基于4G的水质参数远程监测系统研究
摘 要 近年来随着我国经济飞速的发展，对水资源的破坏也日益严重。无论是生活需求用水还是工业废水的处理都存在这严重问题，由于水质净化技术的不成熟，对水质监测的实时性存在着很大的缺陷，水污染也给人们一个很大的挑战。所以对水资源保护和治理刻不容缓。如何节约用水，环保用水，循环用水是我们新一代的首要任务。为此，对水的监测尤为重要。传统的水质监测大多都是利用人工采样，检测范围较小，自动化与信息化程度较低，而且实时周期长，效率低。这与我们的时代主题不符。所以新型的水质参数监测系统研究迅猛发展。
基于我国水质监测的需求，本文基于4G通讯技术，是以AT89C52 作为主控单片机，实现的对水质进行监测，用我们熟悉的温度、溶解氧、氨氮、PH等传感器来收集水的各个参数，然后液晶屏上就会实时显示被测水质的温度、溶解氧、氨氮和pH值，最后利用4G通信远程发送数据。替代了以往的人工监测，具有非常明显的应用价值。
关键词 4G 水质监测 单片机 数据采集 A/D转换 无线传感器
第三章 硬件电路原理及功能概述
3.1 ADC0832芯片的介绍
ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片，该芯片具有如下的一些特点：8位分辨率，双通道A/D转换，输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，5V电源供电时输入电压在0至5V之间等。该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，易于和单片机连接。图3-1是ADC0832 的引脚示意图，其中CS片选使能，低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND 芯片参考0 电位。DI 数据信号输入，选择通道控制。DO 数据信号输出，转换数据输出。CLK 芯片时钟输入。输入电源和参考电压输入。
图3-1 ADC0832的引脚图
3.2 单片机芯片的选择
3.2.1方案一：AT89C52单片机
AT89C52是一款高性能低电压的CMOS型8位单片机，其具有高密度，非易失性存储等特点，功能十分强大。AT89C52单片机的优点是对所关联的开发设备的要求十分低，极大降低了所需要的开发时间。还可以加密写入程序，对劳动成果有保护。其次，AT89C52市场供应足，价格十分低廉。本芯片能够用5V电压编写程序，并且所擦写的时间很短，仅仅需要十毫秒。AT89C52芯片也能够给出程序存储器加密功能，能最大程度保证程序或系统不被仿制抄袭，比较成熟地保护了用户的成果。
3.2.2方案二：STC89C52单片机
STC89C52指令系统和方案一所提的AT89C52完全兼容，但在实际运用中，前者芯片却有很多问题。
（1）AT89C52单片机是不支持ISP下载的，下载的话必须用下载器，但STC89C52却不一样，可直接使用USB转到串口下载，下载软件可以直接到网上下载。
（2）STC89C52单片机一个重要特点就是对于指令的执行的速度相当快，可以是AT89C52的三到三十倍，速度快固然是好事，但这种情况下，有时候你在前者单片机上运行的程序在STC89C52上有可能给不可以使用，用STC89C52时必须注意加长延到AT89C52的十到三十倍，这点调试的时候便知。
（3）STC89C52单片机所要求的工作环境的相对简单，当电压小于5V的时候，甚至3V、4V都可以一样工作，但是同样的低于5伏的环境下AT89C52却不合适，所以当某一个系统使用STC89C52能工作，但使用AT89C52的单片机却无效时，可以直接查最小系统，观察是否供电正常。
综合对以上这两种方案进行比较，因为本人大学期间学过数电、单片机、C语言等方面课程，也考虑到学生能够获得的学习资源，经过深入了解对比，我选择用STC89C52完成这次系统设计。
3.3 液晶芯片的选择
3.3.1方案一：采用12864液晶显示屏
采用12864液晶显示屏。其价格便宜，技术成熟，并且还具有汉字图形型液晶显示模块。具有能够直接在屏中显示字和图的功能，显示屏中内置存储汉字和字符，以及64X256点阵显示RAM。该显示屏能够直接接入CPU，并且能够给出两种界面，连接单片机。LCD12864显示屏如图3-2所示。
图3-2 LCD12864液晶显示屏
3.3.2方案二：采用LCD1602液晶显示屏
采用使用率较高，价格低廉，能够同时显示32个字符的LCD1602液晶显示屏。1602能够明确的显示数字、字母和符号等，还可以显示16*2个字符，但是不得超过32寄存器，从左至右来回显示，从右至左来回显示。
总结：就使用而言，两个显示器的主要功能和使用原理都差不多。两者难度相差不大。当然12864液晶显示更全面和更多的字符，也能更具体的实现显示功能。不过从造价方便，LCD1602液晶显示屏比前者便宜的多，也能实现本设计的功能，所以选择后者。
3.4 4G模块与通讯协议
4G一个新时代的代名词。这如今的网络信息大潮流，4GLTE网络迅速崛起，本次设计就是为了把其巨大的优势应用到水质参数的远程监测领域。利用它采集到的水质参数信息实时发送到远程终端，进行实时同步监测，大大提高了监测效率，为水质监测的发展奠定了新的台阶。随着社会的进步，需求的日益增长，采集信息的数据量和频率又有着很严格的要求，此时4G相比于GPRS（2G）、3G有着巨大的优势。
4G通讯模块是上海龙尚公司生产的longsungU8300C。它支持FDD-LTE/TDD-LTE/TD-SCDMA/UMTS/EDGE等多种网络制式。且在FDD-LTE网络中，U8300C能接入速度下行可达100Mbps，上行可达50Mbps。除此之外，它还拥有众多的接口，包含了USB接口、UART接口、RESET接口等。而且操作灵活简单。
由于UDP协议的传输速度快，且在4G远程终端的Udpclient.C中必须先调用socket()函数来得到文件描述，接着我们定义传送协议和端口号，然后调用sendto（）根据ip来指定地址，等待服务器响应，调用recvfrom（）来接收服务器传递的信息。若接收不到消息回应，则必定是客户端处于阻塞状态且无线循环。为了解决上述问题，我们找到了一种方法，设置一个5s的时间延时，数据传输的时候，使用闹钟函数alarm（）设置超时后，可以调用sigaction（）比你却设置参数SA-NOMASK不重启，这方案有效的防止了阻塞，是程序如期运行。在需要关闭数据传输时，双方调用close（）函数即可。具体方案如下图3-3。
图3-3 ＵＤＰ传输协议框图
第四章硬件电路设计及软件电路设计
4.1单片机的控制电路
单片机运行时所需要的最少元件组成了本设计的控制电路，如果电路图缺少任意一部分，控制电路将无法运行。
对于STC89C52来说，由芯片，晶振电路，复位电路组成控制器的最小应用系统，从而使得控制器得以运行，控制其它的外部电路。最小应用系统的电路如图4-1所示。
图4-1单片机最小系统
4.2复位电路设计
电阻，极性电容，开关组成了该控制器的复位电路，开关控制复位，即每按一次开关，电路硬件将进行复位操作。还有控制器的复位时间是有极性电容的值决定的，在一定的范围内，值越大，时间越短。复位电路原理图如图4-2所示。
图4-2 复位电路
4.3 电源电路设计
本系统控制器的控制电路由外部提供5V的电压供电，在电路中设计中，要考虑到元器件所需电压的值会有所不同，所以我们设计了如图4-3所示的电源电路。
图4-3 电源电路
4.5 软件主程序流程图
开启电源程序初始化，然后主控电路开始执行程序，调用显示器，接着对案件进行扫描，判断是否按下按键，如果按下，就执行AD转换系统，如果扫描没有按键按下，程序就回到初始。当判断按键已经按下，实施了按键转换后判断比较测试出来的数值是否超过阈值，如果超过标准数值，报警系统就开始启动。如果没有超过阈值，程序就回到初始。具体流程图如图4-5所示。
4-5 软件主程序流程图
4.8.2 LCD1602显示模块电路原理图
液晶显示器，顾名思义其是应用液态晶体的物理性质，利用电压差异来控制区域的显现，有电的显露，这种原理下显示器可以显示图形。1602显示器有厚度相对较薄，适合规模比较大的集成型电路直接驱动，比较容易达到全部彩色显示等优点。液晶的电路原理接口图如图4-7所示
图4-7 液晶的电路原理接口图
4.9 水质转换检测电路
图4-8 水质转换电路图
总结
这次毕业设计持续了一学期，设计主要以单片机为硬件，在通过keil软件编程序代码，进行调试，无错通过后再少入单片机，进行运行监测。通过一连串的学习引用，不仅是我对单片机的知识得到巩固，还让我了解了很多传感器。同时也让我看清了自己的不足使得我今后能更深入的去学习新知识。
由于水资源的缺乏和水污染的问题，水质多参数检测技术已成为社会各界研究的重点。水质多参数检测技术让一台仪器能够对多个水质参数检测。本课题是对基于4G的水质多参数监测系统研究，从系统整体、硬件和软件方面对系统做了分析与设计，并且对软件和硬件的设计做了深层次的介绍。课题主要完成的工作如下：
1.通过查阅国内外相关文献，了解国内外水质检测仪器现状与发展方向，学习相关水质检测知识，分析国内水质检测现状，提出了的基于4G水质多参数检测系统的研究的内容。
2.分析水质污染中各类污染源对水质影响的严重程度和其检测的重要性。对其中几项水质参数以及其检测方法介绍，确定系统中每个参数所采用的检测方法。
3基于4G水质多参数检测系统所涉及的整体方案研究、硬件和软件的研究工作较多，课题对整体方案的研究做了详细的介绍，其硬件和软件只对一些关键部分做了深入分析。圆满完成了课题初期提出的任务。
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