楊海軍

(洛陽理工學(xué)院,河南 洛陽 471023)

氧氣是生物賴以生存的根本，水產(chǎn)養(yǎng)殖更是對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)殖者對水體溶氧度的判斷主要是依靠經(jīng)驗，即通過陽光、氣溫、氣壓，以及魚有無浮頭等現(xiàn)象，判定水體溶氧度的高低，是否開啟、停止增氧機。這些方法比較原始，甚至造成資源浪費，而且不能保證魚類產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。基于這種現(xiàn)狀的分析和研究，設(shè)計了一種基于AVR單片機的魚塘溶氧度檢測及控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由ATMEGA16單片機、信號采集電路、驅(qū)動電路、鍵盤輸入及顯示電路、聲光報警電路和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

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

2 硬件電路設(shè)計

（1）信號采集電路。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，可實現(xiàn)水中含氧量和溫度等多個參數(shù)的多路數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。為防止輸出電壓過大損壞A/D通道，進行A/D轉(zhuǎn)換前應(yīng)加限幅保護電路，使其輸出電壓在0～5V。信號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 信號采集電路

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

在陽極（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，通過測定此電流就可以得到溶解氧（DO）的濃度。溶氧度檢測電極引線長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。溫度檢測使用DS18B20。DS18B20在與ATMEGA16連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通訊，測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。系統(tǒng)將其作為單獨模塊引出，可以放在合適的位置，減少了局部溫度過高或者過低造成的不確定因素。

（4）主電源檢測。主電源采用220V轉(zhuǎn)5V電源，與增氧機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，固態(tài)繼電器使備用電源不工作；當(dāng)主電源斷電時，固態(tài)繼電器復(fù)位，備用電源工作。單片機檢測到備用電源工作信號，通過GSM發(fā)送信息報警。

（5）設(shè)定模塊與顯示模塊。設(shè)定模塊由3個按鍵組成，用來設(shè)定溫度及溶氧度的警戒值，顯示模塊是顯示實時溶氧度、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，內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了192個5×7點陣字符，32個5×10點陣字符。TC1602EL液晶顯示模塊和ATMEGA16單片機連接電路如圖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引腳用來檢測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，接口簡便，可以通過UART直接與ATmega16通信。GSM短信報警模塊，可以即時將報警信息發(fā)送到指定手機號中，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臺階。

（7）增氧機、發(fā)電機控制部分。增氧機和發(fā)電機分別由一個220V/10A繼電器控制，電機的電源線分別接在對應(yīng)的繼電器的常開出點上。當(dāng)需要增氧機或者發(fā)電機工作時，繼電器響應(yīng)控制信號，相應(yīng)的電機開始工作實現(xiàn)自動控制。

3 程序設(shè)計

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

圖4 程序流程圖

4 結(jié)語

文章介紹的自動檢測控制系統(tǒng)，實時檢測魚塘水體的溶氧度和溫度，實時處理水中含氧量變化的突發(fā)狀況，有效解決自動控制在漁業(yè)的應(yīng)用，減輕漁業(yè)生產(chǎn)的工作強度。

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