基于STC89C54 的海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

周博昊 王志鵬 高 寧 劉子廷 王素芹*

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院，江蘇 連云港222005）

1 概述

在海水養(yǎng)殖的過程中，為了保證養(yǎng)殖環(huán)境的適宜，及時調(diào)整水質(zhì)，需要每天對溫度、酸堿度、濁度等參數(shù)進行多次測量[1]。隨著傳感器技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的養(yǎng)殖用戶選用自動監(jiān)測系統(tǒng)，但由于造價昂貴，大部分用戶選擇相對廉價的人力測量。結(jié)合目前離線式實驗室檢測存在的測試周期長，數(shù)據(jù)反饋速度慢等問題[2]，本文設(shè)計了基于STC89C54 的海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，以提高海水養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)方案選擇

2.1 設(shè)計構(gòu)想

采用STC89C54 單片機作為本系統(tǒng)的核心控制芯片，通過系統(tǒng)中放置的環(huán)境傳感器采集養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器送入到核心單片機處理，處理后的數(shù)據(jù)單片機會發(fā)送到液晶屏實時刷新顯示，也會通過串口通訊技術(shù)與手機藍牙連接。在數(shù)據(jù)顯示界面用戶可以清楚的看到養(yǎng)殖環(huán)境實時參數(shù)的變化。用戶可在軟件中修改某一參數(shù)的警報閾值，系統(tǒng)將在軟件程序燒錄成功后對超出閾值的參數(shù)發(fā)出警報，在液晶屏和手機終端顯示警報內(nèi)容。

2.2 硬件選擇

選用STC89C54 單片機作為核心控制芯片，采用E-201-C型PH 復(fù)合電極作為PH 傳感器（輸出電壓0～840mV），內(nèi)阻一般為幾十MΩ 到幾百MΩ。DS18B20 溫度傳感器、TSW-30 濁度傳感器和TDS（總?cè)芙夤腆w）傳感器采集養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，除溫度數(shù)據(jù)直接由I2C 串行總線技術(shù)送往單片機外，其他參數(shù)的數(shù)據(jù)先經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器PCF8591 進行A/D 轉(zhuǎn)換后，再通過I2C 串行總線技術(shù)送到單片機，進行協(xié)調(diào)處理。處理后的數(shù)據(jù)將顯示在LCD 液晶屏，同時利用串口技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機終端，方便用戶查看了解養(yǎng)殖環(huán)境變化。

STC89C54 通過PH 傳感器采集水中酸堿度的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前環(huán)境中酸堿度是否處于養(yǎng)殖要求的范圍。通過溫度傳感器、濁度傳感器、TDS 傳感器采集溫度、濁度、TDS 值，判斷這些參數(shù)是否超出預(yù)設(shè)的危險值，并進行實時監(jiān)測和報警。

系統(tǒng)將不停的刷新實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在獲取數(shù)據(jù)的第一時間對數(shù)據(jù)進行與危險值的比對，若有超出閾值的參數(shù)，則及時報警。

3 海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、單片機運算與控制模塊、通知與顯示模塊。整體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

3.2 系統(tǒng)的程序流程設(shè)計

如圖2 所示，系統(tǒng)在上電初始化后，將不間斷的采集養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)，送往單片機進行發(fā)送顯示和判斷，單片機處于不停接收、判斷、發(fā)送的工作狀態(tài)，手機終端也將收到實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化。

圖2 系統(tǒng)程序流程設(shè)計圖

4 系統(tǒng)功能

4.1 環(huán)境監(jiān)測功能

通過PH 傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器、TDS 傳感器實時采集養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)，每個傳感器都有對應(yīng)的外圍電路，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過A/D 轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機。濁度傳感器內(nèi)對立放置了紅外發(fā)射二極管和光敏二極管，當(dāng)水中污物或是雜質(zhì)增加時，穿過水體入射到光敏二極管的光線將減少，得以實時采集水體濁度數(shù)據(jù)。PH 傳感器負(fù)責(zé)采集水中酸堿度數(shù)據(jù)，溫度傳感器以DS18B20 為傳感器芯片，加以不銹鋼封裝，可適于水下監(jiān)測。TDS 傳感器采集溶解性固體總量數(shù)據(jù)。

為了減少單片機的運算負(fù)擔(dān)，加入PCF8591 作為A/D 轉(zhuǎn)換器，從而減少了單片機的運算量，提高了單片機的工作效率，保證了顯示實時數(shù)據(jù)的精度。

4.2 通知與顯示功能

數(shù)據(jù)采集模塊的所得到的溫度、TDS、濁度、酸堿度數(shù)據(jù)可以實時顯示到系統(tǒng)的液晶顯示屏上，方便用戶及時查看。系統(tǒng)藍牙當(dāng)用戶離開顯示屏，在養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)進行巡查時,同樣可以通過手機查看上述數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到某一參數(shù)或多個參數(shù)超出用戶預(yù)設(shè)的危險值時，系統(tǒng)會自動報警，提示用戶養(yǎng)殖環(huán)境的具體參數(shù)異常。

5 改進與提升

在海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，因降低成本只實現(xiàn)了對溫度、濁度、TDS、酸堿度的測量，后續(xù)可以加入鹽度、溶解氧、氨氮含量的數(shù)據(jù)采集。同時，替換性能更好的核心控制芯片還可以使系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)，提高便利性，對養(yǎng)殖環(huán)境的增氧、投料等功能也是需要進一步考慮的[3]。