基于单片机的光电浊度测试

毕业设计（论文）

基于单片机的光电浊度测试仪设计

院 别 专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师

控制工程学院 测控技术与仪器

5100909 凌云志 张宝健

2014年6月16日

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页

基于单片机的光电浊度测试仪

摘 要

水体浊度是由微小颗粒，通过淤泥、粘微生物和有机物等悬浮物造成的，它的浊度大小不仅与水中悬浮物质的含量有关，它们的大小、形状及折射系数等也对浊度产生较大影响。我们日常测评水质重要的指标可以通过测试水的浊度。随着人们生活水平日益提高，所以对与水质的要求也相应变的更加严格，从而对浊度测量的精度准确度也提出了更高的要求。因此为了改变目前大量采用国外浊度仪的现状，我国应该自主开发高性能的高精度的浊度测量仪器。水浊度检测系统以单片机控制技术为核心，经过信号采集、处理由液晶显示屏显示出来，来实现对水的浑浊度检测。采用AT89S52单片机，围绕浊度检测系统进行了硬件和软件设计，目的就是设计实现一个具有一定实用性的水浊度检测系统。本浊度设计系统可以直观的反映出水的浊度以及超过一定浊度限值报警。它主要由通过单片机控制的显示模块、数据采集模块和前置放大模块组成，采集模块通过光电式水浊度传感器进行水浊度检测，再由显示模块和报警电路进行预警。

关键词： 单片机，液晶显示屏，前置放大模块，浊度传感器

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Microcontroller-based photoelectric turbidity tester

Author:Ling Yunzhi

Tutor:Zhang Baojian

Abstract

Turbidity is fine particles, such as silt, clay, organic matter and microorganisms caused by not only the content of suspended substances in the water, but also to their size, shape and refractive index and so on. Water turbidity indicator of water quality is a very important merits. As people's living standards are improving, so the water quality requirements have become more stringent, and thus the accuracy of turbidity measurement accuracy is also put forward higher requirements.To change the current status quo extensive use of foreign turbidity, the urgent need to develop high-performance turbidity measuring instruments.

Water turbidity detection system with single-chip microcomputer control technology as the core, after signal acquisition, processing by LCD display, to achieve the water turbidity detection.AT89S52 SCM, around by turbidity the system hardware and software design, the purpose is designed and implemented a certain practical data acquisition system. The turbidity can directly reflect the design of the system water turbidity and turbidity exceeds a certain limit alarm. It is mainly composed by microprocessor controlled display module, data acquisition module and preamp modules, acquisition module is detected by photoelectric water turbidity water turbidity sensor, and then by the display module warning and alarm circuits.

Key Words:Microcontroller Unit, LCD, Preamplifier module, Turbidity sensors

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目 录

1 绪 论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题提出的目的及意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................... 1 1.3 发展趋势 ....................................................................................................................... 2 1.4 本课题研究的主要内容 ............................................................................................... 3 2 总体方案设计 ...................................................................................................................... 6 2.1 方案比较 ....................................................................................................................... 6 2.1.1 方案1 ................................................................................................................... 6 2.1.2 方案2 ................................................................................................................... 6 2.2 方案论证 ....................................................................................................................... 7 2.3 方案选择 ....................................................................................................................... 7 3 单元模块设计 ...................................................................................................................... 9 3.1 单片机模块 ................................................................................................................... 9 3.1.1 单片机最小系统电路设计 .................................................................................. 9 3.1.2 AT89S52介绍 .................................................................................................... 10 3.2 模数转换模块 ............................................................................................................. 12 3.2.1 A/D转换电路设计 ............................................................................................ 12 3.2.2 ADC0832介绍 ................................................................................................... 13 3.3 信号采集模块设计 ..................................................................................................... 15 3.3.1 水浊度检测原理 ................................................................................................ 15 3.3.2 传感器信号采集模块设计 ................................................................................ 16 3.3.3 传感器介绍 ........................................................................................................ 17 3.4 电源电路模块设计 ..................................................................................................... 19 3.5 前置放大电路设计 ..................................................................................................... 19 3.6 存储器接口设计 ......................................................................................................... 20 3.7 其它模块设计 ............................................................................................................. 21 3.7.1 矩阵键盘设计 .................................................................................................... 21 3.7.2 显示电路设计 .................................................................................................... 22 3.7.3 串口通信电路设计 ............................................................................................ 23 3.7.4 报警电路设计 .................................................................................................... 24 4 系统软件设计 .................................................................................................................... 25 4.1 水浊度数据采集程序设计 ......................................................................................... 26 4.1.1 模拟量采集程序设计 ........................................................................................ 26 4.1.2 A/D转换程序设计 ............................................................................................ 26 4.1.3 水浊度比较处理程序设计 ................................................................................ 27 4.1.4 键盘扫描程序设计 ............................................................................................ 28 4.1.5 存储程序设计 .................................................................................................... 29 4.2 显示子程序设计 ......................................................................................................... 30

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页 4.3 通信程序设计 ............................................................................................................. 31

5 系统功能、指标参数 ........................................................................................................ 32 结 论 .................................................................................................................................. 33 致 谢 .................................................................................................................................. 35 参考文献 .................................................................................................................................. 36 附 录 .................................................................................................................................. 37 附录A ................................................................................................................................. 37 附录B ................................................................................................................................. 45 附录C ................................................................................................................................. 46

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1 绪 论

1.1 课题提出的目的及意义

当前，单片机已经与我们的生活息息相关，它成为了生活中不可或缺的一部分。许多领域都离不开单片机，比如飞机的仪表需要单片机进行实时控制，计算机的通讯与数据传输需要单片机，工业过程需要单片机进行的自动控制，各种由单片机制作的智能IC 卡、电子宠物都充斥着我们的日常生活。因此，对单片机的开发与利用，可以让我们更加高效，丰富的生活。

浊度的定义是：表示当光线透过试液时，试液中的悬浮物对光线的阻隔程度。虽然浊度同水中的悬浮物质的数量有关系，浊度与水中的悬浮物质的含量这两个定义并不对等，所以直接用浊度来表示水中杂质的含量的做法实不可取的。水浊度的测量方法：由于光线穿过测量水样会发生散射与透射现象，所以我们可以利用这种现象将对水质浊度的测量，转换为对传感器检测的电信号的测量与控制。

由于水中存在大量悬浮物如泥土、浮游物、沙粒等，而这些悬浮又为病毒等有害微生物提供了较为安全的生存环境，所以在较常规的消毒过程中这些隐藏的微生物很难被祛除。因此，水质浊度在生产、生活中的作用就尤为重要。目前，人们对生活水平的档次要求很高，所以对饮水卫生安全更加重视，这也就造成了对水浊度的关注度更加迫切。本设计通过将水浊度转化为电信号（光学散射式浊度测量法），通过51单片机的处理，测得水质相应浊度。通过对水浊度的检测，人们可以更加放心用水，更加有效用水。 1.2 国内外研究现状

国内浊度仪器的现状：我国的浊度仪与国外的相比较，处于很大劣势，并且技术性能差距很大，也就造成了我国从事水质分析仪器这方面的企业就寥寥无几，也就使我国的浊度仪更加落后于国外。长此以往，国内浊度仪的前景可想而知。国人对浊度仪的研究随着科学技术和跨国企业的发展，才逐渐认真起来。即使在这样的情况下，国产的浊度仪不论是型号还是使用上都与国外的差距甚大，并且操作麻烦不便捷，测量范围也很有限，所以在自来水厂、工厂上很难普及使用，这些都制约了国内浊度仪的发展。另外，国内的浊度仪还面临着光源的稳定性，寿命的长短、传感器的不能稳定性测量等重要问题。同时，浊度仪的核心部件的短缺也是限制国内浊度仪发展的重要问题。比如，浊度仪关键的部分浊度传感发送器需要800nm波长的红光二极管，这是高性能浊度传感器必

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须的。在这之前，800nm波长的红外LED发光器件由国内产出的非常少，绝大部分的器件都被固定的几个外国制造厂商浊度仪垄断，但是它们在市场上并不随意出售。所以，想在市场上直接购买这种LED发光器件成为了一个几乎不能解决的问题。因此，国产的器件只能退而求其次；为了降低仪器的生产成本，生产的浊度仪无论是精度还是准确度都差强人意并且可操作性不好，这样的后果也就使国内这样的分析和监测工具在市场上的占有率大大降低，使我国的精密仪器水平整体下降。近些年来，国人在国外先进浊度仪技术的基础上，推陈出新研发出了一些浊度仪器品种。虽然这些浊度仪和进口的有差距，但相比于以前却有了长足的进步。它的适用范围有很大提高，这也就在一定程度上填补了我国浊度仪的空白。但是国内的浊度仪设计还不能让人满意，与达到生产要求还相差甚远，所以国内的浊度仪研究任重道远。

国外浊度仪器的现状：相较于由于没有仪表生产基础与经验的国内生产的落后，单一的浊度仪，国外的浊度仪技术更加先进、性能更加优良，仪表的品种更加丰富多样。那些国外先进的浊度仪都有一个共同点：均与单片机紧密相连。先进的国外浊度仪在测量前能够无需重新设定参数和更换检测探头，而只需能通过按下转换功能键进行直接测量。这就大大增大了检测仪器的使用范围，另外这种检测仪的操作更加简便，容易上手，更适用于大众的生产生活中。并且这些几乎所有的产品都具有自动清洗的功能，可以使仪器在粘性产业领域，生产污水等更恶劣的工业环境使用。检测人员可以对自动清洗程序进行设定，这样使浊度仪能够长期、稳定、连续地运行得到了保证。 1.3发展趋势

随着人自身对健康的关注和社会上日益严重的水资源短缺和水质恶化，使人们更加了解到的质检测仪器的发展已迫在眉睫。从1995年至1999年这四年里，年均销售额在全国的水质分析设备约为$ 217亿，与中国的平均销售额只有大约$ 20亿，占多个项目的全球总销量的3.8 ％，因此，中国的水质量检测仪器的主要来源都是从国外购买。“十二五”期间，国家要求县以上的所有用于城市污水处理厂必须采用在线监测，所以水质检测仪器的需求数量巨大。进口发达国家的检测设备大约占国内检测仪器的95 ％，而国内的仪器的质量较差，精度较低，维修成本偏高，价格较贵等缺点，企业与工厂更加倾向于进口的检测仪器。所以，国产的浊度仪相较于国外的市场占有率较低。

随着我国综合实力的整体提升，半导体技术的研制与开发与日俱增，目前我国已经

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能自主开发高性能检测仪器的核心部件。因此，在这样的国内环境下，国产的高质量的浊度仪具有非常现实的意义与基础，所以生产出与国外媲美的高性能水浊度检测仪已不是梦。在这样的情况下，我国分析仪器产业链将会迎来春天，这样能够有效摆脱国外仪表公司的技术垄断。 1.4 本课题研究的主要内容

我们把对水的透明程度的描述即是浊度。原则上浊度表示的是：当光线透过水溶液的时候，水中固体颗粒、有机物等悬浮物质能够对光线产生不同程度的阻碍程度。虽然浊度同水中的悬浮物质的数量有关系，浊度与水中的悬浮物质的含量这两个定义并不对等，所以直接用浊度来表示水中杂质的含量的做法实不可取的。浊度表明了水中存在大量悬浮物如泥土、浮游物、沙粒等，而这些悬浮又为病毒等有害微生物提供了较为安全的生存环境，所以在较常规的消毒过程中这些隐藏的微生物很难被祛除。据实验研究表明，不同等级NTU代表水中有机物祛除量，如当试液浊度为2．5NTU时，代表水中有机物去除了27．3％；浊度1．5NTU，则表示有机物去除了61％；浊度0．5NTU时，有机物去除了79．8％；当浊度小于0．1NTU时，这表示有机物在很大程度上被去除干净，由于水质的浊度较低即悬浮物质含量很少，所以病毒、细菌等微生物由于缺少安全环境而被杀除。所以，浊度值在无论在生产还是在生活中占据了非常重要的位置[1]；不同的浊度值表明水中病毒等有害物质的含量。浊度越高，则表明水中富含有机物和各种有毒物质，在生活饮用水中将会使人体致病，在工业生产中将会对设备产生损耗，大大增加了生产成本。所以，浊度是一项重要的生产参数。此外，为了保证人民用水安全，国家新出台的饮用水标准指出：居民生活用水的龙头中流出的水浊度绝对不能超过1NTU，因此供水者为了对普通人民的用水健康着想，必须要对水龙头中的水浊度进行精密的监测和及时的控制。

本设计采用的是散射式浊度的测量方法。浊度传感器是水质浊度检测的关键装置。我的设计思路是浊度传感器可以利用90°方向的散射光作为测量信号。因为水试液中的悬浮颗粒会将入射光产生阻隔与反射，浊度传感器中的内置检测器会对反射光进行检测，用这种方法可以较简便的测出相应浊度。之所以选择散射法测量，是因为散射法测量对系统的稳定性要求不是那么严格，这种方法能够实现对整个检测系统的稳定性要求。水对于我们至关重要，我们离不开水。因此我们必须要珍惜每一滴水，有效的利用

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每一滴水。

本毕业设计论文把水质浊度的检测与测量作为研究对象，将AT89S52单片机作为整个设计系统的核心部件，这个检测系统它以光电浊度传感器为基础，完成水浊度的检测、浊度显示与报警功能。

浊度的测量方法：现行浊度测量的方法有两种，一种是仪器分析法，另一种则是化学分析法。他们各有自己的应用范围。就使用环境而言，化学分析法适可以用在实验室、野外作业；仪器分析法依靠传感器检测880nm的近红外光，将测量浊度值转换为测量光信号，然后将光信号转换为系统能够识别的电信号，根据一定关系测得浊度值的大小。在工业生产中，过程中要求浊度检测仪必须能够进行长期的、连续的检测与分析；而实验室浊度仪则恰恰相反，进行地是有间隔的实验室或现场分析的水质浊度测量。仪器分析法有如下几种基本方法：

(1) 透光式测定法的原理：当光线经过试液时，光线被减弱的程度同试液的浊度具有一定关系，即特定的函数关系。因此，我们可以将抽象的问题转换为具体的问题，在这里就是将测量试液的浊度问题转化为对透过待测浊液光线强度的测量问题。而透射光线强度的变化与浊度有较大关系，即光强会随着浊度的增加以指数形式衰减。

IR=Io exp(-KTL)

（注：上式中，入射光的强度:Io，液体透光层厚度:L ，比例常数:K ，透射光的强度:IR，水的浊度:T。）

IRI0光源试样槽光阑图 1.1 透射法测量原理

探测器

(2) 散射测浊度法的原理 : 光线照射在液体中的沙粒、胶质物质等会引起光的散射，因此通过测得散射光的强度即间接反映了水溶液的浊度。当待测溶液浊度较小的情况下，可用下式来表示在光线90o方向所接受到的散射光强度：

IR=IO(KNV2/?4)

（注，上式中，入射光的强度: I0，系数:K ，单位容积的微粒数:N ，微粒的体积:V ，

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入射光波长:λ。）如果上式中的 λ 、 V 为常数，那么括号中的KNV2∕λ4将会与待测溶液的浊度成正比，则有：

IR=KTIO

（注：上式中 T 为水的浊度，K’为系数）按散射测浊度法测量方向的不同，分为:前式、垂直式和向后散射式等三种方法。

(3) 透射光和散射光比较测定法: 显而易见，它是依据透射光和散射光两种方法的综合。具体步骤是：采用测量到的透射光强同测得的散射光强进行比较，以此来测量水的浊度。这种方法最大的好处就是能够有效的消除部分干扰，这也就大大提高了水质监测仪器的灵敏度。

(4) 表面散射法的原理:根据传感器测量发生在近水表面层的散射光强度，将光信号转换为电信号，从而得到水溶液的浊度值。这种方法是一种非接触的测量方法。由于仪器的接收光学系统与水样没有直接进行接触，这样就避免了探头因长时间与水溶液接触而产生的结垢腐蚀现象，从而避免因清洗探头而带来的仪器磨损。另外，依据这种方法的制得的检测仪器测量范围宽、线性度好，能够满足较高水平的浊度测量。

(5) 偏振法的原理: 光线照射那些较为粗大的颗粒，光线会在其表层产生偏振光现象，颗粒的大小、形状会影响偏振光的偏振程度。因此，对偏振度的检测，也是测量水质的浊度的一种途径。

探测器IRIO光源光阑式样槽

图 1.2 表面散射法测量原理

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2 总体方案设计

水浊度检测系统要求是从浊度传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中采集信息的过程。要想实现测量系统的灵活与用户自定义，我们需要以计算机为辅助条件，并以它为系统的基础部分，在这个基础上衍生出测量所需一系列的模块，他们共同组成了数据采集系统。本设计系统中的浊度传感器的分辨率被设定为0.1NTU(精度为±1%)。在系统采集数据之后，系统需要通过串口将数据传向显示端，显示测量的浊度值。 2.1 方案比较 2.1.1 方案1

此方案总体设计如下图2.1所示，该控制系统以51单片机为核心装置，系统的外围电路包括了硅光电池部分、电流部分、调理电路、A/D转换、程序存储器、数码管显示、键盘等几个部分。

原理：采用的是散射光测浊度法。具体步骤如下：硅光电池作为传感器接受器，它能感受散射光的信号，并将散射光信号转换成电流信号，但是这个电流信号非常微弱，如果直接引入，单片机不易识别并且存在较大误差。所以转换得来的电流信号必须要经过前置放大器进行放大，然后将放大后的电流信号输入到A/D转换器中进行模/数转换，A/D转换后会得到的数字信号，将数字信号传输到单片的控制芯片并将其存储，测量得到的浊度值通过会串行的方式送到数码管上，显示出其浊度值。

光 信 号 硅光电池 电流 调 理电路 A/D转换 单 片 机 程序存储器 数码管显示

图2.1 方案1原理框图

键盘 2.1.2 方案2

方案二不同于方案一，它是一种以AT89S52单片机为核心，通过单片机的控制指令对系统中的各个部分进行实时的、自动的控制的测量系统。系统上电后，光学传感器将光信号转换成电流信号，但是这个电流信号非常微弱，如果直接引入，单片机不易识

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别并且存在较大误差。所以转换得来的电流信号必须要经过前置放大器进行放大，然后将放大后的电流信号输入到A/D转换器中进行模/数转换，A/D转换后会得到的数字信号，将数字信号传输到单片的控制芯片并将其存储，测量得到的浊度值通过会串行的方式送到数码管上，显示出其浊度值。原理方框图如下图2.2:

键盘 报警电路 LCD显示 AT89S52 A/D转换器 RS-232 传感器 放 大 电源 EPROM 图2.2 方案2原理框图

2.2 方案论证

方案1：该检测装置采用的是硅光电池来对散射信号的采集，加上调理电路，在经过A/D转换器电路，最终将信号输出到单片机中，系统线性误差小。

方案2:该检测系统由单片机最小系统模块、信号采集模块、前置放大模块、A/D转换器模块、报警模块、液晶显示模块等电路组成。方案2的电路可应用于日常生活中。本设计系统具有功耗小、控制系统简单、很容易控制操作，并且系统整体性能稳定的优点，所以其可以在一些较小型电路的设计中得到较好的运用。 2.3 方案选择

上述两种方案均可以实现对水浊度进行测量。但是温度的变化会制约方案1中的硅光电池接受光强而产生的短路电流。温度上升，电路中的短路电流会缓慢增加。所以，由于我们无法掌控水温，所以水温的变化会影响到测量的浊度值的准确度，这就会使测量方案出现较大误差。所以为避免较大误差，在具体实施当中，还必须得考虑进行适当的补偿。方案二是通过采用WTW浊度传感器进行数据采集，再通过前置放大电路至A/D转换模块，最终将信号输出到单片机当中。该方案的数据采集前端是利用的WTW

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浊度传感器。这种传感器能够自行清洗器件，所以这也就能够保证传感器可以进行长期地、可靠地运行。这种方案采用的是散射光比浊法，能够有效的抑制因为测量环境而产生的干扰，使测量结果更加真实有效。

基于上述两方案比较、论证，方案二更容易实现本次设计的要求，所以选择方案二。

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3 单元模块设计

我设计的浊度检测系统以AT89S52单片机为核心，以方案二的系统原理框图为设计依据，进行硬件电路的设计，包含单片机最小系统模块、电源电路模块、A/D转换模块、信号采集模块、报警模块、显示模块、存储器模块等单元模块设计。信号采集模块使用WTW浊度传感器；A/D转换模块采用ADC0832芯片；显示模块使用的是1602LCD点阵液晶显示屏及其外围电路；存储模块使用的是HT24LC02芯片及其外围电路。 3.1 单片机模块

基于单片机的设计比传统设计更为灵活，设计电路简单，功能更强大。单片机最小系统：单片机及其外围电路（晶振电路、复位电路）等组成。 3.1.1单片机最小系统电路设计

AT89S52单片机的最小系统设计电路，如图3.1所示。

VCCS17KEY4VCCP10P11P12P13P14P15P16P1712345678IC2P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDX2P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.739383736353433322122232425262728P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27P00P01P02P03P04P05P06P0710K X 8P0加10K排阻提高驱动能力RP1R71KC204.7uFRSTR910K复位电路RST9VCCR1010KRXD10TXD11INT012INT113T014T115WR1617RDX21811.0592MHsCY1X119R1110KC2222pFEA/VPALE/PPSEN3130ALE29PSENVCCX1AT89S52C2122pF图3.1最小系统电路图

单片机最小系统

由于图3.1中的INT1和INT0口是接的VCC，所以这两个端口的作用只是IO口，它们不能再被用来作为外部的中断口；由图可得，芯片使用的晶振频率是11.0592MHz；P0口的功能是单片机将检测的数据送入液晶显示屏进行显示，之所以接8个10K的排阻的作用是为了提高单片机的驱动能力；系统供电电源为+5V直流电源。操作前，单片机内部寄存器必须进行初始化，只有在寄存器初始化之后，单片机才能在系统上电之后

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 保证正常工作；当系统掉电时，也要保证系统能正常复位[3]所以同时也设计了传统的按键复位电路，按键S17按下产生一个高电平，方便需要时进行手动复位。 3.1.2 AT89S52介绍

1、AT89S52单片机内部结构

(1)中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机最核心的部分,CPU的主要作用是进行系统的运算和控制。AT89S52型单片机的CPU可以按照字节和位运算操作来对数据的处理。

(2)内部数据存储器（RAM）：RAM片内是128个字节，而其片外能够扩至64K字节，它的功能是存放可读写的程序。

(3)程序存储器（ROM/EPROM）：AT89S52单片机片内有8K EPROM，而其片外能够扩至64K字节，它的功能是存放程序和一些原始的数据。

(4)中断系统：具有5个中断源源（一个串行中断，两个外部中断及三个定时中断）。 (5)定时器/计数器：AT89S52单片机片内有16位的定时器/计数器两个，有4种工作方式。它的功能是定时和计数。

(6)串行口：AT89S52单片机有1个全双工的可编程串行口，它具有4种工作方式。串行口的功能是完成单片机同其他设备间的串行数据的传送。

(7)并行I/O口为：P0、P1、P2、P3口。 2、AT89S52单片机的引脚分配及功能 AT89S52单片机的引脚如图3.2所示。

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 123456781312151431191891716P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1/P3.3INT0/P3.2T1/P3.5T0/P3.4EA/VPX1X2RESET9RD/P3.7WR/P3.6RXD/P3.0TXD/P3.1ALE/PPSEN10113029P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.739383736353433322122232425262728

图3.2 单片机引脚图

(1）主电源引脚：VCC：主电源+5V；VSS：接地。 (2) 时钟引脚：XTAL1、XTAL2外接晶体两端。

(3）控制信号引脚（RST/VPD）：单片机的内部各寄存器在系统刚上电时会处于随机状态，要想使单片机复位（RESET），只要输入24个时钟周期以上的高电平，单片机即会复位。VPD的功能是单片机的备用电源输入端，防止因系统不正常的断电而造成信息丢失。

(4)ALE/PROG：当单片机需要访问片外存储器时，ALE为允许锁存地址。该端能够固定输出正脉冲信号。PROG作为第二功能，它的作用是EPROM编程（固化）时，作为输入编程脉冲。

(5)/PSEN：当单片机需要访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。当CPU需要向片外存储器取指令，在12个时钟周期内，/PSEN信号将会生效两次。如何知道单片机是否在工作：可以通过判断/PSEN、ALE、XTAL2端口是否有信号输出。

(6）EA/VPP：EA端是选择内外程序存储器的控制端。不同电平的输入，EA会选择不同的程序存储器。输入高电平时，CPU会选择片内4K程序存储器；输入低电平时，单片机则只会访问外部程序存储器。对于8031EA端只能接地。

(7) P0口：低8位地址/数据总线复用口。

(8) P1口：P1口能驱动4个LSTTL负载。当片内EPROM编程、检验时，P1口接

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 受低8位地址。

(9) P2口：P2口能驱动4个LSTTL负载。当片内EPROM编程、检验时，P2口接受高8位地址。

(10)P3口：每一位具有第二功能。 3.2模数转换模块

A/D转换在数据采集系统起到的作用不可或缺。模/数转化将检测前端的浊度传感器采集得来的模拟量转换为数字量，并将数字量输入单片机内部并进行相应的处理。根据系统的不同要求，模数转换器A/D的位数将会决定转换的精度。 3.2.1 A/D转换电路设计

ADC0832是一种模数转换芯片，并且它作为本设计系统的A/D转换电路设计的核心部件。ADC0832芯片可以检测到浊度传感器传出的微弱信号，并且还可以通过软件处理的方法来降低气泡及其他因素对处理结果的影响。以串行通讯对数据进行传送的方法，能够充分利用单片机的资源，从而达到节约资源的效果。

A/D转换电路，如图3.3所示：

CH0的输入为可调电阻分压而来VCCVCCW210KP131234IC5CSVCCCH0CLK CH1DOGNDDIADC08328765P10P14J512CON2outC9104该点采用一点接地方式

AD图转换模块3.3 A/D转换电路

如图3.3，本设计系统我用到了通道1，将out输入电压送入通道1，以此作为采集的输入信号，通道0的输入为可调电阻电压分压而来。在电路硬件设计上，之所以能够将DO和DI的输出端口并联在一根数据屏蔽线上，是因为：首先ADC0832的两个端口（D0，D1）会异时工作，即当DO口作用时，DI口不会工作；当DI口处于工作状态，DO口会禁止工作。另外这两个端口与单片机的接口是双向的，这就防止数据信息的错位输出。为了达到节约单片机资源的效果，本次设计将DO与DI端口并联的数据线与

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 单片机的P1.4脚相连接， P1.0脚产生A/D转换的时钟信号；P1.3脚产生的片选信号，这个片选信号会被送入A/D转换的CS脚。 3.2.2 ADC0832介绍

ADC0832是一种体积、兼容性强、转换速度快且稳定性能强的转换芯片。它的分辨率为8位，有两个通道口（D0，D1）。ADC0832芯片的转换速度较高，完成一次转换时间，大约花费32us时间。ADC0832芯片的数据通信方式是串行通信。因为ADC0832芯片具有双数据的输出特性，所以系统可以实时校验测量的数据，这样能减少数据误差。由于ADC0832芯片能够单电源供电，所以它的功耗就较低，功耗大约为15mW，所以这种芯片可以运用在各种便携式的智能检测仪表上。

ADC0832的引脚分配及功能

ADC0832的引脚分配及功能如图3.4和表3.1所示。

1234CSCH0CH1GNDVCCCLKD0D18765

ADC0832图3.4 ADC0832的引管脚分配

表3.1 ADC0832的引管脚功能

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 引脚名称 CS CH0 CH1 GND D1 D0 CLK Vcc/REF 引脚功能 片选使能，低电平芯片使能 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用 芯片参考0电位（地） 数据信号输入，选择通道控制 数据信号输入，转换数据输出 芯片时钟输出 电源输入及参考电压输入（复用）

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 ADC0832的工作原理：想使ADC0832芯片被禁用，只需将高电平输入CS端，那么芯片将会不工作；当CS使能端置于低电平，ADC0832进行A/D转换，使能端一直保持低电平直到这次模/数转换完全结束。当系统需要ADC0832芯片进行A/D转换时，芯片的时钟输入CLK端会接受到单片机发出的一个时钟脉冲，ADC0832芯片的DO/DI端口则会选用DI端口进行工作，DO口没有作用，这时候DI口将依据通道功能的数据信号进行选择不同通道来进行相应的A/D转换。转换开始必须要有个启始信号，DI端必须为高电平，这个条件必须在第1个脉冲的下降沿之前就要满足。此外，DI端完成通道的选择也必须要在第2、3个脉冲下降沿之前。如表3.2所示：

表3.2 ADC0832通道选择表

差分模式 通道选择 SGL/DIF 0 0 ODD/SIGN 0 1 0 + 通道 1 + 单端模式 通道选择 SGL/DIF 1 1 ODD/SIGN 0 1 通道 0 + 1 + 由表3.2可知，当选择对CH0进行单通道转换时，DI端应输入 “1”、“0” 作为选择通道功能的2位数据。当选择CH1进行单通道转换时，DI端应输入两位数据为“1”、“1” 作为选择通道功能的2位数据。当DI端输入两位数据为“0”、“0”时，选择的通道功能是：负输入端IN-由CH1确定，CH0确定正输入端IN+。当DI端输入两位数据为“0”、“1”时，选择的通道功能是：负输入端IN-为CH0，CH1作为正输入端IN+。

具体的A/D转换步骤：DI端输入作用会在输入芯片的时钟脉冲到达第3个下降沿时失效，然后DO端工作并将转换后的数据进行输出读取操作。在DO端工作之后的第4个时钟脉冲下降沿，转换数据的DATA7（转换输出数据的最高位）会在DO端输出；然后ADC0832转换芯片将会在每一个脉冲的下降沿，从DO端输出一位数据。直到时钟脉冲到达第11个的下降沿时，DO端将会输出DATD0（）输出数据最低位，这就完成了一个字节的输出。按这样的规律将会输出8位数据，数据输出的完成将会在第19

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 个时钟脉冲时，一次A/D转换会经历19个时钟脉冲，这也确定了A/D转换的时间。当A/D转换完成时，只需高电平输入CS端，芯片就会停止工作，然后对转换后的数据进行相应的处理。 3.3信号采集模块设计 3.3.1水浊度检测原理

考虑到传感器的结构、密封性，所以整个设计的浊度检测系统中最关键的部分就是水下传感器部分。水下传感器的设计不仅必须要达到一定精密度，同时也要考虑如何避免探头被水溶液污染而造成的仪器的损坏。散射式浊度传感器的工作原理如图3.5所示。

900 散射光 入射光

图3.5 传感器工作状态和原理示意图

浊度传感器由光源和光电探测器两部分组成，LED光源发出光，在所要检测物质上进行散射过后，在由检测器检测到入射光强。

光线透过水中会产生散射光强度并且水质会影响散射光的空间分布，散射光的强度和它的空间分布会受到水溶液中的悬浮物的大小、入射光的强度和波长、溶液的介质折射率产生不同程度的影响。不同的条件下，散射光的强度有很大不同。譬如，当波长不同的透射光作用于同一个悬浮物或者是同一束光照射在不同大小的悬浮物上时，散射光的强度会不一样，并且其空间分布也存在一定差异[4]。所以测量散射光强度，可以达到测量浊度的效果。

光线透射到水溶液，在其900方向的散射光强度IR可用下公式： IR（式中，入射光的强度：

I0?KNV2?4I0

（3-1）

；单位容积的微粒数：N；微粒的总体积：V；人射光波长：

?；系数：K）。在一定条件下，若上式中的 λ 、 V 为常数，那么KNV2∕λ4将会与待

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 41 页 output a switch control signals.

(3) Reflex plate.it photoelectric switch light-emitting device type and receive light device into the same device inside, in its front pack a reflex plate.the using the reflection principle of complete photoelectric control function is called reflex plate.it reflex (or reflector reflex) photoelectric switch. Under normal circumstances, lighter the light reflected by reflex plate.it is received by accept light; Once the light path be test object to block, accept light, the light is not receive photoelectric switch is action, output a switch control signals its detection head with a lighter and also an inbox light ware, but no reflex plate.it ahead. Normally lighter for the light collect light is not found. When test object by blocking the light, and the light reflected light, receive part implement received light signals, output a switch signals.

中文翻译

光电传感器的发展趋势

随着微处理器和数字信号处理器的发展，非常尖端的设备已经成为我们日常生活的一部分。这些到处存在的设备完全是数字的，而我们生活的世界却是模拟的。即使数字系统日益变得更加智能化和更加尖端，它们仍然必须接收来自模拟现实世界的信息才能发挥作用。

传感器是这些现实世界与不断成长的数字世界之间所有不同信号的桥梁。光传感器或光电传感器正是这样的一种桥梁，它们构成了不断增长的传感器市场。在过去的大约十年间，很多人的兴趣都集中在光纤高速通信方面，必然地，也就对那些快速运动光脉冲的传感兴趣最浓厚。高速光传感器的性能因而取得了非常显著的进步。但是光传感技术的用武之地还包括另一个世界，这是一个不需要处理千兆赫兹光脉冲的世界，虽然它要求的处理速度更低，但它具有同样的重要性，甚至更普遍和深入地渗透到我们的生活中。这个由光传感技术实现的世界涉及的范围包括：传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等不胜枚举。

光电传感器是这样一种器件，它能产生与投射在器件有效面积上的光数量成比例的电信号。符合这个定义的器件有很多，但没有一种比半导体光电二极管更普遍的。光电二极管是基于在半导体发展过程中的一个早期发现：当光照射在p-n结上时就产生了电子和空穴。在过去的这些年中，这种两个引脚的器件已经成为光传感的主流器件。

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 42 页 光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

LED(发光二极管)最早出现在19世纪60年代,现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。LED就是一种半导体元件,其电气性能与普通二极管相同,不同之处在于当给LED通电流时,它会发光。由于LED是固态的,所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小,且比白炽灯传感器更可靠。不像白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝。另外,LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见的绿光,黄光,红光,蓝光,蓝绿光或白光。1970年,人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点,就是它能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器,其接收器就相当于收音机。人们常常有一个误解:认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的,那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个LED发出的光能很少,经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高。相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有误动作。如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话,那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。周围光源接收器也可以用来检测室外光。但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰,当使用在强光环境下时就会有问题。调制的LED改进了光电传感器的设计,增大了检测距离,扩展了光束的角度,人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。到1980年,非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 43 页 红外光LED是效率最高的光束,同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是有些传感器需要用来区分颜色,这就需要用可见光源。在早期,色标传感器使用白炽灯做光源,使用光电池接收器,直到后来发明了高效的可见光LED。现在,多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离,这是因为检测距离是一个非常重要的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体,这些场合要求的响应速度都非常快。但是,现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度,能满足大多数的检测应用。安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下,我们可以考虑使用光纤。

光纤与传感器配套使用,是无源元件,另外,光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处,被全部反射回来。根据光学原理,所有光束都可以由光纤来传输。两条入射光束沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光,损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大,这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响。大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间。玻璃光纤由一束非常细的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成,光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形,并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨,非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。 光电传感器工作原理

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传器在一般情况下，有三部分构成

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 44 页 它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

分类和工作方式

⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 45 页 附录B 电路总图

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