令速度晶振值决定定条件增晶振频率单片机处理速度会定范围增时钟电路图图44示
图44 晶振电路
45 软件程序流程图
开启电源程序初始化然控电路开始执行程序调显示器接着案件进行扫描判断否键果执行AD转换系统果扫描没键程序回初始判断键已实施键转换判断较测试出数值否超阈值果超标准数值报警系统开始启动果没超阈值程序回初始具体流程图图45示
45 软件程序流程图
46 AD转换电路流程图
单片机AD转化芯片发送启动AD转换指令然AD转换开始启动接着读取数读取数进行处理取均值然较显示数否超阈值超话蜂鸣器开始报警果没超话程序返回初始值AD转换电路流程图图46示
图46 AD转换电路流程图
47 STC89C52简介
STC89C52 CMOS 8位微型控制器中种特点高低耗价格低廉外STC89C52单片机芯片具8K系统编程Flash存储器[5]完全兼容适合工业80C51指令引脚单片机Flash适常规编程器STC89C52拥方便简单8位CPUSTC89C52许系统提供相方便效解决措施STC89C52 0Hz 够实现静态逻辑操作特征：
工作电压：55V ~34V（5V 单片机）
工作频率范围：0 ~40 MHz相普通8051 0 ~80 MHz实际工作频率达48MHz
工作温度范围： 0 – 75 摄氏度 40 +85 摄氏度
户应程序空间4K8K13K16K20K32K64K 字节片集成1280 字节512 字节RAM
P0端口没接拉电阻高阻态独立控制情况外接电阻
P1P2P3端口接拉电阻端口性质准双独立控制输出没高阻态输入锁存中P3口第二功表41
表41 P3口第二功
标号
引脚
第二功
说明
P30
10
RXD
串行输入口
P31
11
TXD
串行输出口
P32
12
INT0
外部中断0
P33
13
INT1
外部中断1
P34
14
T0
定时器计数器0外部输入端
STC89C5240引脚引脚功数端口32引脚外引脚功表42示
表42 引脚功
VCC（40引脚）
单片机电源引脚
GDN（20引脚）
EAVpp(31引脚)
EA接高电时单片机读取部程序存储器
ALE（30引脚）
址锁存编程脉输入引脚控制址锁存器锁存P0口输出低八位实现数位址复
XTAL（1819引脚）
片振荡电路输入端 XTAL2（18 引脚）：片振荡电路输入端
RST（9引脚）
单片机复位引脚该信号高电效
（29引脚）
外部程序存储器读选通信号输出端
48 LCD1602液晶显示模块简介
LCD1602液晶显示模块价格便宜容易控制技术成熟LCD1602需5V电压驱动置含128字符ASCII字符集库显示汉字带背光显示字符时显示两行行显示16字符LCD1602串行接口没行接口接收字符速度较缓慢
481 LCD1602引脚功
LCD1602总16引脚8数口进行数传送引脚功表43示
表43 LCD1602引脚功
引脚符号
引脚说明
引脚功
VSS
电源
VDD
电源正极
VO
液晶显示调节端
通10k电位器接调节液晶显示度
RS
数命令选择端
接单片机P35
R
读写选择端
读取数写入数命令
E
信号
接单片机P34
BLA
背光电源正极
BLK
背光电源负极
LCD模块显示较缓慢设备执行操作指令时候确定模块忙碌状态低电表明忙果需显示字符必须首先完成需显示字符址输入显示相模块说明位置够显示字符例址第字符第二行40H然直接40h写定位第字符位置第二行没情况位D7设定高1级写作显示址时实际数写入应该01000000b（40h）+ 10000000b（80h） 11000000b（C0H）次LCD模块写命令时忙状态判断
482 LCD1602显示模块电路原理图
液晶显示器顾名思义应液态晶体物理性质利电压差异控制区域显现电显露种原理显示器显示图形1602显示器厚度相较薄适合规模较集成型电路直接驱动较容易达全部彩色显示等优点液晶电路原理接口图图47示
图47 液晶电路原理接口图
49 水质转换检测电路
图48 水质转换电路图总结
次毕业设计持续学期设计单片机硬件通keil软件编程序代码进行调试错通少入单片机进行运行监测通连串学引仅单片机知识巩固解传感器时清足更深入学新知识
水资源缺乏水污染问题水质参数检测技术已成社会界研究重点水质参数检测技术台仪器够水质参数检测课题基4G水质参数监测系统研究系统整体硬件软件方面系统做分析设计软件硬件设计做深层次介绍课题完成工作：
1通查阅国外相关文献解国外水质检测仪器现状发展方学相关水质检测知识分析国水质检测现状提出基4G水质参数检测系统研究容
2分析水质污染中类污染源水质影响严重程度检测重性中项水质参数检测方法介绍确定系统中参数采检测方法
3基4G水质参数检测系统涉整体方案研究硬件软件研究工作较课题整体方案研究做详细介绍硬件软件关键部分做深入分析圆满完成课题初期提出务
展
水质检测技术发展方单水质参数精确测量水质参数集成台仪器检测单水质参数测量发展方：检测仪器手持化更加型化二次污染减检测成降低水质参数检测发展方：单台仪器够测量更参数仪器部分集成化二次污染减少维修方便等
通次课题设计学关单片机传感器知识受益良未知探索觉非常益力时间关系文设计系统中存许足需步研究改善：
(1)时间原设计水质监测系统参数研究实现4G线传感器网络外部局域网融合水质监测系统更加完善
(2)协议栈学十分复杂中部分容作学查阅协议栈学全面4G网络协议模块研究够详细例中安全机制路器算法优化提升等等
(3)水质参数测量值非常水质传感器较贵法较繁琐抽象文针三种参数进行简单查验分析更深层次设计需更水质参数检测模块参考文献
[1]Wang X Carey W P Yee S S Monolithic thinfilm metaloxide gassensor arrays with application to monitoring of organic vapors[J] Sensors & Actuators B Chemical 1995 28(1)6370
[2]Gardner J W Detection of vapours and odours from a multisensor array using pattern recognition Part 1 Principal component and cluster analysis[J] Sensors & Actuators B Chemical 1991 4(1–2)109115
[3]Asgarzadeh H Mosaddeghi M R Mahboubi A A et al Soil water availability for plants as quantified by conventional available water least limiting water range and integral water capacity[J] Plant and Soil 2010 335(1)229244
[4]Meng Xiangyong et al Handheld multiparameter water quality recorder World Automation Congress IEEE 20107781
[5]Visco G Campanella L Nobili V Organic carbons and TOC in waters an overview of the international norm for its measurements[J] Microchemical Journal 2005 79(1–2)185191
[6]Cavicchi R E Suehle J S Kreider K G et al Optimized temperaturepulse sequences for the enhancement of chemically specific response patterns from microhotplate gas sensors[J] Sensors & Actuators B Chemical 1995 33(13)142146
[7]Pang Y Yang S H Nishitani H Analysis of control interval for foundation fieldbusbased control systems[J] Isa Transactions 2006 45(3)447
[8]王祁 航 传感器技术新发展智传感器功传感器[J] 传感器微系统 1998(1)5658
[9]王方华 周永宏 赵雪娇等 基AT89S52单片机室音乐喷泉设计[J] 科技资讯 2010(29)1315
[10]王剑铭 黄俊杰 新颖实单片机双积分AD转换电路软件[J] 郑州学学报工学版 2001 22(4)110112
[11]谭晶星 阴晓峰 种低成单片机数采集系统[J] 电脑知识技术 2009 5(4)27262728
[12]唐鹤权 提高单片机AD转换速度方法[J] 电子技术 2003 30(9)1820
[13]陈宝明 潘云燕 刘军等 C语言程序设计[M] 民邮电出版社 2013
[14] 孙改 郭红 C语言程序设计题实验指导[M] 清华学出版社 2016
[15] 胡汉 单片机原理系统设计[M] 清华学出版社 2002
[16]卢迎春 王燕 王菊香 水样中溶解氧化学需氧量生物耗氧量测定注意事项[J] 光谱实验室 2008 25(3)387389
[17]彭伟 单片机C语言程序设计实训100例基8051+Proteus仿真[M] 电子工业出版社 2012
[18]童长飞 C8051F系列单片机开发C语言编程[M] 北京航空航天学出版社 2005
[19]张明阳 线传感器网络水质监测中应研究[D] 合肥工业学 2013
[20]孙海林 李巨峰 朱媛媛 国水质线监测系统发展展[J] 中国环保产业 2009(3)1216
[21]张晓 中国水污染趋势治理制度[J] 中国软科学 2014(10)1124
[22]施正纯 饮水浊度测量技术应[C] 豫晋水质监测技术交流研讨会 2012102105
[23]唐颖 单片机构成简易AD转换种方法[J] 现代电子技术 2001(1)4446
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
《香当网》用户分享的内容，不代表《香当网》观点或立场，请自行判断内容的真实性和可靠性！
该内容是文档的文本内容，更好的格式请下载文档
摘 年着国济飞速发展水资源破坏日益严重生活需求水工业废水处理存严重问题水质净化技术成熟水质监测实时性存着缺陷水污染挑战水资源保护治理刻容缓节约水环保水循环水新代首务水监测尤重传统水质监测利工采样检测范围较动化信息化程度较低实时周期长效率低时代题符新型水质参数监测系统研究迅猛发展
基国水质监测需求文基4G通讯技术AT89C52 作控单片机实现水质进行监测熟悉温度溶解氧氨氮PH等传感器收集水参数然液晶屏会实时显示测水质温度溶解氧氨氮pH值利4G通信远程发送数代工监测具非常明显应价值
关键词 4G 水质监测 单片机 数采集 AD转换 线传感器
Research on remote monitoring system of water quality
parameters based on 4 G
Abstract With the rapid development of China＇s economy in recent years the destruction of water resources is also growing Whether it is life needs or the treatment of industrial waste water there are serious problems due to the immature water purification technology water quality monitoring realtime there is a big flaw water pollution also gives people a big challenge So the water resources protection and governance without delay How to save water environmental water recycling water is our new generation of the primary task To this end monitoring of water is particularly important Most of the traditional water quality monitoring is the use of manual sampling detection range is small low degree of automation and information and realtime long cycle low efficiency This does not match our theme of the times So the rapid development of new water quality parameter monitoring system
Based on the requirements of water quality monitoring in China this paper is based on 4G communication technology AT89C52 as the main control micro controller to achieve the water quality monitoring with our familiar temperature dissolved oxygen ammonia pH and other sensors to collect water parameters and then LCD screen will be displayed in real time measured water temperature dissolved oxygen ammonia and pH and finally use 4G communication to send data remotely Instead of the previous manual monitoring has a very significant application value
Key words：4G water quality monitoring Single chip data collection A D conversion Wireless sensor
目录
第章 绪 1
11国水质监测背景 1
12国水质监测技术研究发展现状 1
13国外水质监测技术研究发展现状 2
第二章 监测方案选择述 3
21 pH值测量方法pH传感器 3
22 氨氮测量方法传感器 5
23 混浊度浊度传感器 6
第三章 硬件电路原理功概述 8
31 ADC0832芯片介绍 8
32 单片机芯片选择 8
321方案：AT89C52单片机 8
322方案二：STC89C52单片机 9
33 液晶芯片选择 9
331方案：采12864液晶显示屏 9
332方案二：采LCD1602液晶显示屏 10
34 4G模块通讯协议 10
第四章硬件电路设计软件电路设计 12
41单片机控制电路 12
42复位电路设计 12
43 电源电路设计 13
44 时钟电路设计 13
45 软件程序流程图 14
46 AD转换电路流程图 15
47 STC89C52简介 16
48 LCD1602液晶显示模块简介 17
481 LCD1602引脚功 17
482 LCD1602显示模块电路原理图 18
49 水质转换检测电路 19
总结 20
展 21
致谢 21
参考文献 23
第章 绪
11国水质监测背景
着国济日益发展口数量庞水资源需求日益增时水环境破坏断增求必须合理水环保节水社会全世界面纯净水水危机国中毋容置疑国世界口国家原水资源丰富国均拥水量显足加水分布均水资源浪费污染严重城市缺水等严重导致国水资源短缺背景水监测系统日益发展起水质监测水温PH溶氧浑浊度等基础参数进行监测研究传统水质监测工采集仅速度慢效率低十分繁琐样求寻求更先进技术实现水质实时监测着网络覆盖线通信技术中4GLTE网络特低功耗 低速率延时短优点农业工业生态保护等领域占突出位水质监测水环境保护提供数资料水资源环境理保护重手段水质监测理影响民生活方面国正处济迅速发展阶段保护环境尤水资源时发展济已成社会焦点问题必建立水质实时监测系统水污染时发现减少济损失
12国水质监测技术研究发展现状
水质优劣直接影响生活生活水方面讲水污染容易感染疾病工业水讲工业废水城市污水江河湖泊生态着巨破坏力旦污染难修复传统水质监测工亲采集样品样带实验室进行分析样仅增加水质监测周期成效低水质污染带损失已法挽回基4G网络水质监测系统够针水质具体情况采集信息实时发送远程服务器进行分析处理避免发现问题晚造成必损失需种够普实时监测系统次设计目
国水质监测技术年发展起国设备较传统完成水质部分参数监测技术开始起步2000年前水质监测仪器基国外进口种现象难满足国复杂变水环境2000年着技术交流国家水质监测重视水质监测系统飞速发展仅引进量 先进技术资源国研发出监测仪器陆续出现例西安交研制第台序注射动监测仪数采集器虚拟仪器等等直2009年中国废水污染源监测设备成已超10亿元预计接年设备投入持续增长国特例规定单位GDP耗年减少4污水排放少减少10目标水污染防治程中水质监测作污染预警持续性污染物含量监测水质治理效果评判重方式国百家型企业生产监测系统产品COD线监测仪氨氮监测仪水质五参数监测仪水质采样器等等中国水质检测系统发展奠定基础
13国外水质监测技术研究发展现状
水质需求国外发达国家早生产水质监测仪器该技术断发展起初测试员亲采样收集测水然带回实验室水进行方面检测该方案缺陷获取水实时动态数操作冗长繁琐着技术精益求精未知断探索日美国德国等发达国家断完善仪器功精度世纪六七十年开始应研发监测系统实时监测种水状1960年时候美国建立较完善水质监测系统1975年美国已式样水质监测站超10000先进技术美国成水质监测实力强国家英国法国世纪重点领域建立完善水质监测系统例DAEWS瑙河旁许国家通方案监测瑙河水段时信息发生河水污染问题4G通信系统会启动预警服务站发送消息拟定排方案
第二章 监测方案选择述
21 pH值测量方法pH传感器
生活中常测定溶液pH值方法pH指示剂法pH试纸测量法pH选择电极测定方法现代工业程中测量pH值方法电极测定法玻璃电极pH选择电极测定法根放溶液中测量电极参电极间电动势变化确定溶液pH值pH选择电极测定法数玻璃电极玻璃电极玻璃容器够装种液体然测液体放入玻璃容器中玻璃电极玻璃容器非常薄膜两种溶液分离开溶液两侧离子浓度差会产生电动势E电动势两溶液pH值关两溶液中分放入电极测量间电动势通测量电动势推测出两溶液pH值差果知道玻璃电极容器溶液pH 值够计算出测溶液pH 值
玻璃电极电极间产生电动势会满足斯特方程具体方程表示：
（21）
式中：E衡电极电位
标准电极电位
N失电子数
F法拉第常数96485C／MOL
R气体常数8．314J／(mol·K)
T热力学温度
A氧化态物质活跃度
B原态物质活跃度
公式（21）中n取1变形表达式：
E （22）
式（22）中lg（）氢离子浓度称PH值公式（22）pH电极输出电动势水溶液温度计算出水溶液pH值S值测量中会产生定误差实际测量中需进行减误差具体方案：假设S值相温度常温取pH值标准溶液pH电极测电动势满足斯特方程：
+S (23)
假设PH值7PH电极测电动势0斯特方程：
0+S*7（24）
S会受温度影响需控制温度假设常温T25℃PH电极斯特系数S测量时温度斯特系数表示：
S终PH值计算式：
pH7+ （24）
pH传感器种检测液体中氢离子浓度然相信电流信号传感器般化学部分信号传输部分组成pH传感器工作原理通玻璃电极参电极间电势差计算出氢离子浓度PH传感器时候pH传感器进行保护措施般保护套套住传感器然插入测液体中般较优传感器会温度补偿系统减温度监测结果影响
YBK10WQ201种常见pH传感器参数型号图21示
图21 YBK10WQ201
● 输出：420mA
● 工作量程： 014PH
● 精度： 2
● 工作电压： 1030 VDC
● 电流强度：55mA
● 压力额度：0100 psi
耗电 55mA + 传感器输出相（420 mA） 启动时间 3秒
工作温度 5°C ～ +55°C
22 氨氮测量方法传感器
氨氮指氮游离氨（）铵离子（）形态溶水中氨氮检测方法致分动分光光度法蒸馏滴定动监测法离子色谱法氨气敏电极法四种面前两方法做介绍
（1）动分光光度法分光法游离态氨氮相应化学试剂混合发生化学反应生成颜色化合物化合物颜色深度测液体中氨氮浓度成正关系轻易氨氮浓度常见指示剂纳氏试剂苯酚次氯酸盐碘化汞钾等等中钠氏试剂色法目前止应广泛方法
（2）蒸馏滴定动监测法原理测液体pH 值调节6074左右然样液中放入氧化镁蒸馏硼酸接收液吸收蒸馏出氨氮
ISAAmmoI氨氮全动线分析传感器种常见pH传感器图22示
图22 ISAAmmoI氨氮全动线分析传感器
型号
ISAAmmoI
检测项目
氨氮
类型
水质线分析仪
测量范围
NH4N(01000)mgl
测量精度
±3FS
电源电压
(930)VDC
表21 ISAAmmoI具体参数
23 混浊度浊度传感器
浊度表示水体透明程度反映水溶液中颗粒物含量少水中常见悬浮物体细沙微生物物泥土等悬浮物存导致水浑浊水质分析中明确规定：浊度标准单位度定义升水中含1毫克构成溶液浊度1度然浊度反映水污染程度唯标准水浊度升高表明水质量变坏
浊度传感器常做水质监测领域测量水污浊程度浊度传感器仅具高准确度性易清洁具极佳抗污力该传感器部IR958PT958封装红外线外光线进溶液时溶液污浊度影响着透射光数量浊度较时穿透光较少然接收端会少量透光强度转换相应电流信号根测量电流确定透射光数量进知水污浊度
OBS3+传感器种发射红外光然根接收反射光进行测量浊度OBS3+具极强密闭性完全浸没水中优良制作工艺更深水正常工作OBS3+传感器图23示
图23 OBS3+ 浊度传感器
第三章 硬件电路原理功概述
31 ADC0832芯片介绍
ADC0832 美国国家半导体公司生产种8 位分辨率双通道AD转换芯片该芯片具特点：8位分辨率双通道AD转换输入输出电TTLCMOS相兼容5V电源供电时输入电压05V间等该芯片单片机接口采串行接口方式引线少易单片机连接图31ADC0832 引脚示意图中CS片选低电芯片CH0 模拟输入通道0作IN+CH1 模拟输入通道1作IN+GND 芯片参考0 电位DI 数信号输入选择通道控制DO 数信号输出转换数输出CLK 芯片时钟输入输入电源参考电压输入
图31 ADC0832引脚图
32 单片机芯片选择
321方案：AT89C52单片机
AT89C52款高性低电压CMOS型8位单片机具高密度非易失性存储等特点功十分强AT89C52单片机优点关联开发设备求十分低极降低需开发时间加密写入程序劳动成果保护次AT89C52市场供应足价格十分低廉芯片够5V电压编写程序擦写时间短仅仅需十毫秒AT89C52芯片够出程序存储器加密功程度保证程序系统仿制抄袭较成熟保护户成果
322方案二：STC89C52单片机
STC89C52指令系统方案提AT89C52完全兼容实际运中前者芯片问题
（1）AT89C52单片机支持ISP载载话必须载器STC89C52样直接USB转串口载载软件直接网载
（2）STC89C52单片机重特点指令执行速度相快AT89C52三三十倍速度快固然事种情况时候前者单片机运行程序STC89C52STC89C52时必须注意加长延AT89C52十三十倍点调试时候便知
（3）STC89C52单片机求工作环境相简单电压5V时候甚3V4V样工作样低5伏环境AT89C52合适某系统STC89C52工作AT89C52单片机效时直接查系统观察否供电正常
综合两种方案进行较学期间学数电单片机C语言等方面课程考虑学生够获学资源深入解选择STC89C52完成次系统设计
33 液晶芯片选择
331方案：采12864液晶显示屏
采12864液晶显示屏价格便宜技术成熟具汉字图形型液晶显示模块具够直接屏中显示字图功显示屏中置存储汉字字符64X256点阵显示RAM该显示屏够直接接入CPU够出两种界面连接单片机LCD12864显示屏图32示
图32 LCD12864液晶显示屏
332方案二：采LCD1602液晶显示屏
采率较高价格低廉够时显示32字符LCD1602液晶显示屏1602够明确显示数字字母符号等显示16*2字符超32寄存器左右回显示右左回显示
总结：言两显示器功原理差两者难度相差然12864液晶显示更全面更字符更具体实现显示功造价方便LCD1602液晶显示屏前者便宜实现设计功选择者
34 4G模块通讯协议
4G新时代代名词网络信息潮流4GLTE网络迅速崛起次设计巨优势应水质参数远程监测领域利采集水质参数信息实时发送远程终端进行实时步监测提高监测效率水质监测发展奠定新台阶着社会进步需求日益增长采集信息数量频率着严格求时4G相GPRS（2G）3G着巨优势
4G通讯模块海龙尚公司生产longsungU8300C支持FDDLTETDDLTETDSCDMAUMTSEDGE等种网络制式FDDLTE网络中U8300C接入速度行达100Mbps行达50Mbps外拥众接口包含USB接口UART接口RESET接口等操作灵活简单
UDP协议传输速度快4G远程终端UdpclientC中必须先调socket()函数文件描述接着定义传送协议端口号然调sendto（）根ip指定址等服务器响应调recvfrom（）接收服务器传递信息接收消息回应必定客户端处阻塞状态线循环解决述问题找种方法设置5s时间延时数传输时候闹钟函数alarm（）设置超时调sigaction（）设置参数SANOMASK重启方案效防止阻塞程序期运行需关闭数传输时双方调close（）函数具体方案图33
图33 ＵＤＰ传输协议框图
利UDP 协议传输数时传输速率重水质参数进行实时远程监控时采集频率较高时先前采直接中断进行次数传输造成丢包接受数绝部分时间出现巨变出现数丢失进行次数传输时服务器会收通知出现连续数丢失达设定阈值服务器提示报警4G模块引极程度优化程序开发扩展性良
第四章硬件电路设计软件电路设计
41单片机控制电路
单片机运行时需少元件组成设计控制电路果电路图缺少意部分控制电路法运行
STC89C52说芯片晶振电路复位电路组成控制器应系统控制器运行控制外部电路应系统电路图41示
图41单片机系统
42复位电路设计
电阻极性电容开关组成该控制器复位电路开关控制复位次开关电路硬件进行复位操作控制器复位时间极性电容值决定定范围值越时间越短复位电路原理图图42示
图42 复位电路
43 电源电路设计
系统控制器控制电路外部提供5V电压供电电路中设计中考虑元器件需电压值会设计图43示电源电路
图43 电源电路
44 时钟电路设计
晶振电路110952MHz晶振接两30uF电容组成电容应该限接晶振控制器处理数命令速度晶振值决定定条件增晶振频率单片机处理速度会定范围增时钟电路图图44示
图44 晶振电路
45 软件程序流程图
开启电源程序初始化然控电路开始执行程序调显示器接着案件进行扫描判断否键果执行AD转换系统果扫描没键程序回初始判断键已实施键转换判断较测试出数值否超阈值果超标准数值报警系统开始启动果没超阈值程序回初始具体流程图图45示
45 软件程序流程图
46 AD转换电路流程图
单片机AD转化芯片发送启动AD转换指令然AD转换开始启动接着读取数读取数进行处理取均值然较显示数否超阈值超话蜂鸣器开始报警果没超话程序返回初始值AD转换电路流程图图46示
图46 AD转换电路流程图
47 STC89C52简介
STC89C52 CMOS 8位微型控制器中种特点高低耗价格低廉外STC89C52单片机芯片具8K系统编程Flash存储器[5]完全兼容适合工业80C51指令引脚单片机Flash适常规编程器STC89C52拥方便简单8位CPUSTC89C52许系统提供相方便效解决措施STC89C52 0Hz 够实现静态逻辑操作特征：
工作电压：55V ~34V（5V 单片机）
工作频率范围：0 ~40 MHz相普通8051 0 ~80 MHz实际工作频率达48MHz
工作温度范围： 0 – 75 摄氏度 40 +85 摄氏度
户应程序空间4K8K13K16K20K32K64K 字节片集成1280 字节512 字节RAM
P0端口没接拉电阻高阻态独立控制情况外接电阻
P1P2P3端口接拉电阻端口性质准双独立控制输出没高阻态输入锁存中P3口第二功表41
表41 P3口第二功
标号
引脚
第二功
说明
P30
10
RXD
串行输入口
P31
11
TXD
串行输出口
P32
12
INT0
外部中断0
P33
13
INT1
外部中断1
P34
14
T0
定时器计数器0外部输入端
STC89C5240引脚引脚功数端口32引脚外引脚功表42示
表42 引脚功
VCC（40引脚）
单片机电源引脚
GDN（20引脚）
EAVpp(31引脚)
EA接高电时单片机读取部程序存储器
ALE（30引脚）
址锁存编程脉输入引脚控制址锁存器锁存P0口输出低八位实现数位址复
XTAL（1819引脚）
片振荡电路输入端 XTAL2（18 引脚）：片振荡电路输入端
RST（9引脚）
单片机复位引脚该信号高电效
（29引脚）
外部程序存储器读选通信号输出端
48 LCD1602液晶显示模块简介
LCD1602液晶显示模块价格便宜容易控制技术成熟LCD1602需5V电压驱动置含128字符ASCII字符集库显示汉字带背光显示字符时显示两行行显示16字符LCD1602串行接口没行接口接收字符速度较缓慢
481 LCD1602引脚功
LCD1602总16引脚8数口进行数传送引脚功表43示
表43 LCD1602引脚功
引脚符号
引脚说明
引脚功
VSS
电源
VDD
电源正极
VO
液晶显示调节端
通10k电位器接调节液晶显示度
RS
数命令选择端
接单片机P35
R
读写选择端
读取数写入数命令
E
信号
接单片机P34
BLA
背光电源正极
BLK
背光电源负极
LCD模块显示较缓慢设备执行操作指令时候确定模块忙碌状态低电表明忙果需显示字符必须首先完成需显示字符址输入显示相模块说明位置够显示字符例址第字符第二行40H然直接40h写定位第字符位置第二行没情况位D7设定高1级写作显示址时实际数写入应该01000000b（40h）+ 10000000b（80h） 11000000b（C0H）次LCD模块写命令时忙状态判断
482 LCD1602显示模块电路原理图
液晶显示器顾名思义应液态晶体物理性质利电压差异控制区域显现电显露种原理显示器显示图形1602显示器厚度相较薄适合规模较集成型电路直接驱动较容易达全部彩色显示等优点液晶电路原理接口图图47示
图47 液晶电路原理接口图
49 水质转换检测电路
图48 水质转换电路图总结
次毕业设计持续学期设计单片机硬件通keil软件编程序代码进行调试错通少入单片机进行运行监测通连串学引仅单片机知识巩固解传感器时清足更深入学新知识
水资源缺乏水污染问题水质参数检测技术已成社会界研究重点水质参数检测技术台仪器够水质参数检测课题基4G水质参数监测系统研究系统整体硬件软件方面系统做分析设计软件硬件设计做深层次介绍课题完成工作：
1通查阅国外相关文献解国外水质检测仪器现状发展方学相关水质检测知识分析国水质检测现状提出基4G水质参数检测系统研究容
2分析水质污染中类污染源水质影响严重程度检测重性中项水质参数检测方法介绍确定系统中参数采检测方法
3基4G水质参数检测系统涉整体方案研究硬件软件研究工作较课题整体方案研究做详细介绍硬件软件关键部分做深入分析圆满完成课题初期提出务
展
水质检测技术发展方单水质参数精确测量水质参数集成台仪器检测单水质参数测量发展方：检测仪器手持化更加型化二次污染减检测成降低水质参数检测发展方：单台仪器够测量更参数仪器部分集成化二次污染减少维修方便等
通次课题设计学关单片机传感器知识受益良未知探索觉非常益力时间关系文设计系统中存许足需步研究改善：
(1)时间原设计水质监测系统参数研究实现4G线传感器网络外部局域网融合水质监测系统更加完善
(2)协议栈学十分复杂中部分容作学查阅协议栈学全面4G网络协议模块研究够详细例中安全机制路器算法优化提升等等
(3)水质参数测量值非常水质传感器较贵法较繁琐抽象文针三种参数进行简单查验分析更深层次设计需更水质参数检测模块参考文献
[1]Wang X Carey W P Yee S S Monolithic thinfilm metaloxide gassensor arrays with application to monitoring of organic vapors[J] Sensors & Actuators B Chemical 1995 28(1)6370
[2]Gardner J W Detection of vapours and odours from a multisensor array using pattern recognition Part 1 Principal component and cluster analysis[J] Sensors & Actuators B Chemical 1991 4(1–2)109115
[3]Asgarzadeh H Mosaddeghi M R Mahboubi A A et al Soil water availability for plants as quantified by conventional available water least limiting water range and integral water capacity[J] Plant and Soil 2010 335(1)229244
[4]Meng Xiangyong et al Handheld multiparameter water quality recorder World Automation Congress IEEE 20107781
[5]Visco G Campanella L Nobili V Organic carbons and TOC in waters an overview of the international norm for its measurements[J] Microchemical Journal 2005 79(1–2)185191
[6]Cavicchi R E Suehle J S Kreider K G et al Optimized temperaturepulse sequences for the enhancement of chemically specific response patterns from microhotplate gas sensors[J] Sensors & Actuators B Chemical 1995 33(13)142146
[7]Pang Y Yang S H Nishitani H Analysis of control interval for foundation fieldbusbased control systems[J] Isa Transactions 2006 45(3)447
[8]王祁 航 传感器技术新发展智传感器功传感器[J] 传感器微系统 1998(1)5658
[9]王方华 周永宏 赵雪娇等 基AT89S52单片机室音乐喷泉设计[J] 科技资讯 2010(29)1315
[10]王剑铭 黄俊杰 新颖实单片机双积分AD转换电路软件[J] 郑州学学报工学版 2001 22(4)110112
[11]谭晶星 阴晓峰 种低成单片机数采集系统[J] 电脑知识技术 2009 5(4)27262728
[12]唐鹤权 提高单片机AD转换速度方法[J] 电子技术 2003 30(9)1820
[13]陈宝明 潘云燕 刘军等 C语言程序设计[M] 民邮电出版社 2013
[14] 孙改 郭红 C语言程序设计题实验指导[M] 清华学出版社 2016
[15] 胡汉 单片机原理系统设计[M] 清华学出版社 2002
[16]卢迎春 王燕 王菊香 水样中溶解氧化学需氧量生物耗氧量测定注意事项[J] 光谱实验室 2008 25(3)387389
[17]彭伟 单片机C语言程序设计实训100例基8051+Proteus仿真[M] 电子工业出版社 2012
[18]童长飞 C8051F系列单片机开发C语言编程[M] 北京航空航天学出版社 2005
[19]张明阳 线传感器网络水质监测中应研究[D] 合肥工业学 2013
[20]孙海林 李巨峰 朱媛媛 国水质线监测系统发展展[J] 中国环保产业 2009(3)1216
[21]张晓 中国水污染趋势治理制度[J] 中国软科学 2014(10)1124
[22]施正纯 饮水浊度测量技术应[C] 豫晋水质监测技术交流研讨会 2012102105
[23]唐颖 单片机构成简易AD转换种方法[J] 现代电子技术 2001(1)4446
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
《香当网》用户分享的内容，不代表《香当网》观点或立场，请自行判断内容的真实性和可靠性！
该内容是文档的文本内容，更好的格式请下载文档