基于單片機的便攜式活水魚塘水情監(jiān)測系統(tǒng)設計

萬 云

（重慶城市職業(yè)學院， 重慶 永川 402160）

活水養(yǎng)殖是我國淡水養(yǎng)殖的一種常見形式，因其池塘中的水自然流動使得含氧量高、魚質好而在近年來很受歡迎。在該類養(yǎng)殖中，水中含氧量并不是所擔心的問題，主要需解決的問題是魚塘中水不斷流動的同時，需將水位和水質控制在規(guī)定的范圍內。因此如何有效的對活水魚塘中水位和水的質量進行監(jiān)測，是廣大養(yǎng)殖戶非常關心的事情。根據這一需求，在本文中設計了一種便攜式簡易水情監(jiān)控系統(tǒng)，能實現對活水魚塘中水情進行實時監(jiān)測。

一、系統(tǒng)整體方案設計

根據目前活水魚塘中普遍存在的問題分析，一個簡易活水魚塘水情監(jiān)測系統(tǒng)至少要實現水位實時監(jiān)測、水質實時監(jiān)測以及實時顯示水位和水質情況的功能；同時考慮到是在戶外進行監(jiān)測，還需考慮到電壓的實時監(jiān)測與顯示及攜帶方面的問題，因此在本設計中采用了便于攜帶式的單片機做為數據處理單元來實現整個系統(tǒng)的控制，其總體結構設計如圖1所示。

從圖1看，該水情監(jiān)測系統(tǒng)中由水位采集模塊和水質采集模塊分別對待測魚塘中的水位和水質進行采集，再將所采集的數據送單片機進行處理，處理完后送顯示模塊進行實時顯示，以提醒養(yǎng)殖戶對魚塘中水位和水質的控制。其中電源模塊主要實現對整個水情監(jiān)測系統(tǒng)供電。

二、系統(tǒng)硬件的選用與設計

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

由圖1可知，此系統(tǒng)的硬件主要由電源、數據處理、水位采集、水質采集、顯示和報警模塊等組成。

（一）電源模塊

在該監(jiān)測系統(tǒng)中，由于考慮到是在戶外無外接電源，不便于引入即插即用式的電源，同時該監(jiān)測系統(tǒng)還需移動到不同水域監(jiān)測水質，電源選擇不宜過重，養(yǎng)殖戶要方面購買，因此我們選用了由四節(jié)1.5V的可充電電池構成的電池組，可重復使用。后經穩(wěn)壓模塊給各模塊供電即可。

（二）數據處理單元

數據處理單元是本系統(tǒng)中最核心的單元，主要功能是實現對所采集的數據進行計算和處理。據查閱，許多類似監(jiān)測系統(tǒng)大多采用AT89S51單片機來實現控制，該單片機具有價格低，功耗低，性能高的特點，但無AD轉換功能?？紤]到在該水情監(jiān)測系統(tǒng)中所采集的數據均為模擬量，因此我們選用了STC12C5A60S2作為主控芯片來進行數據處理，該單片機具有AT89S51單片機的所有功能，其I/O口資源較多，且自帶AD轉換功能，運算速度較快，便于后期擴展，運用起來十分方便。

（三）水位采集模塊

市場上常見有投入式和探頭式的水位傳感器，這兩類傳感器都有同樣缺點即價格較貴，時間長會有銹跡或容易被腐蝕，這樣就會間接增加養(yǎng)殖戶負擔。因此在該系統(tǒng)中，我們選用超聲波測距法來實現對魚塘水位的采集。該方法不需接觸被測魚塘，不受池塘旁邊等任何電磁干擾，不懼強腐蝕性液體等，且其響應速度塊，能實現實時的無滯后的測量。

該方法測量水位的原理為：由發(fā)射探頭發(fā)出40kHz頻率的脈沖信號，該信號經空氣傳播至待測液面后反射回接收探頭，此時經特殊電路計算出從發(fā)射到接收之間的時間，根據空氣中的聲速，就能得到超聲波傳感器至待測液面的高度，從而確定魚塘水位。其計算公式為：

其中，V為超聲波在媒介中傳輸速度；S為超聲波傳感器至水面距離；T為發(fā)出與接收期間時間差；T1為接收時刻；T0為發(fā)出時刻。

此時，只需在單片機中將公式用軟件編程即可實現對魚塘中水位的測量。在該系統(tǒng)中，選用的是HC-SR04超聲波模塊作為水位采集模塊，其已集成信號采集和處理電路，價格實惠體積小，無需再外接電路，只需直接接插至單片機即可使用。

（四）水質采集模塊

在魚塘中，水質是關系到魚的生長和產量的主要因素。而其中的酸堿度又是魚塘水質的主要指標，它對魚的繁殖、發(fā)育和生長等有著直接或間接的影響。據資料顯示，在我國淡水魚養(yǎng)殖中，pH值為7.8～8.5之間是魚類最適宜生活的環(huán)境。因此在該系統(tǒng)中主要通過對PH值的采集來實現對水質的監(jiān)測。

在該系統(tǒng)中，經綜合考慮，該模塊選用SEN016模擬PH計來實現，其具有使用壽命長、校準快、精度高、自動溫度補償的特點。該PH計監(jiān)測原理主要是通過所構成的參比電極和玻璃電極部件來實現。在同一魚塘中，將PH計放入水中，兩個電極此時就相當于組成一個原電池，且其中的參比電極的電位變化穩(wěn)定而玻璃電極對酸堿度十分敏感，這時原電池的電位將隨著水中酸堿度的變化而變化，因此只需測量出PH計中原電池的電位值后再根據電位差與酸堿度之間的關系（電位差遵循能斯特公式），即可得出水中PH值。

（五）顯示模塊

在該系統(tǒng)中顯示模塊主要功能是對所采集到的水位和PH值實時顯示，以提醒養(yǎng)殖戶對魚塘水情做出適當控制，同時考慮到是戶外監(jiān)測且電池電壓對整個監(jiān)測系統(tǒng)的性能及精確度影響較大，因此還考慮到了電池電壓顯示的功能，以提醒養(yǎng)殖戶及時對電池充電等。綜合這些因素，選用了LCD128*64液晶屏來實現顯示。

（六）報警模塊

報警模塊主要是達到提醒養(yǎng)殖戶魚塘水情已超過預設值的功能。考慮到該監(jiān)測系統(tǒng)使用時間主要是白天，若采用LED燈閃爍的形式來實現報警，強陽光下效果可能不太明顯，因此采取通過語音提醒形式來實現語音報警。該模塊采用ISD4004芯片實現，該芯片工作電壓為3V，音質好，具有聲音質量好，能自動靜噪，可通過其串口與主控芯片通信，非常適用于此類移動式的監(jiān)測報警。

三、系統(tǒng)程序設計

（一）程序流程圖設計

圖2 主程序流程圖

在打開監(jiān)測系統(tǒng)開關后，首先對整個系統(tǒng)進行初始化，初始化完成后超聲波傳感器和PH值檢測儀分別對水位和酸堿度進行采集，同時利用單片機AD口對電壓、水位和酸堿度等信息進行A/D轉換送數據處理單元進行計算處理且在LCD屏實時顯示，經處理后的數據與預設值再去比較分析，做出判斷，若超出預設值范圍則通過聲音報警形式傳送給養(yǎng)殖人員，養(yǎng)殖人員通過實時顯示的數據和聲音報警信號掌握魚塘水情，并及時采取措施，以此提高魚的產量和質量。其主程序流程如圖2所示。

（二）程序算法實現

在該系統(tǒng)中要計算的數值主要是電壓值、水位值和PH值，為了讓所測數據更為準確，本系統(tǒng)中數據處理主要采用算術平均值的算法來進行，通過不斷的對所測值進行采集，再對連續(xù)采樣的N個數據進行算術平均運算即可得出更為準確的值。

四、結論

通過實際運行與測試表明，本系統(tǒng)各功能和各項指標達到設計要求，系統(tǒng)運行良好?？蓪崿F實時檢測并顯示魚塘的水位、酸堿度、供電輸出值等功能，其水位精度可控制在2mm內，酸堿度偏差不大于0.5，電壓輸出偏差不大于0.01V。

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