魚塘溶氧度自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊海軍

(洛陽(yáng)理工學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

氧氣是生物賴以生存的根本，水產(chǎn)養(yǎng)殖更是對(duì)水的含氧量有苛刻的要求，因此控制水體的溶氧度是漁類養(yǎng)殖生產(chǎn)成功的必備條件。目前大部分養(yǎng)殖者對(duì)水體溶氧度的判斷主要是依靠經(jīng)驗(yàn)，即通過(guò)陽(yáng)光、氣溫、氣壓，以及魚有無(wú)浮頭等現(xiàn)象，判定水體溶氧度的高低，是否開啟、停止增氧機(jī)。這些方法比較原始，甚至造成資源浪費(fèi)，而且不能保證魚類產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量?；谶@種現(xiàn)狀的分析和研究，設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的魚塘溶氧度檢測(cè)及控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由ATMEGA16單片機(jī)、信號(hào)采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤輸入及顯示電路、聲光報(bào)警電路和GSM模塊等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)主控芯片ATMEGA16實(shí)時(shí)獲取溶氧度傳感器和溫度傳感器的檢測(cè)值以及警戒值和增氧機(jī)主電源供電情況，并由1602顯示模塊顯示。當(dāng)溶氧度檢測(cè)值小于警戒值時(shí)，通過(guò)繼電器自動(dòng)啟動(dòng)增氧機(jī)；當(dāng)增氧機(jī)主電源斷電時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，并由GSM發(fā)送短信息報(bào)警；當(dāng)溫度檢測(cè)值大于設(shè)置的最大警戒值或者小于最小警戒值時(shí)，聲光報(bào)警器報(bào)警，GSM發(fā)送短信息報(bào)警。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

（1）信號(hào)采集電路。ATMEGA16具有8路10位ADC，32路I/O端口，由于其自身已經(jīng)集成8路A/D轉(zhuǎn)換通道，可實(shí)現(xiàn)水中含氧量和溫度等多個(gè)參數(shù)的多路數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。為防止輸出電壓過(guò)大損壞A/D通道，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前應(yīng)加限幅保護(hù)電路，使其輸出電壓在0～5V。信號(hào)采集電路由含氧量傳感器、溫度傳感器、儀器放大器和限幅電路組成。電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集電路

（2）溶氧度檢測(cè)。系統(tǒng)采用電流測(cè)定法測(cè)量溶氧度，它是根據(jù)分子氧透過(guò)薄膜的擴(kuò)散速率來(lái)測(cè)定水中溶解氧（DO）的含量。溶氧電極的薄膜只能透過(guò)氣體，透過(guò)氣體中的氧氣擴(kuò)散到電解液中，立即在陰極（正極）上發(fā)生還原反應(yīng)：

在陽(yáng)極（負(fù)極），如銀-氯化銀電極上發(fā)生氧化反應(yīng)：

（1）式和（2）式產(chǎn)生的電流與氧氣的濃度成正比，通過(guò)測(cè)定此電流就可以得到溶解氧（DO）的濃度。溶氧度檢測(cè)電極引線長(zhǎng)2m，可以將電極放在合適位置，避免了單一位置的偶然因素影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

（3）溫度檢測(cè)。溫度檢測(cè)使用DS18B20。DS18B20在與ATMEGA16連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊，測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃。系統(tǒng)將其作為單獨(dú)模塊引出，可以放在合適的位置，減少了局部溫度過(guò)高或者過(guò)低造成的不確定因素。

（4）主電源檢測(cè)。主電源采用220V轉(zhuǎn)5V電源，與增氧機(jī)電源屬于同一電源供電，備用電源采用鋰電池供電。使用固態(tài)繼電器作為電源切換的核心器件，當(dāng)主電源供電時(shí)，固態(tài)繼電器使備用電源不工作；當(dāng)主電源斷電時(shí)，固態(tài)繼電器復(fù)位，備用電源工作。單片機(jī)檢測(cè)到備用電源工作信號(hào)，通過(guò)GSM發(fā)送信息報(bào)警。

（5）設(shè)定模塊與顯示模塊。設(shè)定模塊由3個(gè)按鍵組成，用來(lái)設(shè)定溫度及溶氧度的警戒值，顯示模塊是顯示實(shí)時(shí)溶氧度、溫度和警戒溶氧度和溫度，設(shè)定模塊和顯示模塊可以清楚的顯示即時(shí)狀態(tài)，更加方便生產(chǎn)者的操作。1602顯示模塊采用的是TC1602EL字符型液晶模塊(帶背光)，內(nèi)帶標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)，內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了192個(gè)5×7點(diǎn)陣字符，32個(gè)5×10點(diǎn)陣字符。TC1602EL液晶顯示模塊和ATMEGA16單片機(jī)連接電路如圖3所示。

圖3 1602與ATMEGA16連接

（6）GSM通信模塊。GSM模塊采用西門子的TC35i模塊。TC35i使用外接式SIM卡,24～29為SIM卡引腳，SIM卡同TC35i是這樣連接的:SIM上的 CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通過(guò)SIM卡閱讀器與TC35i的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。TC35i GSM模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集，接口簡(jiǎn)便，可以通過(guò)UART直接與ATmega16通信。GSM短信報(bào)警模塊，可以即時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送到指定手機(jī)號(hào)中，生產(chǎn)者不必全天值守，使系統(tǒng)的安全和可靠性更上一個(gè)臺(tái)階。

（7）增氧機(jī)、發(fā)電機(jī)控制部分。增氧機(jī)和發(fā)電機(jī)分別由一個(gè)220V/10A繼電器控制，電機(jī)的電源線分別接在對(duì)應(yīng)的繼電器的常開出點(diǎn)上。當(dāng)需要增氧機(jī)或者發(fā)電機(jī)工作時(shí)，繼電器響應(yīng)控制信號(hào)，相應(yīng)的電機(jī)開始工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 程序設(shè)計(jì)

ATmega16 MCU在上電以后會(huì)不斷檢測(cè)溶氧度、溫度、主電源及設(shè)定模塊，實(shí)時(shí)處理不同情況。編程使用C語(yǔ)言，具有很好的兼容性和可移植性，方便二次開發(fā)，和其他模塊的補(bǔ)充。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹的自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)魚塘水體的溶氧度和溫度，實(shí)時(shí)處理水中含氧量變化的突發(fā)狀況，有效解決自動(dòng)控制在漁業(yè)的應(yīng)用，減輕漁業(yè)生產(chǎn)的工作強(qiáng)度。

[1]馬潮.嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)這[J].單片機(jī)及嵌入式應(yīng)用，2002,（7）.

[2]戴文源，孫力.水體溶解氧檢測(cè)方法綜述[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，（19）.

[3]肖忠，陳怡，莫洪林.魚塘溶解氧自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009,（5）.