工厂化养殖自动控制系统的设计课程

1、毕业论文（设计）工厂化养殖自动控制系统的设计学生姓名： 指导老师： 程绍洪 副教授 专业名称： 电子信息工程 所在学院： 信息工程学院 2012年06月目录摘 要IAbstractII第一章 前言11.1研究的目的和意义11.2国内外研究现状11.3研究内容和方法1第二章 开放式工厂化养殖系统32.1概述32.2充气增氧系统42.3 电子技术在水产养殖领域的应用5第三章 系统的硬件设计73.1 CPU与存储器RAM硬件接口电路设计73.2传感器的选择83.3单片机型号的选择113.4模数转换芯片的选择133.5电源模块153.6显示部分设计173.7 晶振电路183.8复位电路193.9输出控

2、制电路设计19第四章 系统的软件设计214.1主程序和中断服务程序模块214.2单片机系统内部资源分配224.3数据采集模块224.4数据处理模块244.5显示模块264.6实时控制模型31第五章 基于ZigBee网络的网箱养鱼系统335.1系统概述335.2 ZigBee无线传感器网络简介335.3 无线网箱温度自动检测系统的构成345.4 无线网箱温度自动检测系统的设计345.5无线网箱温度自动检测系统的设计意义35第六章 结论与建议36致 谢37参考文献38摘 要随着工厂化水产养殖在国内的不断发展，水产养殖环境因子的监控作为现代化水产养殖的重要因素正受到越来越多的关注。本文针对我国水产养

3、殖急需应用自动控制技术的现状，研制了一套适合我国国情的水产养殖环境因子监控系统，它能在线检测温度、溶解氧浓度、酸碱度三个主要环境参数，并能在室内养殖环境实现对水温的控制，在室外网箱养殖环境实现对水温的检测。在室内养殖环境，本系统采取了上下位机的结构；在室外网箱养殖环境，基于水产养殖的现状，结合ZigBee无线网络通信技术和RS 485有线网络通信技术的优势，设计了一种新的多水体因子远程测控系统。本系统具有低成本、低功耗、低复杂度和长寿命的特点。整套系统实现了水产养殖环境参数的自动采集和数据的实时传输及处理，它实时性好、自动化程度高、电路简单，在工厂化水产养殖应用中具有一定的实际意义。关键词：水

4、产养殖，环境因子，ZigBee，RS 485AbstractAlong with the development of aquaculture in domestic development, acquaculture environment monitoring as a modern aquaculture important factors are paid more and more attention.This article inview of our country aquaculture in urgent need of the application of automati

5、c control technology,develop a set of suitable for the national conditions of our country aquaculture environment factors control system,it can on-line detecting temperature,dissolved oxygen concentration,pH three main environment parameter,and in the indoor environment to achieve control of tempera

6、ture,the outdoor cage culture environment realization to the water temperature detection.In indoor environment,this system adopted on master-slave structure:the outdoor cage culture environment ,based on the current situation of aquaculture,combined with Zigbee wireless network communication technol

7、ogy and RS 485 cable network communications technology advantages,designe a new multiple water factor remote measurement and control system.This system has the advantages of low cost,low power consuption,low complexity and long life characteristics.The whole system realizes aquaculture environment p

8、arameters automatic acquisition and real-time data transmission and processing,its good real-time,high degree of automatic,simple circuit,in industrialized aquaculture application has certain practical significance.Key words: aquaculture,environmental factor,Zigbee,RS 485第一章 前言1.1研究的目的和意义在养殖水体有限的情况下

9、，走渔业可持续发展道路，就要求在养殖模式上寻求发展，增加养殖密度，提高单位面积鱼产量，减少养殖对环境的污染。研究本系统的主要目的是为鱼类的生长营造有利的水体环境，从而以高密度、低污染、资源节约的养殖方式获得较高的产量。本系统可以实现大规模水产养殖中的信息化、自动化，对提高养殖产量和质量、降低生产成本、减轻劳动强度具有很高的实际应用价值。1.2国内外研究现状目前已进行工厂化养殖试验的国家有中国、美国、日本、德国、丹麦、挪威等。从历史上看，世界工厂化养殖技术的开发较早，但由于工厂化养殖本身的局限性，其发展速度较慢。20世纪6070年代，不少国家由于过滤系统的技术和设备不够完善，使得当时一度繁荣的闭

10、路式工厂化养殖多因水质控制不理想半途而废。近年来工厂化养殖技术的发展较快，如丹麦的霍姆伯式生物转筒养殖系统、英国汉德斯顿电站的溫流水养殖系统、德国的生物包过滤系统、日本的溫流水养殖系统等，为工厂化养殖的发展提供了宝贵的经验。我国的工厂化养殖起步较晚，规模小，设施落后，技术装备水平和自动控制水平较低，属于比较初级的室内高密度养殖，只是增加了充气和流水，可以说还处在工厂化养殖的初级阶段。80年代初我国渔业生产方式由捕捞型转向养殖型，由粗放粗养转为高密度精养，因而开始开展适合水产养殖对象生存与繁殖的水质状况研究。取得了主要水产养殖动物如草鱼、青鱼、团头鲂、鲤鱼、罗非鱼、鳗鲡和对虾等不同生长阶段的主要

11、水质参数。1.3研究内容和方法从前面的叙述中可以看出，利用自动调控方法进行规模化水产养殖生产，是获得优质、价廉养殖的必备方法，掌握了水生物养殖的自动控制技术，将使养殖生产的实用化、规模化、自动化和商业化成为可能。在室内养殖环境，本课题的主要任务是研制一套单片机系统，并使这套单片机系统能与上位机PC机实现通讯。下位机单片机本身可单独作为测控仪器使用，上位机可实现对水产养殖生产的科学管理。整套系统能够完成养殖环境因子的自动测量和控制。本系统还采用无线传感器、网络技术和微计算机控制技术，实现了水产养殖环境因子的智能化调控，它不但可以避免传统的手工化学测定存在的耗时费力、数据不全等弊端，还可以及时了解

12、数据的变化情况，并对环境参数进行自动控制，使水产养殖的管理上了一个新台阶。为此，本课题主要研究内容如下。1.3.1系统硬件设计完成传感器、电源、AD转换、键盘输入、显示输出、声光报警、继电器驱动、信号放大等电路设计。1.3.2系统软件设计完成主程序、数据采集、数据处理、键盘输入、数据显示、输出控制、数据通讯等模块的设计。1.3.3 ZigBee网络在水体测控中的应用系统的网络结构、主节点硬件设计和子节点硬件设计。第二章 开放式工厂化养殖系统2.1概述2.1.1 工厂化养殖概况工厂化养殖是指运用工厂化、机械化、信息化、自动化等现代工业技术和现代生物技术，在室内养殖车间里高密度养殖优质鱼类，对养殖

13、生产中的水质、水温、水流、投饵、排污等实行全自动或半自动管理，始终维持养殖生物的最佳生理、生态环境，从而达到健康、快速生长和最大限度提高单位水体的养殖产量和质量，而不产生养殖系统内外污染的一种高效养殖方法。1.传统的水产养殖业存在的问题 无论是何种水域的传统水产养殖业，都受当地气候的影响。养殖对象都是变温动物，其体温随水温的变化而变化，它们的生长受到水温的制约。养殖对象在适宜的生长环境下，新陈代谢强，只有这样才能发挥其快速生长、能量转换效率高的特点，其中温度是最大的限制因子。由于温度不同，新陈代谢强度也不同。非最佳温度时，其代谢强度明显下降；当水温达到越冬温度，鱼类代谢下降至最低点，其体重非但

14、不增加，反而因为消耗大量能量而落膘，体重下降。由此可见鱼类等水产经济动物在一年中真正的快速生长时期并不长，而大部分时间由于生长水温偏低或过低处于缓慢生长期和越冬期，造成鱼类等水产经济动物养殖周期过长的缺陷。另外，许多天然水域正受到不同程度的污染，也逐渐成为制约水产养殖业发展的瓶颈。2.工厂化养殖的优点：（1）在养殖车间的人工环境条件下，养殖生物的生长受外界环境的影响小，养殖周期缩短，并可全年生产；（2）养殖水体由于有供气增氧设施和采用流动水，可大大提高放养密度，单位体积的鱼产量大大增加；（3）供水经过净华处理，可提高养殖用水的质量，避免病原传入养殖区；（4）占地少，适用于城市、厂矿和山区养殖；

15、（5）基本可以做到管理机械化和操作自动化，降低劳动强度，提高劳动生产率；（6）属于知识与资金密集型产业，设施与设备投资大、技术要求严、养殖成本与封闭式养殖系统相比较低，比较符合我国当前国情，故目前被广泛应用于水产养殖的育苗和鱼虾类的生产中。2.1.2 工厂化养殖的主要类型工厂化养殖主要有4种类型：自流水式养殖、开放式循环流水养殖、封闭式循环流水养殖和溫流水养殖等。1.自流水养殖 自流水式养殖是利用天然地势形成的水位落差使水不断地流经养殖池，无需动力。例如，在水库大坝下设流水养殖池，在引水下山灌溉的水渠边建造流水养殖池，养殖池流出的水仍可用于农田灌溉。这种类型的流水养殖，成本低，但受当地地形条件

16、的限制，是工厂化养殖的原始类型。2开放式循环流水养殖 开放式循环水养殖的主要特点是利用湖、库、河、海等水域，需用动力抽水导入流水鱼池，使用后的水直接排出或经过处理循环利用，养殖系统始终与天然水体相连，故称开放式。由于技术要求相对较低，设备简单、施工较容易，我国目前大多数育苗温室均采用此种养殖类型。3.封闭式循环流水养殖 封闭式流水养殖的用水需经过专业处理后再重复使用。对技术和设备的要求高，投资大。如何设计理想的水处理体系，是该养殖类型的关键。它是在开放式工厂化养殖的基础之上更佳完善的一种人工可控环境的养殖方式。4.溫流水养殖 溫流水养殖又可分为开放式和封闭式两类。开放式的水源是温泉水或工厂余热

17、水，要求温水水量充足，用过的水不再重复使用，一般有温度调节及增氧设施。封闭式溫流水养殖对技术的要求较高，尤以水体净化处理最为突出，但其生产效果好，是现代化养殖发展的重要方向【1】。2.2充气增氧系统在集约化高密度人工育苗和养殖过程中，采用人工充气技术和设备来增加育苗和养殖水体的溶氧量，可为提高单位水体的育苗量和养殖密度起到重要作用。水体中溶解氧的多寡直接或间接地影响水产经济动物的代谢水平、活动规律、生理状况、能量需求。育苗水体和养殖水体中除了育苗对象和养殖对象耗氧外，还有饵料生物及其他生物、残饵、生物尸体等耗氧。因为育苗和养成的密度越高，投饵量越大，水体所需要的溶解氧也就越多，解决这一需求矛盾

18、的途径只能是人工增氧。在开放式养殖系统中，不管是鱼、虾、贝、蟹育苗池，还是动植物饵料池、预热池和养成场的养成池，在生产期间都必须向水体充气供氧，除供育苗对象和养成对象呼吸生长外，还具有激活水体、改善水质、平衡水温等作用。2.2.1充气机的选用目前生产上使用的充气机，主要有电磁式小型充气机、罗茨鼓风机、全无油旋片式空气压缩机、水环式压缩机、往复式空气压缩机等，其型号规格因产气量和压出气压的多少而不同，可以根据不同的需要选用。电磁式小型充气机具有体积小、重量轻、耗电量少、无污染和价格低廉的特点，一般较多地使用在水深不超过1.5m的小型水槽。开放式工厂化育苗和养成系统所选用的充气机多选用罗茨鼓风机，

19、正常工作时它具有输出的空气不含油污、配用电机容量相对较小而耗电较少、气量较大、风压较低的特点，适合育苗和养成的要求。但噪声较大，输出风压不能突变，如果突然大量减少用气量，风压升高，电机易过载而烧坏，所以采用罗茨鼓风机作为气源的充气增氧系统应设安全阀。也可选用全无油旋片式空气压缩机或水环式压缩机。水环式压缩机，排出气体无油污，风压相对较高，无噪声，但目前应用较少。而往复式空气压缩机一般压出的气体易带油雾，需配有滤油性能好的装置才适合水产养殖使用，目前在工厂化育苗和养成系统中较少采用。一般应根据育苗或养成的总需气量及平均有效水深，因地制宜地选用具有合适的风量与风压的充气机。育苗池和养成池有效水深在

20、1.5m以内，可选用风压为2034kPa的充气机，有效水深1.82m，可选用风压3449kPa的充气机。罗茨鼓风机的风压常用范围在1549kPa之间；水环式空气压缩机最大风压大于147kPa；空气压缩机最大风压大于147kPa；往复式空气压缩机不同型号相差很大，风压一般都在147kPa以上。充气机向育苗池或养成池水体每分钟充的空气量与育苗或养成的品种有关。海水育苗池，每分钟向池内水体全充的空气量（mmin）为育苗水体（m）的1%5%。一般鱼苗为0.5%1.5%；育贝苗为1.0%1.5%；培养动物性生物饵料为0.5%1.5%。如果有500m水体，水深为1.6m的贝类育苗池，可选用通风量为7mmi

21、n，风压为34kPa的罗茨风机两台，即可一台运行另一台备用。2.2.2罗茨鼓风机的工作原理罗茨鼓风机属于旋转式鼓风机，它的工作原理类似齿轮油泵，在机身内有两个旋转叶轮，断面形状如同鞋底。叶轮分别安装在两根平行的轴上，每个叶轮的端部与壳壁及另一个叶轮中部的轮廓相吻合，它们之间保持极小的间隙。两叶轮旋转时，在机壳内形成两个室，一为气体吸入室，另一个为气体压出室。罗茨鼓风机的进出口在机壳上下两端，运行时习惯以气体从上部吸入而从下部压出为多用。这样可以利用压缩后的气体抵消叶轮和轴的一部分重量，使轴承的压力减少，从而减轻磨损。2.3 电子技术在水产养殖领域的应用2.3.1基于ZigBee网络的水产养殖测

22、控系统多环境因子水产养殖远程测控系统是一个ZigBee无线应用网络，网络采用星形或树形拓扑结构，由一个负责协调管理的主节点和可扩展的若干个测控子节点和可选的路由节点(用来扩展无线通信距离)组成，其中主节点是本系统的控制核心，负责ZigBee网络的建立、维护、路由等功能，是一个ARM嵌入式系统，它除具有ZigBee全功能设备（FFD）的电路和协议栈之外，还具有RS 485串行通信电路，可以提供计算机的远程访问和控制功能，也可以本地执行用户的测控功能。子节点是一个包含单片机的ZigBee协议应用终端设备（RFD），它用来测量水体的各个因子参数或执行水体改造设备的运行控制，它通过自身的ZigBee模

23、块和主节点或路由节点通信，并经过ZigBee和RS 485网络间接接受用户的远程控制。路由节点也是一个ZigBee全功能设备（FFD），它主要用来将多个星形子节点簇连接成一个树形网络，以扩展测控范围。具体应用时，远程计算机可以放置在用户的单位、居室等方便操作的地方，测量和控制子节点根据养殖现场规模的大小安置在水体适当的位置，必要的时候可以增加路由节点以扩大测控范围，主节点安置在水池岸边的测控室内，主节点和远程计算机通过RS 485网络通信：子节点每隔1min测量一次，并向主控节点发送一次传感器数值，当测量到水温或溶氧量偏低时，自动启动相应设备进行补偿，当水体pH值不正常时发出报警声，提示是否更

24、换水体。2.3.2系统组成1数据采集器：数据采集器主要是由电源模块、温度传感器模块、pH传感器模块、水体透明度检测模块、溶解氧浓度检测模块、单片机控制模块等组成。电源电路供电,单片机接收获取温度传感器、pH传感器等采集到的数据,采集到的数据经过单片机处理后，送到数据采集器的数据输出口（RS 323或者485）。2无线传输设备：前端采用ZigBee模块,Zigbee作为一种无线连接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上,分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该型号设备

25、一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。ZigBee中心节点采用ZigBee+GPRS模块，中心节点收到的数据可以通过串口直接输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可以通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要中心节点一个，节约了成本。2.3.3数据管理中心根据数据采集器每次传送到数据中心的数据，可以看到网箱各个水质参数的变化情况；网箱的集中管理，可以知道每个网箱的情况。管理人员可在中心控制室在管理平台上设定正常温度范围。如果某网箱温度超过设定范围则

26、中心控制单元通过声光等方式报警。并显示出故障设备的名称、地址和故障类型，管理人员可根据养殖实际情况增添或减少监控网箱节点数目。2.3.4 数据中心网络接入方式通过固定公网IP连接。中心采用ADSL等INTERNET公网连接，采用公网固定IP服务。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP，IP MODEM直接向中心发起连接，运行可靠稳定。第三章 系统的硬件设计3.1 CPU与存储器RAM硬件接口电路设计图31 CPU与存储器硬件接口电路图31为CPU与存储器RAM6264硬件接口电路。对外部数据存储器进行存取时，控制信号是WR和RD。本系统对存储器的地址分配采

27、用了全译码的方式。AT89C51片内地址线为P2.0-P23和P00P07(P23- P20直接与外数据存储器6264的A11-A8相连接，P0.0P07经过74LS373输出后与6264的A0A7相连接)，共12条，片选地址线共四条，其中P27控制三线-八线译码器74LSl38的工作，即与74LSl38的G1端相连，74LSl38的G2a 、G2b端相连接地，P24、P2.5、P26参加译码，分别与74LSl38的A、B、C端相连，且无悬空的片选线。因此，存储器每个存储单元只有唯一的一个CPU地址和它一一对应，只要单片机发出一个地址就可选中存储单元工作，故不存在地址重叠现象，其地址分配如下：

28、Y0： 8000H-8FFFH 接6264RAMY1： 9000H-9FFFH 接6264RAMY2： A000H-AFFFH 接ADC0809Y3： B000H-BFFFH 备用Y4： C000H-CFFFH 备用Y5： D000H-DFFFH 备用Y6： E000H-EFFFH 接8155Y7： F000H-FFFFH 备用当G1=1，非G2a =0，非G2b=0时，译码输入端为C、B、A，74LSl38译码器开始工作；当不满足上述编译条件时，74LSl38输出全为高电平，相当于译码器未工作。因此，芯片6264的基本地址范围是8000H-9FFFH。3.2传感器的选择水产养殖鱼类的生长发育

29、需要有一定的生长环境。这些环境条件主要包括水温、氨氮、溶解氧、pH值、盐度、亚硝酸盐等，养殖对象生长发育的好坏，产量水平的高低、质量的高低，关键在于环境条件对于其鱼类的适合程度。其中水温、溶解氧浓度、pH值的控制最为重要，这是因为这三项指标对水产养殖对象的影响起主导作用。下面分别对这三个参数进行论述，进而选择传感器。3.2.1控制参数分析1水温池水的温度是水质诸因子中与鱼类关系最密切的物理因子之一。水温不但直接影响鱼类的生理活动，而且还影响其他环境条件，从而又间接地对鱼类发生作用，差不多所有的环境条件都受到温度的制约。一般来说，温度升高，鱼虾代谢也加强，每升温l0，鱼虾代谢水平能提高23倍，但

30、温度过高，却会抑制鱼虾生长，甚至导致其死亡。温度急剧下降，鱼虾会陷入休眠，在冰点以下，鱼虾会因体液冻结而死。在适温范围内，水温上升，鱼虾代谢加强，鱼虾的营养、生长、发育强化。因此，在实施鱼虾健康养殖时，控制每种饲养鱼虾的适温范围，具有重要意义。温度影响养殖池的溶氧量。养殖池溶氧量随水温的升高而减少。以鱼类为例，水温上升鱼类呼吸加快，耗氧量增加，加上池中其他生物的呼吸作用和有机物的分解作用随之加强，耗氧量增加，因而容易发生鱼池缺氧现象，这在夏秋高温季节特别明显，必须引起注意。2溶解氧浓度池水中的溶解氧是与养殖鱼类关系最密切的化学因子之一。主要养殖鱼类正常生长发育所需要的溶氧量一般在45毫克升以上

31、，在温度等环境条件适宜的情况下，鱼类摄食强度大，生长快，饵料利用率高；当溶氧低于此水平，鱼的摄食和生长就会受到一定的限制，低于2毫克升时，鱼即不爱吃东西。鱼虾对氧的需求因年龄和环境不同而有所差异。急性缺氧时，鱼会集聚水面，虾会跳到池边浅水处，尽量吞食大气，如果氧供给得不到缓解，鱼会成批死亡。慢性缺氧时，主要表现为食欲不振。生长缓慢，抵抗力下降，易感染疾病。其实对鱼虾生存影响更大的还是由于缺氧，导致整个水体环境的恶化。生产实践中水池缺氧还是经常发生的，特别是在气温很高的夏季，只要注意及时调节，并不会危及鱼虾的生长。3pH值 作为鱼池一个重要的化学和生态因子，pH影响整个鱼虾健康养殖的全过程。在自

32、然界，从pH5095的水域中，都可以有鱼虾生活，这是由于生物在进化过程中长期对环境适应的结果。对大多数鱼虾来说，生活环境中水的pH是相对稳定的，也就是说它们喜欢在特定的酸碱度水中生活。我们养殖的淡水鱼虾最适宜的pH为6875。pH过高或过低对鱼虾都有直接损害，甚至导致其死亡。酸性水，可使鱼虾血液的pH下降，削弱其载氧能力，造成缺氧症，尽管鱼池并不缺氧，鱼虾仍有浮头症状，由于耗氧降低，鱼虾代谢水平急剧下降，即使投喂再可口的饵料，鱼虾因厌食，而处于饥饿状态，危及其生存。pH过高的碱性水，容易腐蚀鱼类鳃组织，对鱼虾生长同样有害，碱性过高的水对鱼卵卵膜影响更大，常常因早溶而引起胚胎过早出膜而死。3.2

33、.2传感器及电路对于在线式水产环境监控系统的设计，首先必须选择合适的水产环境参数检测传感器。为了满足当前我国水产养殖环境监控的需要，在本系统设计中选用的水产环境参数检测传感器作为水产水质在线监控系统的前端。本系统选用的传感器无论精度、重复性，还是响应时间、稳定性都符合水产环境监控仪器的有关技术要求，而且输出信号具有良好的线性。下面分别介绍所选择的温度、pH值、溶解氧等三种水产养殖环境参数检测传感器的主要技术参数。1.温度传感器及信号调节电路：本系统选用的温度传感器属于热电阻式温度传感器，它的测量范围是-5050，精度为±0.1。这种传感器是利用导体在温度变化时，其本身的电阻也发生变化

34、的特性，来测量温度的。大多数金属导体的电阻随温度变化的关系可由式(3-1)表示： (3-1)式中： 热电阻在时的电阻值； 热电阻在时的电阻值； 热电阻的电阻温度系数1/。可见，只要a保持不变，则金属电阻将随温度线性的增加，其灵敏度S为： (3-2)显然，a越大，灵敏度就越大，纯金属的电阻温度系数a为（0.30.6）%1。但是，绝大多数金属导体，a并不是一个常数，它也随着温度的变化而变化，只能在一定的温度范围内，把它看作一个常数，不同的金属导体，a保持常数所对应的温度不同，而且，这个范围均小于导体能够工作的温度范围。本系统采用电桥差动线性补偿电路，根据系统设计的温度测量范围为-2050，以及A/

35、D芯片的输入电压范围，设计了如图3-2所示的测温电路原理图。图3-2 温度测量电路原理图2pH值传感器及信号调节电路本系统采用的是青岛昱昌公司生产的GPP011型简易酸度计，浸入式探头，型号为GPE02P，输出为0-5V的电压。考虑到它的输出为电压信号故无需进行iv的变换，但输出电压信号小，所以必须放大。pH值调整电路原理图如图3-3所示。其主要技术参数有：(1)测量范围: 114pH(±001pH) -20150(±0.1)(2)采样速率：0599秒(3)环境温度：-1065(4)相对湿度：<95(5)供电电源：AC110V/220V±10(6)功耗： 约

36、25W(7)线性度： ±002phf.s(8)重现性： ±002phf.s图3-3 PH值调整电路原理图3溶解氧传感器及信号调节电路由于条件的限制，本系统没有溶解氧传感器，采用的是武汉恒科电子教学仪器有限公司生产的综合实验仪上电位器提供的0-5V电压信号，编程时根据0-5V与0-20mgL相对应，标度变换时按照线性关系进行编程。溶解氧调整电路原理图如图3-4所示。图3-4 溶解氧调整电路原理图3.3单片机型号的选择单片机种类很多，单片机的选择遵循以下原则：(1)优先考虑熟悉的机型；(2)功能和性能满足需要的机型；(3)优先选用编程方便的机型；(4)优先选用开发环境好的机型；

37、(5)优先选用有丰富参考资料的机型。本项目应用中只是定时（2s）对温度传感器的数据进行采样，在数码管显示，功能相对简单，实时性不太强，运算量不大，因此选用8位单片机。该应用还涉及单片机与上位PC机的串口通信，因此选用的单片机应该有一个串口。满足这两个条件的单片机很多，考虑到价格、实验室已有的单片机集成开发环境和仿真器等因素，选用美国ATMEL公司生产AT89C2051单片机。该芯片为低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含2Kbyte的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128byte的随机存取数据存储器（RAM），工作电压为2.7V6V，还含有两个16位的定时器，6个内部中断源，可

38、编程的串口UART，兼容标准MCS-51指令系统。片内置有通用8位中央处理器和Flash内存单元，封装只有20针，体积比较小，工作温度为-55+125。AT89C2051引脚图如图3-5所示。是美国公司生产的低电压、高性能位单片机，片内含的可反复擦写的只读程序存储器（）和的随机数据存储器（），器件采用公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准指令系统，片内置通用位中央处理器和存储单元，单片机在电子类产品中有广泛的应用。图3-5 AT89C2051芯片引脚图引脚说明如下：VCC：电源电压；GND：接地；RST：复位输入；XTAL1：振荡器反向放大器的输入端；XTAL2：振荡器反向放大器的输出端

39、；P1端口：P1端口是一组双向通用IO口，P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和p1.1无内部上拉电阻，这两个端口之所以不提供内部上拉电阻，主要是考虑到它们是内部精密比较器的同相输入端（AIN0）和反相输入端（AIN1），P1端口还用作向AT89C2051内部的只读程序存储器（EPROM）写入代码数据时的数据输入端口。P3端口：P3端口的P3.0p3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的通用IO口。P3口还可实现一些特殊功能。例如，P3.0可作为串行数据的输入口，P3.1可作为串行数据的输出口，P3.2可作为外部0号中断的输入口，P3.3可作为外部1号中断的输入口，P3.4可作为外部0号定时

40、器的输入口，P3.5可作为外部1号定时器的输入口。P3口还可接受一些用于向AT89C2051内部的只读程序存储器（EPROM）写入代码数据时的编程和程序校验的控制信号。这里强调的是P3.6是芯片内部比较器的输入、输出的硬线连接，并不作为通用的IO管脚，所以不接到外部。ATMEL公司生产的8位AT89C51单片机不仅与MCS-51系列完全兼容(也就是说，AT89C51单片机的指令、管脚、以及用法与MCS-51相同)，而且还有不少创新。AT89C51单片机具有以下一些特点：1内部程序存储器(ROM)和内部数据存储器(RAM) AT89C51单片机有4K可檫除内部程序存储器(E2PROM)、128B

41、的RAM。2输入输出(IO)口 AT89C51单片机内IO口的数量和种类较多且齐全，共具有32根IO口线。尤其是它有一个全双工的串行口，该串口是利用两IO口线构成的，有四种工作方式，要通过编程选定。3外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间 AT89C51单片机可对64KB的外部数据存储器寻址，而对程序存储器是内外总空间为64KB，因此AT89C51单片机外部程序存储器最大寻址范围为64KB。4中断与堆栈AT89C51 单片机有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。5定时器记数器与寄存器区 AT89C51单片机有2个16位定时

42、器计数器，通过编程可实现四种工作模式。这种单片机在内部RAM中开设了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。6指令系统 AT89C51单片机的指令系统功能比较强，主要表现在指令系统中包含加法、减法、乘法、除法、比较、堆栈操作和多种位操作指令。当振荡频率接最高12MHz时，大部分指令执行时间为1us，少数为2uS，乘除指令的执行时间也只有4us。7布尔处理器 AT89C51单片机的布尔处理器实际上是一个完整的一位微计算机，这个一位微机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。把八位微机和一位微机结合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策、逻辑电路仿真

43、和实时测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表和数据采集方面有明显的长处。在MCS-51系列单片机中八位机与一位机(布尔处理器)的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相成，这是MCS-51在设计上的精美之处，也是一般微处理机所不具备的。3.4模数转换芯片的选择AD转换器的种类繁多、特性各异。在设计数据采集系统、测控系统和智能仪器仪表时，应选择性能合适、性价比高的AD转换芯片。AD转换器的主要性能指标有：分辨率、转换时间、转换精度、输入电压范围、输入电阻(阻抗)、供电电源、数字输出特性、工作环境(周围的温度、湿度等)。影响AD转换器性能指标的主要因素有：外接时钟频率和电源电压的稳定性、环境温度

44、、外界有无干扰等。AD转换一般有记数器式AD转换、逐次逼近型AD转换、双积分式AD转换、VF变换型AD转换。在这些转换方式中，计数器式AD转换线路比较简单，但转换速度较慢，所以现在很少应用。双积分式A/D转换精度高，多用于数据采集及精度要求比较高的场合，但速度更慢。逐次逼近型AD转换既照顾了转换速度，又具有一定的精度，所以是目前应用较多的一种AD转换器结构。此外，还有一种能够实现远距离串行传送的VF变换型AD转换器。3.4.1芯片选取依据ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D转换CMOS器件，之所以选用这种转换器原因如下：(1)精度可以满足要求：8位AD转换器的相对精度是0.39，12位AD

45、转换器的相对精度是0.024，但从本课题应用环境出发，8位精度已完全可以满足测量和控制的要求。(2)多通道：ADC0809是8通道AD转换器，内置多路开关；12位AD转换器AD574A是单通道输入，所以如果要采集多个通道，需外加多路选择开关，电路复杂。(3)单一电源供电：ADC0809是用单一的+5V电源，而AD574A需要+5V，±15V三种电源，所用电源复杂。3.4.2 ADC0809芯片简介ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，采用CMOS工艺。ADC0809内部的多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码

46、电路完成对A、B和C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。其内部结构图如图3-6所示。3.4.3 ADC0809芯片管脚图及各管脚功能介绍1.ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3-7。2.对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0：模拟量输入通道ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。A、B、C：地址线， 通道端口选择线，A为低

47、地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。EOC：转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc： +5V电源。Vref：参考电源参考电

48、压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。3.4.4 ADC0809转换数据的传送设计ADC0809接口必须处理好3个问题。第一：要给START线送一个100ns宽的启动正脉冲；第二：获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换结束的标志位。第三：要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。A/D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传递给微机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换是否完成，因为只有确认数据转换完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式：（1）定时传

49、送方式：对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的，例如ADC0809转换时间为128us。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式：A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，让软件监测EOC的状态，即可确知转换是否完成，然后再进行数据传送。如果EOC为低电平，表明A/D正在进行，则控制器继续查询；如果查询到EOC变为高电平时，则给OE线送一个高电平，以便获取D0D7线上的A/D转换后的数字量。（3）中断方式：把表明转换完成的状态

50、信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。在中断服务例程中要是OE线变为高电平，则可以获取A/D转换后的数字量。3.5电源模块图3-7为系统电源模块。其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、桥式整流电路、电容滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。图3-6 ADC0809内部结构图¨图3-7 电源模块3.6显示部分设计人机界面是便携式系统的重要组成部分，尤其是对于本系统，显示是基本功能之一。液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display)由于具有轻薄短小、低耗电量、无辐射，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，近年来已经占据了显示器的主流地位。与传统的

51、显示技术相比，液晶显示器具有很多重要的优越性。首先，液晶显示器不使用电子枪轰击方式来成像，因此它完全没有辐射的危害，对人体安全；同时，液晶显示器不闪烁、颜色失真近乎为零；而且液晶显示器具有工作电压低、功耗小、重量轻和体积小等优点。考虑到功耗和LCD显示器的点阵越大体积越大的特点，我们选用NS12864J液晶显示模块，它是一种图形点阵液晶显示器。它主要釆用动态驱动原理由行驱动 控制器和列驱动器两部分组成了128 (列）X64 (行）的全点阵液晶显示。此显示器釆用了COB软封装方式，通过导电橡胶和压框链接LCD，使其寿命长，连接可靠。 此液晶显示器的基本特性为：（1）工作电压为±5V&#

52、177;10%，可自动带驱动LCD所需的负电压；（2）全屏幕点阵，点阵数为128（列）×64（行），可显示8（行）×4（行）个（16×16点阵）汉字，也可完成图形、字符的显示；（3）与CPU接口采用5条控制总线和8位并行数据总线输入输出，适配M6800系列时序；（4）内部有显示数据锁存器；（5）简单的操作指令，显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读、写等指令。此外，了解如下器件有利于对LCD模块编程。(1)指令寄存器（IR)：用于寄存指令码，与数据寄存器数据相对应。当D/I=0时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。(2)数据寄存器（DR)：用于寄

53、存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应。当D/I=1时，在下降沿作用下，图形显示数据写入DR,或在E信号高电平作用下由DR读到DBDB0 数据总线。DR和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。(3)忙标志(BF)：提供内部工作情况。BF=1表示模块在内部操作，此时模块不接受外部指令和数据。BF=0时,模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。利用STATUS READ指令，可以将BF读到DB7总线，从检验模块的工作状态。(4)显示控制触发器DFF：用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF=1为开显示（DISPLAY OFF),DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAY

54、 OFF)。DFF的状态是指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的。(5)XY地址计数器：XY地址计数器是一个9位计数器。高3位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。X地址计数器是没有计数功能的，只能用指令设置。Y地址计数器具有循环计数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。(6)显示数据RAM(DDRAM)：存储图形显示数据的.数据为1表示显示选择，数据为0表示显示非选择。(7)Z地址计数器：Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环计数

55、功能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加1，指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为0。Z地址计数器可以用指令DISPLAY STARTLINE预置。因此，显示屏幕的起始行由此指令控制，即DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行，此模块的DDRAM共64行，屏幕可以循环滚动显示64行。 3.7 晶振电路对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其是设计带有睡眠唤醒（往往用低电压以求低功耗）的系统。这是因为低供电电压提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，原因是上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡

56、。在振荡回路中，晶体既不能过激励也不能欠激励。本电路用6M和32.768K两个外部晶振。图3-8为晶振电路。3.8复位电路系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位，在各种复杂情况下稳定可靠的工作，复位性能不好会影响系统的正常运行。本系统采用上电复位电路，系统复位电路电路图如图3-9所示。图3-8 晶振电路图 图3-9 系统复位电路3.9输出控制电路设计在水产养殖监控系统中，被测参数经采样处理之后，还需要计算并输出控制模型，达到自动控制的目的。输出控制分两种：模拟量控制和开关量控制。模拟量控制通常是由DA转换器输出开控制；开关量控制是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的。本系统采用开关量控制。在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器。光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管光敏三极管、发光二极管光敏复合晶体管、发光二极管光敏电阻，以及发光二极管光触发可控硅等。其原理电路，如图3-10所示。在一般微型计算机控制系统中，由于大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管，所以通常加一级驱动器。本系统采用的是74LS04。其系统原理图如图3-11所示。当数字量Pi输出为高电平时，经反相驱动器后变为低电平。此时发光二极管有电流通过并发光，使光敏三极管导通，从而在集电极上产生输出电压。此电压即可用来