水產養殖系統自動化控制改造

馮推順

摘要：海南作為一個以旅游與綠色產業為主的經濟特區，隨著自貿港建設加速，對水產品的需求量也越來越大，水產養殖業也跟隨著快速發展，標準化的水產養殖場也越來越多，部分養殖場也購進了投料設備和增氧機。但是，目前島內的水產養殖場的投餌和增氧的自動化與智能化的普及率不高，仍然主要采用人工啟動與停止投餌和增氧設備的方式進行養殖。但是與自動化投餌增氧相比，人工投餌存在著投餌量難以控制，增氧時間不夠精準，對水產生態環境把握不準確等缺點。為了提高養殖效率，將目前的人工操作模式進行智能化改造是很有必要的。本方案使用STC15F2K60S2單片機作為控制核心，通過DS1302時鐘芯片的精確計時，LCD12864液晶屏作為操作顯示界面。實現對水產養殖場的投餌及增氧進行自動化控制。

關鍵詞：STC15F2K60S2單片機 SHT11溫濕度傳感器 LCD12864 DS1302時鐘芯片

一、改造的目的與意義

隨著水產養殖規模的擴大，很多養殖場已經配備了投餌機和葉輪式增氧機，但是各設備還是單獨需要人工啟動運行。水產養殖場是一個潮濕的地方每次由人工操作這些用電設備會存在著較大的安全隱患，并且人工啟動和停止的方式存在著運行時間不好把控，導致投餌量不均衡、增氧耗費時間的不足。經過智能化改造之后，投食及增氧設備將由傳感器檢測和定時設置綜合自動完成，無需人工按時啟動和停止，減少人工勞動時間，將安全隱患降到最低。另由系統設置定時投食更容易控制投食時間與投食量，促進產量的提高。

二、主要設備與元器件說明

1、葉輪式增氧機

葉輪式增氧機主要由電動機、減速箱、水面葉輪及浮球組成，葉輪式增氧機采用機械方法增氧，通過電動機帶動水面葉輪旋轉來攪動水面、攪拌氣膜和液膜，增加氣、液的接觸面積，以擴大氧在水中的濃度梯度，提升空氣中的氧向水中轉移擴散的速度。其基本功能如下：

（1）增氧。葉輪式增氧機的動力大、效率高，每千瓦/時最高可增氧1800克以上。池水在富氧情況下，可有效抑制養殖水產發生細菌性、病毒性疾病，對水產養殖增產增收意義重大。

（2）提水、攪拌。葉輪式增氧機可提升底層水，使其與表層水相互交替，從而起到向低層水增氧的效果，其增氧深度超過2米，適用于高產深水魚池。

（3）曝除有害氣體。葉輪式增氧機有強烈的曝氣功能，池水中的有害氣體如氨、硫化氫、甲烷、一氧化碳等均能有效曝除。

2、PH傳感器

PH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應的可用輸出信號的傳感器，通常由化學部分和信號傳輸部分構成。PH傳感器常用來進行對溶液、水等物質的工業測量。在本系統中，PH傳感器主要用于對水質酸堿度的實時監測，防止因水質污染導致的大量死亡的現象發生。

3、STC15F2K60S2單片機

由于本系統不僅需要將濕度傳感器及時鐘芯片的時間讀出來，在LCD12864液晶屏上顯示，并且需要將PH傳感器的信號經AD轉換為數字信號進行處理。對控制電路要求具備一定容量的數據存儲及擁有AD轉換的通道。為了節省成本及減少硬件電路，本系統選用了宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2單片機，該款單片機內置了60KB的Flash程序存儲器，2KB的Flash數據存儲器，256B基本RAM存儲器，可以很好的滿足本系統的程序存儲及運行要求。具有14個中斷源兩個優先級也能滿足系統要求。

4、SHT11數字溫濕度傳感器

SHT11傳感器是一款含有以校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它的數字模塊采集技術以及溫濕度傳感技術確保了SHT11傳感器的可靠性與穩定性。其內部含有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。因而SHT11具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高的優點。SHT11低功耗，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。溫度測量范圍：-40～120℃，相對濕度測量范圍： 0～100%RH，濕度分辨率：3.0%RH，溫度分辨率：0.4℃。該傳感器具有集成化外接簡單的優點，其中1和4號引腳為電源接口，2號引腳為串行數據接口，3號引腳為串行時鐘接口。5、 DS1320時鐘芯片

DS1302是一款美國DALLAS公司推出的涓流充電式的時鐘芯片，其片內含有一個實時時鐘/日歷和31字節靜態數據存儲器，可通過簡單的串行接口與單片機進行通信。是一款高性能，低功耗的時鐘芯片，可對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，并且具有閏年補償等功能。讀/寫時鐘或RAM數據時，可以選擇兩種傳送方式：單字節傳送和多字節傳送（字符組方式）。DS1302為8引腳雙排直插DIP封裝，其中

1和4引腳為主電源供電腳，8號引腳為備用電源接口。2和3號引腳為震蕩源接口，外接32768Hz晶振。5、6、7引腳分別為與單片機通信的復位、數據、時鐘引腳。

6、LCD12864液晶顯示屏

LCD1602液晶顯示器是目前廣泛使用的一種點陣圖型液晶顯示模塊。為了減少漢子取模占據的程序存儲器，本系統選用帶字庫12864點陣圖型液晶模塊。該模塊內部采用ST7920控制器，內置8192個16*16點陣漢字和128個16*8點陣ASCII字符，可以采用并行或串行方式與單片機接口，使用方便靈活。

三、系統的硬件電路設計

要想有一個穩定高效的系統，可靠的硬件電路設計是必不可少的。本系統的硬件電路主要包括以下幾部分：電源供電部分、濕度采集部分、時鐘電路部分、按鍵控制部分、液晶顯示部分、投食機驅動及增氧機驅動電路部分。具體的結構圖如下圖1所示。

1、控制電路電源設計

由于控制電路核心部分主要為直流5伏供電，雖然目前市場上有很多物美價廉的電源轉換模塊，能夠取代由獨立元器件組成的電源轉換電路，但是考慮到電路的整體化，并且組成電路也比較簡單，所以本系統將采用獨立元器件與控制電路設計在一起。具體電路原理圖如下圖2所示。

2、DS1302時鐘電路

DS1302時鐘電路主要為系統提供基準實時時間，用于投食機的精準定時投食。由于DS1302芯片可以使用副電源供電，能夠保證在系統停電或系統故障時時間的準確性。具體的電路原理圖如下圖3所示。使用中注意的是2和3引腳需要接一個32.768KHz的晶振，給DS1302提供一個基準，并且要求這個晶振的引腳負載電容必須是6pF，否則將有可能導致時間誤差加大。用于讀寫時間的5、6、7引腳與單片機連接時需要加上拉電阻，提高IO口的驅動能力，使信號更加穩定，計時也比較準確。

四、軟件部分設計

正確的硬件是系統能夠正常運行的前提，但是系統能否按要求靈敏的運行主要取決于軟件部分，所以一個精簡高效的軟件設計才能讓系統工作得更穩定長久。系統上電后，先進行系統的初始化，主要包含時鐘初值設定，液晶屏的初始化顯示，定時器與中斷初始化設置及IO口配置。接著進行工作模式（可通過按鍵設置）判斷，在手動模式時各執行機構的啟動與停止主要由按鍵來控制，自動模式時執行機構的動作將根據定時設置與傳感器采集的信號進行綜合控制。部分主程序流程圖如下圖4所示。

五、結束語

本文介紹了將水產養殖中常規的人力勞動進行自動化改造，系統主要以檢測水環境和采用時鐘芯片產生的精準時間，通過單片機自動控制投食機和增氧機等設備的智能化運行，進而達到穩產、高產、凈化養殖環境的目的。用戶可以根據不同情況的需要增加或減少傳感器，也可以根據養殖品種調整工作參數和模式。同時可以在該系統上擴充GPRS模塊，通過遠程終端進行監控和控制。

參考文獻：

[1]郭天祥：《新概念51單片機C語言教程》，電子工業出版社，2009年第一版。

[2]徐愛均：《STC15增強型8051單片機C語言編程與應用》，電子工業出版社，2014年第一版。