鱼塘溶氧度自适应控制系统设计

2012-07-10杨海军

时代农机 2012年9期

杨海军

(洛阳理工学院,河南洛阳 471023)

氧气是生物赖以生存的根本，水产养殖更是对水的含氧量有苛刻的要求，因此控制水体的溶氧度是渔类养殖生产成功的必备条件。目前大部分养殖者对水体溶氧度的判断主要是依靠经验，即通过阳光、气温、气压，以及鱼有无浮头等现象，判定水体溶氧度的高低，是否开启、停止增氧机。这些方法比较原始，甚至造成资源浪费，而且不能保证鱼类产品的产量和质量。基于这种现状的分析和研究，设计了一种基于AVR单片机的鱼塘溶氧度检测及控制系统。

1 系统构成

系统由ATMEGA16单片机、信号采集电路、驱动电路、键盘输入及显示电路、声光报警电路和GSM模块等部分组成。系统框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

通过主控芯片ATMEGA16实时获取溶氧度传感器和温度传感器的检测值以及警戒值和增氧机主电源供电情况，并由1602显示模块显示。当溶氧度检测值小于警戒值时，通过继电器自动启动增氧机；当增氧机主电源断电时，启动发电机供电，并由GSM发送短信息报警；当温度检测值大于设置的最大警戒值或者小于最小警戒值时，声光报警器报警，GSM发送短信息报警。

2 硬件电路设计

（1）信号采集电路。ATMEGA16具有8路10位ADC，32路I/O端口，由于其自身已经集成8路A/D转换通道，可实现水中含氧量和温度等多个参数的多路数据采集和转换。为防止输出电压过大损坏A/D通道，进行A/D转换前应加限幅保护电路，使其输出电压在0～5V。信号采集电路由含氧量传感器、温度传感器、仪器放大器和限幅电路组成。电路如图2所示。

图2 信号采集电路

（2）溶氧度检测。系统采用电流测定法测量溶氧度，它是根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧（DO）的含量。溶氧电极的薄膜只能透过气体，透过气体中的氧气扩散到电解液中，立即在阴极（正极）上发生还原反应：

在阳极（负极），如银-氯化银电极上发生氧化反应：

（1）式和（2）式产生的电流与氧气的浓度成正比，通过测定此电流就可以得到溶解氧（DO）的浓度。溶氧度检测电极引线长2m，可以将电极放在合适位置，避免了单一位置的偶然因素影响系统的准确性。

（3）温度检测。温度检测使用DS18B20。DS18B20在与ATMEGA16连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯，测温范围-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。系统将其作为单独模块引出，可以放在合适的位置，减少了局部温度过高或者过低造成的不确定因素。

（4）主电源检测。主电源采用220V转5V电源，与增氧机电源属于同一电源供电，备用电源采用锂电池供电。使用固态继电器作为电源切换的核心器件，当主电源供电时，固态继电器使备用电源不工作；当主电源断电时，固态继电器复位，备用电源工作。单片机检测到备用电源工作信号，通过GSM发送信息报警。

（5）设定模块与显示模块。设定模块由3个按键组成，用来设定温度及溶氧度的警戒值，显示模块是显示实时溶氧度、温度和警戒溶氧度和温度，设定模块和显示模块可以清楚的显示即时状态，更加方便生产者的操作。1602显示模块采用的是TC1602EL字符型液晶模块(带背光)，内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了192个5×7点阵字符，32个5×10点阵字符。TC1602EL液晶显示模块和ATMEGA16单片机连接电路如图3所示。

图3 1602与ATMEGA16连接

（6）GSM通信模块。GSM模块采用西门子的TC35i模块。TC35i使用外接式SIM卡,24～29为SIM卡引脚，SIM卡同TC35i是这样连接的:SIM上的 CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。TC35i GSM模块支持标准的AT指令集，接口简便，可以通过UART直接与ATmega16通信。GSM短信报警模块，可以即时将报警信息发送到指定手机号中，生产者不必全天值守，使系统的安全和可靠性更上一个台阶。

（7）增氧机、发电机控制部分。增氧机和发电机分别由一个220V/10A继电器控制，电机的电源线分别接在对应的继电器的常开出点上。当需要增氧机或者发电机工作时，继电器响应控制信号，相应的电机开始工作实现自动控制。