便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集及傳輸

1、河南機電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計論文目 錄第1章 緒論21.1引言21.2水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀41.3論文研究內(nèi)容91.4本章小結(jié)10第2章 信號采集系統(tǒng)設(shè)計112.1引言112.2信號采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計112.3信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計122.4信號采集系統(tǒng)軟件設(shè)計262.5本章小結(jié)30第3章 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計313.1引言313.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體方案設(shè)計313.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計33第4章 信號采集與傳輸系統(tǒng)驗證實驗344.1引言344.2信號采集系統(tǒng)驗證實驗344.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)驗證實驗364.4本章小結(jié)37第5章 結(jié)論與展望38致謝40參考文獻41第1章 緒論1.1引言隨著我國社會經(jīng)濟的高

2、速發(fā)展，城市化、工業(yè)化進程的加速，導(dǎo)致城市生活污水和工業(yè)廢水大量排入江河、湖泊和水庫，造成地表水和地下水的嚴重污染，水污染的問題日益突出。根據(jù)中國環(huán)境狀況公報的數(shù)據(jù)，2005年在我國長江、黃河、珠江等七大水系100個國控省界重點監(jiān)測斷面中，I III類水質(zhì)斷面占36% IV, V類水質(zhì)斷面占40%，劣V類水質(zhì)斷面占24%，與2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，2005年七大水系重點監(jiān)測斷面中I III類水質(zhì)斷面所占比例下降了17.4% , 而劣V類水質(zhì)斷面則上升了15.3%，這說明我國水污染狀況逐年惡化的趨勢明顯。另外，我國28個國控重點湖(庫)中，劣V類水質(zhì)所占比例高達43 %, 而滿足II類水質(zhì)的湖(

3、庫)僅占7 % 。 2007年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：全國每年因為水污染造成的經(jīng)濟損失高達300億元，與發(fā)達國家相比，我國面臨著更嚴重、更緊迫的水污染危機。加強我國的水環(huán)境保護和水污染的治理工作成了我國國民經(jīng)濟發(fā)展噩待解決的問題。水質(zhì)監(jiān)測就是以特定水體為對象(如江、河、湖泊、水庫、海洋等)，通過對水體的一系列參數(shù)的測定和分析，了解水體中污染物的種類和污染物的濃度狀況，從而對水質(zhì)狀況進行評價：通過對不同時期水質(zhì)檢測參數(shù)的分析，掌握水體水質(zhì)變化的趨勢。水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)不僅為各類污染源的管理、水污染突發(fā)事件的應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)，而且為政府制定發(fā)展規(guī)劃、為環(huán)保部門加強對水環(huán)境的保護提供數(shù)據(jù)支持。因此水質(zhì)監(jiān)測對

4、于加強水環(huán)境保護和治理工作，解決我國水污染危機具有重要意義。目前，水質(zhì)監(jiān)測得到了世界各國的普遍重視，各國針對本國的實際情況制定了相應(yīng)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準及水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范。我國也制定了相關(guān)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準和水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，如國家標(biāo)準地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準（ GB3 83 8-2002 ) ,國家標(biāo)準地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(GB/T 14848-93）及水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范（ SD127-84)等。水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范SD 127-84修訂版規(guī)定的地表水的監(jiān)測項目如表1.1所示。這些監(jiān)測項目可分為必測項目與選測項目兩類。對于地表水全國重點水質(zhì)基本監(jiān)測站而言，必須對水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量

5、、氨氮、硝酸鹽氮、業(yè)硝酸鹽氮、揮發(fā)酚、氰化物、浮滑物、硫酸鹽、氯化物、六價鉻、總汞、總砷、福、鉛、銅、大腸菌群等必測項目進行監(jiān)測，同時應(yīng)根據(jù)不同水域污染物的特征，增加鉀、鈉、鋅、水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等參數(shù)是水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范中的必測項目。水溫與水的物理化學(xué)特性密切相關(guān)，并直接影響到多個監(jiān)測項目的測量結(jié)果pH是水體酸堿度的標(biāo)志，它能很好地反映水體酸堿性污染的程度。溶解氧的值反應(yīng)了水體中氧的濃度，是衡量水質(zhì)和水體自凈化能力的一個指標(biāo)；電導(dǎo)率反應(yīng)了水體硫酸鹽、氯化物、總磷、化學(xué)需氧量等選測項目的監(jiān)測中的離子濃度；濁度則反應(yīng)了水體中懸浮物的含量。因此，水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等參數(shù)可以大

6、致反應(yīng)水體的基本特征，屬于水質(zhì)的常規(guī)檢測項目，又稱為常規(guī)參數(shù)。1.2水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀對水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的檢測，按照水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范SD 127-84修訂版中的規(guī)定，必須采用現(xiàn)場檢測的方式，因此本論文更加關(guān)注用于現(xiàn)場檢測的水質(zhì)檢測儀器的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，用于現(xiàn)場檢測的水質(zhì)檢測儀器經(jīng)歷了從大型水質(zhì)檢測儀器到小型水質(zhì)檢測儀器，再到便攜式水質(zhì)檢測儀器的發(fā)展過程；檢測的參數(shù)也從單一參數(shù)向多參數(shù)發(fā)展;特別是近年來，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測也開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 下面將從國外和國內(nèi)兩個層面闡述用于現(xiàn)場檢測的水質(zhì)檢測儀器的發(fā)展?fàn)顩r。1.2.1國外水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測車是最早的現(xiàn)場

7、檢測手段。用于水質(zhì)分析的大、中、小型監(jiān)測車，早期在一些發(fā)達國家應(yīng)用比較多。監(jiān)測車上可以裝配各種中、小型分析儀器，如分光光度計、氣相色譜儀等，有的還裝配有自動采水裝置。這種監(jiān)測車實際上是一個流動的小型實驗室，可以進行多個水質(zhì)監(jiān)測項目的現(xiàn)場檢測與分析。20世紀四五十年代，各種型號的水質(zhì)分析箱開始用于水質(zhì)現(xiàn)場檢測。水質(zhì)分析箱與水質(zhì)監(jiān)測車相比更加輕便，適合個人攜帶用于野外現(xiàn)場檢測。美國哈希-公司DREL系列是水質(zhì)分析箱的代表圖。這種水質(zhì)分析箱可以實現(xiàn)多個水質(zhì)監(jiān)測項目的現(xiàn)場檢測，但是它也存在明顯的缺陷，如需要攜帶大量試劑、操作復(fù)雜、只適合專業(yè)人員使用等。圖1.1 DREL系列便攜式水質(zhì)分析箱60年代，隨

8、著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，國際上普遍開始對現(xiàn)場分析儀器進行研究。在此期間，美國YSI公司推出世界上第一臺使用CLARK電極的溶解氧測量系統(tǒng)1966年弗蘭特(Frant)和羅斯(Ross)成功研制了氟離子選擇性電極，促使離子性選擇電極的迅猛發(fā)展。離子選擇性電極是一種根據(jù)電化學(xué)原理測定離子濃度的電極，具有靈敏度較高、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、體積小、響應(yīng)快等特點，檢測時所需樣品量少，在許多情況下不需要對樣品進行預(yù)處理，對現(xiàn)場水質(zhì)檢測儀器的小型化起到了很大的推動作用。1975年，全球第一臺數(shù)字便攜式pH測試儀在美國任氏(JENCO)公司誕生這種便攜式的pH測試儀采用了離子選擇性電極，具有體積小，響應(yīng)快的特點，能

9、夠滿足水質(zhì)現(xiàn)場檢測的要求。到了90年代后期，世界各國出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的便攜式水質(zhì)檢測儀。由于采用了單片機技術(shù)，便攜式水質(zhì)檢測儀體積進一步縮小，性能進一步完善，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)的現(xiàn)場檢測。便攜式水質(zhì)檢測儀根據(jù)測量參數(shù)的多少分為單參數(shù)和多參數(shù)水質(zhì)檢測儀單參數(shù)水質(zhì)檢測儀功能單一，只能針對某一參數(shù)進行測量，早期的便攜式水質(zhì)檢測儀大多數(shù)是單參數(shù)的。多參數(shù)水質(zhì)檢測儀近年來得到很快的發(fā)展，它擁有多個傳感器，可同時對多個參數(shù)(如水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等)進行測量，為水質(zhì)的現(xiàn)場檢測提供了更多的方便。目前，國外生產(chǎn)水質(zhì)分析儀器的廠家有美國的YSI, HACH, GLI, Rosemoun等公司，德國的Lov

10、ibond, WTW, MERCK, DRAGER, STIP等公司，法國的Polymerton公司，瑞士的Zullig公司，日本的東業(yè)電波公司和衡河公司等。其中市場占有率較高的主要有美國的HACH公司，德國的Lovibond公司以及意大的HANNA公司等。圖1.2 YSI55便攜式溶解氧檢測儀圖1.2為美國YSI公司型號為YSI55的便攜式溶解氧檢測儀圖，它是單參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測儀的代表產(chǎn)品，可在。0-20mg/L范圍內(nèi)進行檢測，精度可達0. 0 1 mg/L。儀器尺寸為241 895Omm，重量為0.73kg，防雨防塵，適合野外使用。圖1.3是美國哈希-(HACH)公司推出的sensION

11、 156便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀，可以測量水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、可溶性總固體、鹽度等參數(shù)。具有溫度自動補償、快速校正功能，測量穩(wěn)定。儀器體積小，重量輕，可以防水，攜帶方便，適合在野外環(huán)境下使用。圖1.3 sensION156多參數(shù)水質(zhì)檢測儀圖1.4是德國LOVIBOND公司的U-20便攜式水質(zhì)檢測儀圖。它可以快速檢測水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、鹽度、溶解性總固體(TDS)、海水表觀比重、海水深度、氧化還原電位(ORP)等13項指標(biāo)，儀器小巧，便于攜帶，是便攜式水質(zhì)檢測儀的典型代表。國外的便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀產(chǎn)品較多，系統(tǒng)穩(wěn)定，性能優(yōu)良，可以實現(xiàn)對水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、氧

12、化還原電位等多種參數(shù)的快速檢測，但是它們的價格昂貴，表1.2列出了幾種國外的便攜式水質(zhì)檢測儀的技術(shù)指標(biāo)和價格。圖1.4德國LOVIBONDU-20便攜式水質(zhì)檢測儀表1.2部分國外便攜式水質(zhì)檢測儀的技術(shù)指標(biāo)和價格1.2.2國內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀我國對于水質(zhì)檢測儀器的研究起步較晚，技術(shù)相對落后。2003年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國購買的水質(zhì)分析儀器73%來自進口；在我國5000多個水質(zhì)監(jiān)測站和數(shù)以萬計的企業(yè)檢測機構(gòu)中，有85%以上仍然依靠傳統(tǒng)的實地采樣、水樣預(yù)處理、實驗室分析的方法進行水質(zhì)檢測工作。90年代中期以后，我國才開始水質(zhì)分析儀器的國產(chǎn)化研究和產(chǎn)品開發(fā)工作國產(chǎn)的便攜式水質(zhì)檢測儀大多數(shù)是單參數(shù)的產(chǎn)品

13、。近年來，我國在多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的研究和產(chǎn)品開發(fā)上也取得了一定的進展，如西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研制了國內(nèi)第一臺水質(zhì)監(jiān)測樣機，可同時檢測水的COD，氨氮和pH二個指標(biāo)；上海雷磁研制的便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀可測量水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等四個常規(guī)參數(shù)；北京東方德北科研發(fā)中心研制的M29 /M33型水質(zhì)檢測儀可測量水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等五個常規(guī)水質(zhì)參數(shù)。圖 1.5為河北先和科技公司推出的XH-90系列常規(guī)五參數(shù)自動檢測儀，可以測量水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧和濁度等參數(shù)，采用220V交流電源供電，整體尺寸為1115 1140210mm，整體重量40kg。圖1.5 XH-90五參數(shù)

14、自動監(jiān)測儀圖1.6宙磁PHBJ-260 pH計圖1.6為我國老牌廠家上海雷磁研制的型號為PHBJ-260的pH計圖，是市場上具有代表性的國產(chǎn)便攜式水質(zhì)檢測儀，可在0-14pH范圍內(nèi)對水的酸堿度進行測量，精度可達0.01 pH，外形尺寸為210X 100X45mm，重量為0.5kg。圖1.7 DZ 5-707多參數(shù)水質(zhì)檢測儀圖1.7為上海雷磁廠型號為DZS-707的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀圖，可同時進行水溫、pH、電導(dǎo)率、鹽度和溶解氧的測量，采用計算機對傳感器的信號進行處理。 目前，我國的便攜式水質(zhì)檢測儀主要以單參數(shù)為主，整體技術(shù)落后于國外，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了一些便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的產(chǎn)品，但是性能與國州

15、司類產(chǎn)品相比還有一定差距。表1.3列出了部分國產(chǎn)水質(zhì)檢測儀的技術(shù)指標(biāo)和價格。目前，便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀在水質(zhì)現(xiàn)場檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越普遍，對便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集和傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)進行研究，對于設(shè)計開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀尤為重要，對于提高我國水質(zhì)分析儀器水平也具有重要的意義。表1.3部分國內(nèi)便攜式水質(zhì)檢測儀的技術(shù)指標(biāo)和價格1.3論文研究內(nèi)容本論文在分析國內(nèi)外便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集與傳輸技術(shù)進行了研究。論文的主要任務(wù)是設(shè)計便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集和傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)多參數(shù)的信號采集、顯示及無線傳輸。該系統(tǒng)采

16、用二次集成的方案，利用已有的溫度、pH、溶解氧和電導(dǎo)率等傳感器實現(xiàn)多參數(shù)的信號采集，采用單片機對多參數(shù)的采集信號進行處理，通過液晶顯示屏對檢測信號進行實時顯示，還根據(jù)應(yīng)用的需要對信號進行有線或無線的傳輸。論文研究的主要內(nèi)容如下：分析國內(nèi)外便攜式水質(zhì)檢測儀的研究現(xiàn)狀，了解并掌握溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率的檢測原理，對現(xiàn)有的傳感器進行二次集成，提出便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集、顯示和傳輸?shù)脑O(shè)計方案；研究基于ATmega 16單片機的便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集電路，包括信號采集接口電路、串行通信電路、電源電路等；設(shè)計溫度信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、串行通信等相關(guān)軟件；設(shè)計基于KS0724點陣式液晶

17、顯示屏的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的顯示電路，編寫相關(guān)的驅(qū)動程序，實現(xiàn)多個參數(shù)在液晶顯示屏同一界面的實時顯示；設(shè)計以nRF905芯片為核心的數(shù)據(jù)傳輸硬件電路，包括數(shù)據(jù)收發(fā)電路、超限報警電路等;編寫數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制、超限報警等相關(guān)的軟件；進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試和系統(tǒng)驗證實驗，對系統(tǒng)能否實現(xiàn)信號采集、顯示和傳輸?shù)墓δ苓M行了驗證。1.4本章小結(jié)本章著重分析了水質(zhì)監(jiān)測的重要性，介紹了水質(zhì)檢測儀器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并針對目前國內(nèi)便攜式水質(zhì)檢測儀的技術(shù)現(xiàn)狀，說明開展對便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集和傳輸系統(tǒng)研究的意義。最后介紹了本論文的主要研究內(nèi)容。第2章 信號采集系統(tǒng)設(shè)計2.1引言本論文的內(nèi)容大致可分為信號采集系

18、統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)兩部分，本章著重介紹信號采集系統(tǒng)的設(shè)計。便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集系統(tǒng)需要實現(xiàn)對水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等參數(shù)的信號采集和信號處理，將其轉(zhuǎn)換為可供傳輸和顯示的數(shù)據(jù)，下面將詳細介紹該系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計。2.2信號采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.2.1信號采集系統(tǒng)的設(shè)計要求本論文以水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等參數(shù)為檢測對象，研究便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集。根據(jù)國家水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范SD 127-84修訂版和國家標(biāo)準地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準CGB 3838-2002)中的規(guī)定，各個參數(shù)的檢測需要滿足一定的檢測范圍和檢測精度；另外，因為水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等參數(shù)都是緩變信號，對采樣頻

19、率的要求不高，因此本系統(tǒng)設(shè)計采樣頻率為每秒鐘采樣一次。根據(jù)應(yīng)用的需求，對便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的信號采集系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：該信號采集系統(tǒng)需要實現(xiàn)對水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率信號的實時采集； 水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率的檢測范圍和檢測精度要滿足相關(guān)標(biāo)準的要求，即：水溫在0 -40范圍內(nèi)達到0.1的精度；pH在0-14范圍內(nèi)達到0.1的精度；溶解氧在0-20mg/L范圍內(nèi)達到0.1 mg/L的精度，電導(dǎo)率在0-20ms/cm范圍內(nèi)達到0.01 ms/cm的精度；對水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率四個參數(shù)信號的采集頻率滿足每秒鐘一次；采集的信號經(jīng)過單片機處理以后，能夠直接滿足數(shù)據(jù)傳輸和顯示的要求。2.2

20、.2信號采集系統(tǒng)的設(shè)計方案針對信號采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用了如下的設(shè)計方案：采用DS 18B20數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)對溫度信號的采集：對現(xiàn)有的pH，溶解氧和電導(dǎo)率傳感器進行二次集成，即：利用目前已有的pH，溶解氧和電導(dǎo)率傳感器的信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換電路，采用單片機采集二個參數(shù)的譯碼信號，對其進行處理，轉(zhuǎn)換為可供傳輸和顯示的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對pH、溶解氧和電導(dǎo)率的信號采集?，F(xiàn)有的pH、溶解氧和電導(dǎo)率等傳感器的A/D轉(zhuǎn)換均采用了二位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7126，它的輸出為直接驅(qū)動七段液晶顯示屏的譯碼信號，不便于直接用十傳輸和顯示，需要將其輸出信號全部接到單片機的I/O口，然后通過軟件判斷，根據(jù)七段

21、譯碼信號與BCD碼的對應(yīng)關(guān)系得到實際所需的數(shù)據(jù)。根據(jù)上述特點，設(shè)計信號采集系統(tǒng)的方案如下：圖2.1信號采集系統(tǒng)設(shè)計框圖設(shè)計框圖中虛線部分表示pH、溶解氧、電導(dǎo)率傳感器及其信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換電路，是信號采集系統(tǒng)二次集成的對象。信號采集系統(tǒng)設(shè)計一個信號采集終端，溫度傳感器的數(shù)字信號和pH輸出的譯碼信號通過采集終端主控MCU的I/O口輸入，主控MCU完成溫度信號的處理和pH譯碼信號的BCD轉(zhuǎn)換；溶解氧和電導(dǎo)率的信號則通過另外兩塊信號采集板采集，采集板上的MCU完成相應(yīng)信號的BCD轉(zhuǎn)換，通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送到采集終端的主控MCU；主控MCU對所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，進行顯示或者傳輸?？紤]到水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對

22、于數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)男枰?，第二章設(shè)計了基于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以對采集的信號進行無線傳輸和LCD顯示，因此對檢測信號的顯示將放在第二章進行介紹。2.3信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計2.3.1主控MCU特性簡介作為便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的核心部件，主控MCU的選擇對整個系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。目前市場上單片機主要以8位、16位和32位為主。本設(shè)計綜合考慮功能需求、功耗、開發(fā)成本、性價比等諸多因素，選定AVR系列的ATmega 16作為信號采集系統(tǒng)的主控MCU 。Atmel公司的ATmega 16單片機具有高性能、高速度、低功耗的特點，是目前主流的8位單片機，其主要特點如下：速度快AVR單片機在單一

23、時鐘周期內(nèi)能夠執(zhí)行功能強大的指令，每LVIFIz可實現(xiàn)MIPS的處理，是具有最高MIPS/mW能力的8位單片機。片內(nèi)資源豐富ATmega 16 含16K的可編程F1ash，512字節(jié)的EEPROM,，1K的片l勻SRAM，8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，SPI串行外設(shè)接口，JTAG接口等?？芍貜?fù)擦寫并可在線系統(tǒng)編程(ISP)ATmega 16中的程序存儲空間采用的是Flash存儲技術(shù)，因此，該單片機的內(nèi)部存儲單元可在線重復(fù)擦寫1000次以上；在線系統(tǒng)可編程功能更是為程序的下載和調(diào)試提供了方便。低功耗ATmega l6單片機的工作電壓范圍為2.7-5.5 V，同時具有休眠省電功能及閑置低功耗功能。由十多

24、參數(shù)水質(zhì)檢測儀是便攜式的，對移動性和低功耗有一定要求，因此，采用此單片機芯片可以有效降低系統(tǒng)的功耗。帶有同步串行接口SPISPI是一種同步串行外圍總線，它可以使微處理器與各種外圍設(shè)備以同步串行方式進行信息交換，簡化硬件連接。SPI總線一般使用四根信號線：S CK(串行時鐘)、MISO(主機輸入/從機輸出)、MOSI(主機輸出/從機輸入)和CS(低電平有效的從機選擇)，利用SPI總線可以在軟件控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)。圖2.2 ATmegal6 排列圖ATmega 16采用44引腳TQFP封裝，引腳排列如圖 2.2所示：2.3.2信號采集接口電路信號采集系統(tǒng)需要設(shè)計對溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率輸出信號

25、的接口電路，完成對溫度傳感器輸出的數(shù)字信號的采集，以及對pH、溶解氧和電導(dǎo)率傳感器電路輸出的譯碼信號的采集?，F(xiàn)有的pH、溶解氧和電導(dǎo)率傳感器電路均采用了二位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7126。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器雖然轉(zhuǎn)換速度較慢，但轉(zhuǎn)換精度很高，抗干擾性好，廣泛應(yīng)用于各類低速信號采集系統(tǒng)。 ICL7126集成度高，它除了用于A/D轉(zhuǎn)換的模擬和數(shù)字控制電路以外，還包含驅(qū)動LCD所需的數(shù)字電路，可以直接輸出譯碼信號驅(qū)動七段液晶顯示屏，廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字儀表。由十ICL7126的輸出信號是表示每一位的七段譯碼信號，它與單片機的接口不像其它有BCD碼輸出的芯片容易，需要將ICL7126的輸出信號全部

26、接到單片機的I/O口，然后通過軟件判斷，根據(jù)七段譯碼信號與BCD碼的對應(yīng)關(guān)系得到實際所需的數(shù)據(jù)。溫度采集由于采用數(shù)字式溫度傳感器，可以將其輸出的數(shù)字信號直接接至單片機的I/O口。根據(jù)溫度信號采集和pH、溶解氧、電導(dǎo)率信號采集的不同特點，分別設(shè)計了溫度信號采集接口電路和pH、溶解氧、電導(dǎo)率信號采集接口電路，下面將分別予以介紹。溫度信號采集接口電路溫度采集常用的是熱電式傳感器，熱電式傳感器的輸出都是模擬量，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能成為單片機可以處理的數(shù)字信號。數(shù)字溫度傳感器的輸出為數(shù)字信號，可以直接輸入單片機，精度高、體積小、成本低，電路設(shè)計簡單，因此該信號采集系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS

27、 18B20數(shù)字溫度傳感器，其輸出為標(biāo)準的數(shù)字信號，可直接輸入ATmega 16進行處理。DS 18B20數(shù)字溫度傳感器是一款單總線可編程智能溫度傳感器fill，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣等特點，適用十各種數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。它的主要特性如下：1)獨特的單線接口方式，DS 18B20在與微處理器連接時僅需要一條I/O線即可實現(xiàn)微處理器與DS 18B20的雙向通訊：2)測溫范圍為-55125，測溫分辨率0.0625 ；3)工作電源：3-5V/DC；4)在使用中不需要任何外圍元件；5)測量結(jié)果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。DS 18B20的管腳排列如圖2.3所示：圖2.3 DS

28、18B20引腳圖其中，GND為地：DQ為單總線應(yīng)用的數(shù)字輸入/輸出：VDD為可選的電源輸入，即DS18B20可通過VDD外接5V電源供電，也可由DQ單總線供電。DS 18B20的測溫原理如圖2.4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-5 5所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進

29、行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用十補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用十修正計數(shù)器1的預(yù)置值。圖2.4 DS18B20內(nèi)部測溫電路框圖在多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的溫度信號采集中，將DS18B20的DQ與單片機的PD6相連。DS 18B20的測量結(jié)果將放置在內(nèi)存中，信號采集終端主控單元ATmega 16通過PD6讀取測量結(jié)果，實現(xiàn)對水溫的測量。圖2.5溫度信號采集電路由于DS 18B20內(nèi)部包含寄生電源電路，因此對其供電可采用單總線供電方式，也可外接5V電源供電。DS 18B20在進行溫度轉(zhuǎn)換時需要消耗電流，如果供電不足會

30、導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，因此單總線供電存在缺陷，容易使溫度轉(zhuǎn)換不準確。在本設(shè)計中，為了使DS 18B20能準確地完成溫度變換，選擇VDD外接SV電源的供電方式。溫度采集的接口電路如圖2.5所示。 pH、溶解氧、電導(dǎo)率信號采集接口電路對pH,溶解氧、電導(dǎo)率信號的采集是采用的二次集成方案，需要解決ICL7126與ATmega 16的接口問題。由于ICL7126的輸出是驅(qū)動每一位的七段譯碼信號，因此需要將ICL7126的輸出信號全部接到單片機的I/O口，然后通過軟件判斷，將七段譯碼信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)BCD碼數(shù)據(jù)以進行數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。 在pH信號采集接口電路中，pH計的兩位譯碼信號的輸出引腳分別與ATmega 1

31、6的PA口和PC口連接。ATmega 16讀取PA口和PC口的數(shù)據(jù)，按照對應(yīng)的關(guān)系進行譯碼信號到BCD碼的轉(zhuǎn)換。pH信號采集接口電路如圖 2.6所示：圖2.6 pH信號采集小意圖溶解氧的輸出信號有二位，比pH多了一位，因此將其二位的輸出信號引腳分別與ATmega 16的PA, PC, PB口連接。ATmega 16通過PA, PB, PC口采集溶解氧輸出的七段譯碼信號，通過軟件判斷，將信號轉(zhuǎn)換為溶解氧的數(shù)據(jù)。溶解氧的信號采集接口電路如圖2.7所示：圖2.7溶解氧信號采集示意圖電導(dǎo)率的信號采集接口電路與溶解氧基本一致：電導(dǎo)儀二位輸出的譯碼信號分別與ATmega 16的PA, PC, PB口連接。

32、ATmega 16通過PA, PB, PC口采集電導(dǎo)率輸出的七段譯碼信號，通過軟件判斷，將信號轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率的BCD數(shù)據(jù)。與溶解氧采集不同的是，電導(dǎo)率采集板將ATmega 16的PD2接地，Ifu溶解氧采集板將ATmega 16的PDS接地。這樣設(shè)計的目的是對了軟件編寫的方便，具體內(nèi)容將在信號采集的軟件設(shè)計中予以說明。電導(dǎo)率的信號采集接口電路如圖2.8所示：圖2.8電導(dǎo)率信號采集示意圖圖2.9 pH信號采集電路圖各信號采集的接口電路如圖 2.9-2.11所示。圖2.9的pH信號采集接口電路中包含了溫度信號的采集:DS18B20的輸出DQ與ATmegal6的PD6相連，ATmegal6通過PD6對

33、溫度信號進行采集。圖2.10溶解氧信號采集電路圖圖2.11電導(dǎo)率信號采集電路圖2.3.3串行通信電路為了將電導(dǎo)率、溶解氧的數(shù)據(jù)通過串行口送到主控MCU，需要用多點串行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中繼傳遞，因此設(shè)計了數(shù)據(jù)的串行通信電路。 串行通信占用資源少，在結(jié)構(gòu)、性能和經(jīng)濟成本上均具有優(yōu)勢。在硬件實現(xiàn)上，因為距離很近，可以將兩塊采集板和采集終端MCU的串行口直接連接。具體連接方式為：電導(dǎo)率采集板MCU的數(shù)據(jù)發(fā)送(TXD)與溶解氧采集板MCU的數(shù)據(jù)接收(RXD)連接，溶解氧采集板MCU的TXD與主控MCU的RXD連接，如圖2.12所示：圖2.12串行日連接示意圖為了保證串行口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，各MCU必須共地

34、，使低電平相同。電導(dǎo)率的BCD數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送到溶解氧的MCU溶解氧BCD數(shù)據(jù)和電導(dǎo)率BCD數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送到主控MCU。主控MCU對溫度、pH、電導(dǎo)率、溶解氧的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，進行顯示或者傳輸。2.3.4 SPI接口電路為了使ATmega 16能通過SPI接口與外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，需要設(shè)計SPI接口電路。SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設(shè)接口總線是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行數(shù)據(jù)交換，是一種高速、全雙工、同步的通信總線。SPI總線在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的口管腳，同時為PCB

35、的布局節(jié)省空間。正是由于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。SPI總線的數(shù)據(jù)交換使用4條線:串行時鐘線(S CK)、主機輸人/從機輸出數(shù)據(jù)線(MISO、主機輸出/從機輸人數(shù)據(jù)線(MOSI)和低電平有效的從機選擇線。當(dāng)SPI設(shè)置為主機方式時，LVIISO是主機數(shù)據(jù)輸人線，MOSI是主機數(shù)據(jù)輸出線;SCK用于提供時鐘脈沖將數(shù)據(jù)一位一位地傳送。SPI總線器件間的數(shù)據(jù)交換如圖2.13所示： 圖2.13 SPI總線器件間數(shù)據(jù)交換示意圖SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時序很簡單，即在SCK的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數(shù)據(jù)交換。在SPI方式下數(shù)據(jù)一位一位的傳輸，由SCK提供時鐘脈沖，M

36、ISO和MOSI基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。對十SPI主機而言，數(shù)據(jù)輸出通過MOSI線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸人也是同樣的原理。這樣，8次時鐘信號的改變(上升沿和下降沿為一次)，就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。ATmega 16具有SPI串行外圍設(shè)備接口，利用SPI總線技術(shù)可以使ATmega 16與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信。在這種點對點的通信，SPI按口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高。2.3.5 RS-232接口電路為了使ATmega 16單片機能與微機進行通信，需要設(shè)計RS-232接口電路。RS-232接口電路需要完成

37、ATmega 16單片機的TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用 MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是美信公司專門為微機的RS-232標(biāo)準串口設(shè)計的接口電路，采用+5V電源供電，包含兩個驅(qū)動器和兩個接收器，配合luF的電荷泵電容使用可以產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。TTL數(shù)據(jù)從T 1 IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T 1 OUT送到PC; PC的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL數(shù)據(jù)后從R1 OUT輸出。ATmega 16的I/O口具有第二功能，其中PDO和PD1除了作為通用I/O口以外，還可作為USART通用同步異步串行收發(fā)器的

38、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送引腳。ATmegal6單片機與MAX232的連接如圖2.14所示：圖2.14 RS-232串行日通信接口電路2.3.5 ISP下載電路ATmega 16具有ISP在線系統(tǒng)編程功能，為軟件的下載和調(diào)試提供了極大的便利。為了方便硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，需要設(shè)計供程序下載的ISP下載電路。ISP In- System programming)在線系統(tǒng)編程，是指電路板上的空白器件可以直接寫入用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。ISP的實現(xiàn)比較簡單，一般通用的做法是內(nèi)部的存儲器可以由上位機的軟件通過串口來進行改寫。對于單片機來講，可以通過SPI

39、或其他串行接口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)寫入存儲器中。所以即使將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機的接口，就可以實現(xiàn)芯片內(nèi)部存儲器的改寫，而無須再取下芯片。ISP技術(shù)的優(yōu)勢是不需要編程器就可以進行單片機的試驗和開發(fā)，單片機芯片可以直接焊接在電路板上，調(diào)試結(jié)束即為成品，免去了由十調(diào)試時頻繁地插入取出芯片對芯片和電路板帶來的不便。在本設(shè)計中，ISP功能是通過SPI接口實現(xiàn)的，ATmega 16通過SPI接口接收PC機的數(shù)據(jù)并寫入其存儲器，其接口電路如圖2.15所示：圖2.15 ISP接口電路圖2.3.6電源電路在設(shè)計便攜式儀器時，其電源的設(shè)計需要系統(tǒng)級思維，以提高產(chǎn)品性能、延長電池工作時間。在本設(shè)計中

40、，信號采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用同一個電源電路供電，因此在設(shè)計上需要綜合考慮。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有無線傳輸功能，因為采用了無線射頻收發(fā)芯片，所以需要低噪聲、高電源紋波抑制比(PSRR)的電源輸出，因此在本系統(tǒng)中，對電源模塊的設(shè)計顯得尤為重要。低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout linear regulator )，俗稱LDO，其最大的特點是低噪聲，低成本，紋波小，精度高，電路簡單。在LDO的應(yīng)用中需要考慮壓差、噪聲、電源紋波抑制比(PSRR)、電源效率等重要參數(shù)。在以電池作為電源的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)選擇壓差盡量低的LDO，這樣可以使電池更長時間為系統(tǒng)供電。AS 1117是目前應(yīng)用廣泛的低壓差線性穩(wěn)

41、壓器系列，其最小壓差為1.2V，輸出電壓的精度在士1%以內(nèi)，輸出電流 800mA,靜態(tài)電流75uA，在10Hz到10KHz頻率范圍內(nèi)最大噪聲30uV。和傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器如LM317相比，AS1117具有很多優(yōu)勢，如壓差低，電源效率高等，LM317工作在3.3V, 1A時的效率低于50%,而 AS1117輸入電壓略高十3.3V時其效率可達90% 。 噪聲和電源紋波抑制比是無線射頻電路中對其影響最大的參數(shù)，在設(shè)計中應(yīng)重點考慮。噪聲通常是在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)的干擾，它會改變振蕩器的相頻和幅頻特性，同時振蕩器環(huán)路也會進一步放大噪聲，可能對載波產(chǎn)生調(diào)制。AS1117的輸出噪聲最大為30uV，

42、可以滿足設(shè)計要求。電源紋波抑制比(PSRR)是反映LDO輸出對輸入紋波抑制能力的參數(shù)。當(dāng)頻率為120Hz，壓差為3V時，AS1117的PSRR= 60dB，即當(dāng)輸入變化1V時，輸出變化1 mV，可見其紋波抑制能力是很強的。當(dāng)壓差減小時，PSRR的值會更大，最高可達75dB。在本設(shè)計中，采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要SV和3.3V兩種直流電壓，因此選用了3.3V固定電壓輸出的AS 1117芯片，它能夠為信號采集和數(shù)據(jù)傳輸電路提供低噪聲、高紋波抑制比、高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)的電源。除了選擇合適的LDO以外，電源電路設(shè)計還需要考慮電源濾波等。電源輸出用大電容并聯(lián)一個小電容的方式構(gòu)成濾波電路，大容量的電容可

43、以濾除紋波，改善瞬態(tài)響應(yīng)，0.1 uF的小電容可以將高頻雜波引入地，防止電源引線引入的高頻噪聲對單片機及其他電路構(gòu)成干擾。電源電路如圖2.16所示：圖2.16 電源電路2.3.7時鐘電路和復(fù)位電路ATmega 16的時鐘電路采用外部晶體振蕩器。在XTAL1和XTAL2兩引腳之間連接一個8M的晶體振蕩器，接兩個30pF小電容到地，如圖2.17所示。在設(shè)計電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能靠近單片機芯片，以減少寄生電容，使振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。ATmega 16在啟動運行時需要復(fù)位，使單片機和系統(tǒng)中的其它部件都處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。ATmega 16有5個復(fù)位源，本設(shè)計采用

44、上電自動復(fù)位和外部復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電自動復(fù)位采用低電平復(fù)位，如圖2.17所示。上電時，電容C11兩端電壓不能突變，形成一個電壓緩慢變化的過程，電壓緩慢上升，形成一段時間的低電平。這段時間的低電平低于ATmega 16上電復(fù)位門限VroT(典型值為1.4V)時，單片機就自動復(fù)位。圖2.17品體振蕩器電路外部復(fù)位通過引腳RESET輸入低電平實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，且振蕩器工作穩(wěn)定后，如在RESET引腳上加上持續(xù)時間大十最小脈沖寬度(約為1.5us)的低電平時，單片機復(fù)位。復(fù)位電路如圖2.18所示：圖2.18 ATmegal6復(fù)位電路2.3.8信號采集總體電路原理圖綜合以上各單元的設(shè)計，信

45、號采集系統(tǒng)的整體電路原理圖如圖2.19所示。整體電路圖包括二個數(shù)據(jù)采集板，U1-U3分別為各個采集板的MCU。轉(zhuǎn)換后的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)通過U1的串行口發(fā)送到U2；溶解氧和電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)通過U2的串行口發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端的U3；U3采集DS 18B20的溫度信號和pH信號，并對所有的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，準備數(shù)據(jù)的發(fā)送和顯示。圖2.19信號采集系統(tǒng)總體電路原理圖2.4信號采集系統(tǒng)軟件設(shè)計信號采集系統(tǒng)的軟件主要包括USART初始化、七段譯碼信號轉(zhuǎn)換、串行口發(fā)送與接收等。信號采集系統(tǒng)的硬件由一個采集終端和溶解氧采集板、電導(dǎo)率采集板組成，對不同的參數(shù)進行采集。為了程序編寫和下載的方便，信號采集程序采用一個主程序，

46、根據(jù)其采集參數(shù)的不同分為電導(dǎo)率模式，溶解氧模式和pH模式，設(shè)置不同工作模式的入口。信號采集終端的單片機PD2和PDS均不接地；溶解氧采集板的單片機PDS接地;電導(dǎo)率采集板的單片機PD2接地。單片機根據(jù)PD2和PDS是否接地判斷采集板的工作模式，從而進入不同的子程序。在電導(dǎo)率和溶解氧的工作模式中，采集板分別完成對電導(dǎo)率和溶解氧的信號采集和轉(zhuǎn)換;在pH模式中，采集板完成對pH信號的采集和轉(zhuǎn)換，同時完成對溫度信號的采集。pH模式是數(shù)據(jù)采集終端的工作模式，因此在pH模式的子程序中，還必須包含對所有數(shù)據(jù)的處理，包括將數(shù)據(jù)進行有線和無線傳輸以及送到LCD顯示。信號采集系統(tǒng)的軟件采用模塊化的設(shè)計思路，下面介

47、紹幾個主要的軟件模塊。2.4.1 USART初始化程序?qū)Tmega l6 USART初始化的操作包括串行口波特率和數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)置，以及根據(jù)需要使能接收器或發(fā)送器。串行異步通信不需要雙方使用同步的時鐘，但是雙方必須有相同的波特率，這樣才能保證數(shù)據(jù)可靠的傳輸。波特率可以通過設(shè)置波特率發(fā)生寄存器來確定。串行數(shù)據(jù)的幀格式通常由數(shù)據(jù)位加上同步位(起始位和停止位)構(gòu)成，其中起始位是必須的，停止位要求至少一位。在USART的初始化程序中，通過設(shè)置UCSRB和UCSRC寄存器，設(shè)置波特率為9600，數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準的串行格式，即：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位。并在初始化中使能串行口發(fā)送和接收，并響應(yīng)接

48、收完成中斷。2.4.2七段譯碼信號轉(zhuǎn)換程序 從ICL7126輸出的信號是七段譯碼信號，并不是實際所需的BCD數(shù)據(jù)。七段譯碼信號轉(zhuǎn)換程序的功能就是實現(xiàn)七段譯碼信號的轉(zhuǎn)換，以獲得可供傳輸和顯示的BCD數(shù)據(jù)，因此在信號采集的過程中很重要。 根據(jù)上一節(jié)中硬件的設(shè)計，ICL7126的輸出與ATmegal6的I/O口連接，ATmega 16首先通過軟件判斷是PD2還是PDS接地，從fu進入不同的工作模式，然后采集ICL7126的輸出信號，按一定對應(yīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。對應(yīng)數(shù)字每一位的顯示，IC17126都輸出對應(yīng)的七段譯碼信號進行驅(qū)動。以驅(qū)動個位顯示為例，IC17126的個位輸出引腳A1, B1, C1.G

49、1分別驅(qū)動段碼a段、b段、c段. g段，如圖2.21所示： 圖2.21-七段譯碼信號示意圖當(dāng)七段液晶顯示屏顯示“1”時，ICL7126引腳B1, C1輸出高電平，其他引腳輸出低電平，則gfedcba =0000110。在信號采集的硬件設(shè)計中，ICL7126其中一位的輸出引腳與ATmega 16的PA口連接，所以當(dāng)ICL7126驅(qū)動顯示“1”時，PA端口的輸入為0000110，即16進制數(shù)據(jù)0x06。但是0x06并不是表示數(shù)字“1”的BCD碼，因此還需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，建立PA口輸入數(shù)據(jù)0x06與表示1”的BCD碼0x01的對應(yīng)關(guān)系。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，對應(yīng)段碼顯示的1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,

50、 8, 9, PA口采集進來的數(shù)據(jù)分別是Ox3F, 0x06, OxSB, Ox4F, 0x66, Ox6D, Ox7D, 0x07, Ox7F,Ox6F，他們分別對應(yīng)BCD碼的0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06,0x07, 0x08, 0x09。通過這種對應(yīng)關(guān)系，建立PA口的采集數(shù)據(jù)與BCD數(shù)據(jù)的關(guān)系。每次PA口采集段碼信號后，按照這種對應(yīng)關(guān)系，直接轉(zhuǎn)換成BCD碼存至表示pH、溶解氧和電導(dǎo)率的數(shù)組中，這樣就可以實現(xiàn)七段譯碼信號與BCD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。以pH數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為例，程序?qū)A口和PC口的兩位譯碼信號通過上述對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換，直接將BCD碼存至表示pH

51、數(shù)據(jù)的數(shù)組PH_ data 中。PH_ data中的數(shù)據(jù)分別表示pH數(shù)值的兩位數(shù)據(jù)，可用于顯示和傳輸。為了防止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中可能出現(xiàn)的錯誤，設(shè)置PH_ data 為數(shù)據(jù)有效標(biāo)識，PH_ data為Oxaa表示讀取的pH數(shù)據(jù)有效，即轉(zhuǎn)換結(jié)果無誤;0x55則表示讀取的數(shù)據(jù)無效，即轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)了錯誤。只有有效的數(shù)據(jù)才予以顯示和傳輸。pH信號轉(zhuǎn)換程序的源代碼詳見附錄。2.4.3溫度信號采集程序溫度信號的采集程序需要根據(jù)DS 18B20的復(fù)位及讀寫時序完成對溫度信號的采集。使用DS 18B20時，首先需將其復(fù)位，然后才能執(zhí)行其它命令。復(fù)位時，單片機將DQ數(shù)據(jù)線置為低電平并保持480us-960us，然后釋

52、放數(shù)據(jù)線，再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉升至高電平并保持15-60us，然后再由DS 18B20發(fā)出響應(yīng)信號，以將數(shù)據(jù)線激發(fā)成低電平60-240us，這樣就完成了復(fù)位操作。單片機對DS 18B20寫數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)線置為低電平，該低電平應(yīng)大十1us。 DS18B20在數(shù)據(jù)線變成低電平后15us-60us對數(shù)據(jù)線進行采樣。單片機對DS 18B20讀數(shù)據(jù)時，單片機先將數(shù)據(jù)線置為低電平，然后釋放，以使數(shù)據(jù)線再升為高電平。DS 18B20在數(shù)據(jù)線從高電平變?yōu)榈碗娖降?5us內(nèi)將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上。單片機可在15us后讀取數(shù)據(jù)線以獲得數(shù)據(jù) 。 在對溫度信號的采集中，ATmegal6首先對其初始化，完成復(fù)位操作。由

53、于DS 18B20的ROM中保存著每個器件唯一的序列號等信息，而在本設(shè)計中不存在多個DS 18B20，因此對序列號的讀取可以直接跳過。復(fù)位完成以后，ATmega 16發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，DS 18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換指令后，開始啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就存儲在高速暫存存儲器的第1.2字節(jié)。由于采用12位分辨率時DS 18B20完成溫度轉(zhuǎn)換需要750ms的時間，因此需要進行延時操作。溫度轉(zhuǎn)換完成以后，ATmegal6通過DQ數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，對讀取的數(shù)據(jù)進行處理以后就可以用于顯示或者傳輸。 溫度信號采集程序的流程圖如圖2.22所示：圖2.22溫度采集流程圖2.4.4串行

54、口發(fā)送與接收程序電導(dǎo)率和溶解氧的數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送到主控MCU。數(shù)據(jù)是一幀一幀的發(fā)送的，一幀數(shù)據(jù)需要包含開始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志，以及采集板轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信息，約定一幀數(shù)據(jù)的格式如表2.1所示：表2.1幀數(shù)據(jù)格式根據(jù)串行口是否正在接收一幀數(shù)據(jù)，可將數(shù)據(jù)接收狀態(tài)分為空閑狀態(tài)和正在接收狀態(tài)，通過變量Receivestate表示，Receivestate = 0表示空閑，即一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，可以繼續(xù)接收下一幀數(shù)據(jù);Receivestate=1表示一幀數(shù)據(jù)正在接收。中斷服務(wù)程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)和接收狀態(tài)同時進行判斷，決定是否接收數(shù)據(jù)。接收中斷處理函數(shù)流程圖如圖2.24所示。圖2.23溶解氧串行數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖圖2

55、.24接收中斷處理函數(shù)流程圖2.4.5信號采集系統(tǒng)主程序溶解氧、電導(dǎo)率采集板和信號采集終端的信號采集軟件采用同樣的主程序設(shè)計，這樣可以簡化程序的下載和調(diào)試，縮短開發(fā)周期。主程序一開始就設(shè)置不同工作模式的入口，根據(jù)PD2和PDS是否接地判斷采集板的工作模式，從fu進入不同的電導(dǎo)率模式，溶解氧模式和pH模式子程序。主程序開始，設(shè)置PD口為輸入，對PD2和PDS是否為低電平進行判斷，根據(jù)PD2和PDS的低電平狀態(tài)進入不同的子程序。在各子程序中，根據(jù)工作模式的不同進行系統(tǒng)初始化，將相應(yīng)的I/O口設(shè)置為輸入，完成對不同信號的采集。對采集的pH、電導(dǎo)率、溶解氧和溫度信號完成BCD轉(zhuǎn)換，通過串行口發(fā)送。pH

56、模式的子程序還包括對所有數(shù)據(jù)的打包處理等。主程序流程圖如圖2.25所示：圖2.25主程序流程圖2.5本章小結(jié)本章對便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀信號采集系統(tǒng)的硬件和軟件進行了研究與設(shè)計。首先根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準提出采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，然后提出二次集成的設(shè)計方案，接著詳細闡述了以ATmega 16單片機為核心的信號采集電路，重點介紹了ICL7126與ATmage 16的接口電路和串行通信電路，并給出了信號采集系統(tǒng)的總體電路原理圖。最后介紹了以七段譯碼信號的轉(zhuǎn)換和串行通信為核心的軟件設(shè)計。第3章 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計3.1引言數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能是對采集的信號進行顯示和傳輸。本系統(tǒng)采集的信號較多，信息

57、量較大，需要對數(shù)值和監(jiān)測指標(biāo)同時顯示，因此需要選擇顯示信息量較大且能顯示漢字的液晶顯示屏(LCD)?？紤]到今后水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)男枨?，本系統(tǒng)還開發(fā)了數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。下面將對便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的傳輸系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進行介紹。3.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體方案設(shè)計3.2.1數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計要求數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)該充分考慮到將檢測信號直接進行LCD顯示和通過RF無線模塊進行無線傳輸和顯示的兩種工作模式。在進行便攜式應(yīng)用時，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用有線工作模式，將其與信號采集系統(tǒng)的單片機直接連接，就構(gòu)成便攜式的多參數(shù)水質(zhì)檢測系統(tǒng);當(dāng)加上RF無線模塊時，則可以構(gòu)成基于無線傳輸?shù)亩鄥?shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可用于無線水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。為了保證讀取的水溫、pH、溶解氧和電導(dǎo)率的數(shù)值是水體在同一時刻的數(shù)據(jù)，同時也為了讀數(shù)的方便，需要將多個參數(shù)的信息在LCD的同一個界面進行顯示，因此需要選擇顯示信息量較大的LCD；為了區(qū)分不同參數(shù)，需要顯示各個參數(shù)的數(shù)值以及對應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)，因此需要選擇能