水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)自動化控制改造

馮推順

摘要：海南作為一個以旅游與綠色產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)特區(qū)，隨著自貿(mào)港建設(shè)加速，對水產(chǎn)品的需求量也越來越大，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也跟隨著快速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖場也越來越多，部分養(yǎng)殖場也購進(jìn)了投料設(shè)備和增氧機(jī)。但是，目前島內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場的投餌和增氧的自動化與智能化的普及率不高，仍然主要采用人工啟動與停止投餌和增氧設(shè)備的方式進(jìn)行養(yǎng)殖。但是與自動化投餌增氧相比，人工投餌存在著投餌量難以控制，增氧時間不夠精準(zhǔn)，對水產(chǎn)生態(tài)環(huán)境把握不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。為了提高養(yǎng)殖效率，將目前的人工操作模式進(jìn)行智能化改造是很有必要的。本方案使用STC15F2K60S2單片機(jī)作為控制核心，通過DS1302時鐘芯片的精確計時，LCD12864液晶屏作為操作顯示界面。實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖場的投餌及增氧進(jìn)行自動化控制。

關(guān)鍵詞：STC15F2K60S2單片機(jī) SHT11溫濕度傳感器 LCD12864 DS1302時鐘芯片

一、改造的目的與意義

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，很多養(yǎng)殖場已經(jīng)配備了投餌機(jī)和葉輪式增氧機(jī)，但是各設(shè)備還是單獨(dú)需要人工啟動運(yùn)行。水產(chǎn)養(yǎng)殖場是一個潮濕的地方每次由人工操作這些用電設(shè)備會存在著較大的安全隱患，并且人工啟動和停止的方式存在著運(yùn)行時間不好把控，導(dǎo)致投餌量不均衡、增氧耗費(fèi)時間的不足。經(jīng)過智能化改造之后，投食及增氧設(shè)備將由傳感器檢測和定時設(shè)置綜合自動完成，無需人工按時啟動和停止，減少人工勞動時間，將安全隱患降到最低。另由系統(tǒng)設(shè)置定時投食更容易控制投食時間與投食量，促進(jìn)產(chǎn)量的提高。

二、主要設(shè)備與元器件說明

1、葉輪式增氧機(jī)

葉輪式增氧機(jī)主要由電動機(jī)、減速箱、水面葉輪及浮球組成，葉輪式增氧機(jī)采用機(jī)械方法增氧，通過電動機(jī)帶動水面葉輪旋轉(zhuǎn)來攪動水面、攪拌氣膜和液膜，增加氣、液的接觸面積，以擴(kuò)大氧在水中的濃度梯度，提升空氣中的氧向水中轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的速度。其基本功能如下：

（1）增氧。葉輪式增氧機(jī)的動力大、效率高，每千瓦/時最高可增氧1800克以上。池水在富氧情況下，可有效抑制養(yǎng)殖水產(chǎn)發(fā)生細(xì)菌性、病毒性疾病，對水產(chǎn)養(yǎng)殖增產(chǎn)增收意義重大。

（2）提水、攪拌。葉輪式增氧機(jī)可提升底層水，使其與表層水相互交替，從而起到向低層水增氧的效果，其增氧深度超過2米，適用于高產(chǎn)深水魚池。

（3）曝除有害氣體。葉輪式增氧機(jī)有強(qiáng)烈的曝氣功能，池水中的有害氣體如氨、硫化氫、甲烷、一氧化碳等均能有效曝除。

2、PH傳感器

PH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號的傳感器，通常由化學(xué)部分和信號傳輸部分構(gòu)成。PH傳感器常用來進(jìn)行對溶液、水等物質(zhì)的工業(yè)測量。在本系統(tǒng)中，PH傳感器主要用于對水質(zhì)酸堿度的實(shí)時監(jiān)測，防止因水質(zhì)污染導(dǎo)致的大量死亡的現(xiàn)象發(fā)生。

3、STC15F2K60S2單片機(jī)

由于本系統(tǒng)不僅需要將濕度傳感器及時鐘芯片的時間讀出來，在LCD12864液晶屏上顯示，并且需要將PH傳感器的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理。對控制電路要求具備一定容量的數(shù)據(jù)存儲及擁有AD轉(zhuǎn)換的通道。為了節(jié)省成本及減少硬件電路，本系統(tǒng)選用了宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2單片機(jī)，該款單片機(jī)內(nèi)置了60KB的Flash程序存儲器，2KB的Flash數(shù)據(jù)存儲器，256B基本RAM存儲器，可以很好的滿足本系統(tǒng)的程序存儲及運(yùn)行要求。具有14個中斷源兩個優(yōu)先級也能滿足系統(tǒng)要求。

4、SHT11數(shù)字溫濕度傳感器

SHT11傳感器是一款含有以校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它的數(shù)字模塊采集技術(shù)以及溫濕度傳感技術(shù)確保了SHT11傳感器的可靠性與穩(wěn)定性。其內(nèi)部含有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。因而SHT11具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高的優(yōu)點(diǎn)。SHT11低功耗，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。溫度測量范圍：-40～120℃，相對濕度測量范圍： 0～100%RH，濕度分辨率：3.0%RH，溫度分辨率：0.4℃。該傳感器具有集成化外接簡單的優(yōu)點(diǎn)，其中1和4號引腳為電源接口，2號引腳為串行數(shù)據(jù)接口，3號引腳為串行時鐘接口。5、 DS1320時鐘芯片

DS1302是一款美國DALLAS公司推出的涓流充電式的時鐘芯片，其片內(nèi)含有一個實(shí)時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器，可通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。是一款高性能，低功耗的時鐘芯片，可對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，并且具有閏年補(bǔ)償?shù)裙δ?。讀/寫時鐘或RAM數(shù)據(jù)時，可以選擇兩種傳送方式：單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送（字符組方式）。DS1302為8引腳雙排直插DIP封裝，其中

1和4引腳為主電源供電腳，8號引腳為備用電源接口。2和3號引腳為震蕩源接口，外接32768Hz晶振。5、6、7引腳分別為與單片機(jī)通信的復(fù)位、數(shù)據(jù)、時鐘引腳。

6、LCD12864液晶顯示屏

LCD1602液晶顯示器是目前廣泛使用的一種點(diǎn)陣圖型液晶顯示模塊。為了減少漢子取模占據(jù)的程序存儲器，本系統(tǒng)選用帶字庫12864點(diǎn)陣圖型液晶模塊。該模塊內(nèi)部采用ST7920控制器，內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)陣漢字和128個16*8點(diǎn)陣ASCII字符，可以采用并行或串行方式與單片機(jī)接口，使用方便靈活。

三、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

要想有一個穩(wěn)定高效的系統(tǒng)，可靠的硬件電路設(shè)計是必不可少的。本系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下幾部分：電源供電部分、濕度采集部分、時鐘電路部分、按鍵控制部分、液晶顯示部分、投食機(jī)驅(qū)動及增氧機(jī)驅(qū)動電路部分。具體的結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

1、控制電路電源設(shè)計

由于控制電路核心部分主要為直流5伏供電，雖然目前市場上有很多物美價廉的電源轉(zhuǎn)換模塊，能夠取代由獨(dú)立元器件組成的電源轉(zhuǎn)換電路，但是考慮到電路的整體化，并且組成電路也比較簡單，所以本系統(tǒng)將采用獨(dú)立元器件與控制電路設(shè)計在一起。具體電路原理圖如下圖2所示。

2、DS1302時鐘電路

DS1302時鐘電路主要為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)實(shí)時時間，用于投食機(jī)的精準(zhǔn)定時投食。由于DS1302芯片可以使用副電源供電，能夠保證在系統(tǒng)停電或系統(tǒng)故障時時間的準(zhǔn)確性。具體的電路原理圖如下圖3所示。使用中注意的是2和3引腳需要接一個32.768KHz的晶振，給DS1302提供一個基準(zhǔn)，并且要求這個晶振的引腳負(fù)載電容必須是6pF，否則將有可能導(dǎo)致時間誤差加大。用于讀寫時間的5、6、7引腳與單片機(jī)連接時需要加上拉電阻，提高IO口的驅(qū)動能力，使信號更加穩(wěn)定，計時也比較準(zhǔn)確。

四、軟件部分設(shè)計

正確的硬件是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的前提，但是系統(tǒng)能否按要求靈敏的運(yùn)行主要取決于軟件部分，所以一個精簡高效的軟件設(shè)計才能讓系統(tǒng)工作得更穩(wěn)定長久。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，主要包含時鐘初值設(shè)定，液晶屏的初始化顯示，定時器與中斷初始化設(shè)置及IO口配置。接著進(jìn)行工作模式（可通過按鍵設(shè)置）判斷，在手動模式時各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動與停止主要由按鍵來控制，自動模式時執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作將根據(jù)定時設(shè)置與傳感器采集的信號進(jìn)行綜合控制。部分主程序流程圖如下圖4所示。

五、結(jié)束語

本文介紹了將水產(chǎn)養(yǎng)殖中常規(guī)的人力勞動進(jìn)行自動化改造，系統(tǒng)主要以檢測水環(huán)境和采用時鐘芯片產(chǎn)生的精準(zhǔn)時間，通過單片機(jī)自動控制投食機(jī)和增氧機(jī)等設(shè)備的智能化運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、凈化養(yǎng)殖環(huán)境的目的。用戶可以根據(jù)不同情況的需要增加或減少傳感器，也可以根據(jù)養(yǎng)殖品種調(diào)整工作參數(shù)和模式。同時可以在該系統(tǒng)上擴(kuò)充GPRS模塊，通過遠(yuǎn)程終端進(jìn)行監(jiān)控和控制。

參考文獻(xiàn)：

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[2]徐愛均：《STC15增強(qiáng)型8051單片機(jī)C語言編程與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社，2014年第一版。