摘 要

水是生命之源，地球表面积的百分之七十一是水，哪里有水哪里就会有生命，人的生命离不开水，工农业的发展也离不开水，因而水对于人类来说至关重要，然而随着经济的快速发展，生活用水和工农业用水都逐渐增多，暴雨泥石流等自然灾害也时有发生，人类的可持续发展正面临着严峻的挑战。我们要重视对水的研究，先通过水情检测器知水而后合理用水。我国幅员辽阔，大部分区域位于亚洲季风区，降水相对集中，河流水量变化比较剧烈，因而水情检测对我们来说是关乎民生的大事，不可小觑。

本文以PROTEUS软件作为仿真环境，以AT89C52单片机为核心，以一些相应的硬件电路作为外围功能电路，设计了一个能实时检测水情的装置，实现实时测量水位数据、水温数据、PH值等功能。外围主要由超声波传感器、PH传感器、温度传感器、A/D模块、单片机、显示模块、报警模块等组成。在硬件电路上在，通过传感器收集到的水位、PH值数据发送到单片机，温度传感器测得水温可以为超声波测距和PH值采集提供温度补偿校正，单片机存储实时数据，并显示在LCD液晶屏上，当水位值或PH值不在规定范围内,单片机发送信号给报警模块，系统会自动报警。在软件程序方面，设计采用的是C语言来编写相应的程序。通过软件程序和硬件电路的结合匹配实现对水情检测系统的水情数据的采集、显示和检测。

关键词：水情检测器；单片机；C语言；PROTEUS仿真

ABSTRACT

Water is the source of life. Seventy-one percent of the Earth’s surface is water. Wherever there is water, there will be life. Human life cannot be separated from water. The development of industry and agriculture is also inseparable from water, so water is important for humans. However, with economic development faster, domestic water, the user of industrial and agricultural water has gradually increased, and natural disasters such as heavy rain, mudslides and other natural disasters have also occurred from time to time. Human sustainable development is facing severe challenges. We must pay attention to the study of water. First we should know the water through the water condition detector and then use it rationally. China has a vast area, most of which are located in the Asian monsoon region. Precipitation is relatively concentrated, and the river water volume changes drastically. Therefore, the detection of water conditions is a matter of great importance to people's livelihood and cannot be overlooked.

This paper takes PROTEUS software as the simulation environment, takes AT89C52 as the core, uses some corresponding hardware circuits as the peripheral functional circuit, designs a device that can detect the water condition in real time, and realizes real-time measurement of water level data, water temperature data, and PH value. The periphery is mainly composed of an ultrasonic sensor, a PH sensor, a temperature sensor, an AD module, a single-chip microcomputer, a display module, and an alarm module. On the hardware circuit, the water level and PH value data collected by the sensor are sent to the SCM. The water temperature measured by the temperature sensor can provide temperature compensation correction for ultrasonic ranging and PH value acquisition. The SCM stores real-time data and displays it on the LCD screen. Above, when the water level or pH value is not within the specified range, the single-chip sends a signal to the alarm module and the system will automatically alarm. In the software program, the design uses the C language to write the corresponding program. Through the combination of software programs and hardware circuits, the collection, display and detection of the water regime data of the water regime detection system are realized.

Keywords: water detector;single-chip;C language;PROTEUS simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文的研究背景及意义 1

1.2国内外的发展现状 2

1.3论文的主要工作 2

第2章 系统总体设计 3

第3章 系统硬件设计 4

3.1传感器选型 4

3.1.1超声波传感器 4

3.1.2 PH传感器 5

3.1.3温度传感器 7

3.2主控芯片 8

3.3采集电路 11

3.3.1超声波测距模块 11

3.3.2 PH测量模块 12

3.3.3温度测量模块 13

3.4数据显示接口电路 13

3.5报警电路 15

3.6按键模块 15

第4章 系统软件设计 16

4.1 主程序 16

4.2 子程序设计 17

4.2.1超声波模块程序设计 17

4.2.2温度测量模块 20

4.2.3 PH模块 23

4.2.4 显示模块 24

第5章 结论 27

致谢 30

参考文献 31

附录A 32

附录B 32

第1章 绪论

1.1论文的研究背景及意义

在地球上，有水的地方就会有生命，生命的进化与繁衍离不开水，所有生命活动都和水息息相关，水在我们的生命历程中占着非常大的比重，有着至关重要的作用。水是生命的起源，是人类生存和发展的重要支撑，是人类不可或缺的重要资源。人的生命在任何时候都是离不开水的，水是人生命组成最重要的物质资源。在现代重要的工业中，没有哪个工业类型是可以离开水的，任何一种工业都或多或少的和水有着一些联系。我国地域辽阔地形复杂，又处在亚洲季风区，河流水量变化剧烈，暴雨洪水频发。如1998年长江流域发生特大洪水造成了历史罕见的灾害,给人民的生命财产造成了严重的损失。悲剧发生的原因有多方面，一方面原因是环境在经济发展过程中遭到破坏，比如花草树木遭到人为的践踏砍伐，填湖造田使天然蓄洪湖泊遭到严重破坏，一方面原因是技术的局限性，比如当时建设成功的防洪工程不足以抗衡特大暴雨洪峰，但是更重要的一个原因是水情检测技术比较落后，洪水来临之前没有及时报警导致水情不明，灾害迅速蔓延。所以水情检测是一项关乎到人民群众生命财产安全的大事，不容忽视。

水情检测在洪水预警、水污染监测与控制以及维护水体环境健康可持续发展等方面有重要作用。首先，人们的生活离不开水，每个人每天都需要摄入一定量的符合标准的饮用水，那么如果水中含有大量有害细菌，如伤寒、霍乱、痢疾等病菌时，便会迅速传播各种传染病，严重威胁生命安全；其次江河湖泊水是我们重要的资源，当水的PH值微量元素等指标超过某个临界值，水中会繁衍出大量浮游生物(如原生动物、藻类等)，造成水体的富营养化，会影响水的物理性质，并产生臭味和水色，同时也会破坏其所在的生态环境系统的平衡，可能造成不可逆转的损失。经济发展的重要组成部分工业也离不开水，工业生产用途不同对水质也有不同的要求，它的主要用途有原料用水、产品处理用水、锅炉用水、冷却用水、洗涤用水等。例如锅炉用水要求水中含钙、镁的盐含量不能超过标准，因为钙、镁的硫酸盐在锅炉里面将产生水垢，水垢不仅会使生产过程消耗更多的能源，而且也是重大安全隐患，可能会导致锅炉爆炸；工业中的冷却用水基本都要求循环使用，因而冷却用水也对水质有着比较多的要求，对水的浊度、PH值、钙镁含量等都有很严格的规定。

水情检测系统使用现代的技术手段对水文信息进行采集、存储、传输，然后通过计算机进行水文信息的处理判断，实时获得水文信息如水位、PH值等，通过了解水情达到监控江河湖泊水位预防洪水，降低经济损失，保护人民生命安全的目的，同时也有利于提高对水资源的合理利用，实现可持续发展的展望。

1.2国内外的发展现状

20世纪60年代之前，水情信息的采集基本是靠人工完成，采集到的水情信息通过电报或者有线电话传送，这严重影响了水情信息的实时性，很难根据水情信息及时作出预防措施。水情检测系统使用现代的技术手段实时采集处理水情信息，在这方面国外发展较早，技术也比较先进。20世纪60年代开始欧美日等发达国家投入大量资金研究发展水情检测系统，在那个年代诞生的水情检测系统所用的预报技术、通讯技术都是当时最先进的。水情检测系统的发展过程中，美国的SM公司贡献很大，1976年SM公司研制出当时世界上第一套水情检测系统，其生产的设备在美国水情检测领域使用最为广泛。20世纪80年代后，各种雷达、卫星等设备出现在水情检测系统中，1987年美国拥有的8000个水文站中超过一半采用了GOES卫星来传输数据；1986年日本也建成了当时世界上最大的水情数据收集系统，该系统采用的是雷达和遥测数据在线处理技术。90年代之后，水情检测系统的发展紧跟时代的脚步，不断结合当时的先进技术，大大提高了水情信息的有效性和处理速度。

我国水情检测系统的发展起步较晚，1975年河南板桥水库等几个水库因暴雨决堤，人民的生命财产安全损失巨大，从此我国开始研制水情检测系统，早期研发的系统仿制当时日本的一些系统，以我国国产设备为主，辅以分立元件和小规模的集成电路，采用应答式的工作体质，这种系统可靠性比较差，能耗比较高，性能较低，急需新的技术来进行改造取缔。80年代我国与美国SM公司合作建设了黄河三花区间的水情检测系统，这大大提高了我国的水情检测技术，工作模式也渐渐多样化，不再局限于早期的应答式，单片机、大规模的集成电路等逐渐走上了我国水情检测系统的舞台。90年代是我国水情检测技术迅速发展的时期，单片机的集成技术不断提高，水情检测新系统也向高度集成的方向发展，而我国微机技术的进步和国外技术设备的引进开阔了眼界，明确了发展方向。进入21世纪后，随着水利通信技术的发展，数据的传输从有线到无线，从短波、超短波发展到数字微波、无线接入、卫星和程控交换，特别是近几年来，国外先进技术的引进，给我国防汛通信网建设注入了新的活力，防汛通信网从数量到质量都获得较大进步，是非工程防汛措施的重要部分，是水情检测系统的重要组成。

1.3论文的主要工作

（1）设计一种水情检测器，这种水情检测器的控制核心是单片机，采集模块包括温度测量模块、超声波测量水位模块、PH值测量模块，同时系统还有数据显示模块、报警模块、按键模块；

（2）这个水情检测装置能够实时测量水位、水温和水的pH值,并通过LCD液晶屏进行数据显示；

（3）当测量得到的水位值或PH值不在设定范围内,系统会自动执行声光报警。

第2章 系统总体设计

此次设计的水情检测系统需要测量的数据：水位、温度、PH值；测量得到的数据通过LCD液晶屏进行显示；同时整个系统要有报警装置。系统总体的设计思路就是分模块进行设计，大致分为以下几个模块：

（1）单片机模块的设计：根据功能要求以及运行速度内存等因素进行单片机选型。

（2）水位测量模块的设计：根据实际要求采用超声波传感器测量实时水位，采用时间差测距法测出超声波从发射到到接受到反射波的时间t，根据公式测得水位.

（3）PH值测量模块的设计：采用符合功能要求设计精度的PH传感器。

（4）温度测量模块设计：根据设计要求采用合适的温度传感器，测出水温同时为水位和PH的测量提供温度补偿所需相关数据。

（5）LCD显示模块设计：根据需要显示的内容和数据的大小选择合适的LCD。

（6）报警模块设计

（7）A/D转换模块的设计：为传感器测得的信息与单片机进行传输提供信号类型转换。

系统框图如图2-1

图2-1系统整体框图

由图2-1可知，整个设计的硬件与软件都是分成模块进行设计，硬件方面使用PROTEUS软件作为仿真环境，搭建电路图；软件方面采用C 语言进行程序的编写，硬件与软件匹配完成设计要求。

第3章 系统硬件设计

3.1传感器选型

3.1.1超声波传感器

超声波传感器是一种可以把超声波信号通过一些元件的搭配转换成其他信号（通常是转换为电信号）。超声波是一种机械波，通常是振动的频率大于20KHz，它具有频率高、波长短、方向性好、定向传播等特点。超声波的有效的传播介质非常广泛，超声波可以通过液体、固体、气体等媒介进行传播，而且超声波作为机械波的一种（声波带有能量）可以用来传输比较强的能量，作为机械波的一种，当超声波在介质中传播时，当触碰到极限的界面时，就会发生反射、干涉等现象，尤其是当超声波在液体中传播时，超声波的反射可以形成反射回波，通过测量超声波发射声波到接受到超声波的反射回波的时间，而超声波声速已知可以计算得到液体的高度。

一般来说产生超声波的装置大致可以分为三类：第一类是机械型超声发生器，这种类型的超声波发生器的典型代表有气哨、汽笛和液哨等；第二类是电动超声发生器，这种超声波发生器的制作原理是利用电磁感应和电磁作用；第三类超声波发生器通常被称作电声换能器，这种超声波发生器的制作原理包含两大原理，一是利用压电晶体的电致伸缩效应，二是铁磁物质的磁致伸缩效应。超声波发生器种类繁杂，现在在实际操作中我们最常用的超声波发生器是压电式超声波发生器，压电式超声波发生器的重要部件是压电晶体，有压电晶体的超声波传感器一般都是可逆传感器，即由压电晶体组成的超声波传感器可以当做超声波发送器使用，将电信号通过机械振荡转换为超声波信号；同时也可以当做超声波接收器使用即传感器接收到超声波信号时，可以将超声波信号转变为电信号^[6]。

本设计采用的是HC-SR04超声波模块。HC-SR04超声波模块使用的是T40-16T/R超声波传感器，整个模块包括四部分，分别是：超声波发射器与接收器、超声波控制电路以及电源。HC-SR04超声波模块具有以下优点：

（1）典型工作用电压：5V；

（2）非常小的静态工作电流：小于2mA；

（3）感应角度：不大于15度；

（4）探测距离：2cm-400cm；

（5）高精度：可达0.3cm；

（6）盲区（2cm）超近；

（7）能够完全谦容GH-311防盗

HC-SR04超声波模块工作原理：

(1)模块的触发端口为TRIG，这个端口属于输入/输出端口，触发信号为高电平信号，当通过TRIG 给模块一个至少10us的高电平时，超声波模块工作开始测距

(2)当超声波模块的被触发后，模块内部会作出反应，自动发送一个方波型脉冲，这个方波型脉冲具体的数据为8个频率为40khz，然后模块开启自动检测，通过模块内部的检测命令来确定超声波测量距离的过程中是否有相应的反射回波信号返回。

(3)如果模块检测到测距时有反射回波信号返回，那么模块会通过另一个输入/输出端口ECHO 输出一个高电平，这个高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。超声波模块测量距离为高电平时间与声速的乘积的一半。

当模块的TRIG端收到一个10uS以上脉冲触发信号时，模块被触发开始工作，这时模块的内部将发出8个40kHz的周期型脉冲电平信号，同时模块执行自动检测命令来检测是否有接收到反射回波信号。如果模块检测到有反射回波信号并成功接收，那么此时模块的输出端ECHO就会有一个高电平信号产生作为回响。这个高电平的脉冲回响信号的脉冲宽度与检测的距离成正比例关系。所以通过测量发射信号到收到的回响信号时间间隔就可以计算得到距离。

3.1.2 PH传感器

水情检测需要测量的一个非常重要的数据就是水的PH值。首先，如果检测的对象是饮用水，那么需要测量所得数据实时准确，对人体而言，无论饮用水的PH值是偏酸性还是偏碱性都会导致人体中毒，身体健康的平衡会被打破，严重威胁生命安全，目前世界上很多国家对饮用水PH值的标准都有严格的要求，越来越多的人关注饮用水的水质是否达标；其次，工农业用水对PH值的要求也很高，而且不同用途的工农业用水对PH值的要求也差别很大，PH值不符合要求的农业用水可能会导致农作物减产严重的会导致农作物枯萎死亡，至于工业用水，如果水的PH值达不到这项工业的要求，很可能会腐蚀工业设备，严重的会产生许多安全隐患，威胁到工人的工作安全。总之，现在PH值的测量非常重要，可以说和我们的生活和社会的进步发展息息相关。

PH传感器是一种通过测量被测物中氢离子浓度然后把测量得到的数据利用一些转换元件变成相应的可以输出得信号的装置。测量氢离子浓度通常是通过测量玻璃电极和参比电极之间的电位差的方式得到数据，进而测量得到被测溶液的PH值。PH传感器一般包含两部分：化学部分和信号传输部分。根据PH传感器的输出信号的类型可以把PH传感器分为两大类：电压型和电流型。电压型的PH传感器与相应的单片机连接时根据信号的强弱需要搭配不同的电路，如果信号比较小那么需要将小信号通过电桥和放大器然后通过相应的AD芯片进行数据类型的转换然后和单片机进行通讯，如果是比较大的信号，那么可以直接进行采集。电流型PH传感器与单片机连接相对比较简单，如果电流达到了毫安的级别，那么可以直接进行电阻采样然后结合AD芯片进行数据类型的转换后就可以和单片机进行通讯，而如果电流是微安级别那么首先需要的就是对电流进行放大处理，如果电流的级别更低，这时就需要有专用的仪表放大器进行电流的放大。

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