自動增氧機課程設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　題目：魚塘自動增氧器 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 摘要 ………………………………………………… 1二 緒論 …………………………………………………… 2 </p><p>　　三 整體設計思路 ……………………

2、………………… 3</p><p>　　3.1 課題采用的主要方案及核心技術…………………… 3</p><p>　　3.2 課題目標 ………………………………………………3</p><p>　　3.3 系統(tǒng)整體結構示意圖 ……………………………… 4</p><p>　　四 系統(tǒng)的硬件設計 …………………………………… 4<

3、;/p><p>　　4.1 總體結構 ………………………………………………4</p><p>　　4.2 信號采集電路………………………………………… 5</p><p>　　4.3 單片機控制電路……………………………………… 5</p><p>　　4.4 增氧機控制電路……………………………………… 7</p><p&g

4、t;　　4.5 鍵盤輸入、顯示及報警電路………………………… 7</p><p>　　五 系統(tǒng)軟件設計………………………………………… 8</p><p>　　5.1總程序結構設計…………………………………………8</p><p>　　5.2 濾波設計……………………………………………… 9</p><p>　　5.3 報警設計…………………

5、…………………………… 9</p><p>　　六 結論及改進思路………………………………………10</p><p>　　七 參考文獻 …………………………………………… 11</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖技術的自動化水平以及魚類產(chǎn)品飼養(yǎng)的數(shù)量和質量,通過分析和研究國內

6、外魚塘增氧機自動控制的實現(xiàn)方法，在對現(xiàn)有增氧方法的優(yōu)劣景象對比下，設計了自動增氧機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由AT89C51單片機作為控制電路的核心部件，氧氣傳感器和溫度傳感器去監(jiān)測環(huán)境中的數(shù)據(jù)，把適時改變的信號通過模數(shù)轉換器ADC0809轉換成數(shù)字信號，再經(jīng)過信號放大電路兩次放大信號，信號的改變信息送到單片機中，根據(jù)事先編寫好的程序和設置氧氣濃度和溫度的上下限，發(fā)出控制信號來控制增氧機的電機工作。還有增氧機工作狀態(tài)檢測電路能時刻監(jiān)察系統(tǒng)中各部件

7、的工作狀態(tài)，在異常時啟動聲光報警電路，停止電機的工作并發(fā)出聲光報警信號，提示工作人員進行人工操作和檢修。該系統(tǒng)具有實用性，能很好的為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造經(jīng)濟效益，減輕漁民的工作量，提高工作效率。</p><p>　　它可以通過鍵盤操作實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集、顯示及控制等功能, 系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫, 在軟件設計中, 采用了數(shù)字技術消除干擾,提高了抗干擾能力。該控制器具有操作方便、準確、體積小、經(jīng)濟、抗干擾能力強的特點。<

8、;/p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　水是魚類生活的環(huán)境，而水中溶解氧又是魚類賴以生存的最基本的必要條件之一。池水中溶解氧主要來源于水生植物的光合作用，部分溶解氧來自空氣中的氧向水表層的擴散和溶解。而池水中耗氧除了魚蝦等之外，底居生物、飼料殘渣的腐蝕分解、魚蝦等的排泄物、淤泥和有機質等沉積物的氧化分解都要消耗大量的溶解氧，所以控制魚池中的含氧量對魚

9、蝦的生長是非常重要的。水中含氧量主要與自然溫度、濕度和魚的密度等因素有關。魚對水中的含氧量非常敏感，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式一般是根據(jù)經(jīng)驗觀察魚的浮頭情況，來判斷水中是否缺氧。為了防止泛塘的發(fā)生，漁民需花費大量時間、精力觀察魚塘情況。此種方式存在的事后控制、增氧不及時或過度增氧、費時、勞動強度大等缺點，在一定程度上影響了魚類的生長，增加了養(yǎng)殖成本。</p><p>　　現(xiàn)在國內外實現(xiàn)了魚塘增氧機的自動控制，主要有兩種方式：

10、一是控制增氧機運行時間的自動控制電路，它是一種經(jīng)濟、方便、實用的時間控制器，對增氧機開關時間實行自動控制，即每到夜間或陰雨天氣，自動開啟增氧機，每次開機后的持續(xù)時間可在15分鐘、半小時、1小時或2小時等4個時間中任意選擇；二是采用編碼解碼無線收發(fā)組件進行信號的傳輸，將采集的信號進行一定的處理，去控制增氧機的開啟，能達到自動控制增氧機啟停的目的。然而，這兩種控制方式各有其利弊：方式一未能實現(xiàn)對魚塘含氧量的全天候監(jiān)控，增氧效果不是很好，而且

11、有很大的能源浪費；方式二雖能實現(xiàn)對魚塘含氧量的全天候監(jiān)控，但其控制系統(tǒng)復雜，可靠性不是很高。如果采用單片機作控制系統(tǒng)，通過對水溫和容氧含量的檢測，根據(jù)溫度的變化自動設定水中需要含氧量的閥值，并根據(jù)閥值啟閉增氧機，可以達到經(jīng)濟、實用的目的，而且適應性較強。</p><p><b>　　三、整體設計思路</b></p><p>　　3.1 課題采用的主要方案及核心技術：&

12、lt;/p><p>　　增氧控制器是一種隨時檢測水中溶解氧并根據(jù)氧氣濃度自動控制增氧機的裝置。它采用極譜型復膜氧電極作為溶氧傳感器, 溶氧傳感器和溫度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)。ADC0809將信號轉換成數(shù)字信號。鍵盤輸入控制條件參數(shù)，以AT89C51單片機作為檢測和控制核心, 采用可控硅光電耦合器控制增氧機和報警等電路。</p><p>　　3.2 課題目標：</p><p&g

13、t;　　可以通過對魚塘中溫度和溶氧量的實時監(jiān)測，根據(jù)預定的標準對魚塘進行供養(yǎng)，以保證魚種的正常快速生長！可提高養(yǎng)魚業(yè)的效率、省時省力！</p><p>　　3.3 系統(tǒng)整體結構示意圖： </p><p>　　圖 1 系統(tǒng)結構示意圖</p><p><b>　　系統(tǒng)的硬件設計</b></p><p><b>

14、;　　4.1 總體結構</b></p><p>　　自動增氧控制系統(tǒng)由單片機控制電路、信號處理電路、控制電路、鍵盤輸入及顯示電路、聲光報警電路和增氧機工作狀態(tài)檢測電路等部分組成, 系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2。</p><p>　　圖 2 系統(tǒng)硬件電路框圖</p><p>　　4.2 信號采集電路</p><p>　　信號采集電路由溶

15、氧傳感器、溫度傳感器和A /D轉換器組成。氧探頭和溫度探頭轉換的信號較弱, 進行A /D 轉換前先用放大器進行放大處理。利用ADC0809轉換器8通道可實現(xiàn)水中溶解氧和溫度等多個參數(shù)的多路信號采集和轉換。為防止輸出電壓過大損害A /D 轉換器, 進行模數(shù)轉換前應加限幅保護電路, 使其輸出電壓在0—5V。</p><p>　　4.3 單片機控制電路</p><p>　　由于采集到的信號是連續(xù)

16、變化的模擬量, 不能被單片機直接處理, 所以, 必須把這些模擬量轉換成數(shù)字量后才能夠輸入到單片機中進行處理,這里選用了經(jīng)濟實用的ADC0809來完成模數(shù)轉換。ADC0809與AT89C51的連接如圖3。</p><p>　　圖 3 AT89C51與ADC0809的連接圖</p><p>　　雖然本設計中只用了通道IN0 和IN1, 但是為了方便以后的擴展, 地址選擇線ABC 接到了地址總

17、線的低3 位。ADC0809片內具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器, 可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連, 這里將它的數(shù)據(jù)輸出口直接與單片機的數(shù)據(jù)總線?P0口相連, AT89C51的P0口作為數(shù)據(jù)總線, 又作為低8位地址總線。ADC0809 的片內沒有時鐘信號必須由外部提供, 這里利用AT89C51提供的地址鎖存允許信號ALE 經(jīng)計數(shù)器74LS163 構成的4分頻器分頻獲得。ALE 引腳的頻率是單片機時鐘頻率的1 /6, 單片機的時鐘頻率為12MHz,

18、則ALE 引腳頻率約為2MHz, 再經(jīng)4 分頻后為500kH z, 所以ADC0809能可靠工作。</p><p>　　如圖3 所示, 放大后的電壓信號送入ADC0809的模擬輸入通道進行A /D 轉換。將P2. 7 ( 地址總線的A15 ) 作為片選信號, 由AT89C51的寫信號WR 和P2. 7控制ADC0809的地址鎖存ALE 和轉換啟動START, 當ADC0809的START啟動信號輸入端為高電平時,

19、 A /D開始轉換, 在時鐘的控制下, 一位一位地逼近, 比較器一次次進行比較, 轉換結束時, 送出轉換結束信號EOC (低到高) , 并將8位數(shù)字量D7~ D0鎖存到輸出緩存器。AT89C51的讀信號RD 端發(fā)出一個輸出允許命令輸入到ADC0809 的ENABLE (即OE)端, ENABLE (OE)端呈高電位, 用以打開三態(tài)輸出鎖存器, AT89C51從ADC0809讀取相應電壓數(shù)字量, 然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。</p>

20、<p>　　4.4 增氧機控制電路</p><p>　　增氧機控制電路主要有光電耦合器和可控硅組成。單片機發(fā)出控制信號, 經(jīng)驅動器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當光電耦合器工作后, 使得可控硅的觸發(fā)極處于高電平, 可控硅處于導通狀態(tài), 進而控制增氧機工作。而使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統(tǒng)的影響, 增強了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　4.5 鍵盤輸入、顯示及報警電

21、路</p><p>　　鍵盤由復位鍵、模式鍵、加一鍵和移位鍵組成。當系統(tǒng)進入死機狀態(tài)時, 通過復位鍵使系統(tǒng)工作。通過模式鍵、加一鍵和移位鍵的組合可設定溶解氧和溫度的上下限, 控制增氧機的開停及聲光報警電路的工作與否。當信號采集電路采集到的溶解氧大于設定值上限時, 系統(tǒng)則停止增氧機工作; 反之, 則開啟增氧機工作。當溫度信號高于設定值上限或低于設定值下限時, 系統(tǒng)則啟動聲光報警電路。一旦發(fā)現(xiàn)水中溶解氧和溫度不正常時

22、, 則由單片機I /O 口的P1. 0控制發(fā)光二極管進行光報警。同時, P1. 6還觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報警提醒檢測人員注意。</p><p>　　顯示電路采用16 * 2 字符型點陣式LCD 顯示器, 用于顯示控制器采集到的溶氧量和溫度值,以及溶氧量和溫度的上下限設定值。利用單片機P1口作為液晶顯示器數(shù)據(jù)輸入端口。輸入的數(shù)據(jù)為ASCII碼, 顯示模塊自帶驅動電路, 可直接與單片機相連。</p>&l

23、t;p><b>　　系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　5. 1 總程序結構設計</p><p>　　整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、自檢程序、通信程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序、報警控制程序及鍵盤顯示程序等若干個子程序。軟件采用匯編語言編寫, 并采用模塊化設計, 使程序結構清晰, 便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。軟件結構如圖4。</p&g

24、t;<p>　　圖 4 程序結構 </p><p>　　主程序初始化以后置位AT89C51 的中斷EA, 使CPU 開放中斷, 并啟動ADC0809對IN0和IN1通道的模擬輸入量進行A /D 轉換。在電路設計中, ADC0809與AT89C51是采用中斷方式連接的, 所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務程序中完成的。當AT89C51響應中斷請求后,調用中斷服務程序, 中斷服務程序進行

25、壓棧, 保護現(xiàn)場, 讀取來自ADC0809數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量, 并將數(shù)字量儲存到單片機RAM 中, 然后啟動ADC0809的下一次轉換。</p><p>　　在檢測過程中, 將A /D轉換器采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)軟件濾波后存入內部RAM 以70H 為首址的數(shù)據(jù)存儲器中, 然后將此數(shù)據(jù)Ux分別和基準電壓U0、U1進行比較。而后再通過判據(jù)算法, 以確定是否控制增氧機的工作及報警。</p><p

26、><b>　　5. 2 濾波設計</b></p><p>　　設計一個采樣周期, 對通道0連續(xù)采樣6次,然后去掉最大和最小值, 把剩余的累加和求算術平均值作為本周期采樣值。存入內部RAM 以30H 為首址的數(shù)據(jù)存儲器中。其中, R2寄存器存放最大值, R3寄存器存放最小值, R4寄存器存放累加和, R0存放連續(xù)采樣次數(shù)。</p><p><b>　　5

27、. 3 報警設計</b></p><p>　　本設計采用的是全軟件報警程序。采樣參數(shù)經(jīng)濾波處理后的值存在70H 寄存器中。上、下限報警值以及上、下限復位值分別存在50H 為首地址的寄存器中。報警標志單元為內部RAM20H,其中02H 為上限報警標志位, 03H 為下限報警標志位。若上、下限報警標志位置位, 則P1. 0 和P1. 6輸出高電平, 進行聲光報警。</p><p>

28、<b>　　結論及改進思路</b></p><p>　　基于單片機控制的自動增氧控制器充分發(fā)揮了單片機的控制運算及數(shù)據(jù)處理等功能, 在樣機測試表明: 該控制器不僅操作方便、準確、抗干擾能力強、良好的可靠性, 并且節(jié)能效益明顯, 具有重要的實用價值與經(jīng)濟效益。</p><p>　　根據(jù)實際的應用情況 ，該裝置有兩個可供改進的思路。第一：該裝置僅適合單個魚塘的監(jiān)控和溶氧補

29、給，那么如果對于養(yǎng)殖大戶來說通常會有對各魚塘，這樣相應就需要多個這種裝置，所以可以考慮應用串行通信總線來實現(xiàn)多個魚塘的聯(lián)控，這樣可以提高經(jīng)濟的效益；第二：魚類的生長不僅和水中的溶氧量有關，水的質量也決定著魚類的生長狀況，所以可以考慮增加一些生物化學傳感器，來檢測水中細菌或某些化學物質的含量，從而監(jiān)測水質的受污染程度，可以適時的向水中噴入臭氧或其他殺毒劑來進行消毒殺菌，從而確保魚類的健康生長！減少不必要的損失！提高經(jīng)濟效益！</p&

30、gt;<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[ 1] 向婉成. 控制儀表與裝置[M ]. 北京: 機械工業(yè)出版社. 1999.</p><p>　　[ 2] 康華光. 電子技術基礎? 模擬部分(第四版) [M ] . 北京: 高等教育出版社, 1999.</p><p>　　[ 3] 范立南, 李雪飛, 伊授遠

31、. 單片微型計算機控制系統(tǒng)設計[M ]. 北京: 人民郵電出版社, 2004.</p><p>　　[ 4] 李鳴華. AT89C2051在語音合成中的應用[ J]. 計算機與現(xiàn)代化, 2005( 5 ).</p><p>　　[ 5] 鐘立. 一種基于單片機控制的智能型應變儀設計[ J ]. 自動化技術與應用, 2006.</p><p>　　[ 6] 羅建學.