魚塘溶氧度自適應控制系統設計

楊海軍

(洛陽理工學院,河南 洛陽 471023)

氧氣是生物賴以生存的根本，水產養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殖生產成功的必備條件。目前大部分養殖者對水體溶氧度的判斷主要是依靠經驗，即通過陽光、氣溫、氣壓，以及魚有無浮頭等現象，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品的產量和質量?；谶@種現狀的分析和研究，設計了一種基于AVR單片機的魚塘溶氧度檢測及控制系統。

1 系統構成

系統由ATMEGA16單片機、信號采集電路、驅動電路、鍵盤輸入及顯示電路、聲光報警電路和GSM模塊等部分組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構框圖

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；當增氧機主電源斷電時，啟動發電機供電，并由GSM發送短信息報警；當溫度檢測值大于設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發送短信息報警。

2 硬件電路設計

（1）信號采集電路。ATMEGA16具有8路10位ADC，32路I/O端口，由于其自身已經集成8路A/D轉換通道，可實現水中含氧量和溫度等多個參數的多路數據采集和轉換。為防止輸出電壓過大損壞A/D通道，進行A/D轉換前應加限幅保護電路，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。系統采用電流測定法測量溶氧度，它是根據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）上發生還原反應：

在陽極（負極），如銀-氯化銀電極上發生氧化反應：

（1）式和（2）式產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的準確性。

（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雙向通訊，測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。系統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。使用固態繼電器作為電源切換的核心器件，當主電源供電時，固態繼電器使備用電源不工作；當主電源斷電時，固態繼電器復位，備用電源工作。單片機檢測到備用電源工作信號，通過GSM發送信息報警。

（5）設定模塊與顯示模塊。設定模塊由3個按鍵組成，用來設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，設定模塊和顯示模塊可以清楚的顯示即時狀態，更加方便生產者的操作。1602顯示模塊采用的是TC1602EL字符型液晶模塊(帶背光)，內帶標準字庫，內部的字符發生存儲器（CGROM）已經存儲了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模塊支持標準的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送到指定手機號中，生產者不必全天值守，使系統的安全和可靠性更上一個臺階。

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

3 程序設計

ATmega16 MCU在上電以后會不斷檢測溶氧度、溫度、主電源及設定模塊，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，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 結語

文章介紹的自動檢測控制系統，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狀況，有效解決自動控制在漁業的應用，減輕漁業生產的工作強度。

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