论文总字数：21255字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 本设计主要工作 2

2 设计方案论证 2

2.1 设计主要思路 2

2.2 本设计的设计方案 3

2.3 主控芯片选型依据 4

2.3.1 优异的低功耗设计 5

2.3.2 突出的处理能力 5

2.3.3 稳定的系统工作状态 6

2.3.4 丰富的片上外围模块 6

2.3.5 方便高效的开发环境 6

2.4 温度传感器模块设计原理 6

2.5 pH传感器模块设计原理 7

2.6 无线通信模块设计原理 7

3 硬件电路设计 8

3.1 整体方案设计 8

3.2 模块设计 8

3.2.1 电源模块 8

3.2.2 按键控制模块 9

3.2.3 LCD显示模块 10

3.2.4 串行通信模块 11

3.2.5 报警模块 13

3.2.6 温度传感器模块 13

3.2.7 pH传感器模块 14

3.2.8无线通信模块 14

4 系统软件设计 15

4.1 整体系统控制软件流程 16

4.2 自动换挡模块软件设计流程 17

4.3 键盘输入和LCD显示部分软件设计流程 18

4.4 数据采集、处理程序设计流程 18

4.5 无线通信功能程序设计 19

5 测试及结果 19

5.1 单片机系统及各模块单元调试 19

5.1.1 电源模块 19

5.1.2 按键模块 20

5.1.3 声光报警模块 21

5.1.4 测温模块 21

5.1.5 pH模块 21

5.1.6 LCD显示模块 23

5.1.7 无线通信模块 24

5.2 整体系统联合调试 26

6 总结 26

参考文献 27

致谢 28

基于MSP430单片机的无线水质监测系统

余博文

，China

Abstract: According to the situation of the field of water quality monitoring and the problems that occur when dynamic monitoring of water quality parameters, a wireless water quality monitoring system based on MSP430 is designed and implemented in this paper. By using a low-power and high-precision MSP430F149 core processor, with an external temperature sensor DS18B20 and bipolar pH sensor E-201-C, this design achieves the goal of real-time data acquisition and processing. It uses the GSM/GPRS module SIM900A for wireless data communications, transferring data to mobile terminals in the form of text messages. When the collected data reaches the threshold, the sound and light alarm module begins to work. This design has the advantages of low power consumption, high processing precision and steady state operation, enabling the function of real-time monitoring and remote transmission of data.

Key words：MSP430 MCU; Water Quality Monitoring; Wireless Data Communications

1 绪论

1.1 研究背景

水资源利用和水环境治理是关系到我们日常生产生活水平的重要因素。目前我国的开放水域和地下水的生态环境情况复杂，水体的污染类型繁杂，在地域范围上分布较为零散。水资源的可持续合理利用，对已发现水污染的监控巡查和治理，还原水体原始状态，逐渐成为人们关注的社会顽疾中最受关注的方向之一。目前全国大多数城市地表水受到相当程度的污染，且总体表现出恶化的态势，环境保护发展趋势不容乐观。水污染不是一个抽象而遥远的概念，而是与我们的生活息息相关。水质的恶化不仅让可供使用的水变少，加剧了水资源的供需矛盾，也与我国的科学发展观、资源合理化可持续化使用的思想相矛盾。另外，河流等流动水体水质的不断恶化严重制约了农业经济的发展，关乎到每个人的切身利益。然而只有当面对洪水来袭，水资源短缺或者水环境污染时，水质监测信息提供的价值才被人注意到。

我国的水资源分布呈现出南北不均的总体态势，与中东地区国家不同，表现为水质型缺水。因此相关部门对自然水域和水库等水利工程的实时动态监测就显得十分必要。针对我国独特的水资源条件和资源统筹配置政策，国家统筹规划并建设了大量的跨流域调水工程，在地理条件不利的环境下，以人工方式解决资源供给不平衡的问题，例如南水北调项目。这些工程横跨的地域广，水土环境复杂，外部影响的人为因素多，在对其水质监测的过程中存在着诸多不便。另外，我国邻国较多，跨国境的流域也较为广泛。当上下游国家因为水域资源的使用和水环境的污染情况存在争议时，对流域水质的监测信息也会是解决争端的有效手段。

1.2 研究现状

上世纪50年代，我国在水质监测领域对自然环境水化学成分监测的工作刚刚起步。以自然水体为对象的信息采集，主要是为了掌握我国主要流域的水成分总体分布情况。在20世纪70年代，由于工业化的推进，我国的水污染状况急剧恶化，水质监测的重点逐渐转向水污染项目。在我国多年开展进行的水质监测事业的发展中，暴露出以下一些问题：一是水质监测的对象基本是开放水域的地表水体，缺少对大量使用的地下水资源的监测；二是水质监测采样的区域较为集中，不能反映我国整体水质情况；三是采样能力的不足，检测仪器性能弱，年久失修的情况时有发生，配备有高性能分析仪器的实验室相对地域设置不均衡，导致部分地区无法对水质进行深入分析；四是以固定采样点为主，缺乏移动采样的手段和动态采样的能力，难以在发生污染时获取监测的实时数据。

针对以上发现的问题，我国水质自动监测站的建设随着我国科技技术的进步和研发水平制造水平的提高而逐步成熟，相关的环境保护部门已在我国各个重要流域范围内建设了上百个水质自动监测站，并且建设速度在不断加快，采样并分析多种采样值的能力不断取得突破性进步。

目前，世界上大多数发达国家和发展中国家都开始逐步建立水质污染自动检测系统（WPMS）^[2]，这些监测系统将水污染总体指标以及一些具有表征性的独特参数作为主要的监测对象。它在固定地域或水域范围内建设上线安装有采样检测仪器的自动监测站，然后由核心基站调度各分站，集中汇总各分站采样值参数进行处理，从而构成连续自动监测系统。在世界范围内，有代表性的是欧洲西部多瑙河沿岸的许多国家共同开发建设的DAEWS项目。通过即时提供多瑙河所在的欧洲中西部国家水质的监测信息，当上游国家发生水污染事件时，配套的卫星通讯系统就会将预警信息和上游水污染具体参数传递到下游其他国家，在多瑙河流域水质信息中心提供展示和查询服务。这一举措为下游国家有关部门采取相应的防护措施提供了条件，有效避免了污染的连锁性发展及进一步的恶化。DAEWS系统自1997年投入使用以来，成功预报了多起重大的水污染事件，避免了更为严重的后续衍生事故的发生。

微电子行业的快速发展和大规模集成电路的广泛应用，我国电子行业元器件和功能模块集成化程度大大调高，电传电控技术和微型计算机测控技术取得了长足的进步。现在广泛使用的单片机以及由单片机构成的电子系统具有运行主频高、计算能力出众、运行功耗低、性价比高等具有竞争力的优点。

1.3 本设计主要工作

为了实现水质的动态采样值监测以及后续配合使用无线数据传输功能，本设计提出并实现了一种使用MSP430作为主控芯片的无线水质监测系统，能够对水体进行动态监测，实现阈值报警，同时将采集到的信息反馈到移动终端。本文的内容主要按照以下思路展开论述：首先，本文的第1节对国内外水质自动监测技术的发展情况进行介绍；第2节对本设计的主控芯片选型以及各个模块的工作原理进行总体介绍，并针对本设计主要采用的核心处理芯片MSP430的性能特点进行分析；然后，在第3节，对本设计方案硬件部分各个模块的设计进行详细描述；在第4节对本设计的软件控制流程进行阐述；最后，在第5节对本设计的各个模块进行逐个测试，对出现的误差进行分析，再对设计进行完善，最后将整体联合调试的过程和实物结果进行展示。

2 设计方案论证

2.1 设计主要思路

本设计水质监测时需要采集的参数有：水温，pH数值。在水质污染爆发时，水温的突变和水体的酸碱度变化往往趋向于有利于某种生物污染源大量繁殖的方向，例如蓝藻、赤潮以及水华的爆发环境等。水热污染是一种能源污染，往往被人忽视。热电厂、炼钢厂、金属冶炼厂等工业在生产作业时往往需要大量的冷却水，而这些冷却水的大量排放却造成了附近水体温度显著升高，水中的溶解氧随水温变化而变化；一些含有毒性的化合物或有机物质在这种温度条件下表现出更强的毒性特征；导致对水温敏感的鱼类不能正常繁殖，或者死亡；对于某些致病细菌，水温的急剧变化提供了合适的繁殖环境，从而破坏水体的生态环境，进行而引起水质的进一步恶化。

当水体的酸碱值降低时，水中细菌的活性逐渐减弱，在沉积物中真菌逐渐增加，而它们的正常死亡分解速率随之降低，水体内部正常的营养循环速率降低，水体显现出富营养化，为大量水生生物的繁殖提供了丰富的养分供给。溶液中可自由移动的离子具有导电性，所以溶液电导率在一定程度上反映了溶液中所含有的各类离子的总量。为了了解在酸性条件下电导率与pH值的相互关系，相关机构曾进行了相关的分析，得到了重要的相关系数r=-0.8008(n=7)，进而采取t值测验r值的显著性，得：

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