基于 AT89C51单片机溶解氧测控系统设计与实现

左文艳,王 明

(1.镇江高等职业技术学校电气工程与自动化系,江苏镇江 212016;2.镇江高等专科学校电子信息系,江苏镇江 212003)

基于 AT89C51单片机溶解氧测控系统设计与实现

左文艳1,王 明2

(1.镇江高等职业技术学校电气工程与自动化系,江苏镇江 212016;2.镇江高等专科学校电子信息系,江苏镇江 212003)

介绍一种基于AT89C51单片机的溶解氧测控系统,阐述溶解氧测控仪系统的工作原理,给出硬件电路框图和软件编程的设计方法。该系统通过对温度、溶氧量的监控,可以减少养殖成本,提高企业效益,促进环境改善。系统适用于水产养殖环境监测,具有很好的应用前景。

单片机;溶解氧;温度;传感器

0 引 言

溶解氧指溶解于水或液相中的分子态氧,以DO表示。它是水产养殖、水源监测、环境保护中的一个重要测量参数。水中缺氧,养殖对象的采食、生长、繁殖就会受到影响,严重缺氧可在短时间内导致养殖对象窒息死亡。在水产养殖中,必须经常、连续地监测养殖水体中溶解氧含量。

本系统主要对水产养殖环境因子 (温度、溶氧量)进行连续、远距离自动集中监控,减少养殖成本和环境污染,使鱼类在适宜的环境下快速生长,达到低成本、高效益的工厂化水产养殖的目的。

1 系统总体结构设计

本系统是由 1台 IBM-PC686工业控制计算机为上位机,多台AT89C51单片机为下位机组成的水产养殖集散控制系统,其总体硬件结构如图 1所示。

图1 系统总体结构图

下位机完成对整个养鱼池的养殖参数的检测与控制,即将传感器采集的溶氧量和温度转换成数字信号,经过一定的控制算法处理得出准确值,把这些数据保存起来,并在下位机中显示,然后与给定值比较,决定执行机构动作,同时将数据送往上位机。

上位机主要完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析,并对数据进行显示、编辑、存储和打印输出。

2 系统硬件电路设计

2.1 前向通道的配置与接口硬件电路设计

下位机主要将从现场采集的(溶解氧、温度等)各传感器的输出信号调理到适合A/D转换的范围,送入模拟多路开关(CC4051),轮流进行A/D(MC14433)转换,将转换结果送入并行接口 8255,单片机(AT89C51)从8255中读转换结果,再通过温度、零氧、满度、盐度及大气压校准,显示水中准确的溶氧量。因此,系统中的前向通道由溶解氧传感器、集成温度传感器、多路开关、A/D转换器和一个并行接口8255组成。

2.1.1 温度传感器及其调理电路设计

在设计测温电路时,应先将电流转换成电压。本系统中的温度传感器采用AD950。

实验证明,将AD950放入 0℃的冰水混合溶液中,A1同相输入端的电压应为 2.73 V,同样使A2的输出电压也为 2.73 V,因此,A1与 A2两输出端之间的电压:UA1A2=2.73 V-2.73 V,即对应于 0℃。

温度每升高 1℃,电压增加 10 mV,所以,UA1A2之间的电压差值变化范围在 0～400 mV之间,且 A2的输出对地不为 0 V,还要进一步转换。首先,把A1,A2的输出分别对地求出它们的电压值,然后,将它们的输出经放大器放大 5倍,这时,它的输出完全满足MC14433量程要求。

2.1.2 A/D转换设计

从现场采集的信号经过变换后,已在A/D转换范围内,但因有两个输入信号,而MC14433只能一路转换,所以在A/D转换之前,要连接一模拟多路转换器 CC4051。CC4051是单片、CMOS、8通道模拟多路转换器。CC4051与MC14433、AT89C51的电路连接参见图2。

MC14433是一种三位半双积分式 A/D转换器。其最大输入电压有 199.9 mV和1.999 V两挡,抗干扰强,转换速度慢,对本系统中缓慢变化的温度和溶解氧信号的测量最为合适。

2.2 下位机人机接口电路设计

单片机通过 8255和各个按键、指示灯、扬声器、发光二极管相连接。另外,当系统通电时,有一电源指示灯直接和电阻、VCC、GND串接,指示系统通电。

图 2 CC4051与MC14433、AT89C51的电路连接图

LCD的数据线和单片机的 P0口连接,作为数据总线;LCD的 RS和 R/W分别与单片机的 P 2.0,P 2.1连接;单片机的写信号WD和读信号 RD相与非结果与 P2.5相与后接LCD的使能输入端,这样只要WD(非)和RD(非)其中之一有效且 P 2.5发出“1”信号,就选中 LCD,可对它进行读、写操作。V0给定参考电压为 0.2 V。其电路如图 3所示。

2.3 电源设计

所有芯片和集成电路使用的电源为 +12 V,-12 V,+5 V,-5 V和地。利用集成电源电路MC7812T、MC7912T、LM7805CT、LM7905CT即可设计出如图 4所示的电源系统。

2.4 看门狗电路设计

为了预防运行时因电源电压降低或受到外界的电磁干扰而引起程序失控,出现死机或其他不正常现象,导致整个系统瘫痪,本系统利用 X5045增加了看门狗、电压监控电路,确保系统稳定运行。X5045的引脚和单片机的 P1口中的 4个引脚连接,以达到系统监控的目的。它和单片机的连接如图 5所示。

图3 LCD和单片机的电路连接

3 系统软件程序设计

系统软件包括上位机和下位机软件。上位机软件名称为溶解氧监控系统,可以采用MicrosoftVisualBasic 6.0编写,利用通信控件与下位机进行数据通信,数据定时采集送入上位机的数据库中,充分利用 SQL语言,实现历史数据查询和数据的分类统计。调用W indowsAPI函数以克服VB语言没有向低层操作的缺点,以增强监控系统的功能。下位机软件采用MCS-51汇编语言编写,并固化在程序存储器中。

图4 电源系统

3.1 下位机主程序的设计

为了优化系统软件程序设计,整个下位机系统软件结构选用模块化结构,采用自上而下的方法,主要包括数据采样模块、数据处理模块、实时控制模块、数据通信模块和数据存储模块等子程序。详细流程图略,其中主程序主要流程图见图 6。

3.2 上位机与下位机通信程序设计

3.2.1 下位机通信程序设计

图5 X5045和AT89C51之间的电路连接

AT89C51串行口是一个可编程的标准的全双工通信接口,通过软件编程,它可以做通用异步接收和发送器用。AT89C51串行口通过编程可设置 4种工作方式,3种帧格式,并能设置各种波特率。串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志由专用寄存器 SCON控制和指示。本系统有多台下位机,因此通信方式采用方式 3。方式 3为波特率可变的 11位异步通信方式。发送或接收一帧信息包括 1位起始位 0,8位数据位,1位可编程位和 1位停止位。

下位机要对串行口进行初始化,包括设置波特率和串行工作方式,执行相应的串行中断处理程序实现下位机通信。

3.2.2 上位机通信程序设计

上位机和下位机通信的工具是利用VB控件中MsComm控件,目的是让用户设计一个系统可以和串行端口进行传输和接收数据,因此信息会在其硬件上流动。

3.3 上位机数据库管理系统设计

上位机主要完成定时采集数据、向下位机发送设定值、实时数据图表方式显示、自动监控、历史数据查询、分析统计、数据导入与导出、数据打印等功能。

上位机管理系统主要以数据库方式来完成,利用 SQL查询语句的功能实现数据查询与统计,使用VB中的Data及DBgrid控件进行数据库管理,加上一些API函数和ActiveX控件实现其他功能。

4 实验结果分析

4.1 零氧测量结果分析

由于电极本身的特性以及绝缘等问题,在溶氧量为 0的情况下仍有残余电流,现将其中一个溶解氧探头浸入 5%新鲜的亚硫酸钠溶液中,进行零氧测试,其中一组部分数据如表1所示。

由表 1可以得出:1)溶氧仪显示的结果比电压表测量的结果误差小。2)温度越高,零氧值越大;温度越低,零氧值越小,因为温度上升会增大氧电极扩散电流,但变化范围不大,所以,在测量时,零氧校准完全可以以当时的零氧值为校准值,不需要随温度变化时刻进行零氧校准。

4.2 温度测试

计算机软件补偿中温度对氧传感器有影响,要求测温精度达到 0.1℃。经测定,与测量精度可达 0.01℃的高精度温度计测量结果相比较,仪器的理论测量精度可达到 0.01℃,满足要求。其中一组部分测试数据见表 2。由表 2可知,测控仪显示的温度与温度计的显示吻合,精度可达到 0.1℃。

4.3 饱和溶解氧测试

在测温的同时,对饱和溶解氧进行测试,并与碘量法进行比较,部分数据见表 3。由表 3可以看出:1)测控仪与碘量法的偏差方向一定,均大于 0,说明存在系统误差。2)测控仪的绝对偏差很小,大都在 0.1 mg/L以内。这说明测控仪测试结果可靠,精度达到 0.1 mg/L。

表1 溶氧仪零氧测量

表2 温度误差测试

表3 溶解氧误差测试

5 结 语

本系统主要是检测水体中的溶解氧和温度,送至单片机,结合溶解氧算法计算出水体中溶解氧值和温度,在单片机中显示,同时,经过串行通信接口将数据送至 PC机的数据库管理系统,完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析,并可显示、编辑、存储、输出、打印等。本系统实际运行效果较好,基本达到了设计要求,但是,在增强养殖参数检测和提高溶解氧的精度方面还有待进一步完善。

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〔责任编辑:卢 蕊〕

Designing and realizing the dissolved oxygen measurement and control system based on AT89C51

ZUO Wenyan1Wang Ming2

(1.Electric Engineering and Automation Department,ZhenjiangVocational Technology College,Zhenjiang 212016,China; 2.Electron and Information Department,Zhenjiang College,Zhenjiang 212003,China)

This paper introduces the dissolved oxygen measurement and control instrument system based on AT89C51,expounds the principle of this system,and gives the design methods of the hardware circuit diagram and sof tware programming through monitoring of temperature and dissolved oxygen.The system can reduce far ming costs,improve efficiency and promote environmental improvement.It is suitable for environmentalmonitoring in aquaculture with a very good prospect.

single-chip;dissolved oxygen;temperature;sensor

TP368.1

B

1008-8148(2010)03-0052-04

2010-03-06

左文艳(1981—),女,江苏建湖人,助教,主要从事自动控制方面研究;王 明(1980—),男,江苏徐州人,讲师,主要从事企业信息化、图像处理、数据挖掘等研究。