2017全国大学生电子设计竞赛设计报告

2017年全国大学生电子设计竞赛简易水情检测系统（P题）

2017年8月12日

摘要

本设计的是简易水情检测系统以STC89C52芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核心的水情检测系统。系统主要由5V电源供电。在硬件电路上在，用总线连接PH值传感器和水位传感器，通过传感器收集到的水情数据发送到单片机，单片机存储实时数据，并显示在12864LCD液晶屏上。在软件方面，采用C语言编程。通过对单片机程序设计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：单片机最小系统；PH值传感器；水位传感器；AD模块

Abstract

The design is a simple water regime detection system to STC89C52 chip as the core, supplemented by the relevant external circuit, designed to single-chip as the core of the water regime detection system. The system is powered by 5V power supply. In the hardware circuit, with the bus connection PH sensor and water level sensor, through the sensor to collect the water data sent to the microcontroller, single-chip storage of real-time data, and displayed on the 12864LCD LCD screen. In software, the use of C language programming. Through the single-chip program design to achieve the water regime detection system of water data collection, display and detection.

Key words:single chip minimum system; PH value sensor; water level sensor; capacitance

简易水情检测系统（P题）

【专科组】

一、系统方案

本系统主要由单片机STC89C52模块、LCD显示模块、PCF8591电压转换模块、电源模块、水位检测模块、PH值检测模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1、单片机的论证与选择

方案一：传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。

方案二：采用STC89C52单片机。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧8位CPU 和在系统可编程Flash。

综合以上两种方案，由于方案二功能多容易使用，且成本较低，选择方案二。

2、LCD显示模块的论证与选择

方案一：采用LCD1602。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

方案二：采用LCD12864，它是一种具有多种接口方式，并含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率高、字符多。模块利用灵活、接口方式和简单、操作指令方便，可构成全中文人机交换界面。电路或程序简洁、价格便宜。通过比较，方案二电路结构明显比方案一占有更大优势，所以我们选择方案二。

3、超声波模块的论证与选择

方案一：US-100超声波测距模块，可实现2cm~4.5m、探测精度为0.3cm+1%的非接触测距，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定。

方案二：HC-SR04超声波测距模块，探测距离为2cm~4.5m、探测精度为0.3cm。拥有5V的宽电压输入范围，静态功耗低于3mA。

综合以上分析，US-100超声波测距模块具有自带温度传感器进行矫正，抗干扰能力强、可靠性好，所以选择方案一。

4、PH值检测模块的论证与选择

L9A4PH值检测模块，该PH传感器模块适合于复合PH电极，接口为BNC标准接

口，精确度高使用方便。固采用L9A4PH值检测模块。

5、AD转换模块的论证与选择

方案一：PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。输入输出接口多。具备可靠性高、用法简单、体积小等优点。

方案二：DAC908模块，它的dac具有高采样率，速度可达165msps。但价格昂贵。经过对比发现pcf8591更符合要求，所以采用方案一。

6、电源模块的论证与选择

方案一：L7805稳压模块:L7805采用三引线带散热片塑料，TO-220的封装形式封装。其主要特点有：输出电压：5V、，但是如果模块设置不好误差较大。

方案二：L317可调稳压电源;YW-UTC317是三端可调正输出稳压器，1.5A输出，压差范围是3V至40V。他们非常容易使用，仅用两个外部电阻就可以设置输出电压，输入和输出调整率都要比固定稳压器的好，所以选择L317。

二、系统分析与计算

1、水情处理信号的分析

（1）超声波测距方法

超声（超音波学）的定义：声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。

超声波的特点是它能在各种媒质中传播；波长短，因而分辨率很好；声束尖锐，声能集中；在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象；可获得较高声强。利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波法实现的。

超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。超声波测距方法发送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遇到对象物就立即返回来，接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射到对象物间的来回传播时间t，从而发送器到对象物的距离可用下式计算出来：

S=Vt/2

具体的超声波传感器检查方法为：