基于單片機(jī)的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線鹽度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈翠鳳

摘要摘要：以MCS-51單片機(jī)作為控制器，采用nRF905無線通訊模塊，設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖無線鹽度檢測系統(tǒng)。采用電導(dǎo)率法測量鹽度，系統(tǒng)采集鹽度信息，采用無線數(shù)據(jù)傳輸，克服了傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜毕?。基于Visual Basic6.0開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)在線自動監(jiān)測鹽度，系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以滿足高效水產(chǎn)品養(yǎng)殖需要。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無線通訊；鹽度檢測；水產(chǎn)養(yǎng)殖

DOIDOI：10.11907/rjdk.162185

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001004703

引言

隨著現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動化的作用顯得尤為重要，它極大地提高了勞動生產(chǎn)率，增加了勞動的舒適性以及可操作性。為進(jìn)一步促進(jìn)鹽城市智能農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效率，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和無線通訊的水產(chǎn)養(yǎng)殖鹽度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用DJS-10鉑黑電導(dǎo)電極檢測鹽度[1]，因?yàn)闇囟葘θ芤旱膶?dǎo)電性能會產(chǎn)生較大影響，從而產(chǎn)生測量誤差，所以需要進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，這里采用PT100鉑電阻檢測溫度。由于采用無線數(shù)據(jù)傳輸克服了有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)布線麻煩、施工安裝不方便、維護(hù)困難的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性；并且，采用Visual Basic6.0開發(fā)了可視化的上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖水體鹽度參數(shù)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以STC89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心的無線鹽度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由水環(huán)境鹽度、溫度數(shù)據(jù)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路、串口通訊電路等組成。水環(huán)境的鹽度與溫度兩路模擬信號被A/D轉(zhuǎn)換芯片分時(shí)采集，處理成數(shù)字量后送分控單片機(jī)進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，處理后的鹽度數(shù)據(jù)打包后由無線模塊發(fā)送端發(fā)送，無線模塊接收端將接收的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至主控單片機(jī)，通過數(shù)碼管顯示鹽度值，并采用RS232串口通信將鹽度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位PC機(jī)，實(shí)時(shí)同步顯示鹽度值。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由鹽度檢測電路、溫度檢測電路、鹽度A/D轉(zhuǎn)換電路、無線通訊模塊、串口通訊電路等組成。

2.1鹽度檢測電路

鹽度檢測電路如圖2所示，主要由測量電源、測量電路和信號調(diào)理電路組成[2]。

2.1.1測量電源

采用DJS-10鉑黑電導(dǎo)電極作為鹽度傳感器，如果采用直流電橋法極易導(dǎo)致傳感器探頭的電解，故考慮使用一定頻率的交流電作為測量電源。本文采用100Hz低頻交流信號作為測量電源。因?yàn)槭堑皖l信號，所以用RC橋式自激振蕩電路來產(chǎn)生所需要的交流正弦波信號。

為保證測量精度，需要穩(wěn)定的正弦波，且信號不能失真，因此需要對信號限幅，這里使用兩只反向并聯(lián)的二極管進(jìn)行限幅。當(dāng)?shù)竭_(dá)R3端的電壓較小時(shí)，兩只二極管相當(dāng)于開路，此時(shí)等效電阻即為3.6K；而當(dāng)電壓增大到一定程度使得兩只二極管交替導(dǎo)通時(shí)，R3則被短路，此時(shí)增益AV=1+（R3+R4）/R5=1+R4/R5<3，不再滿足自激振蕩的條件，電壓會減小，直到二極管斷開，再次滿足振蕩條件，電壓再增大，如此循環(huán)往復(fù)即可保證輸出穩(wěn)定的正弦波信號。

2.1.2測量電路 采用線性分壓測量電路，圖2中R6為分壓電阻，RX為電極間的溶液電阻。設(shè)E為分壓電阻兩端的電壓，當(dāng)RX>>R6時(shí)，有E=R6*VO/（R6+RX）≈R6*VO/RX=GXR6VO。由此可見，當(dāng)R6、VO都是常數(shù)且RX>>R6時(shí)，E將正比于GX，即分壓電路輸出電壓和電導(dǎo)池的電導(dǎo)率之間為線性關(guān)系，這樣測出E就可計(jì)算出GX，也就能得到需要的鹽度值[34]。但當(dāng)RX>>R6時(shí)，E的值會很小，后面的整流電路將很難處理，因此R6不能取得太小，這里取R6=0.1kΩ，由此造成的非線性誤差將通過軟件進(jìn)行處理。

2.1.3信號調(diào)理電路

由于采用了100Hz低頻信號，在實(shí)際測量過程中很可能會引入高頻噪聲，因而最終送到A/D轉(zhuǎn)換端的信號必須濾去高頻干擾信號。圖2中的R7、R8、C3、C4和運(yùn)放組成二階有源低通濾波電路，能有效濾去高頻成分。濾波后的交流信號還要經(jīng)4個(gè)二極管組成的全橋整流電路以及電容濾波后變成直流電壓信號，這樣才能送A/D轉(zhuǎn)換及單片機(jī)處理。此時(shí)的直流信號是分壓電阻兩端的差分信號，此信號正比于被測溶液的電導(dǎo)率，即正比于溶液鹽度，最后經(jīng)差分放大為ADC0809能處理的0～5v電壓信號。

2.2鹽度數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換電路

采用DJS-10鉑黑電導(dǎo)電極作為鹽度傳感器對養(yǎng)殖水體鹽度信息進(jìn)行采集；采集的鹽度數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0809轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。

2.3無線通訊模塊

本系統(tǒng)的無線通訊模塊采用nRF905，其接口電路如圖4所示。單片機(jī)之間通過無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。鹽度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后送分控單片機(jī)，然后通過無線通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機(jī)[5]。

2.4串口通訊電路

本系統(tǒng)的串口通信電路采用RS-232C串行通信方式。要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦RS-232C接口的通信，就必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的RS-232C電平，或者將計(jì)算機(jī)的RS-232C電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的TTL電平，這里采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)包括發(fā)送單元和接收單元，分別由主控單片機(jī)和分控單片機(jī)控制。其中發(fā)送單元主要包括：ADC0809的2路采集程序、數(shù)據(jù)處理程序和nRF905發(fā)送程序；接收單元主要包括：nRF905接收程序和串口通訊程序。電導(dǎo)率和溫度數(shù)據(jù)處理都在發(fā)送單元的程序里進(jìn)行，發(fā)送端主程序流程如圖6所示，接收端主程序流程如圖7所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Visual Basic是一種面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計(jì)語言，可以方便地建立友好的人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)基于Visual Basic6.0開發(fā)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖鹽度信息[67]。主控單片機(jī)系統(tǒng)上的數(shù)碼管與上位機(jī)同步顯示的鹽度測量值如圖8和圖9所示，兩者數(shù)值基本一致，實(shí)現(xiàn)了鹽度的現(xiàn)場監(jiān)測與遠(yuǎn)程監(jiān)測。實(shí)時(shí)檢測的鹽度曲線如圖10所示，可直觀、方便地顯示鹽度測量值。

4結(jié)語

針對傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖中人工巡塘成本高、效率低等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和無線通訊的水產(chǎn)養(yǎng)殖鹽度監(jiān)控系統(tǒng)，克服了有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)布線麻煩、系統(tǒng)可靠性差等缺點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于Visual Basic的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)測量精度高、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，且運(yùn)行效果良好。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）

第1期 劉桂元，曾志遠(yuǎn)，楊書新：基于Unity3d引擎的教育類游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟 件 導(dǎo) 刊2017年標(biāo)題