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智能增氧控制器的设计毕业论文目录摘 要IAbstractII1 绪论1 1.1 本设计目的和意义1 1.2 课题研究现状2 1.3 课题研究主要内容及设计方案32 智能增氧控制器的设计方案4 2.1设计方案比较4 2.2 设计方案的选取5 2.3 方案实施的原理依据5 2.4 设计系统的功能描述7 2.5 器件选择83 系统硬件设计11 3.1 总体结构11 3.2 I2C应用介绍11 3.3 系统各模块电路设计12 3.4 本章总结224 系统软件设计23 4.1 软件的总体设计23 4.2 各部分的软件设计24 4.3 本章小结295 结论30参考文献31致谢33附录34I1 绪论1.1 本设计目的和意义我们国家淡水资源十分丰富，为渔业养殖提供了很棒的条件，中国是世界上淡水面积最大的国家，总面积超过3109亩，三成以上的淡水可以被利用于渔业养殖。全国遍布大大小小的各种江河、湖泊、水库、塘池，并且我国地处温带和亚热带，有着温暖的气候，充足的降雨，优质的土壤，适合在我国生长的鱼类资源又十分丰富，为我国淡水养殖业的发展，提供了一个很好的客观条件1。几十年来，我国渔业养殖不断快速的发展，养殖面积和单位面积产量也不断提高，淡水养殖越来越需要机械化的支持。我国的淡水养鱼机械，是60年代中期开始兴起的一门新的科学技术，起步较晚，到目前为止也不过只有50多年的历史，但在淡水养鱼的主要环节上，已有了相应的设备2。如水力挖塘机组、各种规格型号的颗粒饲料机组、各种起捕设备、鱼类的保鲜运输设备，以及适用于机械化、工厂化养鱼的专用设备等。机械养殖在淡水养殖中的运用，迫使养鱼技术必须有新的发展，养鱼技术的发展，又给养殖设备提出了更难的问题。我国上个世纪的渔业养殖技术，受到设备、经验等其他客观条件的影响，虽然有大面积的养殖，但是养殖的效率不是很高，经济效益得不到最大限度的提升，要想提升效益就必须发展其对应的养鱼设备。例如，在一定的鱼塘内，要提高单位面积产量，就要让池内的鱼苗投放尾数增多，当鱼苗增加，会引起另一个问题，天然饲料不能满足鱼类生长的需要，这就需要人工饲料补充3。在解决饲料的同时，还要解决一系列有关问题，像饲料成分、饲料组成方法、饲料采集、饲料投放后的充分利用等问题。于是饲料采集及加工机械、饲料投放机械等就成了需要解决的课题。另外氧气在纯水的溶解度不是很高，更何况是如此复杂的鱼塘生态系统中，各种生物都需要氧气，为了能够给鱼类生长提供最适宜的条件，水中氧气的含量就得得到充分保证。于是水体增氧设备的研究设计，被提到议事日程上来。本设计旨在研制一种鱼塘自动增氧控制器，该仪器能使鱼塘中的溶氧量被精确的测量出来，当所测得溶氧量小于人工设定的值，增氧机会被自动开启；当所测得溶氧量大于人工设定值，增氧机会被关闭，保持水中溶氧量是鱼类生长最适宜条件4。渔业养殖中最重要的水质指标就是溶氧量，水中的溶氧量是鱼类生存的重要条件，溶氧量的高低会影响鱼类的正常生长：生长速度、摄食量、饲料的利用率等。很多鱼塘的鱼儿非正常死亡都和水中过低的含氧量有关。我国目前主要养殖的鱼类有：鲢鱼、草鱼、青鱼、鲫鱼、鲤鱼等。据研究发现这类鱼儿在水中溶氧量达到45mg/L以上的时候最适宜。如果水中氧气的浓度过低，此类鱼儿的生长会受到很大的影响。特别是当氧气浓度低于2mg/L时，鱼类的摄食就几乎停止了。更严重的是当氧气浓度低于1mg/L时，鱼类就会浮头（水中由于某些原因导致了氧气含量变低，鱼儿因为水中缺氧呼吸空气中的氧气而浮在水面）。最严重的是氧气浓度低于0.5mg/L，这时的鱼类会窒息死亡5；与之相反，当水中的溶氧量过于高的时候，大部分鱼类不会因此受到影响，但是一种鱼类疾病会由溶氧深度过饱和引起气泡病。以前对鱼塘进行增氧的设备最常见的就是普通的增氧机，那个时候的增氧机一般都是由渔民自己控制开启和关闭，根据天气状况和对鱼儿活动状况去判断是否开启关闭增氧机，这种方法肯定存在很多不准确的情况，造成不必要的损失。一般情况下，氧气在水中的溶解度会随着气压降低而降低，因此在气压较低夜里和清晨往往是鱼塘最需要增氧的时候，养鱼者为了给鱼塘增氧也需要在这个时候打开增氧机，从而耽误了宝贵的休息时间。为了减轻渔民们的劳动负担，增加养殖的效益，这就要求必须提高增氧机的工作性能，因此更加智能化的增氧机控制器的设计跟着人们的需求而被设计出来。此类设计可以由传感器来测量水体中的溶氧情况，并且利用一些智能芯片对测量值和设定值的对比，做到对增氧机的控制。1.2 课题研究现状国外增氧方法主要是富（纯）氧增氧技术，他们对水库、湖、河、鱼塘等水域增氧，这种富（纯）氧增氧技术对水体增氧有非常好的效果。这种技术主要采用了高压氧气、液氧或现场制备的富氧，通过改变气源，提高了气液的接触面积，提高了增氧效率，能源的消耗也大大降低6。另外使用纯氧增氧，在同一养殖条件下有很多的优点：（1） 生长速度提高；（2） 提高饲料利用率，更好地被鱼类吸收和消化；（3） 提高产量；（4） 降低疾病和死亡率，减少药物使用，提高产品质量；（5） 养殖周期缩短；（6） 生产环境改善，有灭菌、抑菌的作用；我国的对水体增氧主要依靠增氧机的机械式增氧，主要有两种增氧控制器的控制方式：一是对增氧机进行工作时间的自动控制，意思就是在阴雨的天气、夜里和拂晓的时候自动开启增氧机，增氧机持续工作的时间可在15分钟、半小时、1小时或2小时等4个时间中选择7 ，在到设定的时间之后，增氧机自动关闭，这种方法虽然不够精确和科学，但是这种自动对增氧机的控制减少了人们的劳动时间，而且控制器经济、实用，被很多渔民利用；二是采用编码解码无线收发组件进行信息传输，在收集到监测信号之后系统会对信号进行处理，当所得数据显示需要打开增氧机，系统则会发出信号，启动增氧机器。这两种对增氧机的自动控制方式各有所长和所短：第一种方式，不能够做到对水中情况的实时全方位的监控，控制不够精确，不能够特殊情况下引起水中溶氧量变化的因素考虑进去，效果并不好，而且根据设定好的时间工作有可能造成资源浪费。第二种方式，实现了对水中的溶氧量的实时监控，并且这种远程的监测和控制是一大优点，可是控制系统的复杂程度，因此这种方式的控制还需要研究和发展7。 1.3 课题研究主要内容及设计方案1.3.1 课题的内容 本课题通过对增氧原理分析和比较，研制了以MSP430F149单片机为核心的增氧机自动控制系统，其中包括：增氧泵的驱动、水温度和压强的数据采集处理、LCD液晶显示等模块。该控制系统能准确显示出水中的氧气的含量，系统经过处理和渔民设定的阈值进行比较，如果测得数据小于阈值的最小值就会开启增氧机，如果测得值大于阈值的最大就会关闭增氧机。这样便可以实现对增氧机的自动控制，避免了人为因素的误差。在本智能增氧器的控制系统中，主要采集的数据是：水中的压强和温度，利用温度传感器和气压传感器将全天鱼池中的温度和气压信息采集出来，然而本设计采用数字传感器，即需要直接把信息传到核心部件MSP430F149单片机中，利用MSP430F149单片机自动控制增氧机的运行，实现增氧机的智能控制。1.3.2 方案设计本设计为了节省成本，不使用价格昂贵的溶氧传感器，而是利用对水溶氧量影响最大的参数进行采集和分析，利用科学的方法，对此进行数学建模，精确得到溶氧量。 1.3.3 课题的难点本课题采用对水体温度和压强的采集，利用水中溶氧量与这两个因素的关系，进行数据处理，建立压强、温度与溶解氧数学模型，得到它们之间的函数关系。 2 智能增氧控制器的设计方案2.1设计方案比较2.1.1 单传感器自动控制系统单传感器自动控制系统，就是系统中利用一个传感器实时检测水体的数据，根据此数据来直接或者间接的得到水中的溶氧量，并以测量的信号作为开启关闭增氧机的唯一依据，从而达到自动控制的效果。黄海晏所设计的鱼塘增氧机自动开关装置就是利用温度传感器对鱼塘中的温度参数的采集来代替溶氧量。这个设计的主要原理依据就是：大量的数据和生活经验表明，鱼塘中的溶氧量与温度有很大的关系，温度升高会使得水体溶氧量降低。该设计利用了两个温度传感器分别采集的水中和空气中的温度信号，然后依据采集的信号数据进行判断，实现对增氧机的自动开启和关闭。侯加林设计的鱼池增氧机智能控制系统直接利用W-LB氧传感器来测量鱼塘中的溶氧量，实时测量和显示。本设计的工作原理为：传感器对信号进行采集，并由放大器转变成电压信号，然后经过二级放大器对电压的放大后进行数模转换，把模拟信号转变为数字信号，最后将数据传输至单片机，实现所设计增氧机的智能控制。刘孝富同样设计了一款自动增氧控制仪，该设计也同样采用了一种溶氧传感器，同样是把采集而来的信号经过放大器转变为电压信号，再把信号放大。不同的是此信号不是进入数模转换后送入单片机，而是送入溶氧鉴别器，把这个值和人为设定的阈值进行比较。当测得的值小于阈值最小值或大于阈值最大值的时候鉴别器发出信号，信号通过延时器分别控制增氧机的开启和关闭，从而达到自动控制鱼塘中溶氧量的效果。2.1.2 多因素集成测定自动控制系统越来越多的事例表明了单传感器自动控制系统的局限性，水体温度或溶氧量单一参数并不够真实反应鱼类在水中的生存环境。更多的研究发现，更科学合理的智能化控制器需要从多种的因数去考虑，收集越多影响因素的数据可以为控制器提供更为合理的设计。以孙道宗为主设计的鱼塘含氧自动监控系统采用了温度传感器和溶氧传感器。根据采集到的温度和溶氧量信号，对其进行处理，再利用光电耦合器和可控硅组成控制开关，根据处理过的信号控制开关，以便达到自动控制增氧机的效果。 2.1.3 远程集控自动控制系统杨友平等人利用编码解码无线收发组件研制了无线发射接收组件控制系统，在远程进行数据的采集、处理和增氧机的控制功能。主要方法就是：利用传感器测得水体的温度、溶氧量和噪声，采集到信号之后进行处理，把处理的信号接入控制系统中。参考人为设定的标准值，当采集而来的信号比标准值大的时候，发出启动信号。接收组件能接收016路同时发射的信号，并对这些开启信号进行解码，从而生成对应的编码地址，鱼塘增氧机的开启由输出的对应地址的电平信号来控制。这种远程集自动控制系统不仅实现了实时检测和控制，而且可以在控制室同时监控多出的鱼塘，可以适应大规模的渔业养殖。系统设计的目的是实现计算机全面控制和管理大面积鱼塘，让鱼塘管理模式逐步走向现代化，会开拓新的市场，发展前景很好8。2.2 设计方案的选取考虑各个方案的可行性与其精准程度，决定参考多因素集成测定自动控制系统作为本设计方案。2.3 方案实施的原理依据2.3.1 影响溶氧量的因素 （1） 物理因素：水的溶氧量受水温、气压、盐度、流速等因素的影响。温度越高水中的溶氧量越低，温度越低溶氧量越高；盐度对溶氧量的影响亦是如此。水的溶氧量与气体的压力成正比，水面上氧的分压愈大则溶氧量愈大。（2） 生化因素：水中也是有一个复杂的生态系统的，各种生物混合，而且作为鱼塘养殖，会出现更多的饲料产生的有机物和残渣，这些都会使水体富营养化，降低水的溶氧量。以上说明了压强、温度、盐度、有机物含量等因素是影响水溶氧量的主要因素。然而设计中如果考虑所有因素进行溶氧量的测定，必然会过于繁琐。因此选取对溶氧量影响最大的两个因素，进一步计算出溶解氧的含量，可以提高本设计的简易和准确程度。2.3.2 影响因素分析水中有机物含量的不确定性太大，不能作为考察的因素。虽然对水体溶氧量影响比较大的是水的含盐度，但是对水体含盐度测量需要价格过于高的器件，这和设计的方案中节省价格的目标大相径庭，所以这个参数无法选择。考虑到设计的目标和设计的准确性等方面要求，本设计选择了压强和温度，这两个比较常见，容易采集数据的因素，作为本设计的参数选择，从而计算出水中的溶解量。2.3.3 水温和压强对溶解氧的影响水溶氧量对鱼类的捕食、生长繁殖都与水温有着很大的影响，鱼类是冷血动物，他们需要从外界获取热量，因此它们的体温是由外界温度决定的，如果外界温度变化的过于大，常常会影响鱼类生长速度，更严重的会导致鱼类生病甚至死亡。1230是最适宜鱼类生长的温度，我国东北地区鱼类生长的速度比南方生长速度慢，其主要影响因素就是东北过于低的气温。因此，如果鱼类生长环境的温度适宜，会缩短鱼类的生产周期，还能达到节能的效果9。正常情况下，液体的溶解度是与温度成正比的，然而氧气在水中的溶解度却与之相反，它的溶解度是随着温度的降低而升高的。这种情况的物理依据就是：分子运动的烈程度随着温度的升高而加剧，当温度升高时，氧气分子的运动就会加剧，氧气分子与水分子之间的吸引力很小，从而导致氧气分子从水中溢出，因此水中的氧气含量就会降低。 气体分子与水分子之间存在着很小的吸引力，但是在外部压力的影响下，也就是说，外部压强会压迫氧气分子，使得二者容易融合。根据道尔顿分压定律，在任何空间或者容器中，存在着稳定的气体，这些气体分子会在该空间或者容器中运动，最终将是一个均匀分布的状态，每一种类的气体产生的压强和该体积单独存在时的压强是一样的。我们知道，空气中各种气体的压力加在一起便是大气压强。因此，氧气的压强是和大气的压强成正相关的。而我们知道地球上氧气含量占空气成分的 21%，于是氧气压强理应是大气压强的21%，比例系数为0.21。图2-1 一个标准大气压下水温与溶解氧的关系散点图氧气压强与大气压强的比例系数是0.21，此外，根据大量的研究，对大量数据分析得到压强与溶氧度的关系，我们建立了一个标准大气压下氧气溶解度和温度的数据散点图，如图2-1所示，显而易见可以得到如上分析的结果，水中的溶氧量在压强不变的情况下，是随着温度的升高而降低的。将散点图的各点连起来我们可以得到一个大概的走势图，溶氧度和温度的比例系数约为-0.98。同时我们可以看出温度对水中溶氧量影响之大，也证实了我们选取这个因数作为参量的科学之处。2.3.4 模型建立智能化的增氧控制器中，要想实现智能化的控制，必须准确的测得水中的溶氧量，为了节省成本不使用价格昂贵的溶氧传感器，同时又不能仅仅凭借经验来控制，于是本设计通过采集温度和大气压强这两个对水中溶氧量影响最大参数来得到溶氧量，因此合理科学的数据处理在这个环节更为重要。为了减小误，差本文采用数学建模的方式把两个参数对溶氧量的影响融和在一起，得到一个公式。在后面的软件部分对数据进行处理。本设计通过回归分析来建立模型。依据亨利关于液体溶解度的推算结论：当温度不变时,不发生化学反应的气体在液体中的溶解度与其压力在一定范围内成正比。温度、压力和液体性质是决定正比例系数的三个因素。DOf（溶解氧） 和大气压强及水温度的数学表达式如下22.： （2-1）2.4 设计系统的功能描述本设计是一种智能化的增氧控制器，为了实现自动化的控制，它根据采集来的数据间接测得水中的溶氧量并根据此数据自动控制增氧机。它以单片机为核心的增氧机自动控制系统，其中包括：水中压强和温度的采集处理、LCD液晶显示、增氧泵的驱动和监控等装置。该智能控制系统能通过对水温和压强等参数的测定，再通过数据处理间接得到水体中的氧气溶解量，然后系统会根据所得溶氧量的值与用户设定的阈值进行比较。当该值小于设定的最小值，便会开启增氧机，当该值大于设定参数的最大值，则关闭增氧机。这样增氧机便得到了自动化的控制。在测量的过程中利用对数据的合理采集和分析，提高了系统精准程度，实现了更加精准的控制。系统结构如图2-2所示。该系统所实现的具体功能是：（1） 间接测定溶氧量并显示；（2） 当出现溶氧量低于所设定的值时，实现报警；（3） 智能化实现增氧泵启、停；图2-2 系统结构示意图 2.5 器件选择2.5.1 单片机选择MSP430F149型单片机，最小系统一般包括：电源模块，晶振模块，复位电路模块，JTAG接口电路。这么多的模块非常适合本设计。用16位的单片机作为本设计的核心，可以提高系统的精准程度，另外本设计需要采集数据并对数据进行数模转换，我们需要高速运行的单片机。单片机MSP430F149无疑是最适合的选择。2.5.2 温度传感器选择水的饱和溶氧量是随着温度的升高而降低。因此，在现代的高密度的水产养殖情况下，水体温度是不得不考虑的一个重要因素。近年来，测量水温的传感器有热电偶型和电阻型，然而这两种传感器都不是数字式传感器，这些传感器主要特点是：需要长时间的测量，放大器对采集的信号放大两次后进行A/D转换，由于放大和A/D转换会造成较大测量误差，所以采用较为准确的数字式传感器是必要的。本设计中使用的LM75传感器是一种数字温度传感器。其性能参数如下：（1） 正常工作电压范围：3.0V5.5V；（2） 测温范围：25125，精度2； 55125，精度3；（3） 工作电流（工作时）：250uA（typ） （关断时）：1 uA （typ） 温度传感器 LM75具有超低功耗、体积小、较强的抗干扰、不需外接复杂电路的特点，直接输出数字信号，不需要A/D转换，单片机可以处理。系统要求采用了一种数字式温度传感器 LM75。2.5.3 压强传感器本设计采用MPX4115型气压传感器，它不是一种数字式传感器，因此它需要进行A/D转换。此外，这种传感器的AD参考电压接入的也是3.3V，这些条件和设计的核心单片机MSP430F149相匹配：内部自带A/D转换模块和3.3V输入电压。2.5.4 光电耦合器光电耦合器，顾名思义就是使两电路元件之间传输的电信号被光信号代替传输的器件。它也被叫做光电隔离器或是光耦合器。这种用光信号代替了电信号，便可以保证了两个信号传输的电路元件之间不受各自工作参数的影响，启到了保护的作用。比如说，前面一个电路元件传输的是高频的信号，而与其连接的元件只可以传输低频信号，这个时候光电耦合器便启到了关键作用，它通过把高频信号转为光信号，又把光信号转为低频信号传输下去。这样既保证了电路中元件的安全也把信号传输出去。因为本设计中需要用到的单片机是MSP430F149型，其参考电压是3.3V，然而本设计中所用到的继电器是5V电压驱动的，所以我们需要光电耦合器。光电耦合器在本设计中有两个作用：（1） 因为单片机的输出信号过低，没有办法驱动继电器。（2） 保护单片机，单片机的参考电压本来就是低压，光电耦合器可以保护其避免高电压的损坏。2.5.5 显示模块以前人们经常会采用LED显示作为设计的显示部分，但是由于LED大的体积和消耗过大的原因，已经逐步被淘汰了，而LCD液晶显示越来越多的进入人们的眼帘。而本设计需要显示包括溶氧量等，因此选用液晶显示模块RT12864M，可显示汉字、图形和数字，是一种点阵式液晶显示模块。2.5.6 电控器件选择电控器件：（1） 继电器不仅仅是电路中的启动开关也是一个保护电路的器件，继电器用小的电流控制大电流器件的开关。本设计采用HK4100F型继电器，其工作电压为5V。（2） 接触器分为交流接触器（电压AC）和直流接触器（电压DC），当电流流过接触器的线圈时，根据电磁感应效应，线圈会产生磁场，这个磁力吸引金属材质的触头，开关闭合。电流消失，磁场也就消失了，开关断开。本设计中使用交流接触器，因为增氧机电源是380V的交流电，所普通的380V交流接触器即可满足本设计的需求。3 系统硬件设计3.1 总体结构本设计的智能增氧控制器是以单片机MSP430F149为核心，它由单片机控制电路、复位电路、晶振电路、时钟电路、JTAG接口电路、温度压强采集电路、显示模块、键盘控制模块、增氧机电路、电源电路等部分组成。系统硬件电路如图3-1所示。图3-1 系统硬件电路框图3.2 I2C应用介绍 图3-2 I2C框图本设计中运用了三次I2C接口模式，包括单片机和温度传感器之间的连接，单片机和时钟电路之间的连接，单片机和存储电路之间的连接，系统I2C应用如图3-2所示。I2C总线是由Philips公司研发的二线制串行总线标准，是具备总线仲裁和高低速设备等功能的高性能多主机总线。I2C总线由两部分构成：串行时钟线SCL和串行数据线SDA，既可以发送数据，也可以接收数据。有总线共享特点，能够兼容若干器件，总线上所有的接口电路和器件都要具备I2C总线接口，并且要把SDA/SCL所有的同名端连接在一起。器件寻址需要通过SDA发送的地址信号，通信时不需要加片选信号。直接用导线连接设备，占用的空间小，降低了互联成本。价格比较便宜，应用比较广泛。I2C总线既可以实现接收器接收数据也可以实现发送器传输数据。这二者的定义就是，这个器件是把信息发送到总线上还是从总线上接收信息，大多数的器件都可以作为发送器和接收器，比如存储器、CPU等，而有些器件只可以作为接收器，比如：显示器件。SCL低电平的时候SDA线上数据状态才会变化；当SCL是高电平的时候，SDA状态被用来表示起始条件和停止条件。数据传输时，每个字节必须为8位，先传送高位（MSB），每个被传送的字节后面必须跟随1位应答信号。3.3 系统各模块电路设计本设计的核心便是单片机MSP430F149，因此单片机的功能和各项参数会影响整个设计的功能，约束设计实施，所以选择一个适合本设计的单片机是极为重要的。按照智能增氧控制系统的设计需要：（1） 数据转换精确高；（2） 传感器采集数据后由单片机处理，并由显示器实时显示；（3） 需要模块之间的相互配合。因此，本系统选用单片机MSP430F149来完成设计。3.3.1 单片机控制电路如图3-3所示，单片机MSP430F149最小系统电路，数字部分电源供电（DVCC)它单片机相连的工作电压是3.3V，模拟部分电源供电(AVCC)连接的模数转换器参考电压约为3.3V。振荡器连接单片机的XIN和XOUT引脚，振荡器的频率为32.769KHZ。人机交互界面的七个按键接入单片机的P2.0P2.6端口，因此这七个按键是相互独立的，不互相影响。单片机的时钟信号电路是接入P4.0，P4.1口。另外LM75型温度传感器也连接到P4.0，P4.1端口，因为LM75型温度传感器的内部储存可以直接通过这两个端口被单片机读出。P6.4连接压强电路输出端。在本设计中的报警电路用到4个LED，它们分别代表电源、自动控制、定时、报警。它们由P4.3P4.6端口接入。增氧机的开关是由接触器来控制的，因此这里输出口P3.6接继电器，通过控制继电器通断状态来得到控制增氧机开关的效果。RT12864M液晶显示模块与单片机8位或4位并行/3位串行，这里我们选择8位并行数据连接。P5.0P5.7端口分别与RT12864M液晶显示模块连接。P6.0，P6.1，P6.2，P4.7分别接RT12864M显示模块的控制端。图3-3 MSP430F149单片机最小系统电路（1）复位电路任何型号的单片机都缺少不了复位电路，它能保证系统工作稳定可靠，复位电路的作用是将电路恢复到起始时候的状态，这和计算器中归零键的作用相类似，让计算器回到原始状态，重新开始计算。但是这两者也有着不同，复位电路启动的方法不同。如果单片机的复位电路出现了问题，整个系统的功能会受到很大的影响。考虑到复位电路的重要性，本设计采用手动按钮复位的方式。复位电路如图3-4所示。图3-4 复位电路手动按钮复位的电路如所示，在复位端和电源之间用一个开关断开，通过人为控制单片机的复位，通常复位时间很短暂的，人手动控制也满足了复位所需要的时间。因为单片机MSP430F149是低电平复位，当复位按钮没有按下时，没有闭合回路，RST端口在电容的作用下依旧是高电平状态，复位不执行。而当按钮k被按下时，电路导通，电容开始放电，同时RST端口高电平变为低电平。当按钮松开后电容的作用再次发挥，RST端口的缓慢变成高电平。这就是整个复位过程。3.3.2 时钟电路一个微机系统就像是一个社会系统，社会的稳步发展需要各种规章制度，需要各种职能机构的协调。而在一个单片机系统中也有好多信号被发出，如何处理这些信号，那么多的信号如何能有秩序的被处理，做到有条不乱在其中扮演重要角色的便是时钟电路。一个部分的信号处理完成后这时候需要一个时钟信号，进行继续下面的处理。振荡器是时钟电路的核心器件，为了使其有很好的稳定性，一般采用石英晶体作为振荡器的材质。振荡器在时钟电路中的作用就是产生正弦波，这些波的频率不尽相同，所以要进行分频、处理，形成不同的时钟脉冲，最后根据系统中各部分的需求进行分配，系统就会协调的工作起来。MSP430F149单片机时钟的主要振荡器：（1） 低频晶体振荡器（LFXT1）（2） 高频振荡器（LFXT2）（3） 内部振荡器（DCO）低频振荡器支持3.277104Hz，高频振荡器最高可达8MHz，内部振荡器为数字式的内部控制振荡器12。MSP430F149单片机多时钟源的优点： （1）成本低。 （2）低电压工作，功耗低。 （3）系统数据处理迅速因为在CPU和高频时钟没有打开的时候，只有基本时钟在电源的供电下运行着，这样而来，在满足条件（外部中断到达或者是定时达到）时系统才会开始运行。如果外部低频和高频晶体振荡器发生故障，内部数字式控制振荡器会在6us内运行，这样便可以保证整个系统的稳定性。如图3-5所示，本系统中采用的是8M的晶体芯片PCF8563，该芯片也具有支持I2C接口协议的功能，故将该芯片直接接到单片机的P4.0和P4.1端口，可以实时读取当前测量值的准确时间，时间的读取能够保障系统的运行安全可靠。晶体芯片PCF8563通过P4.0和P4.1端口直接与单片机连接，可以直接读取时间。同时为了保证芯片与单片机的时钟一致，这就需要在PCF8563的OSCO引脚和POSCI引脚之间接一个32.768khz晶振。然后为了实现实时提供时钟数据这一功能，需要给芯片提供一个独立的外部电源。图3-5 时钟电路3.3.3 JTAG接口电路JTAG(联合测试工作组)是以国际标准为准的测试协议（IEEE 1149.1兼容），以测试芯片的内部为主。这种边界扫描技术是为了在线测试和电路板线路检测而发展的技术。主要是在芯片的每个部分的输入输出间都加一个移位寄存器，这样一来，整个芯片就会被这些移位寄存器单元给包起来，所以这种被叫作边界扫描移位寄存器。当需要测试的时候，芯片就会被断开，通过这些周围的移位寄存器单元，便可以观察芯片的工作情况20。一般情况，JTAG分两类，一类是测芯片的各种参数和芯片是否存在问题；另一类就是用于Debug；在单片机MSP430F149内部同样有JTAG模块，如果需要后期对设计进行程序仿真和在线调试，只需要用JTAG模块便可以完成。JTAG的四个接口：TDO(测试数据输出)、TDI（测试数据输入）、TMS（测试模式选择）、TCK（测试时钟输入）。它们分别与MSP430F149单片机的54、55、56、57引脚相连。JTAG接口电路如图3-6所示：图3-6 JTAG接口电路外接的电源是用来PC机与单片机之间的数据传输，所以本电路设计需要在JTAG接口用一个3.3V的纽扣电池作为电源供电。3.3.4 温度采集模块电路本设计采用数字式的温度传感器：LM75型温度传感器。该传感器和MSP430F149型单片机一样不需要高的供电电压，因此节省了对电压电流的控制，从而达到本设计的主旨之一：节省成本。并且单片机可以直接读取LM75传感器的数据，并且来控制该芯片。图3-7 温度测量电路因为单片机MSP430F149内部带有I2C（I2C总线是一个双向的两线连续总线，提供集成电路之间的通信线路）功能，可以直接与P4.0、P4.1口连接，读出数据。本设计中的温度传感器电路如图3-7所示。3.3.5大气压强采集模块电路本系统选取气压传感器MPX4115，属于模拟式传感器，因此它需要进行A/D转换，然而单片机MSP430F149内部自带A/D转换，所以气压传感器只需要通过P6.4口直接接入单片机即可，大气压强采集电路如图3-8所示。MPX4115型气压传感器的主要参数：（1） 测量范围是15.00115.00 kPa（2） 输出电压0.204.80 V 图3-8 大气压强采集电路3.3.6 显示模块以前人们经常会采用LED显示作为设计的显示部分，但是由于LED大的体积和消耗过大的原因，已经逐步被淘汰了，而LCD液晶显示越来越多的进入人们的眼帘。考虑到本设计中的电路模块显示要求，选用RT12864M液晶显示模块。RT12864M既能显示汉字又可以显示图形，属于点阵式液晶显示模块,由控制电路、液晶显示屏(LCD)、64256点阵显示RAM(GDRAM)、LCD驱动器、电源和背光控制电路组成。内置8192个中文汉字(16 16点阵)、198个字符(8 16点阵),其中CGROM是固化好的字模库,CGRAM为可供用户随时定义的字符字模库。RT12864M可提供8 4行的汉字空间21。本设计需要显示出汉字，因此采用12864大小的显示，能够使内容直观的显示，RT12864M可以显示4行，每行最多8个汉字，完全满足本设计中显示界面的要求。RT12864M的接口电路如图3-9所示。5V的电源为该模块供电，能够让本模块显示结果更加的明显，有利于观察。RT12864M液晶显示模块中的RS、R/W、E引脚分别与单片机MSP430F149的P6.2、P6.1、P6.0连接，DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7为8位数据总线，这8个并行的数据口引脚分别接到单片机的P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、P5.4、P5.5、P5.6、P5.7。图3-9 RT12864M的接口电路3.3.7 键盘控制模块电路图3-10 按键电路人机交互界面则如图3-11所示。根据本设计的各个模块电路的要求，所以我们需要一个菜单窗口结构体，按下菜单按键显示，然后其他还需要7个按键来组成整个结构，分别是：上、下、左、右、确认和取消。因此7个按键来组成了键盘的控制模块。并且为了能够使得程序更加的简单，我们把这七个按键独立分开，互相不影响功能，完成对增氧器的控制键盘。控制电路图3-10所示。单片机P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6分别为7个独立按键的接口。在本设计中，为了实现增氧器的自动化的控制，需要为增氧机的开关设定一定的参数，所以在人机交互界面中参数的输入、显示和存入是很重要的。在菜单按键下进去设置参数，在通过上下左右四个按键进行选择。同时在人机交互界面中，直观的显示了电源状态、自动控制模式、定时控制和报警。图3-11 人机交互界面3.3.8 增氧机控制电路模块图3-12增氧机接口电路增氧机控制电路如图3-12所示。本设计中MSP430F149单片机的工作电压为3.3V，然而增氧泵的输入电压为380V，这就需要用继电器和接触器来控制增氧泵的开关，单片机的的输出电压较低不能够驱动继电器，所以，必须用外接电源驱动继电器。同时为了保护单片机不被高电压烧坏，需要在继电器和单片机之间接入一个光电耦合器，达到保护作用。当单片机发出启动增压泵的信号时，信号进入光电耦合器输入，此时低电平导通，继电器在外接电源的作用下驱动线圈，此时增氧泵打开。当单片机输入高电平时，光电耦合器不导通，增氧泵电源断开，增氧机关闭。3.3.9 存储模块对于一个微机系统来说，它的最小系统包括了各种功能模块，然而为了实现各种功能，将这些功能整合起来，适用于各种设计的要求，这就需要外部程序写入单片机的存储器中。可是作为单片机这样的微机系统并不会像PC等其他功能完善的设备一样具有足够的存储空间，它们往往只够存储一些简单的程序，并且这些程序的存储会是一个问题。为了解决本存储器这个问题，本设计中采用一个外部存储器。这样既解决内存不足的问题又解决了掉电数据丢失的问题。所以本课题实验系统中设计了存储器模块。在使用的芯片确定了之后，单片机便决定存储器是串行还是并行。如果应用在一个大的系统中，单片机内部自带的存储空间并不能满足存储要求，这是就必须使用外存储器，而外部寻址总线大多数是并行，因此会采用并行存储器。而在比较小的系统中，使用自带的内部存储器并没有外部寻址，如果也使用外部数据存储器，这样情况下，串行存储器是最好的选择，同时系统数据也不会因为掉电丢失。在本设计中，显然串行存储器比较适合。本设计中选用串行存储器AT24C128，它是典型的支持I2C串行总线的EEPROM（电可擦可编程只读存储器）。其主要特点：（1） 容量较大，163848位存储空间（2） 支持I2C总线数据传输协议（3） 占用单片机I/O端口少（4） 芯片拓展方便（5） 读写简单（6） 低电压工作（7） 可擦写次数多图3-13存储电路模块原理图如图3-13所示，存储电路模块的原理图。VCC、GND作为芯片的供电引脚；A0、A1、A2为芯片的引脚地址面选择输入，控制地址接入是否被允许；SCL为I2C总线接口的串行时钟线，接单片机的P4.1口，SDA为I2C总线接口的串行数据线（高位在前，地位在后；上升沿数据写入，下降沿数据读出），接单片机的P4.1口；WP为写保护引脚，当WP接高电平时，只能对该器件进读操作，不能进行写操作，用于硬件数据的保护；当WP接低电平时，可以对该器件进行读写操作。3.3.10 电源电路本系统选用的核心控制器是MSP430F149单片机，正常工作电压为+1.8+3.6V，但所给的整个系统供电电压为+5V，显然如果不对电压进行处理会造成单片机的损坏，因此我们需要在供电电源接入系统之前需要对其进行电平转换，使得输入电压为3.3V。 本系统选用LP2980AIM5，功耗低、体积小、稳定性能好。接口电路如图3-14所示，广泛应用在一些低功耗系统中。图3-14电源电路模块原理图3.4 本章总结本章主要介绍了增氧控制器的硬件分电路部分。首先介绍设计中应用比较多的I2C接口协会使用方法与数据传输格式，然后介绍了系统总体设计框图，简述了系统的整体工作流程以及各个模块与单片机之间的电路连接图。4 系统软件设计系统功能的实现不仅需要硬件系统的配合，更需要软件编程的帮助。在现在所学习的编程语言中，无非C语言和汇编语言。而在本设计所用到的单片机MSP430F149中，两种语言都可以作为编程语言。C语言在高级语言中，相比较而言是最容易学习使用的语言。如果只需要逻辑操作和算法以及一些简单的运算，就适合用汇编语言，同样C语言也能完成这些运算；若掺有复杂运算、浮点运算、非线性方程等，汇编语言的难度较大；单片机繁多的种类，各自汇编语法都不一样，若仅仅使用汇编语言，它的扩展性、移植性会很差，C语言就会好很多；汇编语言的效率高，对硬件的可操作性更强，体积小，可以是不移维护，C语言的效率比较低，硬件可操作性比较差，目标代码体积大，容易维护。综上所述，本设计软件设计部分采用C语言。4.1 软件的总体设计如图4-1所示为本设计的主要程序流程图。系统操作流程为硬件软件初始化，采集数据、将模拟信号转换为数字信号显示出来、I2C、定时器、时钟电路实时显示测量时间、对处理后的数据进行存储。初始化后程序进入等待状态，待定时器达成一致时间后， MCU读取AD转换和下一步数据为溶解氧值，处理结束后处理值和设定值，完成对增氧机的开关控制，完成上述系列采集后，微控制器继续进入休眠状态后的处理工作。 如果有一个按键中断触发选择功能，则氧气控制器切换工作状态，结束后返回到休眠状态。当该系统接入电源之后，单片机开始工作，人机交互界面的电源灯和自动控制灯亮，单片机会按照程序编程那样运行。此时LCD液晶显示的应该是此时测定而来的参数：水的温度、压强、溶氧量和时间。可是我们需要对增氧器设定一些参数，让其根据这些参数运行，这个时候按下人机交互界面的菜单键，LCD液晶显示屏会显示：自动控制、定时控制、参数设定、数据显示。这四个选项，然后使用按钮中的上、下、左、右对需要选择的功能进行设定，进入一个功能后，按下确认按钮，系统便会对此进行处理。如果需要对参数进行设定，只需要对参数设置一个阈值，对数字的修改只需要利用上、下按钮进行修改。当所有设定完成之后，退出菜单选择，回到主界面。图4-1 主程序流程图4.2 各部分的软件设计每一个设计想要正常的工作，这少不了单片机系统与其他外部芯片的配合，在系统开始前需要对单片机内部能否按照各个部分芯片的指令要求工作进行检测。本设计中软件部分包括：I/O端口初始化、看门狗定时器初始化、A/D转换器初始化、中断初始化、显示模块初始化。4.2.1 实时时钟模块软件设计根据I2C总线协议，本系统中时钟模块的软件设计主要依据PCF8563的2种模式读/写的时序。(a) 主器件PCF8563写模式 (b) 主器件PCF8563读模式图4-2 PCF8563的两种模式主器件PCF8563的写模式：I2C总线在收到主器件发出起始信号之后启动，然后主器件传送写器件地址，主器件在收到应答信号之后，发送子器件地址，在收到应答信号之后，主器件开始发送数据，传输完成，停止发送信号，此模式结束。主器件读PCF8563模式：I2C总线在收到主器件发出起始信号之后启动，然后主器件传送写器件地址（0A2H），主器件接收应答信号后发送子器件地址，再次接收到成功信号之后发送I2C总线的起始信号，主器件传送读器件地址（0A3H），在收到准确信号后，由主器件来完成数据的接收，发送停止信号，表示该模式结束。如图4-2所示，PCF8563的两种模式。4.2.3数据采集与处理（1）大气压强的数据采集当单片机相应定时器开始采集测量数据时，系统中的所有器件开始工作。如图4-3所示，大气压传感器模块流程图，由于该传感器不是数字式的，需要对得到的数据进行AD转换才可以进行数据的存储。图4-3大气压强传感器模块流程图（2）温度的采集当单片机相应定时器开始采集测量数据时，系统中的所有器件开始工作。首先单片机会读取温度传感器LM75的温度，由于该传感器是数字式的，不需要启动片内的AD转换，只需要进行对所得到的数据进行判断，然后进行数据的存储， 如图4-4所示，温度传感器模块流程图。图4-4 温度传感器模块流程图（3）数据的处理当单片机把上面测得的数据存储之后，需要对数据按照编程中所设定的公式进行处理。当所有的数据单位都满足条件时，选用溶解氧与两个参数的函数关系来计算出溶解氧参数的值，该表达式为： （4-1）如图4-5所示，首先得把所得到的数据进行筛选，把其中因为其他因素影响而得到的数据进行剔除，然后为了缩小误差，一般采用选取多组数据对其取平均值的办法。接着需要把得到的需要带入公式的数据的单位进行换算，变成计算所需要的单位，因为得到的数学模型公式的单位都已经确定了，而编程好的公式，把数据带进去并不会自动换算，带入后的结果就不是正确的。在处理完所有的数据之后，将处理后的数据带入公式（4-1）计算得出所需要的结果；然后将上式求得的溶解氧浓度保存在存储器当中。图4-5数据处理流程4.2.4 显示界面设计图4-6 人机互动界面一个系统设计的功能，最直观的应该是在显示界面。本设计的显示界面是由LCD液晶显示芯片和7个按键组成，启动电源后，进入在默认界面，显示此时此刻水的温度、大气压强、溶氧量和时间。当菜单键按下之后，可以出现每个选择功能的界面，用户通过按下不同按键选择自己想要执行的操作功能，进入所选功能的之后，可以通过上下键对参数进行设置。显示界面的设计本着以显示直观，操作简单的理念，通过这些简单的按键来实现人为控制增氧机的功能。如图4-6所示为人机界面的软件设计结构。4.3 本章小结本章叙述了软件的整体工作流程，然后对系统时钟模块的软件部分进行简单的描述，再对系统数据采集和处理方面进行软件的简述，最后对人机界面进行了详细的介绍。5 结论毕业设计是大学四年的最后一次实践性设计，可以说这是对我们四年所学知识的一次考察和总结。在这两个多月的设计过程中遇到了很多的问题，同时也发现了自己的不足之处，但是经过不断的努力，最终完成了本设计。本文介绍了一种以单片机为核心的智能增氧控制器的设计，其原理是：采集水温、压强值，利用溶解氧与水温、压强之间存在的函数关系进行处理，能够实时计算得到的溶解氧值。如果计算所得值大于已设好的上限标准值，增氧机被停止运行，如果计算所得值小于已设好的下限标准值，增氧机开始启动。本设计的优点：（1）减少了设计成本。溶氧传感器的价格过高，而本设计利用对溶氧量影响最大的两大参数的测量，通过数据的采集与处理，