水產養(yǎng)殖自動監(jiān)控設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 目 錄 摘要 第一章綜述 1.1研究目的和意義 1.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.3本課題研究的內容 第二章系統(tǒng)的總體設計 2.1系統(tǒng)選型 2.2系統(tǒng)的方案及功能 2.3系統(tǒng)的性能指標 2.4傳感器的選擇 2.4.1控制參數(shù)分析 2.4.1.1水溫 2.4.1.2溶解氧濃度 2. 4.1.3 pll值 2.4.2傳感器的選擇 2.5單片機型號的選擇 2.6模數(shù)轉換芯片的選取 2.7片外擴展RAM 2.8并行1/0口擴展 2.9語言工具的選取 2.10控制算法的選擇第三章系統(tǒng)的硬件設計 3.l CPU與存儲器RAM硬件接口電路設計 3.2時鐘電路與復位電路的設計 3

2、.2.1時鐘電路 3.2.2復位電路 3.3 ADC0809芯片與AT89C51單片機接口設計 3.4顯示接口電路設計 3. 5獨立式鍵盤設計 3.6超限報警電路設計 3.7串口通訊接口電路設計 3.8輸出控制電路設計第四章系統(tǒng)的軟件設計 4.1飛:程序和中斷程序服務模塊 4.2單片機系統(tǒng)內部資源分配 4.3數(shù)據(jù)采集模塊 4.3.1采樣周期的確定 4.3.2采樣程序 4.4數(shù)據(jù)處理模塊 4.4.1數(shù)據(jù)濾波 4.4.2標度變換 4.4.3 BCD碼轉換 4.5顯示模塊 4.6實時控制模塊 4.7串l-1通訊模塊 4.7.1下位機 4.7.2上位機第五章系統(tǒng)的抗干擾設計 5.1硬件抗干擾設計 5.

3、1.1復位電路的抗干擾設計 5.1.2信號線的抗干擾設計 5.1.3系統(tǒng)地線設計與去藕電容的配置 5.1.4電源的抗干擾措施 5.1.5過程通道抗干擾措施 5.2軟件抗干擾設計 5.2.1數(shù)字量輸入輸出中的軟件抗干擾第六章試驗與結論 6. 1試驗 6. 2結論參考文獻致謝 摘 要 隨著工廠化水產養(yǎng)殖在國內的不斷發(fā)展，水產養(yǎng)殖的自動監(jiān)控作為現(xiàn)代化水產養(yǎng)殖的重要特征正受到越來越多的關注，其主要功能是對養(yǎng)殖環(huán)境內水體的溫度、溶解氧濃度、酸堿度三個主要環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，來實現(xiàn)對水質的控制。 本文首先通過對國內外水產養(yǎng)殖自動監(jiān)系統(tǒng)控研究現(xiàn)狀的分析，提出了整體的設計方案，確立了以溶解氧、pH值、溫度為監(jiān)控

4、系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象。在控制算法的選擇上，由于被控對象具有大滯后、非線性的特點，無法建立精確的數(shù)學模型，利用常規(guī)控制方法難以達到滿意的控制效果。模糊控制作為智能控制領域的重要分支，特別適合處理模型不確定的系統(tǒng)，且具有設計簡單、魯棒性強的優(yōu)點。因此本課題選用模糊控制算法對系統(tǒng)的環(huán)境因子進行控制。 整個系統(tǒng)采取了上下位機的結構。本系統(tǒng)下位機的設計主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分，以AT89C51微控制器為核心，進行了A/D轉換模塊、存儲器模塊、鍵盤模塊、LED顯示模塊及輸出控制模塊的設計;軟件部分，進行了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實時控制、顯示、串口通訊等模塊的設計。本系統(tǒng)中，下位機系統(tǒng)既可以單獨作為監(jiān)

5、控儀使用，滿足小型水產養(yǎng)殖生產的要求，也可以作為智能控制系統(tǒng)的一部分。另外，本文對系統(tǒng)的抗干擾措施也進行了較為詳細的論述。 本系統(tǒng)實現(xiàn)了水產養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的自動采集和數(shù)據(jù)的實時傳輸及處理，它實時性好、自動化程度高、電路簡單、成本低，在工廠化水產養(yǎng)殖應用中具有一定的實際意義。關鍵詞:單片機;A/D轉換;模糊控制;水產養(yǎng)殖ABSTRACT With the development of factory aquaculture in China，as an important character ofmodern aquiculture, the monitoring of environmental

6、 factors has gained more and moreattentions. Aiming at the actuality that automation technology is exactly need inaquaculture factory of our country, a kind of environmental factors monitoring system isdesigned in this dissertation to fit the needs of our country's aquaculture factory, whichcan

7、on line measure three main environmental factors, and can realize the control ontemperature. First of all, this paper put forward the whole devise project after the analyze of latestresearch all over the world and the structure introduction of the environment inaquaculture. In the system, the main m

8、onitoring objects are dissolved oxygen, pH andtemperature. The system is a nonlinear, large lag. It is hard to find the precisemathematical module and difficult to get a satisfactory effect in conventional controlmethods. The fuzzy control as a branch of intelligence control field especially suitesh

9、anding the system of the indetermination model. It doesn't need mathematical model andhas good anti一amming capability. In the paper, the fuzzy control is used to control theenvironmental parameters, and utilize MATLAB software tool to assist designing to the fuzzycontrol system. The system adopt

10、s the structure of superior/below position operator. The belowposition operator system design is divided into two parts，hardware part and software part.On the hardware part，A/D converter module, memory module，keyboard module, LEDmodule, output control module are designed around the Microprocessor, A

11、T89C51. Onthe software part, data sampling module, data processing module, real time controlmodule, display module, keyboard response module are designed. Above positionoperator software programs by Visual Basic. Software has friendly interface, convenientoperation，complete function. The below posit

12、ion operator system can alone be used ascontrol system to meet the demand of small-scale aquaculture production, and can alsobe regarded as a part of the intelligent control system. In addition, anti一ammingmethods are introduced in the paper. This system achieved the function that auto collect of en

13、vironment data, datatransmit and manage in real time. It has a high real time work ability and a highautomation degree, it's cost was low, so it can adapt the request of modern inspect ofenvironment. This system has certain actual meanings in the factory aquaculture.Key words: single-chip microc

14、omputer; A/D converter ;fuzzy control; anti一amming;factory aquaculture 第1章 綜述1.1研究的目的及意義 近年來，隨著我國經濟的發(fā)展和人民生活水平的大幅度提高，人們的消費觀念變化很大，消費檔次與水平都在提高，對水產品的需求也在高速增長。加快發(fā)展高科技漁業(yè)一工廠化養(yǎng)殖的路子是滿足市場需求和發(fā)展的必由之路。另外，工廠化養(yǎng)殖把外來的污染和病害經過處理降低到最小程度，控制環(huán)境參數(shù)使水生生物所受的損害減小，有效地、及早地防治病害，最終生產出優(yōu)質無公害水產品。 工廠化水產養(yǎng)殖是隨著科學技術的進步而發(fā)展起來的一種新的生產方式。這種養(yǎng)殖方

15、式是在品種高密度放養(yǎng)的基礎上集機、電、化、儀、自動化、生物工程技術為一體，對生產過程中的水質、水溫、餌料、防疫、吸污、分選、起捕、污水處理等各因素或環(huán)節(jié)進行人工控制或自動控制，使養(yǎng)殖品種在最佳環(huán)境下達到最快生產速度，從而使單位面積水域生產量極高。其主要特點是:高投入、高產出、短周期。該養(yǎng)殖方式由于具有易于人工控制、節(jié)地、節(jié)水、勞動力需求少、生產率高、產品更符合食用衛(wèi)生標準，因此宜于在缺地、缺水、魚品價格高、飼料豐富的地區(qū)推廣，更適宜在資金雄厚、技術先進的發(fā)達地區(qū)廣泛實施。目前，該養(yǎng)殖方式已成為跨世界的投資熱點 我國由于淡水資源的緊缺，因而淡水漁業(yè)待真正納入“可持續(xù)發(fā)展”的總體戰(zhàn)略，如果不與資源

16、和環(huán)境相協(xié)調將難以為繼。近年來，魚類賴以生存的江河、湖泊和淺海等水體環(huán)境受到越來越嚴重的污染，危害了魚類的生存，致使?jié)O業(yè)資源日趨衰退，從自然界中捕獲的名、特、撫水產品的數(shù)量日益減少，人類因食用含有毒素的魚貝類而使人致病、死亡的事件越來越多，人類食用天然水產品的安全感正受到沖擊;另一方面，傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)中大量養(yǎng)殖污水的排放，又加劇了環(huán)境污染，使得發(fā)展傳統(tǒng)養(yǎng)魚業(yè)與控制環(huán)境的矛盾日益突出。 現(xiàn)代工廠化養(yǎng)魚起源于內陸海洋水族館技術、自動化水族箱技術和流水高密度養(yǎng)魚技術，是工程科學與生命科學的有機結合;工廠化養(yǎng)魚是集生物、物理、化學和電子等多門學科為一體的養(yǎng)魚技術，具有產量高、技術含量高、勞動強度小、周期短

17、、節(jié)約土地和水資源等特點，它將生物技術、信息技術和現(xiàn)代養(yǎng)殖方式集于一身，所以工廠化養(yǎng)魚是漁業(yè)高科技的最集中的代表，是世界漁業(yè)的發(fā)展方向，當然也是中國漁業(yè)的發(fā)展方向。 工廠化養(yǎng)殖的主要特點表現(xiàn)在生產的連續(xù)性、無季節(jié)性和主動控制性，而主動控制壞境和營養(yǎng)供給是工廠化生產的核心。漁業(yè)養(yǎng)殖水域的水是養(yǎng)殖動物的生活環(huán)境，每一種水產養(yǎng)殖動物都需要有適合其生存的水質環(huán)境，水質環(huán)境若能滿足要求，水產養(yǎng)殖動物就能生長和繁殖，如果水質環(huán)境中的水受到某種污染，某些水質指標超出水產養(yǎng)殖動物的適應和忍耐范圍，輕者水產養(yǎng)殖動物不能正常生長，重者可能造成水產養(yǎng)殖動物大批死亡。為了防止因水質污染造成水產養(yǎng)殖的環(huán)境破壞，就必須對

18、水產養(yǎng)殖環(huán)境的水質進行分析和監(jiān)測，并通過科學的方法控制水質，以滿足水產養(yǎng)殖動物正常生長發(fā)育所需要的水質要求?？傊辛吮O(jiān)控技術，工廠化漁業(yè)生產才可能向大規(guī)模、高水平、高質量發(fā)展。封閉、循環(huán)式工廠化漁業(yè)生產大大減少了對江河湖畔的污染，并節(jié)約了水資源，大大降低了自然水產養(yǎng)殖所需的燃料等其它能源。因此，監(jiān)控技術應用于水產養(yǎng)殖不僅能夠給工廠化養(yǎng)魚帶來高產和安全，同時對于保護自然環(huán)境和節(jié)約能源也起到了積極的作用。 自動監(jiān)控技術應用于水產養(yǎng)殖的重要作用已越來越得到我國水產養(yǎng)殖界的重視.該項技術在水產養(yǎng)殖中的應用，將會極大地促進水產養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。它不但可以避免傳統(tǒng)的離線檢測(主要是手工化學測定)中存在的

19、耗時費力、數(shù)據(jù)不全等弊端，還可以隨時了解各數(shù)據(jù)的變化情況，并對環(huán)境參數(shù)進行自動控制，使水產養(yǎng)殖管理達到一個“新境界”。它可以為漁業(yè)生產人員提供準確、鮮活的實驗數(shù)據(jù)，能夠使人們對水產養(yǎng)殖的過程的規(guī)律有更進一步的認識，從而優(yōu)化養(yǎng)殖工藝，降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖效益，為水產養(yǎng)殖科學的持續(xù)發(fā)展奠定基礎。因此，研制一種適合于工廠化漁業(yè)生產的水質自動監(jiān)控系統(tǒng)具有很重要的實際意義。 本課題的目的是利用單片機技術、測控技術，研究一套成本低廉、控制精度高的水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對水產養(yǎng)殖環(huán)境的調控，完成由傳統(tǒng)養(yǎng)殖技術到現(xiàn)代養(yǎng)殖技術的轉變，降低生產成本和勞動強度，提高生產效率，加快水產養(yǎng)殖技術的實用化和商業(yè)化進

20、程。1.2國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 工廠化水產養(yǎng)殖是一門新興的產業(yè)，是取代傳統(tǒng)的池塘、流水、網(wǎng)箱、大棚溫室等養(yǎng)殖方式的新型工業(yè)化生產方式。目前世界上己有相當比例的高產露天工業(yè)化養(yǎng)魚池改造成溫室。這正是為了巧妙地運用養(yǎng)殖生產過程的空間差、時間差進行錯落組合搭配，使魚種、成魚、觀賞魚、活飼料養(yǎng)殖相結合，構成多層次、多功能、多途徑的、自控環(huán)境高效生產系統(tǒng)，實現(xiàn)全年全天候生產。 由于世界工業(yè)與科技的高度發(fā)展，工業(yè)化國家首先采用機、電、化工、儀表自動化、電腦、生物工程等現(xiàn)代化技術裝備來武裝養(yǎng)魚業(yè)，對養(yǎng)殖的主要環(huán)境因素，如水溫、水質、水流、溶氧、光照、投飼、消毒、殺菌、吸污、分選、起捕、污水處理及應急發(fā)電等進

21、行人工控制，并使其最優(yōu)化，使魚在最佳的理化環(huán)境中生長，吃得少、長得快、病害少、肉質好、價格高，產品像工業(yè)品一樣，全年均衡上市. 自從六十年代初期日本在群馬縣開始進行工廠化養(yǎng)魚以來，世界各國，特別是美國、加拿大、德國等紛紛設計工業(yè)化養(yǎng)魚裝置，經過近二十年的發(fā)展逐步形成了高效的規(guī)模化生產。同時養(yǎng)殖環(huán)境的自動監(jiān)控技術也獲得了很大的進步，在水體消毒、凈化、池底排污、增氧及控溫方面，幾乎采用了現(xiàn)代所有可以引用的實用技術，工廠化養(yǎng)殖已達到相當高的自動化程度。在國外臭氧已被用于養(yǎng)殖水體的消毒凈化，它與生物濾池結合使用，還可提高去除氨氮和有機物的能力。液態(tài)純氧增氧技術在西歐工廠化養(yǎng)魚業(yè)中己開始應用，可使水體中

22、的溶氧量達到17-18mg/L，可提高養(yǎng)殖密度，降低餌料系數(shù);采用遙控式自污機，使池底排污實現(xiàn)了自動化;熱泵技術的利用，為工廠化養(yǎng)魚加溫節(jié)省了50%的費用，目前，熱泵這一節(jié)能控溫裝置正在國外工廠化養(yǎng)魚業(yè)中普及;水質凈化現(xiàn)仍以生物濾池為主，但70年代發(fā)展起來的卵石濾池、砂濾池正被淘汰，代之以質輕、比表面積大、強度高、通風性能好的人造濾料(如聚乙烯網(wǎng)板等)。挪威的水產養(yǎng)殖歷經數(shù)十年的不斷投資、研究、開發(fā)，己成為一個新型的蓬勃發(fā)展的產業(yè)。尤其是蛙魚的養(yǎng)殖，挪威的人工養(yǎng)殖蛙魚技術成熟且處于世界領先水平，其定點的孵化場完全實現(xiàn)科學化管理，諸如水質、水溫、配合餌料一組成的控制等都有專門的儀器設備進行監(jiān)測、

23、控制。近年來，美國、丹麥、日本和我國等國家，發(fā)展了魚菜共生、魚藻共生系統(tǒng)。利用養(yǎng)殖肥水培育蔬菜、花卉、水果、藻類，既能最大限度地提高水產品和蔬菜等的產量，又能凈化水質，污染降至最低程度，從而形成小環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。日本BICOM公司生產的閉合循環(huán)水產養(yǎng)殖系統(tǒng)，其核心技術是體現(xiàn)它原有技術優(yōu)勢和特色的“內臟型硝化苗反應器”。該系統(tǒng)主要由一級硝化處理槽、水管維持裝置、全自動SS驅除裝置、SS分離系統(tǒng)、濃縮氧制造裝置、水溫控制裝置、圓形養(yǎng)魚槽等部件構成。美國則提出了高密度水產養(yǎng)殖系統(tǒng)的程序控制技術，其用于水產養(yǎng)殖的自動控制系統(tǒng)一般可分通用控制系統(tǒng)和工業(yè)程序控制系統(tǒng)兩類。通用控制系統(tǒng)是基于微機的控制

24、系統(tǒng)，用于控制海水魚的生長環(huán)境。工業(yè)程序控制系統(tǒng)由小型計算機和控制軟件組成。 我國起始于70年代，僅落后發(fā)達國家10余年，到80年代初己達到國際同類水平，已逐步從傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖走向工廠化.1979年作為科研攻關項目的“中國對蝦工廠化人工育苗技術的研究”，開發(fā)了對蝦養(yǎng)殖的控溫技術，充氣與攪拌技術，餌料一的商業(yè)化與營養(yǎng)供給技術，較為全面地形成我國工廠化養(yǎng)殖的基礎模式。雖然在對蝦育苗中提出了工廠化這一概念，但限于財力，時間技術和認識等方面的制約，在對蝦養(yǎng)殖過程中并沒有采用封閉循環(huán)工廠化養(yǎng)殖的模式。20世紀80年代引入一批國外養(yǎng)鰻魚的成套技術，目前僅個別尚可運轉，沒有普及推廣。工廠化養(yǎng)殖之所以發(fā)展緩慢

25、，主要是因為投資高，進口一套國外的工廠化水產養(yǎng)殖系統(tǒng)約需一千多萬人民幣，再加上能耗大，魚的售價偏低，尚未找到適合中國淡水魚養(yǎng)殖的配套技術。近幾年我國自行設計的具有8800平方米，可供應660噸鮮魚的魚菜共生養(yǎng)殖系統(tǒng)，雖未大面積推廣應用，但生產效果良好，魚產量達100公斤/平方米年，前景看好。此外，上海水產大學對工廠化水產育苗溫室進行了研究，并采用多路轉換技術減少水質參數(shù)傳感器，大大降低了儀器設備費用。孫士平等人將模糊控制理論運用于特種養(yǎng)殖，通過對蝎子的養(yǎng)殖試驗，也獲得了較好的控制效果。河南省水產利·學研究所朱文錦等人對水產養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控也進行了研究，開發(fā)了一套監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有

26、監(jiān)測、運算、預報、圖形顯示、打印、自動與手動功能.吳滄海等人開發(fā)了一套漁業(yè)水質自動監(jiān)控系統(tǒng)，解決了漁業(yè)生產過程中增氧、投飼、污水零排放和水質自動調理等環(huán)節(jié)的控制技術，為養(yǎng)殖業(yè)的科學管理提供了很大的方便，為現(xiàn)代化漁業(yè)管理提供了技術支持 . 2003年7月，中國水產科學研究院漁業(yè)機械研究所完成了“廣東羅非魚良種場育苗車間”的設計建造。該車間分為親魚池、孵化池、魚種暫養(yǎng)池等生產區(qū)域，全部采用玻璃鋼水池和循環(huán)水系統(tǒng)，研制有先進的脈沖式生物過濾器，具有水溫設定控制、水質多參數(shù)檢測、生產過程監(jiān)控等功能，技術措施上達到國內先進的水平。 工廠化養(yǎng)殖就監(jiān)測項目而言，過去一般只有流量，水溫和溶解氧三項，目前國外一

27、些工廠有七項，增加了pH、光照、無機物、有機物。監(jiān)測控制范圍從過去主要上下限到現(xiàn)在一些單項達到任意要求控制，并從機械化進入自動化或半自動化控制。按上述要求，我國的工廠化養(yǎng)殖自動化水平還相當?shù)?。智能化工廠養(yǎng)殖技術的關鍵之一是自動監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器質量問題。目前在國產的傳感器中，除了溫度、pH,溶解氧的傳感器質量較好外，多數(shù)傳感器性能不穩(wěn)定，質量較差。國外進口的價格十分的昂貴，一套監(jiān)控氨氮裝置的價格需要人民幣幾十萬，即使引進后，也無法推廣使用。目前的養(yǎng)殖水平要求全套的監(jiān)控設施價格不能超過10萬元。因此，發(fā)展我國的智能化溫室，首先應該抓好溫度、pH,溶解氧的自動監(jiān)控技術。我國目前能夠做到的流量，水溫和

28、溶解氧三項指標控制是通過大量換水，鍋爐升溫和充氣來解決，可以說是以消耗能源，犧牲環(huán)境來換取效益，對工廠化而言是一種初級的粗養(yǎng)階段，而采用生物凈化裝置的處理設施，進行循環(huán)水養(yǎng)殖是中等程度的半精養(yǎng)階段，只有全面實現(xiàn)養(yǎng)殖過程中水體循環(huán)、水體控溫、水質監(jiān)測、生物過濾、充氣增氧、臭氧脫色、餌料投喂、死魚收集、污水處理和起捕分類十項內容的自動化管理和監(jiān)測目標的自動控制才是工廠化養(yǎng)殖的高級階段。 從以上內容可以看出，我國的工廠化漁業(yè)的自動化水平還相當?shù)?。較先進的工業(yè)化養(yǎng)殖設備采用電腦控制傳感裝置，收集和分析有關水質的數(shù)據(jù)，如含氧量、酸堿度、水溫、水位和流速等，并配有相應的報警和救急系統(tǒng)。有的養(yǎng)殖場甚至根據(jù)有

29、關數(shù)據(jù)，利用電腦來安排最佳飼料投放量，以獲得最佳轉化率。此外，對水中氨氮含量、亞硝酸鹽含量等重要水質數(shù)據(jù)的快速測定也將有所突破，以便對水質進行更有效的監(jiān)控，使工業(yè)化養(yǎng)魚更加可靠穩(wěn)定。由此可看出以知識和資本密集型為特征的新型養(yǎng)殖業(yè)是未來發(fā)展的必然趨勢。隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，新品種、新的養(yǎng)殖方式接連出現(xiàn)，導致相關產業(yè)崛起和發(fā)展，水產養(yǎng)殖將進入嶄新的局面和超常發(fā)展時期。1.3主要研究狀況 從前面的敘述中可以看出，利用自動調控方法進行規(guī)?；a養(yǎng)殖生產，是獲得優(yōu)質、價廉養(yǎng)殖的必備方法，掌握了魚類養(yǎng)殖的自動化控制技術，將使養(yǎng)殖魚類生產的實用化、規(guī)?；⒆詣踊蜕虡I(yè)化成為可能。 本系統(tǒng)是以單片機為基礎

30、，使單片機系統(tǒng)與各個設備間實現(xiàn)通訊來達到監(jiān)控的目的。下位機單片機本身可單獨作為測控儀器使用，上位機可實現(xiàn)對水產養(yǎng)殖生產的科學管理。整套系統(tǒng)能夠完成養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動測量和控制。為此，該系統(tǒng)的主要構成有:1.系統(tǒng)硬件設計 完成電源、存儲器擴展、A/D轉換、鍵盤輸入、顯示輸出、聲光報警、繼電器驅動、信號放大等電路設計。2.系統(tǒng)軟件設計 完成主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、鍵盤輸入、數(shù)據(jù)顯示、輸出控制、數(shù)據(jù)通訊等模塊的設計。3.模糊控制器設計 由于溫度和溶解氧濃度是兩個強藕合的因子，溫度的變化會引起溶解氧濃度的變化，這兩個因子難以建立精確的數(shù)學模型，用一般的方法難以達到較好的控制效果。而模糊控制技術是模

31、仿人的思維來進行控制的一種控制方法，不需要數(shù)學模型，且能達到較好的控制精度，所以該系統(tǒng)采用模糊控制的方法來實現(xiàn)對溫度的自動化控制。 第二章系統(tǒng)的總體設計 本系統(tǒng)的硬件由下位機MCS-51單片機系統(tǒng)和上位機PC機組成。下位機主要完成數(shù)據(jù)的采集、模/數(shù)轉換、數(shù)據(jù)實時顯示、預處理和控制執(zhí)行機構;上位機主要完成系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)的設定、數(shù)據(jù)處理、分析、顯示等任務。2.1系統(tǒng)選型 目前，根據(jù)應用特點、控制方案、控制目的和系統(tǒng)構成，水產養(yǎng)殖環(huán)境計算機硬件控制系統(tǒng)大體上可分為四種類型:操作指導控制系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（簡稱DAS )、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱DDC)、分散型控制系統(tǒng)(簡稱DCS)和監(jiān)督控制系統(tǒng)(

32、簡稱SCC)。其中DAS系統(tǒng)是指微機通過輸入通道進行實時數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)以一定格式在CRT上顯示或通過打印機打印出來，實現(xiàn)生產過程的集中監(jiān)視，一般由工控機構成，可廣泛用于實驗室分析、數(shù)據(jù)分析與處理等。但微機不直接參與生產過程控制，不會對生產過程產生直接影響;DDC系統(tǒng)是指微機通過輸入通道對一個或多個物理量進行實時數(shù)據(jù)采集，然后按照己定的控制規(guī)律進行實時決策，最后通過輸出通道輸出控制信號，實現(xiàn)對生產過程直接控制。這是微機在工業(yè)應用中最普遍的一種方式:DCS系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調的設計原則，把系統(tǒng)從下而上分成若干級，如過程控制級、控制管理級、生產管理級和經

33、營管理級等，形成分級分布式控制，能夠實現(xiàn)自動監(jiān)視、控制和綜合管理，適用于大中型場、站的自動化管理;SCC系統(tǒng)是一種兩極微型計算機控制系統(tǒng)，即DDC級和SCC級，一般由直接數(shù)字控制機和監(jiān)控計算機組成，直接數(shù)字控制由單片機或單板機實現(xiàn)，并可通過RS-232接口與監(jiān)控計算機通信，可廣泛應用于水產養(yǎng)殖環(huán)境的控制。 通過上面的分析和水產養(yǎng)殖環(huán)境的實際情況，本系統(tǒng)采用兩級微型計算機控制系統(tǒng)的結構。該系統(tǒng)以微型計算機技術為核心，與數(shù)據(jù)通訊技術，人機接口技術，I/O接口技術相結合，并用于生產管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制的新型控制系統(tǒng)。其優(yōu)點是將操作監(jiān)視部分集中，下位機執(zhí)行，上位機集中操作。同時這種系統(tǒng)還具有速

34、度快、維護方便，價格便宜等特點。2.2系統(tǒng)的方案及功能 本系統(tǒng)原理結構圖如圖2-1所示，它是由下位機單片機和上位機PC機組成的控制系統(tǒng)。其中下位機又是由相應的傳感器(如溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧傳感器等)、AT89C51單片機系統(tǒng)、模擬量輸入輸出通道、開關量輸出通道所組成。下位機既可以獨立完成各種信息的采集、預處理及存儲任務，又可接受從上位機傳送的控制參數(shù)設置，啟動加熱器、制冷器等調控設備，從而按不同要求調控養(yǎng)殖的微氣候環(huán)境。下位機有較強的數(shù)據(jù)存儲、處理能力。上位機將下位機送來的數(shù)據(jù)，及時在線的用動態(tài)數(shù)據(jù)的方式顯示出來，同時上位機也向下位機傳遞控制參數(shù)的設定值。 監(jiān)控系統(tǒng)工作過程如下:

35、數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對水產養(yǎng)殖的環(huán)境水體溫度、溶氧量、pH值等的測量。數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感器把各種環(huán)境因子非電量轉換成電量，通過調理電路把電信號線性化放大濾波為05伏的標準信號，傳送給單片機;單片機實現(xiàn)對水產養(yǎng)殖環(huán)境各環(huán)境參數(shù)的控制，當養(yǎng)殖環(huán)境中某環(huán)境因子超出設置的適宜參數(shù)范圍時，自動打開或關閉控制設備，調節(jié)相應的環(huán)境因子;通訊模塊主要實現(xiàn)單片機與微機之間的數(shù)據(jù)通訊。微機串口采用RS-232標準，單片機串行輸出為TTL標準，通過一定的電路實現(xiàn)標準的雙向轉換。各種環(huán)境因子參數(shù)的設置，如適宜溫度、pH值、溶氧量濃度范圍等參數(shù)，均可通過上位機設置，也可通過下位機獨立式鍵盤設置。 圖2一1系統(tǒng)結構2.3系

36、統(tǒng)的性能指標 系統(tǒng)主要的技術指標:(1)測溫范圍:099 因為被控參數(shù)是水，其工作狀態(tài)始終是液態(tài)，所以其工作溫度就是在099之間，兩位LED數(shù)碼管顯示，其顯示數(shù)值范圍是099.(2) pH值測量范圍:014 兩位LED數(shù)碼管顯示，其顯示范圍是014。(3)溶解氧濃度范圍:020mg/L 兩位LED數(shù)碼管顯示，其顯示范圍是020mg/L。(4)設定數(shù)據(jù): 用戶可以自行設定任何一個測量點的數(shù)值，數(shù)字小鍵盤輸入，數(shù)碼管顯示。(5)報警功能 當測量值偏出設定上、下限告警范圍時，系統(tǒng)會自動報警，以提醒管理人員注意，及時查明故障原因和解決問題。(6)通訊功能 利用RS-232串行通訊模塊，可以擴展系統(tǒng)的功

37、能。例如，可以將單片機測控平臺接入計算機管理控制中心，利用現(xiàn)代計算機的強大處理能力，以達到數(shù)據(jù)存儲和打印等目的。2.4傳感器的選擇 水產養(yǎng)殖魚類的生長發(fā)育需要有一定的生長環(huán)境。這些環(huán)境條件主要包括水溫、氨氮、溶解氧、pH值、亞硝酸鹽等，魚類生長發(fā)育的好壞，產量水平的高低、質量的高低，關鍵在于環(huán)境條件對于其魚類的適合程度。其中水溫、溶解氧濃度、pH值的控制最為重要，這是因為這三項指標對水產養(yǎng)殖魚類的影響起到了主導作用。下面分別對這三個參數(shù)進行論述，進而選擇傳感器。2.4.1監(jiān)控參數(shù)的分析2.4.1.1水溫 池水的溫度是水質諸因子中與魚類關系最密切的物理因子之一。水溫不但直接影響魚類的生理活動，而

38、且還影響其他環(huán)境條件，從而又間接地對魚類發(fā)生作用，差不多所有的環(huán)境條件都受到溫度的制約。一般來說，溫度升高，魚蝦代謝也加強，每升溫10，魚蝦代謝水平能提高23倍，但過于高溫，會抑制魚蝦生活，甚至死亡。溫度急劇下降，魚蝦會陷入休眠，在冰點以下，魚蝦因體液凍結而死。在適溫范圍內，水溫上升，魚蝦代謝加強，魚蝦的營養(yǎng)、生長、發(fā)育也會強化。因此，在實施魚蝦健康養(yǎng)殖時，控制每種飼養(yǎng)魚蝦的適溫范圍，具有重要意義。 溫度還影響魚池的溶氧量。魚池溶氧量隨水溫的升高而減少，水溫上升魚類呼吸加快，耗氧量增加，加上池中其他生物的呼吸作用和有機物的分解作用隨之加強，耗氧量增加，因而容易發(fā)生魚池缺氧現(xiàn)象，這在夏秋高溫季節(jié)

39、特別明顯，必須引起注意。2.4.1.2溶解氧濃度 池水中的溶解氧是與養(yǎng)殖魚類關系最密切的化學因子之一。主要養(yǎng)殖魚類正常生長發(fā)育所需要的溶氧量一般在45毫克/升以上，在溫度等環(huán)境條件適宜的情況下，魚類攝食強度大，生長快，餌料利用率高;當溶氧低于此水平，魚的攝食和生長就會受到一定的限制，低于2毫克/升時魚即不愛吃東西。魚蝦對氧的需求因年齡和環(huán)境不同而有所差異。急性缺氧時，魚會集聚水面，蝦會跳到池邊淺水處，盡量吞食大氣，如果氧供給得不到緩解，魚會成批死亡。慢性缺氧時，主要表現(xiàn)為食欲不振，生長緩慢，抵抗力下降，易感染疾病。其實對魚蝦生存影響更大的還是由于缺氧，導致整個水體環(huán)境的惡化。生產實踐中水池缺氧

40、還是經常發(fā)生的，特別是在氣溫很高的夏季，只要注意及時調節(jié)，并不危及魚蝦的生長。2.4.1.3pH值 作為魚池一個重要的化學和生態(tài)因子，pH影響整個魚蝦健康養(yǎng)殖的全過程。在自然界，從pH5.09.5的水域中，都可以有魚蝦生活，這是由于生物在進化過程中長期對壞境適應的結果。對大多數(shù)魚蝦來說，生活環(huán)境中水的pH是相對穩(wěn)定的，也就是說它們喜歡在特定的酸堿度水中生活。淡水魚蝦最適宜的pH為6.87.5. pH過高或過低對魚蝦都有直接損害，甚至死亡。酸性水，可使魚蝦血液的pH值下降，削弱其載氧能力，造成缺氧癥，盡管魚池并不缺氧，魚蝦仍有浮頭癥狀，由于耗氧降低，魚蝦代謝水平急劇下降，即使投喂再可口的餌料，魚

41、蝦因厭食，而處于饑餓狀態(tài)，危及其生存。pH過高的堿性水，容易腐蝕魚類鰓組織，對魚蝦生長同樣有害，堿性過高的水對魚卵卵膜影響更大，常常因早溶而引起胚胎過早出膜而死。2.4.2傳感器的選擇 對于在線式水產環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計，首先必須選擇合適的水產環(huán)境參數(shù)檢測傳感器。為了滿足當前我國水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控的需要，在系統(tǒng)設計中選用的水產環(huán)境參數(shù)檢測傳感器作為水產水質在線監(jiān)控系統(tǒng)的前端。本系統(tǒng)選用的傳感器無論精度、重復性，還是響應時間、穩(wěn)定性都符合水產環(huán)境監(jiān)控儀器的有關技術要求，而且輸出信號具有良好的線性。下面分別介紹所選擇的溫度、pH值、溶解氧等三種水產養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)檢測傳感器的主要技術參數(shù)。 1.溫度傳感器

42、 本系統(tǒng)選用西安新敏電子科技有限公司生產的投入式一體化溫度變送器，可以浸入水中，溫度變送器與溫度傳感器相連，放在岸上，可以根據(jù)所需要測量的水深來調節(jié)。該溫度傳感器的特點有: （1）高精度，高可靠性和穩(wěn)定性 （2）體積小巧、輕便，安裝方便，性能穩(wěn)定可靠 （3）采用專有線路，線性好，傳輸距離長，抗干擾能力強主要技術參數(shù)有：(1)測溫范圍: -50 100 (2)精度等級:0.5級 (3)供電電壓:24VDC 10%(4)輸信號: 420mA或 15VDC(5)負載電阻:0500(6)環(huán)境溫度:-2060 2.值傳感器 本系統(tǒng)采用的是上海煊仁環(huán)保儀器有限公司生產的ammo:lyser-浸入式pH傳感

43、器，輸出為05V的電壓。其主要技術參數(shù)有:(1)測量范圍:212pH 0.11.000mg/L(2)分辨率: 0.219.99mg/l 20.099.9mg/L 1001000mg/L (3)環(huán)境范圍:065 (4)最大壓力：max.400mbar (5)供電電源:AC110/220V 10% 50/60HZ5% (6)功耗:約 2.5W 3.溶解氧傳感器本系統(tǒng)采用的是羅斯蒙特公司生產的499ADO型溶解氧傳感器，其測量范圍是020ppm2.5單片機型號的選擇 單片機的選擇遵循以下原則: (1)優(yōu)先考慮熟悉的機型 (2)功能和性能滿足需要的機型 (3)優(yōu)先選用編程方便的機型 (4)優(yōu)先選用開發(fā)

44、環(huán)境好的機型 (5)優(yōu)先選用有豐富參考資料的機型按照以上原則我們選擇了AT89C51單片機。AT89C51單片機具有以下一些特點: 1.內部程序存儲器(ROM)和內部數(shù)據(jù)存儲器(RAM) AT89C51單片機有4K可擦除內部程序存儲器(EPROM), 128B的RAM. 2.輸入/輸出(1/O)口 AT89C51單片機內I/O口的數(shù)量和種類較多且齊全，共具有32根I/O口線。尤其是它有一個全雙工的串行口，該串口是利用兩1/O口線構成的，有四種工作方式，可通過編程選定。 3.外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間 AT89C51單片機可對64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址，而對程序存儲器是內外總空間為

45、64KB，因此AT89C51單片機外部程序存儲器最大尋址范圍為64KB. 4.中斷與堆棧 AT89C51單片機有5個中斷源，分為2個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的。它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達128字節(jié)。 5.定時器/記數(shù)器與寄存器區(qū) AT89C51單片機有2個16位定時器/計數(shù)器，通過編程可實現(xiàn)四種工作模式。這種單片機在內部RAM中開設了四個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應多種中斷或子程序嵌套的要求。 6.指令系統(tǒng) AT89C51單片機的指令系統(tǒng)功能比較強，主要表現(xiàn)在指令系統(tǒng)中包含加法、減法、乘法、除法、比較、堆棧操作和多種位操作指令。當振蕩頻率接最高12MHz時

46、，大部分指令執(zhí)行時間為ls，少數(shù)為2s，乘除指令的執(zhí)行時間也只有4s。 7.布爾處理器 AT89C51單片機的布爾處理器實際上是一個完整的一位微計算機，這個一位微機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。把八位微機和一位微機結合在一起是微機技術上的一個突破。一位機在開關決策、邏輯電路仿真和實時測控方面非常有效，而八位機在運算處理、智能儀表和數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在MCS-51系列單片機中八位機與一位機(布爾處理器)的硬件資源是復合在一起的，二者相輔相成，這是MCS-51在設計上的精美之處，也是一般微處理機所不具備的。2.6/轉換芯片的選取 A/D轉換器的種類繁多、特性各異。在設計數(shù)據(jù)采

47、集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時，應選擇性能合適、性能價格比高的A/D轉換芯片。A/D轉換器的主要性能指標有:分辨率、轉換時間、轉換精度、輸入電壓范圍、輸入電阻(阻抗)、供電電源、數(shù)字輸出特性、工作環(huán)境(周圍的溫度、濕度等)。影響A/D轉換器性能指標的主要因素有:外接時鐘頻率和電源電壓的穩(wěn)定性、環(huán)境溫度、外界有無干擾等。 A/D轉換一般有記數(shù)器式A/D轉換、逐次逼近型A/D轉換、雙積分式A/D轉換、V/F變換型A/D轉換。在這些轉換方式中，計數(shù)器式A/D轉換線路比較簡單，但轉換速度較慢，所以現(xiàn)在很少應用。雙積分式A/D轉換精度高，多用于數(shù)據(jù)采集及精度要求比較高的場合，但速度更慢。逐次逼近型A/

48、D轉換既照顧了轉換速度，又具有一定的精度，所以是目前應用較多的一種A/D轉換器結構。此外，還有一種能夠實現(xiàn)遠距離串行傳送的V/F變換型A/D轉換器。 本系統(tǒng)選用ADC0809轉換器。ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D轉換CMOS器件，之所以選用這種轉換器是基于以下考慮: (1)精度可以滿足要求 A/D轉換器有8位和12位之分，8位的A/D轉換器相對精度是0.39%, 從應用環(huán)境出發(fā)，它可完全滿足測量和控制的要求。 (2)多通道 ADC0809是8通道A/D轉換器，內置多路開關;12位A/D轉換器AD574A是單通道輸入，所以如果要采集多個通道，需外加多路選擇開關，電路復雜。 (3)單一電

49、源供電 ADC0809是用單一的+5V電源。 (4)價格 ADC0809的價格約在10元左右，相比同類產品要便宜得多。所以從以上四個方面來看，8位的ADC0809是理想的選擇。2.7片外擴展RAM AT89C51單片機內部只含有128B的RAM，只能存放少量數(shù)據(jù)，對一般小型系統(tǒng)己經滿足要求，對于大型應用系統(tǒng)和需要存放大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，仍需要在片外擴展RAM.在現(xiàn)場測控系統(tǒng)中，為避免干擾，片外擴展RAM芯片一般采用靜態(tài)RAM(SRAM)。根據(jù)需要和市場價格，本系統(tǒng)選用6264A，存儲容量為8KB8。6264A是8KB8靜態(tài)RAM存儲器，內部結構采用雙譯碼方式，行地址線8條，譯碼后產生256條行選擇

50、線;列地址線5條，譯碼后產生32條列選擇線，共同對8192個存儲單元選址。2.8并行I/O口擴展 單片機AT89C51具有四組并行口P0、P1、P2和P3，但PO口要作為低8位地址、數(shù)據(jù)復用引腳，P2口要作為高8位地址引腳用，P3口要用它的第二功能，因此給用戶使用的并不多。因此，人們常常要擴展并行I/O口。 由于MCS-51的外部數(shù)據(jù)存儲器RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部數(shù)據(jù)存儲器RAM空間的一部分作為擴展外圍I/O口的地址空間。這樣，單片機就可以像訪問外部RAM存儲器那樣訪問外部接口芯片，對其進行讀寫操作。 一般常用8255或8155來擴展并行接口。由于8155與8255相比

51、具有許多新功能，如片內有256個字節(jié)RAM，一個14位定時器/計數(shù)器，且可直接與MCS-51單片機直接相連，不需要增加任何硬件邏輯，所以本系統(tǒng)采用8155擴展并行I/O口。2.9控制算法的選擇 控制算法決定了控制系統(tǒng)的精度，因此控制算法的選擇是進行控制系統(tǒng)設計的關鍵因素。由于水產養(yǎng)殖環(huán)境是一個多變量的大慣性非線性系統(tǒng)，且有相互禍合、純延時等現(xiàn)象，很難對這類系統(tǒng)建立數(shù)學模型，用經典的控制方法進行控制。而模糊控制作為智能控制領域的重要分支，特別適合于處理這種模型不確定的關系;且具有設計簡單、魯棒性強的優(yōu)點。因此，該設計采用模糊控制算法來實現(xiàn)溫度的自動化控制。 第三章系統(tǒng)的硬件設計3.1CPU與存儲

52、器RAM硬件接口電路設計 在CPU與存儲器RAM6264硬件接口電路中，對外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，控制信號是WR和RD。該系統(tǒng)對存儲器的地址分配采用了全譯碼的方式。AT89C51片內地址線為P2. 0-P2. 3和P0. 0-P0. 7 (P2. 3-P2. 0直接與外數(shù)據(jù)存儲器6264的Al 1-A8相連接，P0. 0-P0. 7經過74LS373輸出后與6264的A0-A7相連接)，共12條，片選地址線共四條，其中P2. 7控制三線一八線譯碼器74LS138的工作，即與741.5138的Gl端相連，74LS138的G，G端相連接地，P2.4、P2.5、 P2.6參加譯碼，分別與74LS1

53、38的A, B,C端相連，且無懸空的片選線。因此，存儲器每個存儲單元只有唯一的一個CPU地址和它一一對應，只要單片機發(fā)出一個地址就可選中存儲單元工作，故不存在地址重疊現(xiàn)象，其地址分配如下: YO: 8000H-8FFFII接6264RAM Y1: 9000H-9FFFH接6264RAM Y2: AOOOH-AFFFH接ADC0809 Y3: BOOOH-BFFFH備用 Y4: COOOH-CFFFH備用 Y5: DOOOH-DFFFH備用 Y(;: EOOOH-EFFFH接8155 Y7: FOOOH-FFFFH備用 當G1=1 , =0, ,=0時，譯碼輸入端為C、B、A、741S138譯碼

54、器開始工作:當不滿足上述編譯條件時，74LS138輸出全為高電平，相當于譯碼器未工作。因此，芯片6264的基本地址范圍是8000H- 9FFFH 。3.2時鐘電路與復位電路的設計3.2.1時鐘電路 為了保證單片機的正常工作，必須給它提供時鐘，單片機的時鐘方式有兩種:內部時鐘方式和外部時鐘方式。常用的方式是內部時鐘方式，該系統(tǒng)就是采用的是這種方式，如圖3-1所示。單片機芯片內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體一起構成一個自激振蕩器。 外接晶體與電容C1和 C2構成并聯(lián)式諧振電路，接在單片機內部放大器的反饋回路中，這時內部振蕩器便自激振蕩。對外接電容C1和C2的值，雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。圖3-1中的電容C1和C2都選取30pF，晶振為11.059MHz。在設計印刷電路板時，晶體和電容盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作。 圖3-1時鐘電路3.2.2復位電路 單片機在啟動運行時都需要復位，以便CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于某一確定的初始