李 珍

LI Zhen

（天津職業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，天津 300402）

0 引言

在淡水養(yǎng)殖中，飼料的投放、疾病防治、水溫、水中溶解氧濃度的檢測與控制對提高養(yǎng)殖產(chǎn)量與質(zhì)量都非常重要。由于水中的溶解氧濃度受水溫的影響,加氧不及時(shí)而造成養(yǎng)殖損失的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1]。因此，溶解氧濃度的數(shù)據(jù)采集和處理成為提高養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量的關(guān)鍵。但由于監(jiān)測范圍廣，采樣點(diǎn)分散，難于實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)了基于單片機(jī)和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM（Global System for Mobile Communication）的無線遙控淡水養(yǎng)殖溶氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)。利用單片機(jī)進(jìn)行智能監(jiān)測與控制，利用GSM網(wǎng)絡(luò)的良好覆蓋功能和穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通道，實(shí)時(shí)檢測多個(gè)單片機(jī)自動(dòng)檢測點(diǎn)確保溶氧濃度監(jiān)控參數(shù)準(zhǔn)確及時(shí)的進(jìn)行傳送。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

首先，溶解氧濃度傳感器將水中溶解的氧氣濃度值轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換放大成電壓信號后，送至C8051F020單片機(jī)處理。單片機(jī)還將同時(shí)采集環(huán)境溫度和大氣壓力，對當(dāng)時(shí)溶氧值的溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償[2]，獲得準(zhǔn)確的溶氧值。 當(dāng)水中溶氧值不滿足設(shè)定要求時(shí)，單片機(jī)以短消息的形式通知管理者并同時(shí)開啟氣泵,向水中輸入氧氣，直到溶氧值滿足要求為止。管理者還可現(xiàn)場設(shè)定溶氧值的大小，單片機(jī)可把溶氧值、溫度和壓力等參數(shù)通過GSM短消息模塊T35發(fā)送到控制中心PC機(jī)?？刂浦行囊部蓪⒐芾砣藛T的控制命令、參數(shù)設(shè)定等按照短消息格式傳送到下位機(jī)的GSM短消息模塊T35，C8051F020單片機(jī)獲得相應(yīng)的控制命令和設(shè)定參數(shù)后，進(jìn)行相應(yīng)的程序處理。控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 水中溶解氧濃度檢測及補(bǔ)償

水中溶解氧的濃度測量使用原電池型氧傳感器。該傳感器使用覆膜酸性膠體電解質(zhì)原電池式氧傳感器實(shí)現(xiàn)水中溶氧(DO) 濃度的測量。傳感器的兩個(gè)金屬電極密封在充有電解質(zhì)的容器內(nèi)，用選擇滲透性薄膜將小室封閉住，只有水中的氧氣可滲透該薄膜。因原電池作用或在電極上外加電壓使電極間產(chǎn)生電位差，該電位差使電池中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成電流。傳感器輸出電流大小與水中的溶解氧濃度成正比，因此可通過測量傳感器的輸出電流來測量水中的溶氧濃度。覆膜式氧傳感器的輸出電流與水中溶氧濃度關(guān)系[3]：

圖1 溶氧監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

式中：n 為反應(yīng)電子數(shù)；F 為法拉第常數(shù)；A 為陰極表面積；D為氧擴(kuò)散系數(shù)；L 為透氣膜外表至陰極表面的距離；c 為溶氧濃度。

當(dāng)電池的材料和結(jié)構(gòu)確定時(shí)，在一定溫度下,(1) 式可簡化為：

即電流與溶氧濃度成正比，為線性元件。式中，c為溶氧濃度；k為傳感器系數(shù)。

由于滲透膜的滲透性明顯地隨水溫變化,所以必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。測溫電路采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器LM35，溫度傳感器輸出信號經(jīng)后級放大與變換,轉(zhuǎn)換為電壓信號后送入單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)溫度值變化對溶氧值進(jìn)行補(bǔ)償。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 C8051F020單片機(jī)

溶解氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)信號處理使用C8051F020單片機(jī)。Cygnal C8051F020單片機(jī)與8051指令完全兼容，它在片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)和其他功能部件，它們包括：12 位多通道ADC、可編程增益放大器、12 位DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C 、2個(gè)全雙工UART、多級中斷源、可編程計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)陣列(PCA) 、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器以及電源監(jiān)視器等，256字節(jié)+4KB 內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器、64KB FlashROM，執(zhí)行速度可達(dá)25MIPS[4]。單片機(jī)多路12位A/D轉(zhuǎn)換器可以直接與監(jiān)控系統(tǒng)傳感器模擬信號相連，它自帶的存儲容量64KB的FlashROM和4KB RAM，完全能夠滿足本系統(tǒng)的需要，不必再擴(kuò)展外部存儲器。

3.2 TC35模塊及其接口電路

TC35模塊是德國西門子公司推出的40個(gè)引腳無線通信GSM調(diào)制解調(diào)器。TC35模塊的引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、語音接口和控制[5]。

SIM卡包含了所有的用戶數(shù)據(jù)（用戶識別信息，輔助業(yè)務(wù)信息、短信息、移動(dòng)信息和無線電資源信息等）只有插入SIM卡，移動(dòng)終端才能接入網(wǎng)絡(luò)。TC35使用外接式SIM卡，ZIF連接器上有6個(gè)引腳作為SIM卡的接口。

TC35模塊提供的是RS232 數(shù)據(jù)口,因此單片機(jī)對TC35 模塊的控制和通信信號要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)與TC35及電平轉(zhuǎn)換接口電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與TC35及電平轉(zhuǎn)換接口電路

3.3 按鍵及顯示器

通過單片機(jī)P 1口連接了“測量”“設(shè)定”“校正”“清洗”等功能鍵和數(shù)字鍵，使溶氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)能測量和設(shè)定溶氧值外，還具有大氣壓力校準(zhǔn)和定時(shí)清洗溶氧傳感器探頭功能。由于氧的溶解度和大氣壓力有關(guān)，管理者需通過鍵盤輸入當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?，由軟件完成大氣壓力的校?zhǔn)。系統(tǒng)通過控制氣泵開關(guān)，用氣流吹掉溶氧傳感器探頭上的附著物,實(shí)現(xiàn)探頭的定時(shí)自動(dòng)清洗[6]，管理者可以對沖洗間隔和沖洗時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。

通過單片機(jī)P3口連接液晶顯示器，用來顯示測量值和設(shè)定值。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括單片機(jī)程序和PC機(jī)程序。

4.1 單片機(jī)控制程序

單片機(jī)需完成與PC機(jī)定時(shí)通訊、按鍵功能處理、定時(shí)采集與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示與現(xiàn)場處理、短信提醒、接收和處理控制中心的命令等功能，單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

當(dāng)按鍵處于測量檔時(shí)，單片機(jī)間隔一定的時(shí)間，采集水中溶解氧濃度、溫度和大氣壓力，補(bǔ)償后獲得準(zhǔn)確的溶氧值，并與設(shè)定水中溶氧值比較，不滿足要求時(shí)以短消息通知相關(guān)管理者和控制中心PC機(jī)，同時(shí)打開氣泵，向水中輸入氧氣，直到溶氧值滿足要求或接到控制命令為止。單片機(jī)還將定時(shí)與中心PC機(jī)通信，傳送溫度、壓力、溶氧值等消息。

圖3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 短消息處理

當(dāng)水中溶解氧濃度與設(shè)定值不符時(shí)，單片機(jī)以短消息通知相關(guān)管理者和控制中心PC機(jī)。單片機(jī)通過向TC35寫入不同的AT指令完成多種功能，如網(wǎng)絡(luò)登錄、讀取SIM卡號碼、接收和發(fā)送SMS消息等。初始化包括設(shè)置串口波特率、短消息的控制、采用PDU模式等。常用的AT指令包括[7]：

AT +CSCA 設(shè)置消息中心地址

AT +CMGS 發(fā)送短消息

AT +CMGR 讀取短消息

AT +CMGD 刪除短消息

AT +CMGL 短消息列表

AT +CNMI 顯示新收到的短消息

發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)是以十六進(jìn)制形式表示，傳送時(shí)將其轉(zhuǎn)換成ASCII碼。

4.3 控制中心

控制中心隨時(shí)獲得從站的溶氧值、溫度等參數(shù)，VB 編寫的管理程序完成顯示、報(bào)警及分析處理等。也可將管理者的控制命令包括從站的選擇、采集時(shí)間間隔、探頭清洗時(shí)間、補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定等信息參數(shù)按照短消息格式傳送到下位機(jī)的GSM短消息模塊T35，C8051F020單片機(jī)獲得相應(yīng)的控制命令和設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的處理程序，還可進(jìn)行儲存數(shù)據(jù)、打印報(bào)表等操作。

5 結(jié)束語

基于單片機(jī)和短消息的淡水養(yǎng)殖溶氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程無線遙控?cái)?shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)裙δ埽捎贕SM網(wǎng)絡(luò)的良好覆蓋功能和穩(wěn)定可靠的性能，使這個(gè)系統(tǒng)安全、方便，價(jià)格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考資料：

[1] 鄭勁松.淺水池塘高產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,30.

[2] 秦文正,吳亞英.高精度數(shù)字式溶氧儀[J].分析儀器,1998,1.

[3] 侯加林,王會(huì)明,聶宜茂. 智能型溶解氧分析儀的研制[J].電子與自動(dòng)化,1998,4.

[4] 潘琢金.C8051F高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[5] 郭紅霞,潘斌,王章瑞.CygnalF020控制TC35的無線終端的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2004,4.

[6] 王玉田,劉蕊,侯培國.一種新型溶解氧濃度測量儀的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2003,9.

[7] 譚寶成,王鵬.基于SMS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002,10.