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螃蟹温室过冬调控系统毕业论文第一章绪论第一节课题研究背景众所周知，自然情况下螃蟹是在秋天上市。作为天津这个对于水产品情有独钟的海滨城市，冬季吃上螃蟹一直是天津老百姓的心声，国家一直也是为了丰富老百姓的餐桌提出了“菜篮子”工程这样的民心工程。冬季温室养殖螃蟹系统就是帮助天津农村养殖户创收实现国家提出的缩小城乡居民收入水平做出贡献的一个好项目。螃蟹身上还蕴藏着巨大的价值，可以说其身上基本全是宝贝。河蟹是我国产量最大的淡水蟹类。因其鲜美可口的味道受到广大消费者的喜食。古人曾有云“不到庐山辜负目，不食河蟹辜负腹”。红楼梦对在贾府大观园大家吃蟹的场面也具体生动地做了描述。历史之说以对其有如此高的评价，主要由于其不仅肉质的口感十分鲜美而且营养价值十分丰富。不仅在国内河蟹是深受欢迎，国际市场上其也是抢手货。在外贸市场上，一直是国际市场上的畅销产品换汇率很高。河蟹还具有丰富的营养价值，其肉中蛋白质含量为14%，脂肪含量为59%，碳水化合物含量为7%,并且其肉中含多种氨基酸.据科学实验分析，每100克蟹肉中含维生素高达5960国际单位，热量为139千卡，为常规水产品之冠。其除具有食用价值外，河蟹在其他方面也有很大的价值。在工业方面，可以从蟹壳中提取甲壳质，用甲壳质合成纤维，既柔软又有光泽，可与羊毛比美。在药用价值方面，蟹肉可清诸热、散血结、续断伤、理经脉、滋阴等功能，蟹壳具有可清热解毒、破瘀、消积、止痛等功能，促进儿童的生长发育，用甲壳质提取的几丁胺，制成医用缝合线，不会引起伤口感染，并能被人体吸收，而不需拆线。其还可以处理污水，用氢氧化钠溶液处理后得到的酮酸，具有凝结剂的作用，是处理废水的最佳材料之一。冬季养殖螃蟹技术一直是天津养殖业的一大难题。冬季不能养殖螃蟹的最主要的原因就是冬天气温很低。在气温较低时，螃蟹基本就不生长了甚至螃蟹还可能会被冻死。螃蟹是对温度比较敏感的动物，人为控制水池中的温度不够精确不能满足冬季生长的要求。现在冬天自动化温室大棚已经在名贵花卉、反季蔬菜方面取得了很好的效果1，因此我们将此技术迁移到冬季螃蟹养殖中。随着时代的发展和科技的进步，传统的养殖方法无论是在控制精度方面还是解放劳动力方面都不再适合大面积的水产养殖，自动控制技术已经慢慢普及了我们生活的方方面面。近些年来，自动控制技术在水产养殖业应用发展及其迅速。目前水质监测技术已经具备了比较完善的技术，单片机控制技术已经很成熟了,各种传感器（温度、溶氧、PH值）精确度较高，由它们组成的系统具有很高的稳定性。自动控制系统可以极大地解放农民的劳动力减轻农民负担，最重要的是自动控制系统可以提高养殖的效率提高养殖的成功率。现代这个高科技发展的时代，一套能调节池塘中影响螃蟹生存的主要参数的自动控制系统是必不可少的。运用自动化装置养殖螃蟹加大螃蟹的产量，充分利用螃蟹身上的优势，其将在社会中发挥更大的作用。第二节水产养殖及螃蟹养殖技术发展我国是世界上发展水产养殖最早的国家之一，中国的养殖业历史可以追溯到公元前11世纪。淡水养殖业经验的文字记载已有3000多年的历史。我国最早的一部有关水产养殖的书籍养鱼经于公元前5世纪问世。数千年来，我国的劳动人民靠着自己智慧和勤劳的劳动在实践中摸索并积累了适合中国水域环境的实用养殖经验。新中国成立后，我国水产养殖业进入了快速发展的阶段尤其淡水养殖业得到了长足发展。新中国的水产养殖业经历了迅速恢复发展阶段、波动事发展阶段和持续发展阶段三个阶段2。我国现在的水产养殖技术也发生了巨大的变化，养殖业不再是传统的人工巡守、人工投料及检测的模式了，而是在不同程度上使用了自动化，可以实现自动控制以及数字化的监控和显示3。目前我国已经有了自己比较成熟的养殖特色和科学的养殖方法。但是我国的养殖方法还存在着许多问题，其中最主要的就综合素质低，主要是我国水产养殖业现代化程度不够高，生产效率比较低4。我国是世界上最早养殖河蟹的国家之一。我国的河蟹养殖业起源于60年代后期，当时主要用的是自然界中捉到的河蟹幼苗放养在规定的河流湖泊中去繁殖。70年代初期，我国开始人工育苗。1971年5月5日，在浙江奉化市海带育苗厂由浙江省淡水水产研究所的许步劭、何林岗、韩炳炎、杜家圣四位科研人员首次成功育出大眼幼体，这次人工育苗的成功圆了几代研究人工养殖河蟹人的梦。这是一次历史性的突破，从此拉开了河蟹人工育苗的序幕。这次成功固然可喜，但是这次成功并不是完全的成功，这次成功只限于海水土池和人工配制的半咸水中，其他地方都没能取得成功。几位科研人员并没有满足当前的胜利，仍在继续探索。先在小面积上实验，然后再一点一点扩大养殖面积实验，就这样逐步摸索经验，最终实现了在生产中的推广和应用。80年代在国家发展“一优两高”农业的情况下，调整农业产业结构中，螃蟹从大面积养殖逐步过渡到小面积的精养细样培育出优良品种，得到社会地广泛认可并取得了很大的经济效益。90年代小面积的精养细养已经不能满足社会对优良螃蟹品种的需求。需求要求生产转入大规模精养细养的时代，在利益的驱使下，群众也开始自发性的加入大规模养殖螃蟹的队伍中，因此螃蟹养殖发展的进入快速发展阶段。二十一世纪的今天，在河蟹的社会价值和营养价值被社会充分肯定后，螃蟹养殖技术将会继续发展，更多螃蟹的养殖模式，螃蟹的品种将会不断丰富。池塘养殖目前是我国水产养殖的主要方式之一。本系统成功与否的关键就成了水质的监测和控制，连续多参数水质检测系统在80年代才开始使用56。在水质监测方面，已经采用现代化的科学技术对数据进行处理和显示，成功实现了水质监测的自动化7。第三节本课题设计的内容本课题主要是设计一个能自动调控温室中池塘的水质参数系统。通过调节水中的几个主要参数，自动实现在温室池塘中养殖螃蟹。课题中主要控制对象为水中的温度、溶氧量、pH值。通过传感器采集数据水质参数，单片机接收传感器采集到的数据并将其设定值进行对比。由于池塘水域面积过大，只用一组传感器检测水中参数不能满足我们的要求。所以我们经过论证合理划定区域，在每个区域中加入一传感器传感器。我们将采用RS485总线将分布在池塘中不同区域的多个测试仪连接到工控机上，组成多点采集监测的自动化监测系统8。根据不同的结果做出不同的调节控制，从而使池塘水质环境一直保持在恒定且是最适宜螃蟹生长的环境。根据本系统的设计目的，首先画出螃蟹温室过冬调控系统的结构框架图。选择系统的最优设计控制方案，设计整个系统的硬件电路图。通过C语言编程使单片机能准确接收处理传感器传输的数据并以正确的方式控制水质调节设备工作。单片机通过与上位机信息交换，使传感器检测到数据可以在PC机上显示。在系统出现问题之后，不光是只有单片机能对其进行控制，PC机也可以对其进行调节控制。这样完善了系统的功能，使系统可以实现多点控制，减小了系统出现问题的概率。在完成硬件设计和软件编程后，利用实验板模拟实际系统的工作。在LCD显示屏和PC机上显示数据。摘要冬季螃蟹养殖一直是天津水产养殖业的重大难题。为了解决这一问题，采用控制水中温度、溶解氧和pH值的方法，为螃蟹营造最适宜的生长环境。本系统是以AVR单片机为核心的测控系统，采用DS18B20数字温度传感器、RY952溶解氧传感器和雷磁E-201-C可充式复合pH电极实时采集各个水质参数，经过信号放大滤波电路和A/D转换器将检测到的信号传送给单片机分析比较数据并将采集到的数据显示在液晶显示屏上，根据采集值与设定值比较结果的不同，利用开关量控制加热器、增氧机的启停和HCl和NaOH溶液罐电磁阀。根据反复实验和螃蟹养殖经验，设定一个最佳水质采样周期，定期采集水质参数从而实现池塘水质的实时检测控制。本系统最大的特点是能在上位机上也能对系统进行检测显示和控制。系统利用串口线实现下位机与上位机之间的通信，下位机向上位机发送实时检测到的水质参数，上位机也可向下位机设置各个水质参数的设定值。系统不仅能在下位机上实时显示和控制池塘养殖环境，在PC机上也可对池塘进行实时地监测与控制。这样可使系统接收多地对系统的控制。上位机采用LabVIEW软件平台，通过程序前面板和程序框图的设计，开发出一套符合系统设计要求的上位机软件。本检测控制系统操简单、实用性强、稳定性高、节约能源。经过一段时间在现场的试验调试，本系统将很会为解决天津冬季温室螃蟹养殖难题提供帮助。关键词：冬季螃蟹养殖； AVR单片机； LabVIEW；ABSTRACTCrab breeding in winter has been a major problem in aquaculture.To solve this problem,we use the method of controlling the temperature,DO and pH,providing the most suitable environment for crab growth.This system is the measurement and control system which the AVR MCU is the core.In the system, we use digital temperature sensor DS18B20, dissolved oxygen sensor RY952 and rechargeable and compound pH probe detect each parameter in real time.Through amplification, filter circuit and analog to digital conversion,Signal collected is transmitted to MCU to compare and analysis and displayed on the LCD screen.Based on the different comparison results between the acquisition value and set value,we use switching value to control the heater and oxygen aerator and the aperture of electron magnetic valves of NaOH and HCl solutions.According to repeated experiments and crab breeding experience , we set an most suitable water quality sampling period ,regularly collecting water quality parameters in order to achieve real-time detection and control .The greatest feature of this system is able to detect, display and control the system on the upper computer.System uses the serial cable to achieve the communication between the upper computer and lower computer,the lower computer can send the water parameters detected to upper computer. As well, the upper computer can send the set points of water parameters to the lower computer. The system not only can display and control pond water quality by lower computer in real time,but also can carry out monitoring and controlling pond water quality by upper computer in real time , enabling multi-point control system .system can be controlled by multi-point .We choose LabVIEW as the platform in which program in upper computer is be developed.By designing panel and block diagram in the LabVIEW, we can develop a upper computer program which can meet demand of the design in the system.This detection and control system can be operated easily, it has good usability, high reliability and energy conservation.After a period of commissioning and tests in the field , this system would contribute to slove the problem of Crab breeding in winter.Key word: Crab breeding in winter; AVR MCU; LabVIEW致谢在此次毕业设计中，首先我要感谢我的导师杨世凤教授。感谢他在毕业设计期间给我的指导和帮助。通过他的指导，明确了我的的设计方向充实了我的知识，细化了我的任务量才使我能顺利地按期完成毕业设计任务。在此我对杨老师细心帮助表示由衷的感谢。此外，我也非常感谢在大学期间的其他老师们给予我的帮助，通过你们的认真教授，让我扎实地掌握了本专业的基础知识和专业技术，使我对本专业的认识上了一个台阶，从理论迁移到了实际上。为我在今后学习和工作的道路上打下了坚实的基础。四年大学生活和我一起学习、生活和娱乐的同学们，感谢你们在各个方面对我的帮助和激励。正是因为在这四年的时间里有你们，才使我的大学生涯丰富多彩异常炫丽精彩。美好的时光总是那么短暂，我相信大学的时光将是我们最美好的回忆，我们之间的友谊将永久天长。最后，感谢学校学院领导老师们为我们创造的良好学习环境，感谢父母一直以来在生活和学习上给予我的支持和帮助。同样感谢和我一起生活了4年的同学们。在此感谢所有帮助过我的人们。第二章螃蟹温室过冬调控系统总体设计方案第一节系统总体设计思路螃蟹温室过冬调控系统是以AVR单片机为核心的控制系统,AVR单片机以次高效、可靠和低功耗等优点被小型工控系统广泛采用9。温度、溶解氧和pH值三个水质参数由温度传感器、溶解氧传感、pH值传感器分别从温室池塘中采集三个重要水质参数。由于在室外环境中不确定因素较多经常会遇到干扰，采集到的信号需要经过滤波电路与信号放大电路。单片机不能识别模拟信号，滤波放大后的信号需经过A/D转换模块才能被单片机接收并将其显示在LCD液晶显示屏上。单片机将采集到的信号与设定值进行比对，根据比对值的不同发出不同的控制命令，水质调节设备按发出的命令对池塘中的水质环境进行控制。单片机在控制的同时与上位机进行通讯，实现在PC机上对池塘水质环境进行的检测和控制。图2-1所示为系统组成框图。图2-1 系统组成框图第二节温室池塘养殖系统水质参数的控制原理和控制方法本系统通过温度传感器、溶解氧传感器和pH值传感器每一周期采集一次池塘中水质参数，并把采集到的数据经过A/D转换电路，再经过信号放大电路，传送到单片机中，单片机再根据采集到的各个数据分别与设定值进行比较进行处理操作，控制执行器的开关来调节水质各项参数。在下一个周期中，三个传感器继续采集池塘中的三项参数传送到单片机中与对应的设定值进行比较控制最终实现池塘中环境在设定值上恒定。下面我来重点介绍系统的水温、溶解氧、pH值检测原理和控制的方法。一、池塘水质各参数的检测（一）水温的检测本系统的使用环境是在冬天，保持好池塘的水温成为该养殖系统成功与否的关键，同时也直接影响着螃蟹的生长。在最佳的温度下, 河蟹生长得得快, 饲料转化效率高,抵抗病能力强体质强健。螃蟹的生活周期分为分为七个主要阶段10。一生要经过5个阶段，在每个阶段对于温度要求都不一样，要进行分别控制。I阶段要求在1622；II阶段要求在1824；III阶段要求在2024；IV阶段要求在2225；V阶段要求在2426。可以看出，螃蟹在生长过程中对于温度比较敏感，控制系统精度要达到0.1才能满足系统要求。目前主要的温度测量方法主要有接触式和非接触式两种11。技术比较成熟且应用广泛的主要有热电阻、热敏电阻、热电偶、DS18B20、红外测试仪。下面来分别介绍它们的特点以便选择合适的传感器：1、热电阻：其主要根据金属导体的热电阻效应，电阻率随温度变化而变化的物理现象。利用电阻与温度之间的函数关系将温度变化量转化为相应的电阻变化量，从而实现对温度的测量。其灵敏度高、具有较好的线性性但体积比较大。常见的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。2、热敏电阻：热敏电阻是一种具有很高电阻温度系数的半导体元件。热敏电阻是利用半导体材料温度系数大多都为负的特点，随着温度的增加阻值随之降低。温度的变化会造成阻值很大的改变，从而实现温度测量。热敏电阻灵敏度高、体积小、热惯性小、响应速度快等优点，但是其互换性和稳定性差还存在着严重的非线性，其不适合在高温情况下测温。3、热电偶：热电偶同样也是根据热电效应设计的，由两种不同的导体连接成一闭环回路而制成的温度传感器，由于电压和温度间是非线性关系的，需要与参考温度作第二次测量，经温度-电压变化，以获得温度值。其结构简单、使用方便、测量精度高、测量范围宽等优点，但不适合高精度的测量和应用。4、DS18B20：DS18B20通过门开通期间内低温系数振荡器经历的时钟周期个数技术来测量温度，门的开通期是由高温度系数振荡器决定。其输出的信号是数字量可以省去A/D转换模块简化系统。5、红外测试仪：红外测试仪是近年来红外技术发展的最新成果。红外测温是根据物体本身的温度在绝对零度以上都会不断地发射红外线，由波尔兹曼定律可知，如果测出物体所发射的红外辐射功率就可以确定其温度。不用接触就可以测量温度。在超高温的条件下被广泛使用。（二）溶解氧检测溶解氧是指溶解于水中的分子态的氧，是水中生物和水中植物不可缺少的生存条件12。目前测定溶解氧主要有三种方法：自动比色分析和化学分析分析测量，顺磁法测，目前溶解氧的检测方法有电流测定法、荧光猝灭法、电化学法测量和阳极溶出伏安法等13。自动养殖系统一般采用电化学的测量方法。该传感器是一种运用电流测定法检测溶解氧的原电池型电极。传感器氧电极由金阴极、银-氯化银阳极、聚四氟乙烯薄膜、壳体等部分组成如图2-2所示。电极腔内充入氯化钾溶液，聚四氟乙烯薄膜将内电解液和被测水样隔开，溶解氧通过薄膜参透扩散。当两电极间加上0.50.8V固定极化电压时，水样中的溶解氧扩散通过薄膜，并在阴极上还原，产生与氧浓度成正比的扩散电流。电极反应阴极被还原： （2-1）阳极被氧化： （2-2）图2-2 溶解氧电极结构产生的还原电流可表示为：（2-3）（2-3）式中 K比例常熟；n电极反应得失电子数；F法拉第常数；A阴极面积；Pm薄膜的参透系数；L薄膜的厚度；C0溶解氧的分压或浓度；与成线性关系，因而只要测得得还原电流就可以求出水样中溶解氧的浓度14。各种溶解氧测定仪就是依据如图2-3所示的这一原理工作的。测定时，首先用无氧水样校订零点，在用化学法校准刻度值，最后测定水样，便可以直接显示其溶解氧浓度。仪器设有温度补偿装置，补偿由于温度变化造成的温度误差。图2-3 溶解氧测定仪原理溶解氧电极法不受水样色度、浊度及化学滴定法中干扰物质的影响，快速简单，适宜现场测定，易于实现自动连续测量。（三）pH值的检测pH值检测pH值同样也是一个非常重要水质参数。pH值同样也有其特殊性，其与水中的温度、氨氮、溶解氧的含量、水中生物呼吸作用、浮游植物的光合作用相互影响。由于水产养殖最适合的pH值范围为:6.58.5,pH值超过8.5，水中氨的毒性增大，硫化氢毒性减小。pH值超过9.5，大多数水产动物不能生存。PH值低于6，水产的氨无毒性，单硫化氢毒性增大。PH值低于5，对水产动物有严重危险。据科学分析，河蟹最适宜生长的pH值为8.0-8.5。测定水中pH值得方法有玻璃电极法和比色法测定pH值。比色法是一种化学方法，不能将pH值转换为电信号单片机无法处理，本自动控制系统不适宜采用此方法。综上所述，本系统采用玻璃电极法，同时也是测定PH值最常用的方法，该方法基本不受溶液的颜色、浊度、胶体物质、氧化剂和还原剂以及高含盐量的干扰15。玻璃电极法（电位法）如图2-4所示测定pH值是以pH玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，并将二者与被测溶液组成原电池。图2-4 pH值测量示意图E电池=甘汞玻璃 （2-4）（2-4）式中的甘汞饱和甘汞电极的电极电位，不随被测溶液中氢离子活度（）变化,可是为定值；玻璃PH玻璃电极的电极电位，随被测溶液中氢离子活度变化。将传感器插入待测溶液，依照斯特方程，原电池输出电动势、被测溶液绝对温度以及被测溶液pH值之间关系可用式：（2-5）式（2-5）中E为电极间的输出电动势（mV）；为常数，与参比电极材料、内参比溶液、内参比电极以及液接电位有关的电位差（mV）；K为斯特系数；T为被测溶液的绝对温度（K）；为被测溶液的pH值；是常数，为测量电极内缓冲溶液的pH值。pH电极在使用前需进行标定，确定的实际值。采用PH值已知的标准缓冲溶液校正电极。对于据调查，河蟹最适宜生长的PH值为8.0-8.5。令标准缓冲溶液的pH值分别为和，在相同温度T下，由式（2-5）得到在标准缓冲溶液下电极输出电动势分别为和，电动势与pH值关系如式（2-6）（2-7）所示：（2-6）（2-7）由式（2-6）、（2-7）可得：（2-8）将式（2-5）与式（2-8）相减变换得：（2-9）经过标定，根据两个标准缓冲溶液的pH值、和相对应电极电动势、，由式（2-9）得到待测溶液的pH值16。二、池塘各水质参数的控制（一）水温控制调节温度的仪器设备有浸入式的电热器、热泵、热交换器、气体电力加热单元和冷却器。国内比较常用的是浸人式电热器, 也有的工程是通过往养殖池中加热水调整的。如果使用的是浸入式电热器就是通过调整加热时间来保持温度如果是加热水, 就要通过控制加热水的电磁阀开关时间的长短来达到调整温度。由于本系统对温度精度的要求不是很高，所以采用浸入式电热器。（二）溶解氧控制溶解氧同样也是水质的重要参水之一，也是保证水中有机物进行无机化分解所必须的,对调节水环境中众多物质的氧化分解起着主导的作用。目前，水产养殖中采用的增氧方式种类繁多, 根据其增氧的原理,大致可分为三类：物理方法、化学方法和生物方法17。在螃蟹的生长的各个阶段中，始终对于水中溶解氧的要求极高必须在5mg/l以上，以此需要不断向水中增氧，我们增氧一般采用增氧机，使用增氧机在增氧的同时也可以使水中溶解氧分布均匀18。但是常规的通过增氧机日夜不停的工作来保持水体的含氧量的方法存在耗电量大、噪音污染严重、影响鱼类生长等诸多弊端19。水产养殖一般采用增氧机来实现对溶解氧含量的控制。在水产养殖领域，控制水中溶解氧主要采用增氧机。目前市面上有多种增氧机，如叶轮式增氧机、浮式增氧机、水车式增氧机、充气式增氧机。由于螃蟹的养殖池塘水深高于一米，所以采用叶轮式增氧机其增氧能力、动力效率均优于其他机型。其首先利用机械部件搅动水体，促进对流交换和界面更新；之后把水分散为细小雾滴，喷入气相，增加水一气的接触面积；最后通过负压吸气，令气体分散为微气泡，压入水中。其不仅可以增氧还可以通过机械部件搅动水体排出水中的有害气体和降温的功效。（三）pH值控制pH值是影响水生生物的生长生存一个关键因素。如果pH值过高，螃蟹容易受到水中磷酸盐溶解度的影响。若pH值过低，将会导致卵球失去弹性甚至卵球扁塌提前破膜20。而且在螃蟹生长的5个阶段对pH的要求不一样，所以要精确控制pH值。pH值控制方法有通过加水或者排水来控制pH值，向池塘中添加酸碱中和剂，本系统采用的中和剂为HCl和NaOH溶液21。第三章螃蟹温室过冬调控系统硬件设计第一节 ATMega16芯片的介绍一、ATMega16芯片介绍核心控制芯片是是一个系统的大脑，它的运算处理的速度和能力影响着系统的执行能力和执行速度，直接决定着系统处理的正确与否。由于Atmel公司的ATmega16功能强大、操作简单并且价格低廉，可为该系统提供灵活而低成本的解决方案。本课题的核心控制芯片为Atmel公司的ATmega16单片机是如图3-1所示。ATmega16单片机其具有功耗低的特点采用AVR RISC结构的8位CMOS微控制器。ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。AVR单片机内置了32个通用工作寄存器，每个通用工作寄存器都是8位的并具有非常丰富的指令，一条指令一个时钟周期内可以同时访问两个寄存器。每个的寄存器都与算逻单元（ALU）直接连接。ATMega16系统内置16K字节的可编程Flash，其擦写寿命达10,000 次。512字节EEPROM擦写寿命达100,000 次，1K 字节SRAM，32个可编程的I/O 口，支持片内调试与编程，片内集成了8路10位ADC，两个可编程的串行USART以及具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器22。图3-1 PDIP封装ATMega16引脚引脚说明：VCC：电源GND：接地PA7.PA0：PA口可以作8位双向的I/O口，还有A/D转换器的模拟输入端功能。PB7.PB0：PB口可以作8位双向的I/O口，还有外部中断以及计数器源、模拟比较输入端、SPI通道口等功能。PC7.PC0：PC口可以作8位双向的I/O口，还有定时起振器引脚、JTAG测试口、两线串行接口等功能。PD7.PD0：PD口可以作8位双向的I/O口，还有USART输入输出引脚、定时器比较匹配输出、定时器比较匹配输出、外部中断输入等功能。AREF：ADC的模拟基准输入引脚23。RESET：复位输入引脚。AVCC：AVCC是PA口内置的A/D转换器电源。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接，不使用ADC时该引脚应直接与VCC连接，。XTAL1：片内时钟操作电路与反向振荡放大器的输入端。XTAL2：片内时钟操作电路与反向振荡放大器的输出端。第二节螃蟹温室过冬调控系统的最小系统系统电源模块电源模块是为系统提供能量的重要模块，是一个决定系统能否正常工作的重要模块，为使系统能正常工作，必须为实验板提供稳定的电源。在本实验板中，LCD液晶显示屏、DS18B20等外设都需要实验板为它们供电。由于ATmega16单片机的正常工作的电压一般在4.5V-5.5V之间。我们的民用电统一为220V，如果将它加在板子上，肯定会把实验板和外部器件烧坏。本系统用的电源适配器是将220V的50/60HZ的交流电转换为6V的直流电，输出的电流可在300mA、3A、4.5A、6A这四档中根据需要选择。电源适配器输出的6V直流电源还是大于单片机的正擦工作电压，我们需要一个稳压电源将输入的6V降到5V。本系统选用稳压电源LM2940可以将输入的电压稳定在5V上。LM2940稳压电源具有电路结构简单，纹波小，稳定的线性度非常好，但是其功耗稍大。在安全性方面其有非常大的优势，LM2940内设有一个静态电流降低电路，该电路内还设有防止电路接反的电路，可以防止电源接反对实验板和板上外设的损坏。如果实验板出现短接的情况，它也可以降低短路电流，以防造成大的损失。电源模块原理图如图3-2所示。图3-2 电源模块原理图系统的晶振电路模块晶振电路的作用是为系统提供基本的时钟信号，为一个系统各部分能够通讯系统都使用同一个晶振频率。XTAL1用作片内振荡器的反向放大器的输入，XTAL2 用作片内振荡器的反向放大器的输出，为了使其更好地起振，在晶振两端都加上22pF电容如图3-3所示，单片机的振荡器分为石英晶体和陶瓷谐振器两种。熔丝位是用来选择石英晶体振荡器或陶瓷谐振器两种放大器模式中一种的。对于谐振器，CKOPT在未编程时其最大晶振频率为8 MHz，熔丝位在编程时其最大晶振频率为16 MHz。不管选择石英晶体还是陶瓷振荡器任意一种模式，图3-3中C5和C6的数值始终要保持一致。晶振电路如图3-3所示。图3-3 晶振电路三、复位电路模块复位时，单片机程序复位向量处开始执行并且寄存器都被恢复为初始值。此时不要求任何时钟处于正常运行状态。ATmega16有5个复位源：上电复位、外部复位、看门狗复位掉电检测复位和JTAG AVR复位。表3-1为ATmega16的复位特性。表3-1 ATMega16复位特性ATmega16单片机系统的复位电路如图3-4所示。图3-4 复位电路复位电路中，根据电容的特性，通电后电容电压不能突然变化，因此电容两端电压需要满足：（3-1）单片机系统中R=10，C=0.1uF，由式（3-1）可得出上电复位的条件：当电容两端电压上升到门限电压的最大值0.9Vcc时，低电平的持续时间又大于最小脉冲宽度t=2.3ms就满足了上电复位条件，此时按下复位键时，单片机即可实现对单片机的手动复位。图3-4中Diode 1N4148二极管是用来在断电时使图中电容C13快速放电。第三节螃蟹温室过冬调控系统的传感器选择信号采集一、传感器的选择与连接传感器的选择主要要考虑到测量条件、传感器的性能、传感器的使用条件等因素。其中主要考虑传感器的灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量范等。1、温度传感器：本系统选用数字温度传感器DS18B20如图3-5所示。由于本系统对温度的要求不是很高，数字温度传感器DS18B20完全可以满足。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的。跟其他温度传感器相比，DS18B20采用的单总线方式接线，线路简单体积小，使用起来十分方便。一根总线上可以挂很多DS18B20温度传感器实现多点测温，同时DS18B20价格非常便宜，非常适合较小型系统的应用尤其对于实验板。DS18B20适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V；支持多点组网功能；可以测量55125内的温度；在配置寄存器后，可实现912位的温度值输出，性能稳定，线性度良好24；测温的精度很高，温度传感器输出的912位温度数值分别对应的可分辨的温度最小单位分别为0.5、0.25、0.125和0.0625；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字量，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字量。 DS18B20与AVR单片机PA.2口连接。DS18B20与PA.2口连接如图3-6所示。图3-5 DS18B20实物图及管脚引脚说明：GND：地DQ：单线运用的数据输入输出引脚VDD：可选VDD引脚图3-6 DS18B20与ATmega16连接2、溶解氧传感器：本系统的溶解氧传感器采用RY952溶解氧传感器。由于其输出的为模拟信号，输出的模拟量需经过信号放大后方可接入ATmega16内部A/D转换器的输入通道中。系统将处理好的溶解氧传感器输入信号连接到ADC通道0上面即PA0口。RY952溶解氧传感器的主要技术参数：溶解氧测量范围：020mg/L；最小分度值：0.01mg/L；使用的温度范围：040；温度补偿：自动温度补偿（050）；温度补偿误差（040）：3；响应时间：20秒；零点输出（100N2，20）：0.3mV；输出：大气中15 to 21mV；测量误差：0.1mg/L；零值误差：0.1mg/L；重复性：0.10mg/L；稳定度：0.03mg/L；输出阻抗：约20K；测温误差：0.50；接口：2根正负极连接线3、pH值传感器：本系统的pH值传感器采用雷磁E-201-C型可充式复合pH电极。由于其输出的为模拟信号，输出电压模拟量需经过信号放大后接入ATmega16内部A/D转换器的输入通道。系统设计将溶解氧传感器输入信号连接ADC通道1上面，即PA1口。该电极输出毫伏级电压信号，并具备温度补偿功能。其主要技术参数如下：测量范围：0-14pH；使用的温度范围：0-60；零电位：70.5pH（25）；百分理论斜率：（PTS） 98.5%（25）；内阻：250M；碱误差：0.2pH（1mol/L pH14）（25）；相应时间：1分钟第四节螃蟹温室过冬调控系统的信号处理电路一、系统的模数转换器由于单片机只能处理数字信号，而多数传感器接采集到的都是模拟信号，这种信号单片机不能处理。这时我们就要必须要将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，得到的数字信号再传送到单片机中处理。而将模拟信号转换为数字信号的器件就是模数转换器。在本系统中溶解氧传感器和PH值传感器采集到的数据需要AD转换器才能被单片机处理。ATmega16的PA口内置了8位数模转换器如图3-7所示。其具有10位精度、65 - 260 s 的转换时间、 2 LSB 的绝对精度、0.5 LSB的非线性度、最高分辨率时采样率高达15K SPS、可以在连续转换模式和单次转换模式两种模式中选择、具有8路复用的单端输入通道、7路差分输入通道、ADC转换具有自动触发的功能，可在ADC转换结束后自动产生中断。此外，ADC转换器还具有睡眠模式，其睡眠模式的噪声抑制器，可以保证在一个采样周期中的ADC转换中输入的电压为恒定值。由于本系统对精度的要求不是很高，ATMega16内部集成的8路10位逐次逼近型模数转换器完全可以满足系统的要求。ADC采用逐次逼近方法，把输入到PA口的模拟信号转换成为十位的数字信号，其最大值为AREF引脚的电压减去1 LSB25，其最小值为GND。单端电压输入以GND为参考。ADC转换器通过与模拟多路复用器连接能对PA口的输入电压进行采样。根据不同的工作环境和要求，通过ADC控制和状态寄存器ADCSRA 的Bit 5ADFR选择连续或单次转换模式。图3-7 ATmega16的ADC接口图二、放大电路放大电路顾名思义就是具有放大作用的电路。放大电路能够将一个微弱的电信号，通过一个有放大功能的器件，得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号。放大电路的基本原理是利用具有放大特性的电子元件,加上工作电压后,输入端的微小电信号变化可以引起输出端较大电信号的变化,输出端的变化要比输入端的变化大几倍到几百倍。本控制系统中除温度传感器可以直接输出数字信号外，溶解氧和pH传感器输出电压模拟信号都只有毫伏级。为了避免误差，我们将其送入单片机处理之前，都需要现将其先进行放大处理。本系统的是使用的是AD623芯片。AD623单电源仪表放大器是由Analog Device公司生产的，可以在单电源的情况下提供满电源幅度的电压信号。图3-8为AD623引脚图。图3-8 AD623引脚图引脚说明：+VS和-VS为电源正负端；REF为放大器基准输入端；OUTPUT为放大器输出端；-RG和+RG是增益设置电阻接入端；-IN和+IN分别为放大器的反相和同相输入端。AD623仪用放大器使用灵活，仅需单个电阻即可设置放大增益，在无外接电阻的条件下，放大器的增益G=1。在外接电阻下，最大增益为1000倍。AD623内部电路原理图如图3-9所示。AD623内部是一个三运放放大电路，其差分输出满足26：(3-2)式(3-2)中为输入电压，为增益设置电阻。差分电压通过放大器后转变为单端电压，输出电压以引脚5的电位为基准进行测量。图3-9 AD623内部电路图AD623仪表放大器可采用单电源供电，即+VS=3.012V，-VS=0V。AD623的电源管脚内部设有两个钳位二极管，以防止输入端、输出端、增益电阻端和参考端过压超过电源电压高低0.3V。此外，对于所有增益，在电源接通或切断情况下钳位二极管都起到保护作用。在溶解氧和pH值的数据采集中，运用AD623单电源（5V）的信号放大电路如图3-10所示。放大增益通过外接20电位器调节，放大电路输出以GND（0V）为基准，差分输入负端接地。电源端添加0.1uF的瓷片电容和10uF的钽电解电容进行解耦。图3-10 信号放大电路第五节螃蟹温室过冬调控系统的上位机与下位机的通讯电路一、串口通信电路串行通讯目前是上位机与下位机进行数据传输和通讯的主要方式。本实验板上配置了一个母头可与RS-232串口线相连。RS-232的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”27。但是电脑与单片机通讯的问题还没有解决了。标准RS-232电平很高，最高达到正负15V，单片机常用的TTL电平最高只有5V不能正常连接。由于电脑串口输出电压高达12V，直接与单片机连接会烧坏芯片。所以相互连接的话，必须进行电平转换。本系统采用MAX232CSE芯片来实现RS-232的通讯功能。通讯接口电路如图3-11。图3-11 通信接口电路第六节螃蟹温室过冬调控系统的控制和显示模块一、开关量控制输出电路池塘养殖环境温度、溶解氧和pH值都采用开关量进行控制。系统开关量输出通过固态继电器控制加热器和增氧机的启停。固态继电器是一种由固态电子元件组成的无触点开关器件，它的使用周期比较长、可靠性高、灵敏度高、转换速度快和电磁干扰小的特点28。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流动作的一种“自动开关”。由于单相固态继电器SSR-10DA内部自带光电耦合隔离，选用其不仅具有控制电路的功能还具有隔离现场干扰的作用。目前常见的固态继电器的外形如图3-12所示。应用在系统中的固态继电器控制输出如图3-13所示。图3-12 常见固态继电器外形图3-13 固态继电器在控制中的应用二、矩阵键盘本系统采用矩阵键盘来对单片机进行控制，系统中需要的按键比较多为了减少对I/O口占用，所以采用33的矩阵键盘。图3-14所示为单片机与矩阵键盘的连接图。系统设计矩阵键盘取中断方式进行按键检测，可以通过上拉电阻的方式将行线和列线拉高，也可以置底。按键后，将键值的输出连接至单片机外部中断0上，具体检测原理见下一章。图3-14 矩阵键盘设计三、LCD的显示电路LCD1602液晶显示屏在我们的日常生活中的应用已经非常普遍了，广泛地应用在很多电子产品的显示器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到。1602液晶显示屏是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。能够同时显示32个字符（2行16列），并具数字式接口、显示质量高、体积小、重量轻、低功耗、显示内容丰富等诸多优点，广泛应用于小型低功耗系统中。图3-15为1602液晶显示屏实物图；图3-16为1602液晶显示屏与单片机连接图。表3-2为LCD1602的接口说明。图3-15 1602液晶显示屏实物图表3-2 1602接口说明图3-16 1602液晶屏与单片机连接图ATmega16单片机与LCD1602液晶显示屏连接如图所示。液晶显示屏的数据端与单片机的PB口连接，数据命令选择端和使能信号端分别与PC1和PC0连接。由于系统中液晶显示屏只用作显示数据，只需向LCD1602液晶显示屏中写数据或命令就能满足要求了，不需要从LCD1602液晶显示屏上读取数据，所以液晶显示屏LCD1602的读写选择端直接接地就可以了，使LCD1602液晶显示屏始终处于写数据或命令的模式。第四章螃蟹温室过冬调控系统软件程序设计系统软件的设计包括下位机软件和上位机软件俩个方面。上位机即为PC机，下位机即为ATmega16单片机。ATmega16单片机在ICC AVR软件的编程环境中运用C语言进行编程。ATmega16单片机主要负责数据的采集、数据的显示、与PC机进行数据的通信、控制外部水质调节机构的执行，接收PC机的指令并完成相应的操作。PC机是LabVIEW软件环境中运用其图形化模块在程序面板上进行编程的。PC机通过接收单片机采集到的数据将其显示在前面板上并且可以在前面板上各水质参数对应的地方进行设置，从而实现对池塘水质参数的远程监测和控制。第一节下位机的程序设计系统的下位机程序运用模块化的设计结构，程序包括系统主函数、各个模块的初始化子函数（包括I/O口、LCD液晶显示屏、DS18B20、定时器）、定时器T0中断处理子函数、DS18B20温度读取子函数、A/D转换子函数、按键中断和键值读取子函数、显示子函数、控制输出子函数、串口通信子函数以及其他子函数。函数的头文件头文件是一种包含功能函数、数据接口声明的载体文件。对于一个较大型的单片机系统会使用到许多子函数，使用头文件引入库函数可以大大简化程序。本程序的头文件见附录。函数的宏定义本系统需要使用许多变量，宏定义可以把某些端口定义成为简单易懂的变量，在编程时宏定义可以减小出错的概率，提高程序的可读性便捷性。本程序的宏定义见附录。全局变量的定义全局变量顾名思义，这种变量在程序中每个函数都可以使用，方便参数的传输。全局变量可以将主函数与子、子函数与子函数