基于STC89C54 的海水養殖水質監測系統的設計

周博昊 王志鵬 高 寧 劉子廷 王素芹*

（江蘇海洋大學理學院，江蘇 連云港222005）

1 概述

在海水養殖的過程中，為了保證養殖環境的適宜，及時調整水質，需要每天對溫度、酸堿度、濁度等參數進行多次測量[1]。隨著傳感器技術和自動化技術的不斷發展，越來越多的養殖用戶選用自動監測系統，但由于造價昂貴，大部分用戶選擇相對廉價的人力測量。結合目前離線式實驗室檢測存在的測試周期長，數據反饋速度慢等問題[2]，本文設計了基于STC89C54 的海水養殖水質監測系統，以提高海水養殖的經濟效益。

2 系統方案選擇

2.1 設計構想

采用STC89C54 單片機作為本系統的核心控制芯片，通過系統中放置的環境傳感器采集養殖環境的數據，經A/D 轉換器送入到核心單片機處理，處理后的數據單片機會發送到液晶屏實時刷新顯示，也會通過串口通訊技術與手機藍牙連接。在數據顯示界面用戶可以清楚的看到養殖環境實時參數的變化。用戶可在軟件中修改某一參數的警報閾值，系統將在軟件程序燒錄成功后對超出閾值的參數發出警報，在液晶屏和手機終端顯示警報內容。

2.2 硬件選擇

選用STC89C54 單片機作為核心控制芯片，采用E-201-C型PH 復合電極作為PH 傳感器（輸出電壓0～840mV），內阻一般為幾十MΩ 到幾百MΩ。DS18B20 溫度傳感器、TSW-30 濁度傳感器和TDS（總溶解固體）傳感器采集養殖環境數據，除溫度數據直接由I2C 串行總線技術送往單片機外，其他參數的數據先經A/D 轉換器PCF8591 進行A/D 轉換后，再通過I2C 串行總線技術送到單片機，進行協調處理。處理后的數據將顯示在LCD 液晶屏，同時利用串口技術將數據發送到手機終端，方便用戶查看了解養殖環境變化。

STC89C54 通過PH 傳感器采集水中酸堿度的精準數據，分析當前環境中酸堿度是否處于養殖要求的范圍。通過溫度傳感器、濁度傳感器、TDS 傳感器采集溫度、濁度、TDS 值，判斷這些參數是否超出預設的危險值，并進行實時監測和報警。

系統將不停的刷新實時監測數據，并在獲取數據的第一時間對數據進行與危險值的比對，若有超出閾值的參數，則及時報警。

3 海水養殖水質監測系統的設計

3.1 系統總體設計

海水養殖水質監測系統主要由四部分組成：數據采集模塊、信號轉換模塊、單片機運算與控制模塊、通知與顯示模塊。整體設計如圖1 所示。

圖1 系統整體設計圖

3.2 系統的程序流程設計

如圖2 所示，系統在上電初始化后，將不間斷的采集養殖環境的數據，送往單片機進行發送顯示和判斷，單片機處于不停接收、判斷、發送的工作狀態，手機終端也將收到實時數據，實現了系統的自動化。

圖2 系統程序流程設計圖

4 系統功能

4.1 環境監測功能

通過PH 傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器、TDS 傳感器實時采集養殖環境的數據，每個傳感器都有對應的外圍電路，負責將傳感器采集到的電流信號轉換為電壓信號，再通過A/D 轉換將模擬量轉換為數字量送入單片機。濁度傳感器內對立放置了紅外發射二極管和光敏二極管，當水中污物或是雜質增加時，穿過水體入射到光敏二極管的光線將減少，得以實時采集水體濁度數據。PH 傳感器負責采集水中酸堿度數據，溫度傳感器以DS18B20 為傳感器芯片，加以不銹鋼封裝，可適于水下監測。TDS 傳感器采集溶解性固體總量數據。

為了減少單片機的運算負擔，加入PCF8591 作為A/D 轉換器，從而減少了單片機的運算量，提高了單片機的工作效率，保證了顯示實時數據的精度。

4.2 通知與顯示功能

數據采集模塊的所得到的溫度、TDS、濁度、酸堿度數據可以實時顯示到系統的液晶顯示屏上，方便用戶及時查看。系統藍牙當用戶離開顯示屏，在養殖區域內進行巡查時,同樣可以通過手機查看上述數據，當系統檢測到某一參數或多個參數超出用戶預設的危險值時，系統會自動報警，提示用戶養殖環境的具體參數異常。

5 改進與提升

在海水養殖水質監測系統設計中，因降低成本只實現了對溫度、濁度、TDS、酸堿度的測量，后續可以加入鹽度、溶解氧、氨氮含量的數據采集。同時，替換性能更好的核心控制芯片還可以使系統接入物聯網，提高便利性，對養殖環境的增氧、投料等功能也是需要進一步考慮的[3]。