基于单片机的智能水箱水质监测系统

张泽飞，罗辉辉，翟 娟，周 弘，徐 宇

（扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225009）

0 引言

我国的水质监控系统已初步完善，但对于水产养殖等小型区域的水质监测还尚未成熟[1-4]。水质指标是鱼类生存和成长息息相关的重要因素。因此，对水环境的参数如 pH值、溶解氧、水温、浑浊度等进行监控有着重要的意义。

目前，对于养殖水域来说，国家基本上没有建立相应的监测系统。水产养殖行业大部分是采用人工观察，通过观察鱼类是否浮出水面呼吸从而判断水中溶解氧含量是否足够，从而人工开启增氧设施或者其它调节设备。不仅工作人员劳动强度大，而且水质不稳定影响养殖效果。由于养殖水域尤其是小型养殖水域的水质监测基本上是空白，因此低成本的小型水域水质监测系统成为未来发展的必要趋势。

本文设计的自动化水箱监控与调节系统，以水产养殖的水质参数为监测目标，采用AT89S51单片机为控制单元，选取DS18B20温度传感器等作为测单元，以LCD显示器作为显示部分，分别以蜂鸣器与报警灯、继电器作为动作部分。单片机实时与溶解氧、pH值、温度等传感器保持通信，获得相应数据并进行分析处理。当检测到的实时数据超出设置的范围时，蜂鸣器指示灯、继电器各自动作。此水箱的适用范围也很广阔，可以家用养殖，可以是观赏养殖，也可以是商业养殖，甚至是研究养殖[1]-[2]。

1 系统的总体架构

该系统（如图1）主要由单片机、温度传感器、溶解氧（氧容量）传感器、PH传感器、LCD、调节装置组成。通过相应的传感器监测当前水质指标，当测得的温度、溶解氧含量、pH值和单片机预设的值有偏差时，驱动调节装置进行调节，同时相关数值显示在LCD上，使得水质达到水生生物的最佳生活环境[3-4]。

2 系统的硬件设计

2.1 溶解氧检测电路

在水产养殖中，溶解氧对水中生物如鱼类的生存有着非常重要的影响。低溶氧时可以导致水生物生长缓慢，对疾病的抵抗能力发病率高；高溶氧时某些鱼类幼体可能会产生疾病。因此溶解氧浓度在对水生生物的生长显得尤为重要[5]。

我们选用溶解氧传感器KDS-25B，测量时，溶解于电极端头的外部被测介质中的氧传递到电极透氧膜外表面，以扩散的方式，最后到达电极阴极表面，通过氧化还原反应，构成一种氧铅蓄电池，然后由内部电阻将氧化还原反应产生的电流转化成电压输出。

（1）电源滤波电路

如图2所示，该电路利用电抗性元件对交直流阻抗的不同，实现滤波功能。电容C对直流开路，对交流阻抗较小，并联在负载两端。电感L对交流阻抗大，对直流阻抗小，要与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可以滤掉部分交流分量，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的分量。

（2）信号放大电路

由于溶解氧探头输出的信号为电流信号，在并联电阻后转换的电压信号只有 1-100 mV，电压很小，所以需要一个信号放大电路将所测信号进行放大，如图3所示。

a）信号放大电路图

b）AD623放大器简介

在放大电路中我们之所以采用 AD623放大器是因为它功耗低，可单电源工作且所需电流极小，只需外接一个电阻即可设置增益。同时它输入阻抗较大，对输入信号影响小。

c）AD623放大器工作原理

PNP晶体管作为电压缓冲器，接收输入信号，同时提供一个共模信号到输入放大器。每个放大器串接一个50 kΩ的反馈电阻以保证增益可编程，差分电压经过输出放大器变为单端电压。

2.2 pH值的检测电路

PH值对水中生物的生存有很大影响。经大量数据证明，鱼在酸性（PH<5.5)的条件下，水体中的鱼类对传染性鱼病体抗力降低，即使水中溶解氧达标，也会出现呼吸困难、生长缓慢、死亡率变高等症状。因此，水中 pH值的测量并及时调节对水生生物的生长生活显得尤为重要[6]。

图2 电源滤波电路Fig.2 Power filter circuit

图3 信号放大电路图Fig.3 Circuit diagram of signal amplification

图4 采集电路和放大电路Fig.4 Acquisition circuit and amplification circuit

我们选用E-201-CPH型复合玻璃电极pH传感器。，pH复合电极监测水中的 pH值，并将其转化为电流信号，经过信号采集后，通过滤波电路、信号放大电路、模数转换电路后输入到单片机中，输出结果经LCD显示电路显示。

（1）滤波电路

一般在电路的输入信号中，总有一些噪音和干扰，为了能够更好地完成 PH的测量和调节，必须消除以上干扰。和上一个溶解氧传感器的滤波电路相似，在这就不多赘述。

（2）放大电路

PH传感器要经过合理的放大才能在 A/D转换器中接受到信号。

（3）模数转换电路

a）ADC0832介绍

ADC0832作为一种常用的的模数转换芯片，功能强大，体积小巧。具有8位分辨率、在5 V工作电压下输入电压在0-5 V之间，功耗较低等优点。

b）模数转换电路设计与功能程序实现

ADC0832的分辨最高可达到2^8，可适用于一般电路的转换要求，所以芯片一般输入电压在0-5 V之间。正常情况下，ADC0832与单片机的连线应为4根数据线，分别为CLK,DI,D0,CS。根据DI数据输入端，可以实现通道功能的选择。电路图如下。

2.3 温度的检测电路

在水产养殖中，温度也对水中生物如鱼类的生存有着重要的影响。低温时，水生生物行动缓慢，导致新陈代谢缓慢，仅仅只能维持生命；高温时可能会杀死水生生物。

我们选择 DS18B20温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，抗干扰能力强，精度高的特点。其次它接线方便，安装方便，开销小，工作原理简单。

图5 A/D转换电路Fig.5 A/D conversion circuit

温度传感器电路较为常见，基本上原理相类似，就是DQ接P1.6引脚，当温度改变时，会产生一个动态的变化，从而在显示数码管上面显示出来[7-8]。如图6所示。

3 系统的软件设计

（1）初始化单片机、A/D、设置总线。

（2）通过传感器进行数据采集。

（3）运行A/D转换器。

（4）与设定值进行比较，超出范围，则显示超出提示，进行调节，若没有超出范围，则显示当前数值。

（5）如此循环往复。

图6 LCD1802显示数字温度传感器总电路设计Fig.6 LCD1802 display digital temperature sensor master circuit design

图7 软件设计程序流程图Fig.7 Flow chart of software design program

4 结束语

本文阐述了基于AT89S51单片机的自动化、智能化小型水箱的工作原理，重点介绍了溶解氧、pH值、温度的监测与调节主控器模块，最后提出了系统的软件设计方法。实现了小型水域水质监测与调控功能，具有经济实用价值。