《基于PH值、温度以及电导率传感器的单片机海水养殖监测系统设计》8200字（论文）

I基于PH值、温度以及电导率传感器的单片机海水养殖监测系统设计目录1绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 11.3本文研究内容及结构安排 22总体设计方案 43硬件电路设计 53.1单片机设计 53.1.1单片机的选择 53.1.2STC8G1K08单片机简介 53.2PH模块设计 63.2.1PH传感器的选择 63.2.2PH模块 73.3电导率模块设计 73.3.1电导率传感器的选择 73.3.2电导率模块 73.4温度模块设计 83.4.1温度传感器的选择 83.4.2温度传感器 83.5显示模块 93.6报警模块 93.7蓝牙模块 103.8供电模块 103.9硬件总图 114软件设计 124.1主程序结构 124.2按键子程序的设计 134.3显示子程序的设计 135实验结果 155.1调试部分 155.2实物测试 166结论 18参考文献 20PAGE11绪论1.1研究背景及意义近年来，我国水产养殖业发展迅速，占世界水产养殖产量的70%以上。农场水质对水生动物的生存至关重要。水温、pH值和溶解氧是影响水产养殖的重要因素。因此，实时监测水质对提高生产力、生产力、健康和安全具有重要意义。[1]。然而鱼藻类动物的生活特性使得整个的养殖过程变得复杂。只有对海水养殖场地进行环境模拟控制才能让鱼藻们健康的成长。如何对海水养殖场地进行控制则是重中之重，市面上针水质控制和监测产品多种多样。大多数人控制着一个项目。例如：单独对温度控制、单独对盐碱度控制等等。也是以非智能设备为主，各个设备相互独立，无法相联系，一旦其中一个设备出故障，则会造成海水养殖场地中的动植物死亡。再加上由于各自独立所以无法进行统一的监控，极易造成设备功能重叠，浪费资源还会影响美观。另外，基于互联网的海水养殖企业检查设备的概念和相关应用相对落后，独立的研究能力不足，可行性仅在表面，实际使用效果与海水养殖行业无关。产品质量远远落后于美国、挪威等国。第二，硬件设施不足，水产养殖专家应用高科技技术的能力有限，很难导入水产养殖系统。浙江省大部分池塘分散，部分地区网络通信和电力供应相对薄弱。许多应用，例如水质传感器，系统稳定性高，价格高，产品可靠性差，不能满足目前水产养殖的需要。因此我们将开发一个基于单片机的海水养殖监测系统以实现养殖户希望以高性价比对养殖场的环境进行远程实时监测的需求：我们布控传感器使其采集养殖场内的温度和盐度等并预先设定温度和盐度等这些参数的阈值，如果温度和盐度浓度超出阈值，进行调节。本文主要是通过PH值、温度以及电导率传感器检测技术为理论基础，结合单片机技术进行实践，设计完成一款能够实时检测海水环境的系统，此系统的使用可以有效的促进水产养殖的发展，具有很好的实践意义[2]。1.2国内外研究现状1959年，美国开始自动监测俄亥俄河的水质。20世纪60年代，纽约州环境保护局开始建立一个自动系统来监控该州的供水系统。最初用于水质监测的自动电化学监测仪于1966年建立，1975年建立了13000个水质自动监测站。在这些流域和联邦州（区）的监测网络中，150个监测站构成了联邦水质办公室的网络。尽管便携式水质检测仪在20世纪70年代在欧洲、美国、日本和其他地方销售，但它是即时的。目前，日本研究院和国际夏季制造技术公司开发的水质在线自动监测系统大多是水温、浊度、pH值和电导率的综合指标。水、化学品、化学需氧量产生的溶解氧和其他污染物产生的总氧和总有机碳消耗量[4]。在国家层面，中国正在建立水质自动监测和快速分析等预警和预测系统。作为天津市的一个试点项目，第一个连续自动水质监测系统于1988年建立。该系统由一个中心站和四个变电站组成。自1995年以来，上海和北京都建立了水质自动监测站。自1998年以来，水质自动监测站的建设取得了很大进展。黑龙江、广东、江苏和山东的7个大型水系和10个大流域建立了地表水水质自动监测系统。大多数自动监护仪都是进口产品，价格高，运行成本高[5]。1.3本文研究内容及结构安排本文是基于综合海洋水产养殖系统开发的。系统包括检测模块、接收模块、ph检测电路、温度控制电路、tds检测电路和显示模块。以STC8G1K08为中心，实现检测端配有OLED显示以及蓝牙传输，能够智能模拟实现海水养殖场的水质温度、PH值、电导率的检测等功能[6]。主要工作如下；第1章：绪论。主要介绍课题基于单片机的海水养殖系统设计的课题研究的背景和意义以及国内外研究的现状，再者介绍本次论文最主要的内容和章节的安排工作。第2章：给出海水养殖系统的设计原理。第3章：详细介绍了基本电路、检测模块、数据采集电路、显示电路、系统控制电路和单片机系统模块设计电路。第4章：计算机系统的开发与选择。第5章：分析海水养殖系统的结果分析。第6章：对本文工作进行总结。

2总体设计方案本文系统设计了一款基于单片机的海水养殖系统，该电路基于现有的环境监测系统增加了ph，温度，导电率控制模块。用户可以手动设置显示接口，根据检测水质的温度、PH值以及电导率，完成一个实时的海水养殖场地水质环境检测功能。主要配合51单片机，以温度传感器、PH值传感器和电导率传感器作为本次系统的测量模块以及蓝牙模块进行数据传输PC端。该海水养殖系统设计大体可以去分为采集、处理、传输等三个部分，对应的器件模块分别是STC8G1K08单片机、DS18B20传感器、PH值传感器、电导率、PC端等，另外，以STC8G1K08单片机为主控制单元，数据的采集是通过温度传感器进行采集水中的温度数据和pH模块记录水的pH值，TDS模块检查水的导电性，并将收集的数据转换为连续的电压信号。将模拟电压信号经A-D相转换成数字信号，传输到单片机系统stc8g1k08，对单片机系统控制的主控制电路进行分析和处理。，进行显示出温度值、PH值以及电导率，同时通过蓝牙模块将数据上传PC端进行显示当前环境的数据值。同时也可在PC端查看检测到它们的数据流。系统的总体框图如图2.1所示。图2.1系统总体框图3硬件电路设计3.1单片机设计3.1.1单片机的选择方案一：选择控制数字信号处理和分析的数据处理模块的执行选项。单片机的型号种类是非常的多，非常容易的就能够满足其市场上那些集成电路模块的需求，性能方面也非常的适应其最重要的特点是网络集成应用模块非常高，很容易将模块扩展到集成性能非常差的混合模式端口。此外，它还可以为电池供电，从而提高可拆卸性和可回收性。缺点是，这些产品的实际市场价格相对较高，公司对提高成本和生产率没有贡献[5]。方案二：与其他单片机相比，该单片机电机是最大、最宽的串行电机。与其他类型的单片机相比，51单片机具有集成度高、抗干扰、可靠性高、外围电路易于扩展、容量小、功耗低等优点。同时，它们具有高技术质量、低产品价格和高成本。缺点是对大规模数据处理的分析相对较少[6]。该系统的设计使其成为一个可接受的整体系统。首先，多传感器水质数据采集和实时显示具有远程控制功能。整个系统设计的关键是如何传输采集到的数据，以及哪个模块直接与单片机系统连接。单片机具有结构简单、使用方便、速度快、数据存储量小等优点。根据本设计的特点，传感器模块具有连接简单、成本低、功耗低等优点。在此基础上，选择stc8g1k08作为主晶体。3.1.2STC8G1K08单片机简介STC8G1K08单片机是8位微机，耗电低，CMOS性能高，密度高，容易攻击。STC8G1K08单个计算机系统可以提供更高效和灵活的解决方案和解决方案，包括可编程闪存设备、相对灵活的8位处理器和一个计算机可编程的在线闪存系统。STC8G1K08可以简化为0Hz的静态逻辑操作，并且支持两种经济计量模型软件。电脑系统空着一台时，CPU马上停止。在RAM、定时器/计数器、串行接口和保留过程中继续执行。如果我们的SCM系统处于断路器保护模式，我们的故障将被保存，发电机将立即被冻结，SCM系统的所有动作将被系统中断。在系统再次故障或设备更换之前，操作不会完成。8位微控制器和8字节的系统可编程存储器[10]。如下图3.1所示。图3.1STC8G1K08单片机原理图3.2PH模块设计3.2.1PH传感器的选择为了从pH监测系统收集和报告环境信息，应选择pH监测模式[13]。方案一：用金属电极测定pH值。该方法直接关系到金属电极中金属表面的氧化，具有广阔的应用前景，能够准确测定溶液的pH值。方案二：pH传感模块。pH模块应用于pH复合电极。接口使用BNC标准。该模块具有较高的精度、可靠性和稳定性。它还可以实时跟踪水的pH值，并将数据导入主控芯片。缺点是电极容易腐蚀。考虑到设计要求和水质测试，测试范围也受到限制。根据这两个选项，选择方案二相对容易理解，成本低，成本低。3.2.2PH模块溶液的酸碱度(PH值)是溶液的一个重要特性该模块通过BNC接口连接到组合PH电极，扩展温度传感器DS18B20的接口，促进了温度补偿软件的设计。可以设置缩放比例（顺时针和顺时针缩放）。这个模块成本高，使用方便，测量精度高。模拟电压信号可以直接以0到5V或0到3V操作。图3.2PH值传感器原理图3.3电导率模块设计3.3.1电导率传感器的选择方案一：进行采用其光敏电阻元件。利用半导体的光电效应进行制成的可变电阻器，其电阻值会随着入射光的变化而进行变化。当入射光的强度比较高的时候，它的电阻值将会进行减小，而当入射光的强度比较小的时候，它的电阻值将会进行增大，从而进行测量相应的一个光强度变化。方案二：电导率传感器TDS型主要是进行测量洗涤水中的浊度，它是基于光学的原理，并以特定的波长进行接收其发光二极管和光电二极管的信号，它具有精度高、可靠性高、性能稳定等特点。它可以实时跟踪光照强度，并将数据传输到主控芯片。大量的光线透过水面。表明水质量达标。为了进行模拟水质情况，本文系统设计是需要去进行采集其水质情况的，通过光照模块对水的穿透度进行采集，如果光敏值越大说明越清晰。越小说明越浑浊，为了测量数据更精确，本系统设计采用方案二中的TDS传感器模块进行模拟检测水质电导率。3.3.2电导率模块电导率传感器TDS型主要是进行测量洗涤水中的浊度，它是基于光学的原理，并以特定的波长进行接收其发光二极管和光电二极管的信号。KIE不透明度传感器的原理:当光通过一定量的水时，光的下降量依赖于水中的污秽量，污秽量增加时，因水样的光而减少。不透明度传感器测量流过水的光量，计算水的不透明度。这些判断是基于洁净水的测定值和现在的水质测定值的比较，通过测量水的浑浊度，可以保证水质质量，便于水生物或者人类使用，原理图如图3.3所示。图3.3电导率检测电路原理图3.4温度模块设计3.4.1温度传感器的选择方案一：根据热阻的温度效果来决定温度。确定测量物体的温度变化中的电压或电流，用A/D将数字信号转换为单频系统，用机器处理数据传送到显示器。因此，测量的温度、警报、温度调整显示在画面上，具有精度高、体积小等优点，但其主要缺点是模块化电路，因此需要在整个设计上切换模块/模块。热敏电阻电路的问题更加严重，干扰防止能力也很低[11]。方案二:DS18B20，使用温度传感器测量环境温度。温度传感器是集成的模拟数字温度传感器。无需添加外部AD开关，即可直接与单个相机通信。缺点也很明显。E.进修由于工程设计的要求和系统对水温的控制，检测范围也很小。在这两个方面中，方面2的电路和软件不难得出相对简单的结论。因此，DS18B20模块使用可选2。在传感器检测领域，该方法用于收集温度信息。3.4.2温度传感器Ds18b20数字温度传感器这是一个非常小的集成芯片，配有LEDD转换器、外壳等。该传感器具有体积小、硬件体积小、抗干扰能力强和精度高的优点。线路总线输出模式简化了用于构建网络的各种DS18B20模块。温度传感器模块具有以下特性：（1）它有一个单线接口。（2）低工作电压，3.5.5v。（3）温度测量范围为-55125°C。温度溶液的最高温度可达0.625℃。根据课题对温度范围和精度的要求，采用DS18B20对节点周围的温度进行测量和控制。如图3.4所示。图3.4温度检测电路原理图3.5显示模块OLED12864显示屏模块是一款128×64行点阵的字符、图形显示模块。模块内藏有64×64的显示数据RAM，每一位数据都能够去对应OLED屏上一个点的亮、暗状态；另外，其显示屏的接口电路以及操作指令相对比较简单，具有8位的并行数据接口，可以直接与STM32单片机进行相连接。与其单片机P3.2和P3.3引脚扣相连，其原理图如下图3.5所示。图3.5显示电路原理图3.6报警模块此系统用于激活警告音和LED显示器。其主要功能之一是将通过各种检测模块采集的数据传送至设备系统进行分析，若超过设定的启动极限，则在一定的频率范围内发出评价后警报。报警电路模块原理图如下图3.6所示:图3.6报警电路原理图3.7蓝牙模块蓝牙(Bluetooth)技术最初是由电信巨头爱立信公司于1994年创立,它是一种无线技术标准，致力于在10～100m的空间内使所有支持该技术的用户进行话音和数据通信；并且可以实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离（10米半径范围内）通信环境数据交换，是一种低成本、低功率的无线技术。它的特点是全球范围都适用、可以传输语音和数据以及建立临时性的对等连接（Ad-hocConnection)、具有很好的抗干扰能力、蓝牙模块体积很小、便于集成、低功耗、低成本。其原理图如图3.7所示。图3.7蓝牙模块原理图3.8供电模块针对于本文设计，为了使实物操作更加简单化，简易化，使用直流电源，由于STM32单片机模块供电是3.3V，所以电路设计中需要进行添加电源转换模块，本文设计采用的是SC662K系类的电源稳压芯片，该芯片的固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0v、3.3V、5.0V,具有1%的精度。它的引脚上能够兼容其它三端的SCSI稳压器，还能够去提供适用于贴片安装的SOT-223、8引脚SOIC以及TO-252塑料封装。该芯片还提供过载和过热保护，防止外部环境因素导致温度过高。以致于数据采集不准确。室内环境智能控制系统的供电部分主要是将220V的交流电压通过降压转换模块转换为5V的一个直流电压，然后去进行供继电器的使用，最后再去通过SC662K当模块转换为3.3V直流时，将其发送到STM32模块。因此，在室内智能控制系统的设计中，选择了SC662K-3.3V模块，使实际的对象能够选择USB电源进行PCB的演示。选择是手机的充电头、充电器、电脑的USB接口等。这样供电就得到了有效地解决，使整个实验变得更加简洁，供电电路原理图如下图3.8所示：图3.8供电模块原理图3.9硬件总图本文海水养殖系统主要是由单片机系统、显示模块、温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、盐碱度传感器模块、蓝牙模块以及报警电路模块进行构成，其整体原理图如图2.9所示。图2.9整体电路原理图4软件设计当开发整个系统软件时，必须考虑一个单片机系统的软件资源配置。因此，软件开发的合理化和简化是必要的。以下三点（1）有必要对整个控制系统的需求进行分析。具体问题分析（2）用算法配置电路（3）根据第一个设计的场景创建一个程序，定义算法和程序，根据描述设置场景，并完成配置。程序数据受结构化程序设计方法的约束。减少整个设计上的逻辑错误，方便用户对程序的修改以及调试。4.1主程序结构系统软件设计是将STC8G1K08作为主控制芯片，用C语言编程进行实现监控过程。系统进行上电之后，首先是进行初始化的工作，随后利用传感器进行采集温度、PH值以及电导率，采集完这些信息之后，再次去将这些信息进行打包，然后通过显示屏进行显示并通过蓝牙模块进行上传PC端远程监控。主程序图如图4.1所示。图4.1主程序结构图4.2按键子程序的设计按键扫描的程序一般为首先判断有没有键按下，然后通过延迟程序进行去抖动，接着求按下键的信号，等按键释放后会转入相应的键处理子程序，按键处理子程序流程图如图4.2所示。图4.2键盘处理子程序4.3显示子程序的设计在使用之前，启动清除屏幕的过程，并调用默认的读写命令，最后显示其采集到的数据信息。显示子程序流程图如图4.3所示。图4.3显示处理子程序

5实验结果5.1调试部分根据毕业设计的要求，将调试分为硬件调试、软件调试、包装调试三个模块。（1）硬件调试1）系统电源供电路调试在供电接口VCC与GND的两端进行接上其电源之后，将其闭合开关，会发现电源的指示灯是不亮的状态，所以相应的进行使用万用表检测到其USB的供电口的1脚以及4脚是有电压的，猜想是不是发光的二极管正负极进行接反了，接着进行了测试实验将其调换了正负极之后，其发光二极管相应的进行了正常工作。2）液晶显示模块电路的调试设备通电，液晶屏幕会亮起来，亮起来后发现屏幕上没有显示出字符，然后将其进行断电后，利用螺丝刀去把电位器进行调整，发现是电位器的旋钮被扭到了最左端，电位器移至左端的时候其屏幕的灰度值是最低的，将其进行向右旋转，通上电，显示屏就可以很清晰地显示字符了。3）单片机电路调试单片机是主要核心。在一开始的调试当中，有些时候会出现调节按键的失灵、液晶显示屏幕显示字符不完整或者不显示等情况。这个主要是因为单片机的部分引脚可能与其按键、显示电路的一些接口由于脱焊导致的，将其再次进行焊接之后，可以发现该故障情况已被消除。（2）软件调试整个系统的软件开发过程以C语言完成，选择Stc8g1k08作为程序调试支持，使用keil-uvi4创建统一的程序编辑环境，使用大部分的设计和编辑功能。之后，通过对数据收集电路模块程序的顺序调试和检查，对系统软件进行了调试。（3）.软件调试与设备连接利用晶体设计软件stc8g1k08对串行传输改进系统和可编程keil软件的设计进行了实验。实验结果准确，最终设计基本完成。。5.2实物测试在系统设计中，控制温度、pH值和电导率，以监测水质和环境。模拟pH传感器、DS18B20模块和TDS传感器模块测量pH值、温度和电导率，并在第一行显示温度名称、pH值和TDS。；第二行显示第一行对应名称的值，此时温度为23.5℃，PH值是7.4，TDS002mg\l（Temp代表温度，PH代表水的酸碱性、TDS代表水质电导率）；第三行代表此时海水养殖场地水质是否安全和不安全状态（S代表安全，W代表不安全），此时S安全；第四行和第五行对应PH值、温度值以及水质电导率的初始设定阈值，若检测值超过则会报警。图5.1系统启动图首先找到HC-05蓝牙设备进行连接，连接成功，数据会实时上传，如图5.2所示。图5.2蓝牙连接图图5.3蓝牙连接成功图为了模拟海水养殖系统的效果，进行设置阈值，将阈值设置低一点模拟报警，如图5.4所示，首先用手触摸温度传感器模拟水的温度，发现温度慢慢升高，如图5.5所示，此时蜂鸣器会报警（截图无法体现）其他情况也发生了同样的情况。经过物理调试，开发了令人满意的程序。程序的调试过程在软件硬件的结合过程中进行，实现了项目的第一个功能要求。图5.4阈值设置图图5.4温度检测图5结论经过两个多月的努力和大量试验，最终达到了设计要求。设计的电路主要由stc8g1k08、按键控制电路、显示电路、电导率控制电路、pH值控制电路、蓝牙和DS18B20组成。水产养殖系统通过温度传感器和pH模块收集水温数据，通过TDS模块收集水温数据，测量水的不渗透性，在显示屏上显示温度、pH值和土壤电导率，并通过蓝牙通过PC传输数据。虽然这个项目达到了最初的思想要求，但仍有许多不足之处需要研究和改进。以下问题和章节将在日后的加以完善改进。1、本文只进行了论文的实物测试，未落实到真实的检测平台上面去进行测试，希望下一步能对海水养殖系统的物理条件进行优化，进行实地测试。2、本人所设计的海水养殖系统只进行了温度、PH值以及电导率的数据显示及传输远程监控，接下来可以进行水质调理方向进行考虑，如PH值过高过低怎么应对调整。3、本人所测试的海水养殖系统的不同状态上的工作情况都是通过手动进行模拟，而没有在具体的环境中去实地进行测验，可以向自动化方向进行延伸。希望在以后的学习与工作当中，能够将所学的知识点运用于实践，及时了解本专业最新的学术成果并掌握好。

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