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1、 课 程 设 计 题目：鱼塘自动增氧器 班级：B090406 组别：第七组 成员：任名扬、任少欣 、 孙浩杰 学号：B09040619、B09040620、B09040624 日期：2012年04月23日 目 录一 摘要 1二 绪论 2 三 整体设计思路 3 3.1 课题采用的主要方案及核心技术 3 3.2 课题目标 3 3.3 系统整体结构示意图 4四 系统的硬件设计 4 4.1 总体结构 4 4.2 信号采集电路 5 4.3 单片机控制电路 5 4.4 增氧机控制电路 7 4.5 键盘输入、显示及报警电路 7五 系统软件设计 8 5.1总程序结构设计8 5.2 滤波设计 9 5.3 报警设
2、计 9六 结论及改进思路10七 参考文献 11一、 摘要 为了提高水产养殖技术的自动化水平以及鱼类产品饲养的数量和质量,通过分析和研究国内外鱼塘增氧机自动控制的实现方法，在对现有增氧方法的优劣景象对比下，设计了自动增氧机控制系统。该系统由AT89C51单片机作为控制电路的核心部件，氧气传感器和温度传感器去监测环境中的数据，把适时改变的信号通过模数转换器ADC0809转换成数字信号，再经过信号放大电路两次放大信号，信号的改变信息送到单片机中，根据事先编写好的程序和设置氧气浓度和温度的上下限，发出控制信号来控制增氧机的电机工作。还有增氧机工作状态检测电路能时刻监察系统中各部件的工作状态，在异常时启
3、动声光报警电路，停止电机的工作并发出声光报警信号，提示工作人员进行人工操作和检修。该系统具有实用性，能很好的为农业生产创造经济效益，减轻渔民的工作量，提高工作效率。 它可以通过键盘操作实现对数据采集、显示及控制等功能, 系统软件采用汇编语言编写, 在软件设计中, 采用了数字技术消除干扰,提高了抗干扰能力。该控制器具有操作方便、准确、体积小、经济、抗干扰能力强的特点。二、 绪论水是鱼类生活的环境，而水中溶解氧又是鱼类赖以生存的最基本的必要条件之一。池水中溶解氧主要来源于水生植物的光合作用，部分溶解氧来自空气中的氧向水表层的扩散和溶解。而池水中耗氧除了鱼虾等之外，底居生物、饲料残渣的腐蚀分解、鱼虾
4、等的排泄物、淤泥和有机质等沉积物的氧化分解都要消耗大量的溶解氧，所以控制鱼池中的含氧量对鱼虾的生长是非常重要的。水中含氧量主要与自然温度、湿度和鱼的密度等因素有关。鱼对水中的含氧量非常敏感，传统的养殖方式一般是根据经验观察鱼的浮头情况，来判断水中是否缺氧。为了防止泛塘的发生，渔民需花费大量时间、精力观察鱼塘情况。此种方式存在的事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖成本。现在国内外实现了鱼塘增氧机的自动控制，主要有两种方式：一是控制增氧机运行时间的自动控制电路，它是一种经济、方便、实用的时间控制器，对增氧机开关时间实行自动控制，即每到夜间
5、或阴雨天气，自动开启增氧机，每次开机后的持续时间可在15分钟、半小时、1小时或2小时等4个时间中任意选择；二是采用编码解码无线收发组件进行信号的传输，将采集的信号进行一定的处理，去控制增氧机的开启，能达到自动控制增氧机启停的目的。然而，这两种控制方式各有其利弊：方式一未能实现对鱼塘含氧量的全天候监控，增氧效果不是很好，而且有很大的能源浪费；方式二虽能实现对鱼塘含氧量的全天候监控，但其控制系统复杂，可靠性不是很高。如果采用单片机作控制系统，通过对水温和容氧含量的检测，根据温度的变化自动设定水中需要含氧量的阀值，并根据阀值启闭增氧机，可以达到经济、实用的目的，而且适应性较强。三、整体设计思路3.1
6、 课题采用的主要方案及核心技术： 增氧控制器是一种随时检测水中溶解氧并根据氧气浓度自动控制增氧机的装置。它采用极谱型复膜氧电极作为溶氧传感器, 溶氧传感器和温度传感器采集环境数据。ADC0809将信号转换成数字信号。键盘输入控制条件参数，以AT89C51单片机作为检测和控制核心, 采用可控硅光电耦合器控制增氧机和报警等电路。 3.2 课题目标： 可以通过对鱼塘中温度和溶氧量的实时监测，根据预定的标准对鱼塘进行供养，以保证鱼种的正常快速生长！可提高养鱼业的效率、省时省力！ 3.3 系统整体结构示意图： 图 1 系统结构示意图四、 系统的硬件设计4.1 总体结构自动增氧控制系统由单片机控制电路、信
7、号处理电路、控制电路、键盘输入及显示电路、声光报警电路和增氧机工作状态检测电路等部分组成, 系统硬件电路框图如图2。 图 2 系统硬件电路框图4.2 信号采集电路信号采集电路由溶氧传感器、温度传感器和A /D转换器组成。氧探头和温度探头转换的信号较弱, 进行A /D 转换前先用放大器进行放大处理。利用ADC0809转换器8通道可实现水中溶解氧和温度等多个参数的多路信号采集和转换。为防止输出电压过大损害A /D 转换器, 进行模数转换前应加限幅保护电路, 使其输出电压在05V。4.3 单片机控制电路 由于采集到的信号是连续变化的模拟量, 不能被单片机直接处理, 所以, 必须把这些模拟量转换成数字
8、量后才能够输入到单片机中进行处理,这里选用了经济实用的ADC0809来完成模数转换。ADC0809与AT89C51的连接如图3。 图 3 AT89C51与ADC0809的连接图 虽然本设计中只用了通道IN0 和IN1, 但是为了方便以后的扩展, 地址选择线ABC 接到了地址总线的低3 位。ADC0809片内具有三态输出锁存缓冲器, 可直接与单片机的数据总线相连, 这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线P0口相连, AT89C51的P0口作为数据总线, 又作为低8位地址总线。ADC0809 的片内没有时钟信号必须由外部提供, 这里利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE 经计数器74L
9、S163 构成的4分频器分频获得。ALE 引脚的频率是单片机时钟频率的1 /6, 单片机的时钟频率为12MHz, 则ALE 引脚频率约为2MHz, 再经4 分频后为500kH z, 所以ADC0809能可靠工作。如图3 所示, 放大后的电压信号送入ADC0809的模拟输入通道进行A /D 转换。将P2. 7 ( 地址总线的A15 ) 作为片选信号, 由AT89C51的写信号WR 和P2. 7控制ADC0809的地址锁存ALE 和转换启动START, 当ADC0809的START启动信号输入端为高电平时, A /D开始转换, 在时钟的控制下, 一位一位地逼近, 比较器一次次进行比较, 转换结束时
10、, 送出转换结束信号EOC (低到高) , 并将8位数字量D7 D0锁存到输出缓存器。AT89C51的读信号RD 端发出一个输出允许命令输入到ADC0809 的ENABLE (即OE)端, ENABLE (OE)端呈高电位, 用以打开三态输出锁存器, AT89C51从ADC0809读取相应电压数字量, 然后存入数据缓冲器中。4.4 增氧机控制电路增氧机控制电路主要有光电耦合器和可控硅组成。单片机发出控制信号, 经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后, 使得可控硅的触发极处于高电平, 可控硅处于导通状态, 进而控制增氧机工作。而使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响, 增
11、强了系统的可靠性。4.5 键盘输入、显示及报警电路 键盘由复位键、模式键、加一键和移位键组成。当系统进入死机状态时, 通过复位键使系统工作。通过模式键、加一键和移位键的组合可设定溶解氧和温度的上下限, 控制增氧机的开停及声光报警电路的工作与否。当信号采集电路采集到的溶解氧大于设定值上限时, 系统则停止增氧机工作; 反之, 则开启增氧机工作。当温度信号高于设定值上限或低于设定值下限时, 系统则启动声光报警电路。一旦发现水中溶解氧和温度不正常时, 则由单片机I /O 口的P1. 0控制发光二极管进行光报警。同时, P1. 6还触发无源蜂鸣器用声报警提醒检测人员注意。 显示电路采用16 * 2 字符
12、型点阵式LCD 显示器, 用于显示控制器采集到的溶氧量和温度值,以及溶氧量和温度的上下限设定值。利用单片机P1口作为液晶显示器数据输入端口。输入的数据为ASCII码, 显示模块自带驱动电路, 可直接与单片机相连。五、 系统软件设计5. 1 总程序结构设计 整个系统的软件包括主程序、自检程序、通信程序、数据采集程序、数字滤波程序、比较判断子程序、报警控制程序及键盘显示程序等若干个子程序。软件采用汇编语言编写, 并采用模块化设计, 使程序结构清晰, 便于今后进一步扩展系统的功能。软件结构如图4。 图 4 程序结构 主程序初始化以后置位AT89C51 的中断EA, 使CPU 开放中断, 并启动ADC
13、0809对IN0和IN1通道的模拟输入量进行A /D 转换。在电路设计中, ADC0809与AT89C51是采用中断方式连接的, 所以系统的数据采集处理功能是在中断服务程序中完成的。当AT89C51响应中断请求后,调用中断服务程序, 中断服务程序进行压栈, 保护现场, 读取来自ADC0809数据输出口的8位数字量, 并将数字量储存到单片机RAM 中, 然后启动ADC0809的下一次转换。 在检测过程中, 将A /D转换器采集到的电压信号经数据软件滤波后存入内部RAM 以70H 为首址的数据存储器中, 然后将此数据Ux分别和基准电压U0、U1进行比较。而后再通过判据算法, 以确定是否控制增氧机的
14、工作及报警。5. 2 滤波设计 设计一个采样周期, 对通道0连续采样6次,然后去掉最大和最小值, 把剩余的累加和求算术平均值作为本周期采样值。存入内部RAM 以30H 为首址的数据存储器中。其中, R2寄存器存放最大值, R3寄存器存放最小值, R4寄存器存放累加和, R0存放连续采样次数。5. 3 报警设计 本设计采用的是全软件报警程序。采样参数经滤波处理后的值存在70H 寄存器中。上、下限报警值以及上、下限复位值分别存在50H 为首地址的寄存器中。报警标志单元为内部RAM20H,其中02H 为上限报警标志位, 03H 为下限报警标志位。若上、下限报警标志位置位, 则P1. 0 和P1. 6
15、输出高电平, 进行声光报警。六、 结论及改进思路 基于单片机控制的自动增氧控制器充分发挥了单片机的控制运算及数据处理等功能, 在样机测试表明: 该控制器不仅操作方便、准确、抗干扰能力强、良好的可靠性, 并且节能效益明显, 具有重要的实用价值与经济效益。 根据实际的应用情况 ，该装置有两个可供改进的思路。第一：该装置仅适合单个鱼塘的监控和溶氧补给，那么如果对于养殖大户来说通常会有对各鱼塘，这样相应就需要多个这种装置，所以可以考虑应用串行通信总线来实现多个鱼塘的联控，这样可以提高经济的效益；第二：鱼类的生长不仅和水中的溶氧量有关，水的质量也决定着鱼类的生长状况，所以可以考虑增加一些生物化学传感器，
16、来检测水中细菌或某些化学物质的含量，从而监测水质的受污染程度，可以适时的向水中喷入臭氧或其他杀毒剂来进行消毒杀菌，从而确保鱼类的健康生长！减少不必要的损失！提高经济效益！七、 参考文献 1 向婉成. 控制仪表与装置M . 北京: 机械工业出版社. 1999. 2 康华光. 电子技术基础 模拟部分(第四版) M . 北京: 高等教育出版社, 1999. 3 范立南, 李雪飞, 伊授远. 单片微型计算机控制系统设计M . 北京: 人民邮电出版社, 2004. 4 李鸣华. AT89C2051在语音合成中的应用 J. 计算机与现代化, 2005( 5 ). 5 钟立. 一种基于单片机控制的智能型应变仪设计 J . 自动化技术与应用, 2006. 6 罗建学. 膨化机专用电子温控装置的设计 J. 渔业现代化, 2006( 2 )。
