鱼缸自动增氧系统毕业论文

西南科技大学本科生毕业论文 0 鱼缸自动增氧控制系统设计 摘要 氧是鱼类赖以生存和生长发育的必备条件之一 水中含氧量主要与自然温度 湿度以及鱼体的密度有关 如今家用鱼缸在日常生活中越来越普及 但由于鱼缸体 积小 水内溶氧量较小 特别是在炎热的夏天 溶氧量的减少会使鱼上浮水面吸氧 鱼体能消耗大 长期后还可能导致鱼的生病及死亡 超声波增氧系统对鱼类养殖有 着积极意义 但目前仅发现少数国家将超声波用于渔业上 超声波增氧原理是利用 超声波的空化现象 将雾状的气泡喷入水中 使其有更长的时间与水充分混和 从而 达到增氧目的 该系统是由超声波传感器构成的鱼缸自动增氧控制系统 该系统可 根据鱼儿的活动情况 自动检测鱼缸水中是否缺氧 从而开启 停止增氧装置 以使 鱼缸水中的氧浓度保持在最佳状态 关键词 超声波 自动增氧 鱼类养殖 溶氧量 西南科技大学本科生毕业论文 1 The fish bowl increases the oxygen system design automatically Abstract Oxygen is one of the necessary conditions for fish survival and growth The oxygen content in water is main of natural temperature humidity and the density of the larvae concerned Now household aquarium in daily life increasingly popular but because of the small volume of the aquarium and the small dissolved oxygen in water especially in hot summer oxygen reduction will make fish up floating surface oxygen then fish can increase the consumption of oxygen and food it will lead to fish death at last The ultrasonic add oxygen system for fish breeding has positive significance but currently only found a few countries on ultrasound for fishery Ultrasonic add oxygen principle is to use ultrasonic cavitation phenomenon make fog shape bubbles spray into the water then make it a longer time for water fully mixing so as to achieve the goal that add oxygen This is composed of by ultrasonic sensors increasing oxygen tank automatic control system The system can according to the activities of fish to automatic detection the oxygen content in water thus open stop increasing oxygen device and make the concentration of oxygen tank water remain in the best state all the time Keywords ultrasonic automatic increasing oxygen fish breeding dissolved oxygen 西南科技大学本科生毕业论文 2 目 录 第第 1 1 章章 绪绪 论论 5 1 1 引言 5 1 2 本文研究的目的和意义 5 1 3 系统概况 6 1 4 论文结构 6 第第 2 2 章章 需求分析与总体设计需求分析与总体设计 7 2 1 鱼缸自动增氧系统的需求分析 7 2 1 1 传统渔业增氧系统的弊端 7 2 1 2 超声波自动增氧系统的需求性 7 2 1 3 功能需求 8 2 2 总体设计 9 2 2 1 总体设计的一般原理 9 2 2 2 功能模块划分 9 2 2 3 系统环境 11 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 12 3 1 超声波控制电路选型设 12 3 1 1 限幅整流二极管 12 3 1 2 LM2576 开关稳压芯片 12 3 1 3 LMC555 定时器 13 3 1 4 PMOS 管与 CMOS 15 3 2 超声波发生电路选型设计 16 3 2 1 超声换能器工作原理 16 3 2 2 超声波发生电路分析 20 3 3 增氧时间自动模块选型设计 21 3 3 1 AT89C51 简介 21 3 3 2 AT89C51 功能性概述 22 3 3 3 自动计数控制电路 27 西南科技大学本科生毕业论文 3 3 3 4 复位电路 27 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 28 4 1 主程序设计 28 4 2 子程序设计 29 4 3 软硬件关联分析 29 第第 5 5 章章 功能测试及系统安全性功能测试及系统安全性 30 5 1 系统功能测试 30 5 1 1 硬件部分测试 30 5 1 2 软件部分测试 30 5 2 系统安全性分析 30 总总 结结 31 致致 谢谢 32 参考文献参考文献 33 附录一附录一 鱼缸自动增氧系统原理图 34 附录二附录二 鱼缸自动增氧系统 PCB 图 35 附录三附录三 鱼缸自动增氧系统实物图 36 西南科技大学本科生毕业论文 4 第 1 章 绪 论 1 1 引言 随着生活质量的不断提高 家养观赏鱼类已经逐渐进入我们的生活 观赏鱼形 态美观灵动 但对外界环境适应能力差 生命力脆弱 因此护养较为困难 在养殖 过程中 溶解氧是养殖中最重要的水质指标 鱼类的呼吸依赖于水中的溶解氧 如 果溶氧量过低鱼将无法适应 据调查 主要养殖鱼类正常生长发育所需要的溶氧量 一般在 4 5 毫克 升以上 此时鱼类摄食好 生长快 饵料利用率高 当溶氧低于 此值时 鱼类的摄食与生长将受到一定影响 当溶氧低于 2 毫克 升左右时 鱼类基 本停止摄食 当溶氧降至 1 毫克 升左右时就会浮头 当溶氧进一步降至 0 5 毫克 升时即可窒息死亡 如果溶氧偏高一般对鱼类没有什么危害 但深度过饱和氧有时 会引起气泡病 由上文可知 水中溶氧量是保证鱼类生存和繁殖的重要因素 它和外界自然温 度 湿度以及鱼体密度有密切联系 当水中含氧量较低时 鱼呈现不同的浮头情况 因此适当控制水中溶氧量 对于观赏鱼的养殖具有积极意义 1 2 本文研究的目的和意义 养鱼机械在淡水养鱼中的应用 促使养鱼技术有了新的发展 养鱼技术的发展又 对养鱼设备提出了更新更高的要求 例如 在鱼塘内 要提高单位面积产量 就必须增 加鱼苗的投放尾数 但是 鱼苗多了 鱼池内的天然饲料不能满足鱼类生长的需要 就 需要补充人工饲料 饲料充足了 合理了 鱼类生长速度加快 但水中的含氧量是有 限的 当水中氧气含量不够鱼群正常生活时 就需要补充氧气 于是要解决水体增氧设 备 目前国内的增氧机有多种类型叶轮式水车式 射流式 管式等等 遍及全国各大 小水产养殖场 为水产养殖的高产稳产提供了有效的机具 上述各类型的增氧机都同样基于一个原理 就是使水体与空气的接触面积尽可 能地大 使空气中的氧气充分溶解于水中 从而达到增氧目的 但是否可以另辟蹊径 从而能更快地达到增氧目的呢 是否可以利用超声波的空化现象 将雾状的气泡喷 入水中使其有更长的时间与水充分混和 从而达到增氧目的呢 通过查阅有关资料 仅发现少数国家将超声波用于渔业上 如苏联已设计制造出了超声波增氧设备工作 流程 从调查资料来看 国内有关超声波在增氧方面的报道及关于这方面研制工作 的信息较少 因此 在该方面做一些探索性的工作显得很有必要 西南科技大学本科生毕业论文 5 1 3 系统概况 鱼缸自动增氧系统由以下几个模块组成 输入限幅整流电路 滤波电路 开关 稳压电路 单稳态触发电路 超声电源控制电路以及震荡驱动回路 该系统经鱼嘴 接触单稳触发电路 使超声波加氧电路启动对鱼缸内水进行加氧 当水中溶氧量充 足时 停止超声波加氧电路 当鱼缸水中缺氧时 鱼儿就会频频游于水面 并将嘴 部探出水面以吸取空气中的氧气 当鱼嘴碰触到探头时 电源正极通过探头 鱼唇 和水将单稳电路触发 超声波鱼缸加氧器是一种以超声波为能源 利用其在水里传播 的过程中可不断产生运动的气泡 并与空气发生强烈的气化作用 从而使空气中的氧 气不断地进入到水中 达到加氧的目的 该装置结构新颖 使用效果好 不产生噪声 具有使用方便 节省电能等优点 1 4 论文结构 本论文共分 5 章 各章内容如下 第 1 章为绪论 主要阐述了研究的背景 目的和意义 同时介绍了系统的概况 及论文结构 第 2 章是鱼缸自动增氧系统的需求分析与总体设计 分析了传统鱼缸增氧系统 的弊端 对超声波鱼缸增氧系统的需求性和功能需求进行了阐述 对鱼缸自动增氧 系统功能模块结构进行了总体的设计 确定了以超声振动及单片机时间控制系统为 主要模式的开发环境 第 3 章介绍了系统硬件设计流程 对超声波控制电路 超声波发生电路 自动 增氧时间控制电路中如 LM2576 LMC555 等主要功能元件进行了较详细的介绍 第 4 章为系统的软件设计流程 根据系统功能设计的要求及功能模块的划分 对于增氧时间控制进行了主程序和子程序设计 第 5 章为程序测试及系统安全性总结 最后的为结论 分析系统现有的不足 对所做设计的发展方向进行展望 西南科技大学本科生毕业论文 6 第 2 章 需求分析与总体设计 2 1 鱼缸自动增氧系统的需求分析 2 1 1 传统渔业增氧系统的弊端 当今在养鱼水体中采用增氧技术 成为在渔业养殖中合理提高放养密度 增加 鱼类进食量 促使鱼类生长 从而获得稳产高产的重要措施 使用增氧设备不仅改 善了鱼类的生长环境 而且增加了鱼塘负荷 使鱼病减少 净化池塘水质 提高了 饲料利用率 当前淡水养鱼采用的增氧方式主要有以下三种 重力跌水式 充气式 和表面搅水式 重力叠水式是利用流水重力自然落差 或人工制造的水位落差 使 水流落在溅水板上形成水花 扩大了水和空气的接触面积 使更多氧气溶于水中 该种方式增氧效率低 增氧效果不明显 渐为淘汰 充气式增氧机是以人工制造的 氧气或空气中的氧气为气源 铺设水下储气与释放装置 使氧气从水下以气泡形式 放出 从而增加氧气与水体的接触面积及接触时间 达到水体增氧目的 但该种方 式成本较高 效率较低 且使用范围有较大局限性 仅用于室内或鱼苗养殖 表面 搅水式增氧机 主要指叶轮式 水车式 喷水式 涌水式等多种在水体表面工作的 增氧机械 这类增氧机主要依靠机械作用 增加表面水和空气的接触面积 使空气 中的氧溶于水 达到增氧目的 然而该类增氧机体积庞大 运输困难 只适用于鱼 塘及大型渔业养殖场 不适用于小型居家观赏鱼增氧 2 1 2 超声波自动增氧系统的需求性 家养观赏鱼已成为众多养鱼爱好者的选择 不仅因为其灵动美观 而且能为生 活增添绚丽色彩 每位养鱼爱好者都希望自己的鱼健康活泼 独具特色 为其提供 充足的氧气对鱼类健康成长大有裨益 不失为一个好的选择 市面上大多鱼缸增氧 器均采用增大氧气与水接触面积这一原理实现鱼缸增氧的效果 但增氧效果并不明 显 并且何时需要增氧 何时无需增氧的控制监测功能不健全 这些问题都会给鱼 友们造成不必要的麻烦 许多鱼友期望能够研发新型鱼缸自动增氧器 能够使增氧 效果显著 同时轻便易携 便于操控 出于用户的更高需求 我们为此进行了超声 波鱼缸自动增氧系统设计的研究 超声波鱼缸自动增氧系统的显著作用 决定了新型便携增氧机的必要性发展 超声波鱼缸自动增氧系统具有如下显著的特点 西南科技大学本科生毕业论文 7 1 高效溶氧 超声波增氧的理论依据是 超声波发生器的辐射面在液体中强 烈振动时 会从振动面发出无数细小的气泡 这种现象叫做超声波空化 利用其空 化现象 将超声波发生器的辐射面放入水中 并不断冲入空气 使辐射面上产生一 个水气两相态 产生雾状水气泡 然后再喷入水中 超声波在水中产生的微小气泡 存在时间短 但因表面张力关系 其内部压强上升 因此 即使水中气体呈过饱和 状态 气体分子仍能向水中溶解 水气泡逐渐消失 因此超声波增氧能够达到其他 增氧设备无法达到的高效增氧效果 2 噪声最小化 超声波是一种频率高于 20000Hz 的声波 不能引起人类听觉 器官的感觉 超声波在传播过程中 方向性强 能量易于集中 因此当超声波振动 增氧产生空化现象时 能够保证鱼缸环境噪声最小化 从而保证鱼类喜爱的低噪声 生活环境 使鱼类更好地生长繁殖 同时 超声波振动增氧对鱼类无辐射类伤害作 用 对于确保观赏鱼的生命安全有着积极作用 3 便携易操作 1959 年世界上出现第三代集成电路计算机 最初的计算机由 约翰 冯 诺依曼发明 有三间库房那么大 后来逐步向着小型化 微型化 低功 耗 智能化 系统化的方向更新换代 面对市面上各种大型的渔业增氧机日益暴露 的缺陷 小型化 低功耗 功能多样化的渔业自动增氧系统将逐步取代粗犷型 高 功耗的大型渔业增氧系统 此类小型家用鱼缸增氧系统经鱼嘴接触单稳触发电路 使超声波加氧电路启动对鱼缸内水进行加氧 当水中溶氧量充足时 停止超声波加 氧电路 具有体积小 功耗低 使用方便等优点 2 1 3 功能需求 本系统给用户提供了一个解决家养观赏鱼类缺氧问题的方案 用户可以方便的 对家养观赏鱼进行自动增氧以保证鱼类健康安全 1 作为一个新型的超声波鱼缸自动增氧系统 首先要考虑超声如何产生并达 到理想的增氧效果 当鱼类缺氧后 鱼儿就会频频游于水面 并将嘴部探出水面以 吸取空气中的氧气 当鱼嘴碰触到探头时 电源正极通过探头 鱼唇和水将单稳电 路触发 2 对于水中溶氧量的控制 还需要通过限时电路进行分析 每一升水含氧量 少于 5mg 时鱼儿就会浮起贴着水面来吸氧 此时水面含氧量比水中充足 因此通过 反复试验观察鱼的浮头情况持续的时间 就能够推算出加氧时间所需最小值 及时 开启 关闭加氧电路 从而控制水中溶氧量保持在适度值 西南科技大学本科生毕业论文 8 2 2 总体设计 2 2 1 总体设计的一般原理 经过需求分析阶段的工作 系统必须 做什么 已经清楚了 现在是决定 怎 样做 的时候了 总体设计的基本目的就是回答 概括的说 系统应该如何实现 因此 总体设计的工作将划分出组成系统的模块元素 触发 控制 超声振荡 加氧时间等等 但是每个系统元素仍然处于黑盒子级 这些黑盒子里的具体内容将 在以后仔细设计 2 2 2 功能模块划分 超声波鱼缸自动增氧系统主要是利用超声波空化现象对水体进行加氧 因此 系统模块主要分为三大部分 超声波控制电路 超声波发生电路以及增氧时间自动 控制电路 超声波控制电路主要实现单稳触发过程 对水中溶氧量的缺失程度进行 判断 超声波发生电路主要引用超声加湿器的振荡回路原理 高平电流震荡通过换 能器把电流转化为超声波 将水打碎成为水雾 使空气溶入水中 增氧时间自动控 制电路主要利用 AT89C51 单片机进行时间计数处理 当到达一定时间时 启动继电 器 由继电器控制超声波振荡驱动回路的开启或关闭 通过系统三大模块 共同配 合实现超声波自动增氧功能 1 超声波控制电路设计 1 输入限幅整流电路 该整流电路作用是把 220V 交流电转化为直流电信号 利用二极管单向导通原理 使得该模块上部一直保持正电平 下部一直保持负电平 状态 2 滤波模块 由于输入电路中含有 50HZ 工频干扰 该滤波电路由大小两个滤 波电容组成 大电容能够滤除电路中的低频干扰 小电容能够滤除电路中的高频干 扰 从而达到滤除电路中干扰信号的作用 3 开关稳压电路 该模块套用 LM2576 基本功能电路 实现开关稳压功能 LM2576 具有可调节输出型号输出电压范围 TTL 关断能力 低功耗待机模式 热关 断及电流限制保护等优点 4 单稳态触发电路 该电路采用具有低电流功耗优点的 LM555 作为主体芯片 当电极悬在水面 正极在上 负极在水下时 鱼嘴接触使电路导通 2 号引脚拉低 电平 破坏稳态 此时 3 号引脚输出为 1 电阻 R 对电路右侧电容充电 5 超声电源控制电路 当输入端输入信号为低电平时 8050NPN 三极管不导通 西南科技大学本科生毕业论文 9 不工作 PMOS 管在上拉电阻 R 的帮助下截止 该模块为关闭状态 当输入端信号为 高电平时 该管导通 PMOS 管正常工作 该模块为开启状态 2 超声波发生电路设计 该模块引用超声加湿器的振荡回路原理 其中超声换能器可看作晶振 高平电 流震荡通过换能器把电流转化为超声波 将水打碎成为水雾 使空气溶入水中 从 而达到鱼缸自动增氧效果 3 增氧时间自动控制模块设计 该模块为程序控制模块 经对比研究适合采用美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 AT89C51 片内含 8Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256bytes 的随机存取数据存储器 RAM 功能强大 适用于许多较为 复杂控制应用场合 单片机增氧时间控制的动作利用时间计时处理来做秒计数 当 所设置的时间到了 则发出一阵声响 启动继电器 由继电器可以控制超声波振荡 驱动回路的开启或关闭 单片机定时器负责定时的计数 不会因为按键处理而中断 时间秒数的增加 时 分 秒数据是存在变量内并写入七段显示器的缓冲区内 而 由显示器扫描程序中定时扫描而显示出时间 4 系统层次结构框图 超声波鱼缸自动增氧系统结构框图如下所示 该系统接收由信号源发出的交流 电信号 经过整流二极管电路进行限幅整流 输出直流电信号 进而通过滤波电路 除去信号中的高频和低频噪声 经过以 LM2576 单片集成为主的开关稳压电路将电压 稳定在合适的固定值 通过鱼嘴与电极的接触将单稳触发电路触发输出高电平信号 从而控制超声电源电路的开关 高频电流震荡通过超声换能器把电流转化为超声波 将水打碎为水雾 使空气溶入水中 达到增氧效果 同时单片机 AT89C51 自动控制 模块利用单片机时间计数功能对加氧时间进行自动控制 从而达到鱼缸自动增氧控 制效果 西南科技大学本科生毕业论文 10 图图 2 1 系统层次结构框图系统层次结构框图 2 2 3 系统环境 鱼缸设置增氧系统能增加水中氧气 促使水质清洁干净 改善鱼类的生活环境 及生长条件 该自动增氧系统使用限幅整流电路 使电压及电流值范围控制在鱼类 能够安全生存的指标之内 同时使用安全性能较高的 AT89C51 单片机进行自动控制 对水体充氧时间进行合理调控 使鱼类的生活环境保持在最佳状态 西南科技大学本科生毕业论文 11 第 3 章 系统硬件设计 3 1 超声波控制电路选型设 超声波控制电路主要实现单稳触发过程 对水中溶氧量的缺失程度进行判断 它具体包括以下几部分 限幅整流电路 滤波 开关稳压电路 单稳态触发电路以 及超声电源控制电路 具体选型设计如下 3 1 1 限幅整流二极管 就原理而言 从输入交流中得到输出的直流即是整流 以整流电流的大小 100mA 为界线 通常把输出电流大于 100mA 的叫整流 整流二极管主要分类如下 硅半导体整流二极管 2CZ 型 硅桥式整流器 QL 型 用于电视机高压硅堆 工作频率近 100KHz 的 2CLG 型 根据系统具体情况 选择 1N4007 二极管较为合适 它具有较强的正向浪涌承受能力 最大正向平均整流电流能达到 1A 工作温度范围 较大 因此相比较下适用于整流电路 图图 3 13 1 限幅整流电路图限幅整流电路图 大多数二极管能作为限幅使用 也有象保护仪表用和高频齐纳管类似的专用限 幅二极管 为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用 通常使用硅材料 制造的二极管 有时也依据限制电压需要 把若干个必要的整流二极管串联起来形 成一个整体 利用二极管单向导通原理 使得该模块上部一直保持正电平 下部一 直保持负电平状态 该电路中 电阻 R 起到分压降压的作用 3 1 2 LM2576 开关稳压芯片 LM2576 的稳压器是单片集成电路 能提供降压开关稳压器的各种功能 能驱动 3A 的负载 有优异的线性和负载调整能力 它的内部含有频率补偿器和一个固定频 D 1N5822 D 1N5822 D 1N5822 D 1N5822 GND 1 2 P 书220V书书书 VIN 1K R Res1 西南科技大学本科生毕业论文 12 率振荡器 将外部元件的数目减到最少 使用方便 LM2576 的效率比流行的三段线 性稳压器要高得多 是理想的替代 一般情况下不需要或者只要很小尺寸的外加散 热片 它具有可调节输出型号输出电压范围 TTL 关断能力 低功耗待机模式热关 断及电流限制保护等优点 LM2576 内部结构如下图所示 图图 3 3 2 2 LM2576LM2576 内部结构图内部结构图 该模块套用 LM2576 基本功能电路 实现开关稳压功能 其中 1 号引脚为输入 端 2 号引脚为输出端 3 号为接地端 4 号为反馈端 可根据反馈值调整电压幅值 从而得到稳定电压值 图图 3 3 3 3 LM2576LM2576 工作指标工作指标 西南科技大学本科生毕业论文 13 开关稳压电路如下图 图图 3 43 4 开关稳压电路图开关稳压电路图 3 1 3 LMC555 定时器 LMC555是的 CMOS 版本的行业标准通用系列555定时器 LMC555能够产生精确的时间 延 迟和频率 LM555 具有低电流功耗的优点 且在 5V 输出时完全兼容 TTL 和 CMOS 电 路 图图 3 3 5 5 LMC555LMC555 结构简图结构简图 Pin for pin 兼容555一系列的定时器 该定时器由分压器 电压比较器 基本 RS 触发电路 放电 BJT 以及缓冲器组成 其电路简化原理图如图4 1所示 其中 分压器由3个5k 电阻组成 它为两个比较器提供基准点评 如5号脚悬空 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 22 Jun 2005Sheet of File E 书书书 书书书书书书书 书书书书 ddbDrawn By 5K 5K 5K T Q Q A A S R V1 V2 1 D Q V TH TL VR CC VSS 1 2 84 5 6 3 7 1 2 C D C 470uF C 10uF R 330R D led 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 U LM2576 2 2 1 1 L 100uH D 1N5822 C Cap C Cap VIN VCC GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND 西南科技大学本科生毕业论文 14 则比较器 C1和 C2的基准电平分别为2 3Vcc 和1 3Vcc 改变5号引脚的接法可改变 C1 和 C2的基准电平 比较器 C1和 C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器 其输出直接控制基本 RS 触发器的动作 当 v11 2 3Vcc v12 1 3Vcc 时 C1输出低电平 C2输出高电平 基本 RS 触发器被置0 BJT 导通 输出端 v0为低电平 当 v11 2 3Vcc v12 1 3Vcc 时 C1输出高电平 C2输出低电平 基本 RS 触发器被置1 BJT 截止 输出端 v0为 高电平 当 v111 3Vcc 时 基本 RS 触发器 R 1 S 1 触发器状态不 变 电路也保持原来状态不变 RD是专门设置的可从外部进行置0的复位端 当 RD 0 时 经反相后将或非门封锁 输出为0 在正常工作时 应将此脚接高电平 缓冲器 由两级反相器构成 反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力 同时 缓冲器还 起隔离负载对定时器影响的作用 当电极悬在水面 正极在上 负极在水下时 鱼 嘴接触使电路导通 2号引脚拉低电平 破坏稳态 此时3号引脚输出为1 电阻 R 对 电路右侧电容充电 单稳态触发电路原理图如下 图图3 63 6 单稳态触发电路单稳态触发电路 3 1 4 PMOS 管与 CMOS 金属氧化物半导体场效应 MOS 晶体管可分为 N 沟道与 P 沟道两大类 P 沟道硅 MOS 场效应晶体管在 N 型硅衬底上有两个 P 区 分别叫做源极和漏极 两极之间不 通导 栅极上加有足够的负电压 源极接地 时 栅极下的 N 型硅表面呈现 P 型反型 层 成为连接源极和漏极的沟道 改变栅压可以改变沟道中的电子密度 从而改变 沟道的电阻 这种 MOS 场效应晶体管称为 P 沟道增强型场效应晶体管 如果 N 型硅 TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DIS 7 V 8 GND 1 U LM C555CM GND VCC 100pF C Cap GND VCC 1K R Res1START 1 2 P 书书书 GND 西南科技大学本科生毕业论文 15 衬底表面不加栅压就已存在 P 型反型层沟道 加上适当的偏压 可使沟道的电阻增 大或减小 这样的 MOS 场效应晶体管称为 P 沟道耗尽型场效应晶体管 统称为 PMOS 晶体管 P 沟道 MOS 晶体管的空穴迁移率低 因而在 MOS 晶体管的几何尺寸和工作电压 绝对值相等的情况下 PMOS 晶体管的跨导小于 N 沟道 MOS 晶体管 此外 P 沟道 MOS 晶体管阈值电压的绝对值一般偏高 要求有较高的工作电压 它的供电电源的 电压大小和极性 与双极型晶体管 晶体管逻辑电路不兼容 PMOS 因逻辑摆幅大 充电放电过程长 加之器件跨导小 所以工作速度更低 在 NMOS 电路 见 N 沟道金 属 氧化物 半导体集成电路 出现之后 多数已为 NMOS 电路所取代 只是 因 PMOS 电路工艺简单 价格便宜 有些中规模和小规模数字控制电路仍采用 PMOS 电路 技术 在此鱼缸自动增氧系统中 该模块为超声开关控制电路 其中 Q17为 PMOS 管 为低电平导通 8050为 NPN 三极管 当输入端输入信号为低电平时 该管不导通不 工作 Q17在上拉电阻 R 的帮助下截止 该模块为关闭状态 当输入端信号为高电平 时 该管导通 Q17正常工作 该模块为开启状态 3 2 超声波发生电路选型设计 该模块引用超声加湿器的振荡回路原理 其中超声换能器可看作晶振 高平电 流震荡通过换能器把电流转化为超声波 将水打碎成为水雾 使空气溶入水中 从 而达到鱼缸自动增氧效果 3 2 1 超声换能器工作原理 在工程检测技术中所讲的换能器 是特指能够从一个系统接收信号而向另一系 统输出信号 接收信号与输出信号属于不同的能量形式 但输出信号能表现输入信 号某些特征的器件 因此 作为一个换能器系统 通常需要包含一个储能元件 在 它工作时 储能元件将一种形式的能量储存起来并转换成另一种形式的能量输出 在实际应用中 要求换能器能把某种不容易或不便测试与处理的能量转换成另一种 容易进一步处理或便于测试的能量 从而有可能对原来的输入能量进行评定或分析 研究 例如测定环境噪声用的声级计 它可以把一定程度的环境噪声转换成一定大 小的电信号 从而可以进一步定量地显示出环境噪声的强度大小 又如利用漏磁特 性的无损检测技术中应用的换能器 探头 可以把被充磁工件上有缺陷存在处的漏 磁通转换成电信号 经处理后可以显示缺陷的存在和评定缺陷的大小 在利用涡流 西南科技大学本科生毕业论文 16 特性的无损检测技术中 由仪器产生的交变电流激励探头产生交变磁场 从而在导 电工件上感生涡电流 涡流 工件上有缺陷存在处的涡流大小会发生变化 使反作 用于探头的磁场发生变化 由于该磁场的变化将引起探头中检测线圈的感应电流变 化 从而可以根据这种变化判断缺陷的存在与大小 超声换能器种类较多 如压电式换能器 磁致伸缩式换能器 电动式换能器 电磁式换能器 电磁 声换能器 电容式换能器等 某些多晶材料中存在有自发形成 的分子集团 即所谓 电畴 它具有一定的极化 并且沿极化方向的长度往往与其 他方向的长度不同 当有外加电场作用时 电畴会发生转动 使其极化方向与外加 电场方向趋于一致 从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化 表现为弹性 应变 这种现象称为电致伸缩效应 在超声检测技术中 对压电材料施加交变电场 该材料将沿电场方向发生交变应变 从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振 动波 超声波 利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷 如锆钛酸铅 PZT 钛酸 钡 BaTiO3 铌酸铅 PbNb2O3 等 压电式换能器的主要特点是电声转换效率 高 特别是接收灵敏度高 但其机械强度较低 脆性大 因而在大功率应用上受到 限制 不过目达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率 此外 某些单晶材料容易溶于水 而失效 水解 磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合 这与其频率受限制 和受磁性材料特性参数限制的因素有关 它特别是在功率超声应用领域中有着广泛 应用 其特点主要是机械强度高 性能稳定 水密要求低 不会水解 但是 它的 涡流和磁滞损耗较大 电声转换效率不如压电式换能器 而且通常需要有较大的激 励电能以用于大功率场合 需要注意的是 在施以交变磁场时 由于趋肤效应的影 响会使透入深度受到限制 因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面 在产生超声波时 超声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度 此外 传声介质 与材料表面接触的紧密程度 声耦合 也极为重要 该系统中超声换能器可用普通压电陶瓷片代替 当电压作用于压电陶瓷时 就 会随电压和频率的变化产生机械变形 另一方面 当振动压电陶瓷时 则会产生一 个电荷 利用这一原理 当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的 振动器 所谓叫双压电晶片元件 施加一个电信号时 就会因弯曲振动发射出超声 波 相反 当向双压电晶片元件施加超声振动时 就会产生一个电信号 基于以上 作用 便可以将压电陶瓷用作超声波传感器 西南科技大学本科生毕业论文 17 3 2 2 超声波发生电路分析 该系统的超声波发生电路中 超声波振荡驱动回路模块为主要模块 为此经过 查阅相关资料有以下两种设计方案 方案一 采用电容三点式振荡电路 该种超声波震荡驱动回路由振荡器 换能器和水位控制电路等组成 它为考毕 兹电路的微变型 其中电感由超声雾化片代替 该电路原理为 当超声雾化片的谐 振频率接近电路振荡频率时显示极大的电感性 另两个电容串联后的谐振频率电容 值与超声雾化片静电容值均为 1600pF 时 电容三点式振荡电路振荡产生正弦波 电路中的振荡器是一种由高频压电陶瓷片 TD 超声换能器 组成的工作振荡器 其振荡频率为 1 65MHz 决定于选定的 TD 晶体三极管 BG1 和电容器 C1 C2 等构成 电容三点式振荡器电路 C1 和电感 L1 等效并联的谐振频率比工作频率低 其作用 是决定工作振荡器的振荡幅度 C2 和电感 L2 等效串联的谐振频率比工作频率高 其作用是决定工作振荡器的反馈量 以保证振荡器起振和维持电路的可靠振荡 压 电陶瓷片 TD 具有很大的等效电感 它除决定电路的工作频率外 同时又是雾化器的 工作负载 若更换压电陶瓷片 TD 无需调整电路其他参数 其振荡器频率也能自动 跟踪新的压电陶瓷片的频率而工作 水位控制和偏置电路电路中的超声换能器 TD 又称雾化头 和其上安装的两根水 位控制触针 他们是浸没在浅水水溶液中工作的 若长期雾化 一旦液面降低而使 雾化头的水位控制触针露出水面时 振荡器会自动停止工作 这也避免了雾化头因 发热而损坏 该电路中的 BG2 BG3 管 触针 A B 以及相关的电阻 共同组成水位控制电路 电路工作时 电源通过触针 A B 和水溶液给 BG3 的射极提供电源 BG3 管导通工作 BG2 管起开关作用 当 BG3 工作时 BG2 管也导通 电源通过 BG3 BG2 R3 L3 向 BG1 管提供偏置电流 使 BG1 管振荡工作 一旦液面降低 控制触针露出水面 电 源到 BG3 管的通路被切断 BG3 管截止 BG2 开关也断开 此时 BG1 因无偏置电流而 迅速停止振荡 调整电阻 R3 的阻值 可以直接改变 BG1 管的偏置电流 所以振荡器 的调试十分简单和方便 方案二 采用三门振荡器 该电路由 CD4069 及外围元件组成振荡器 FI F3 三门振荡器在 F3 的输出为 20kHz 一 40kHz 方波 工作频率主要由 C1 R1 和 RP 决定 用 RP 可调电阻 调节振 西南科技大学本科生毕业论文 18 荡频率 F3 输出至激励变压器 T1 的一端和反向器 F4 F4 输出至激励变压器 T1 的 另一端 因此 加入 F4 使激励电压提高了一倍 电容 c3 c2 平衡 F3 和 F4 的输出 使波形稳定 T1 的次级接换能器 B AC220V 电源经变压器 T2 变为 AC12V 再经 u 桥 式整流 c4 滤波 VD 稳压后 为电路提供 DC9V 的工作电源 电路中超声波压电换能器 B 选用普通压电陶瓷片即可 T1 为普通半导体收音机 中的输入变压器 反向器 F1 F4 用 CC4069 六反向器中的四个反向器 剩余两个不 用 输入端应接地 T2 可选用功率为 5W 的小型电源变压器 U 为 1A 的桥式整流器 也可用四只 1N4001 代替 VD 为 9v 稳压二极管 图图3 73 7 超声波发生电路图超声波发生电路图 基于上述理论分析 为此进行了实验电路设计 但在实践中未购得相应芯片 介于施密特触发器有类似功效 于是将非门换为施密特触发器 它是一种阈值开关 电路 具有突变输入 输出特性的门电路 这种电路被设计成阻止输入电压出现 微小变化 低于某一阈值 而引起的输出电压的改变 用施密特触发器状态转换过 程中的正反馈作用 可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲 信号 输入的信号只要幅度大于 vt 即可在施密特触发器的输出端得到同等频率 的矩形脉冲信号 当输入电压由低向高增加 到达 V 时 输出电压发生突变 而输 入电压 Vi 由高变低 到达 V 输出电压发生突变 因而出现输出电压变化滞后的 现象 可以看出对于要求一定延迟启动的电路 它是特别适用的 从传感器得到的 西南科技大学本科生毕业论文 19 矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变 当传输线上的电容较大时 波形的上升沿将 明显变坏 当传输线较长 而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时 在波形的 上升沿和下降沿将产生振荡现象 当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电 源线叠加到矩形脉冲信号时 信号上将出现附加的噪声 无论出现上述的那一种情 况 都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形 只要施 密特触发器的 vt 和 vt 设置得合适 均能收到满意的整形效果 但实践证明 由于已买芯片是压电陶瓷换能片 它具有本身的固定振荡频率 使用施密特触发器电路 芯片工作时发热严重 无法达到理想的工作频率 综上所述 基于理论分析及实践证明 该系统选用第一种设计方案 即使用电 容三点式振荡电路作为超声波发生电路的核心模块 3 3 增氧时间自动模块选型设计 该模块为鱼缸自动增氧时间控制电路 可采用单片机进行控制 当今单片机厂 商琳琅满目 产品性能各异 常用的单片机有很多种 Intel8051 系列 Motorola 和 M68HC 系列 Atmel 的 AT89 系列 台湾 Winbond 华邦 W78 系列 荷兰 Pilips 的 PCF80C51 系列 Microchip 公司的 PIC 系列 Zilog 的 Z86 系列 Atmel 的 AT90S 系 列 韩国三星公司的 KS57C 系列 4 位单片机 台湾义隆的 EM 78 系列等 最终选用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性 存储技术生产 与标准 MCS 51 指令系统产品引脚兼容 片内置通用 4 位中央处理器 CPU 和 FLASH 存储单元 功能强大 AT89C51 单片机适用于许多较为复杂控制应用 场合 3 3 1 AT89C51 简介 特点 1 与 MCS 51 产品指令和引脚完全兼容 2 4K 字节可重擦写 FLASH 闪存 3 1000 次擦写周期 4 全静态操作 0Hz 24MHz 5 三级加密程序存储器 6 128X8 字节内部 RAM 7 32 个可编程 I O 口线 西南科技大学本科生毕业论文 20 8 2 个 16 位定时 计数器 9 6 个中断源 10 可编程串行 UART 通道 11 低功耗空闲和掉电模式 3 3 2 AT89C51 功能性概述 AT89C51 提供以下标准功能 4K 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级中断结构 一个全双工串行 通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作 并 支持 图图 3 3 8 8 AT89C51AT89C51 引脚图引脚图 两种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止 CPU 的工作 但允许 RAM 定时 计数 器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止 工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位 AT89C52 的芯片管脚图如图 3 4 AT89C51 引脚功能说明如下 VCC 电源电压 GND 地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 西南科技大学本科生毕业论文 21 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和 数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 FLASH 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验 时 要求外接上拉电阻 P1 口 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可 驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平 此时可作输出口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 FLASH 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P2 口 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱 动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指 令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口线上的内容 在整个访问期间不改变 FLASH 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和其他控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级 可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内 部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电 流 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如下表所示 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 西南科技大学本科生毕业论文 22 P3 4 TO 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 图图 3 3 9 9 P3P3 口第二功能表口第二功能表 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 是单片机复位 ALE PROG 当访问外部程存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出 脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出 固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问 外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 FLASH 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可 禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即 输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复 位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器的指令 FLASH 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该 器件是使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器及内部时钟的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 时钟振荡器 AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元 西南科技大学本科生毕业论文 23 件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 外界石英晶体 或陶瓷谐振 器 及电容 C1 C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路 对外接电容 C1 C2 虽然没有十分严格的要求 但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 则推荐 使用 30pF 10pF 而如使用陶瓷谐振器建议选 40pF 10pF 用户也可以选择外部时钟 这种情况下 外部时钟脉冲接到 XTAL1 端 即