基于 AT89C51單片機(jī)溶解氧測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

左文艷,王 明

(1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電氣工程與自動(dòng)化系,江蘇鎮(zhèn)江 212016;2.鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校電子信息系,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

基于 AT89C51單片機(jī)溶解氧測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

左文艷1,王 明2

(1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電氣工程與自動(dòng)化系,江蘇鎮(zhèn)江 212016;2.鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校電子信息系,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

介紹一種基于AT89C51單片機(jī)的溶解氧測(cè)控系統(tǒng),闡述溶解氧測(cè)控儀系統(tǒng)的工作原理,給出硬件電路框圖和軟件編程的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)通過對(duì)溫度、溶氧量的監(jiān)控,可以減少養(yǎng)殖成本,提高企業(yè)效益,促進(jìn)環(huán)境改善。系統(tǒng)適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè),具有很好的應(yīng)用前景。

單片機(jī);溶解氧;溫度;傳感器

0 引 言

溶解氧指溶解于水或液相中的分子態(tài)氧,以DO表示。它是水產(chǎn)養(yǎng)殖、水源監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)中的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)。水中缺氧,養(yǎng)殖對(duì)象的采食、生長(zhǎng)、繁殖就會(huì)受到影響,嚴(yán)重缺氧可在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致養(yǎng)殖對(duì)象窒息死亡。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,必須經(jīng)常、連續(xù)地監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水體中溶解氧含量。

本系統(tǒng)主要對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子 (溫度、溶氧量)進(jìn)行連續(xù)、遠(yuǎn)距離自動(dòng)集中監(jiān)控,減少養(yǎng)殖成本和環(huán)境污染,使魚類在適宜的環(huán)境下快速生長(zhǎng),達(dá)到低成本、高效益的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是由 1臺(tái) IBM-PC686工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為上位機(jī),多臺(tái)AT89C51單片機(jī)為下位機(jī)組成的水產(chǎn)養(yǎng)殖集散控制系統(tǒng),其總體硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)完成對(duì)整個(gè)養(yǎng)魚池的養(yǎng)殖參數(shù)的檢測(cè)與控制,即將傳感器采集的溶氧量和溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),經(jīng)過一定的控制算法處理得出準(zhǔn)確值,把這些數(shù)據(jù)保存起來,并在下位機(jī)中顯示,然后與給定值比較,決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,同時(shí)將數(shù)據(jù)送往上位機(jī)。

上位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)管理、智能決策、歷史資料統(tǒng)計(jì)分析,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、編輯、存儲(chǔ)和打印輸出。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 前向通道的配置與接口硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要將從現(xiàn)場(chǎng)采集的(溶解氧、溫度等)各傳感器的輸出信號(hào)調(diào)理到適合A/D轉(zhuǎn)換的范圍,送入模擬多路開關(guān)(CC4051),輪流進(jìn)行A/D(MC14433)轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入并行接口 8255,單片機(jī)(AT89C51)從8255中讀轉(zhuǎn)換結(jié)果,再通過溫度、零氧、滿度、鹽度及大氣壓校準(zhǔn),顯示水中準(zhǔn)確的溶氧量。因此,系統(tǒng)中的前向通道由溶解氧傳感器、集成溫度傳感器、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)并行接口8255組成。

2.1.1 溫度傳感器及其調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí),應(yīng)先將電流轉(zhuǎn)換成電壓。本系統(tǒng)中的溫度傳感器采用AD950。

實(shí)驗(yàn)證明,將AD950放入 0℃的冰水混合溶液中,A1同相輸入端的電壓應(yīng)為 2.73 V,同樣使A2的輸出電壓也為 2.73 V,因此,A1與 A2兩輸出端之間的電壓:UA1A2=2.73 V-2.73 V,即對(duì)應(yīng)于 0℃。

溫度每升高 1℃,電壓增加 10 mV,所以,UA1A2之間的電壓差值變化范圍在 0～400 mV之間,且 A2的輸出對(duì)地不為 0 V,還要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。首先,把A1,A2的輸出分別對(duì)地求出它們的電壓值,然后,將它們的輸出經(jīng)放大器放大 5倍,這時(shí),它的輸出完全滿足MC14433量程要求。

2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

從現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)經(jīng)過變換后,已在A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi),但因有兩個(gè)輸入信號(hào),而MC14433只能一路轉(zhuǎn)換,所以在A/D轉(zhuǎn)換之前,要連接一模擬多路轉(zhuǎn)換器 CC4051。CC4051是單片、CMOS、8通道模擬多路轉(zhuǎn)換器。CC4051與MC14433、AT89C51的電路連接參見圖2。

MC14433是一種三位半雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器。其最大輸入電壓有 199.9 mV和1.999 V兩擋,抗干擾強(qiáng),轉(zhuǎn)換速度慢,對(duì)本系統(tǒng)中緩慢變化的溫度和溶解氧信號(hào)的測(cè)量最為合適。

2.2 下位機(jī)人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過 8255和各個(gè)按鍵、指示燈、揚(yáng)聲器、發(fā)光二極管相連接。另外,當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí),有一電源指示燈直接和電阻、VCC、GND串接,指示系統(tǒng)通電。

圖 2 CC4051與MC14433、AT89C51的電路連接圖

LCD的數(shù)據(jù)線和單片機(jī)的 P0口連接,作為數(shù)據(jù)總線;LCD的 RS和 R/W分別與單片機(jī)的 P 2.0,P 2.1連接;單片機(jī)的寫信號(hào)WD和讀信號(hào) RD相與非結(jié)果與 P2.5相與后接LCD的使能輸入端,這樣只要WD(非)和RD(非)其中之一有效且 P 2.5發(fā)出“1”信號(hào),就選中 LCD,可對(duì)它進(jìn)行讀、寫操作。V0給定參考電壓為 0.2 V。其電路如圖 3所示。

2.3 電源設(shè)計(jì)

所有芯片和集成電路使用的電源為 +12 V,-12 V,+5 V,-5 V和地。利用集成電源電路MC7812T、MC7912T、LM7805CT、LM7905CT即可設(shè)計(jì)出如圖 4所示的電源系統(tǒng)。

2.4 看門狗電路設(shè)計(jì)

為了預(yù)防運(yùn)行時(shí)因電源電壓降低或受到外界的電磁干擾而引起程序失控,出現(xiàn)死機(jī)或其他不正常現(xiàn)象,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,本系統(tǒng)利用 X5045增加了看門狗、電壓監(jiān)控電路,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。X5045的引腳和單片機(jī)的 P1口中的 4個(gè)引腳連接,以達(dá)到系統(tǒng)監(jiān)控的目的。它和單片機(jī)的連接如圖 5所示。

圖3 LCD和單片機(jī)的電路連接

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件名稱為溶解氧監(jiān)控系統(tǒng),可以采用MicrosoftVisualBasic 6.0編寫,利用通信控件與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,數(shù)據(jù)定時(shí)采集送入上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,充分利用 SQL語言,實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計(jì)。調(diào)用W indowsAPI函數(shù)以克服VB語言沒有向低層操作的缺點(diǎn),以增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。下位機(jī)軟件采用MCS-51匯編語言編寫,并固化在程序存儲(chǔ)器中。

圖4 電源系統(tǒng)

3.1 下位機(jī)主程序的設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì),整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)選用模塊化結(jié)構(gòu),采用自上而下的方法,主要包括數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等子程序。詳細(xì)流程圖略,其中主程序主要流程圖見圖 6。

3.2 上位機(jī)與下位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

3.2.1 下位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

圖5 X5045和AT89C51之間的電路連接

AT89C51串行口是一個(gè)可編程的標(biāo)準(zhǔn)的全雙工通信接口,通過軟件編程,它可以做通用異步接收和發(fā)送器用。AT89C51串行口通過編程可設(shè)置 4種工作方式,3種幀格式,并能設(shè)置各種波特率。串行通信的方式選擇、接收和發(fā)送控制以及串行口的狀態(tài)標(biāo)志由專用寄存器 SCON控制和指示。本系統(tǒng)有多臺(tái)下位機(jī),因此通信方式采用方式 3。方式 3為波特率可變的 11位異步通信方式。發(fā)送或接收一幀信息包括 1位起始位 0,8位數(shù)據(jù)位,1位可編程位和 1位停止位。

下位機(jī)要對(duì)串行口進(jìn)行初始化,包括設(shè)置波特率和串行工作方式,執(zhí)行相應(yīng)的串行中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)下位機(jī)通信。

3.2.2 上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)和下位機(jī)通信的工具是利用VB控件中MsComm控件,目的是讓用戶設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)可以和串行端口進(jìn)行傳輸和接收數(shù)據(jù),因此信息會(huì)在其硬件上流動(dòng)。

3.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要完成定時(shí)采集數(shù)據(jù)、向下位機(jī)發(fā)送設(shè)定值、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖表方式顯示、自動(dòng)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、分析統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出、數(shù)據(jù)打印等功能。

上位機(jī)管理系統(tǒng)主要以數(shù)據(jù)庫(kù)方式來完成,利用 SQL查詢語句的功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì),使用VB中的Data及DBgrid控件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理,加上一些API函數(shù)和ActiveX控件實(shí)現(xiàn)其他功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 零氧測(cè)量結(jié)果分析

由于電極本身的特性以及絕緣等問題,在溶氧量為 0的情況下仍有殘余電流,現(xiàn)將其中一個(gè)溶解氧探頭浸入 5%新鮮的亞硫酸鈉溶液中,進(jìn)行零氧測(cè)試,其中一組部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

由表 1可以得出:1)溶氧儀顯示的結(jié)果比電壓表測(cè)量的結(jié)果誤差小。2)溫度越高,零氧值越大;溫度越低,零氧值越小,因?yàn)闇囟壬仙龝?huì)增大氧電極擴(kuò)散電流,但變化范圍不大,所以,在測(cè)量時(shí),零氧校準(zhǔn)完全可以以當(dāng)時(shí)的零氧值為校準(zhǔn)值,不需要隨溫度變化時(shí)刻進(jìn)行零氧校準(zhǔn)。

4.2 溫度測(cè)試

計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償中溫度對(duì)氧傳感器有影響,要求測(cè)溫精度達(dá)到 0.1℃。經(jīng)測(cè)定,與測(cè)量精度可達(dá) 0.01℃的高精度溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果相比較,儀器的理論測(cè)量精度可達(dá)到 0.01℃,滿足要求。其中一組部分測(cè)試數(shù)據(jù)見表 2。由表 2可知,測(cè)控儀顯示的溫度與溫度計(jì)的顯示吻合,精度可達(dá)到 0.1℃。

4.3 飽和溶解氧測(cè)試

在測(cè)溫的同時(shí),對(duì)飽和溶解氧進(jìn)行測(cè)試,并與碘量法進(jìn)行比較,部分?jǐn)?shù)據(jù)見表 3。由表 3可以看出:1)測(cè)控儀與碘量法的偏差方向一定,均大于 0,說明存在系統(tǒng)誤差。2)測(cè)控儀的絕對(duì)偏差很小,大都在 0.1 mg/L以內(nèi)。這說明測(cè)控儀測(cè)試結(jié)果可靠,精度達(dá)到 0.1 mg/L。

表1 溶氧儀零氧測(cè)量

表2 溫度誤差測(cè)試

表3 溶解氧誤差測(cè)試

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要是檢測(cè)水體中的溶解氧和溫度,送至單片機(jī),結(jié)合溶解氧算法計(jì)算出水體中溶解氧值和溫度,在單片機(jī)中顯示,同時(shí),經(jīng)過串行通信接口將數(shù)據(jù)送至 PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),完成數(shù)據(jù)管理、智能決策、歷史資料統(tǒng)計(jì)分析,并可顯示、編輯、存儲(chǔ)、輸出、打印等。本系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果較好,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,但是,在增強(qiáng)養(yǎng)殖參數(shù)檢測(cè)和提高溶解氧的精度方面還有待進(jìn)一步完善。

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〔責(zé)任編輯:盧 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

左文艷(1981—),女,江蘇建湖人,助教,主要從事自動(dòng)控制方面研究;王 明(1980—),男,江蘇徐州人,講師,主要從事企業(yè)信息化、圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘等研究。