鱼塘水位水质自动控制系统设计概要.docx
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鱼塘水位水质自动控制系统设计概要
编号
毕业论文
题目
鱼塘水位水质自动控制系统设计
二〇〇九年十月
摘要
将基于单片机的水位水质自动控制系统用于鱼塘养殖，大大提高了劳动生产率，节省了人力资源。
因此，这项技术在农村有很大的实际意义，加快农村的自动化的进程。
单片机质量轻、功耗小、安全性强，易于操作，避免了与强电打交道。
利用光电耦合原理，实现弱电控制强电。
此项目中，浮球带动开关相当于键盘输入，不同位置的浮球打开不同的开关，对于单片机来说，输入了不同的指令，在单片机软件的作用下，输出不同的命令，鱼塘保持水位，满足了鱼对生存环境的要求。
另外，当鱼塘缺氧时，测氧传感器向单片机发出信号，单片机立刻向执行机构发出命令，氧气泵运行。
其中，测氧传感器在正常情况下，即鱼不缺氧的情况下，对单片机保持高电平，当鱼塘缺氧时，测氧传感器在化学反应的作用下，电路得到一个低电平，单片机向执行机构发出命令，氧气泵启动，当鱼塘不缺氧时，传感器始终给单片机的是高电平，单片机向氧气泵发出停机的命令。
关键词：
80C51单片机步进电机测氧传感器
第一章绪论
1.1鱼塘水位水质自动控制的发展现状
目前我国的农村鱼塘养殖业仍处于原始状态，大大束缚了农村劳动力，关于鱼塘水位控制，农村应用较多的是浮球，往往直接与高压相连，一旦漏电会造成人身伤亡。
下面就介绍一些水位控制的电路。
电缆式浮球，该装置通过一弹性电线与水泵连接，可用于水塔、水池水位高低的自动控制和缺水保护，允许接的用电器是220V,10A左右，平衡锤或弹性电线的某一固定点到浮筒间的电线长度，决定水位的高低。
这种水位开关价格便宜，对于一些要求不太严格的场合适用，有一定耐污能力。
但存在这样的问题：
浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。
使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。
所以电缆式浮球开关一般有这样的警告：
电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。
因此，不通过弱电控制的电路有一定的危险性，在本项目中，通过单片机的应用增强整个电路的安全性，而且单片机的耗电量小，节约了能源。
另外，单片机会根据浮球的起落，即水位的高低及时启动电动机，达到了自动而且及时灌排水。
1.2鱼塘水位水质实现并改善自动控制的意义
鱼塘水位水质自动控制系统的完善，不但节约了人力，财力，让人们创造更多的财富，而且保证了养殖产量，更重要的是一个时期的社会机械化程度的提高，人们可以有更多的时间享受现代科技带来的便捷，
1．本设计报告中沿用了以前的思想，即用浮球闭合开关的方法，节约成本，适合野外环境，耐污能力强；
2．运用单片机控制水位的办法，提高控制准确度，节省了人力；
3．单片机、光电耦合器、AD620放大器接入低电压电路，节省电量，更保护了人的安全。
推而广之，此方法可以用在水产养殖领域，工厂的锅炉水位自动控制系统中，提高生产效率，提高我国的自动化水平，从而提高我国的综合国力；
4．运用传感器知识原理，正常情况时，覆膜原电池式测氧传感器保持高电平，当鱼塘在缺氧的情况下，发出一个低电平信号，经单片机处理后，向氧气泵发出启动的命令，鱼塘进入增氧状态；当鱼塘不缺氧时，测氧传感器上电流增大，继续发出高电平，氧气泵停止工作。
改变了以往单靠人观察时已经很晚的后果，或者，氧气补充过量造成浪费。
提高增氧的及时性，经济性。
第二章水位水质自动控制系统组成及工作原理
2.1.系统总体结构设计
该系统有两部分组成，如图2-1所示，即水位和水质自动控制系统。
1．水位控制系统包括：
初级电路、光电耦合器、AD620放大器、单片机、水泵。
2．水质控制系统包括：
测氧传感器、光电耦合器、AD620放大器、单片机、氧气泵等硬件设备。
水位水质控制系统通过单片机向执行元件发出命令，完成真正意义上的自动检测控制。
图2-1系统框架图
工作原理：
1．水位下降到下限开关时，浮球使水位初级电路的开关闭合，导通，这时单片机得到一个命令，蜂鸣器报警，电动机启动，水池开始灌水
2．水位上涨到中限开关时，浮球使水位初级电路的开关闭合，导通，这时单片机得到一个命令，电动机停止，水池停止灌水；
3．当遇到水位上涨（下大雨天时）到上限开关时，同样道理启动排水泵，蜂鸣器开始报警，水池开始排水，到另外一个中限开关时，排水结束；
4．当水中的侧氧传感器检测到水中缺氧时，产生一个信号给单片机，单片机给一个命令，通过数模转换，启动氧气泵，一段时间后关闭氧气泵，既节省了能源又解放了人力。
2.2主要芯片的结构及特点
2.2.180C51单片机
1.80C51单片机的结构如图2-1所示：
图2-1单片机内部结构框图
2.80C51单片机.特点：
80C51单片机8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为
1～12MHz（Atmel89Cxx为0～24MHz）
片内有128/256字节RAM
片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM
可寻址片外64K字节数据存储器RAM
可寻址片外64K字节程序存储器ROM
片内21/26个特殊功能寄存器（SFR）
4个8位的并行I/O口（PIO）
1个全双工串行口（SIO/UART）
2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）
可处理5/6个中断源，两级中断优先级
内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）
MCS-51指令集含111条指令
2.2.2测氧传感器工作原理
溶解氧的测量方法主要有吸收容量法洲页磁法、紫外吸收法、固体电解质法以及电化学法等，本系统使用的覆膜原电池式氧传感器，采用的是极谱式薄膜电极法，它属于电化学法测氧的一种。
覆膜原电池式氧传感器本质上是一种氧电池，阴极为氧，阳极为适当的金属。
因氧需借助金属放电，通常这种氧电池的阴极为银，阳极为铅，内充胶体状酸性电解质，并以覆膜与外界分隔。
其电池反应如下所示:
阴极:
阳极:
电池总反应:
因覆膜氧传感器是一种电流型测量元件，电流与氧浓度。
的关系可表示为
其中，n为反应电子数，F为法拉第常数，A为阴极表面积，D为氧扩散系数，
为透气膜外表至阴极表面的距离。
当电池的材料与结构确定、温度不变的情况下，n,F,A,D,
均保持不变，即电流与氧浓度成正比，为线性元件，容易测量与计算。
另外，在测氧传感器内还设置有温度传感器，此温度传感器既可以测量水温，又可以为测氧提供温度补偿。
由于测氧传感器为精密仪器，生产成本较高，一套自动监控系统只有一个测氧传感器，因此在应用时应将氧传感器探头置于鱼塘非投食区水下0.5m深的位置。
因为投食区鱼的密度高，食物残渣也多，鱼的排泄物较集中，此水域溶解氧的变化快、幅度大，而非投食区的溶解氧变化较平稳，较具有代表性。
另水表层的溶氧偏高，0.5m以下的区域溶氧又偏外低故水下0.5m处为宜。
2.2.3光电隔离
光电隔离器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光电耦合原理图如图2-2所示。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
选用AI-LNK（艾林科）P-581工业级RS232转485串口光电隔离器
图2-2光电耦合器控制原理图
是一款专为工业设计的带隔离的RS-232与RS-485双向转换器,将RS-232信号透明的转换成RS-485信号，它可以延长RS-232的传输距离，而且通过485总线可以轻松把多个串口或485设备连成一个网络。
由于该产品内部带有光电隔离和浪涌保护模块，可以有效的保护接口不被雷击或强电磁信号损坏。
产品参数：
传输距离：
1.2km（9600bps）
传输速率：
300---115200bps
总线负载：
总线上可挂接32个设备
工作模式：
异步半双工（RS485）
隔离电压：
1000V连续
浪涌保护：
RS485每线都具有600W雷击、浪涌保护
电气接口：
RS232为DB9孔RS485为接线端子电源为接线端子和3.5插座
工作温度：
-30°C--85°C
工作湿度：
5--95%
输入电压：
+8--+15V直流电源（具有反接保护）
功耗：
小于1W
体积：
75x64x24（mm）
安装方式：
壁挂式和工业DIN导轨（选配）
使用方法：
DB9孔端引脚定义：
引脚
2
3
5
RS-232定义
TXD
RXD
GND
接线端子引脚定义：
RS-485
TX+
TX-
电源（8-15V）
VCC
GND
P-581与RS-232/485设备的连接：
RS-232连接
RS-485连接
P-581
232设备
P-581
485设备
TXD
RXD
485+
485+
RXD
TXD
485-
485-
GND
GND
在使用时通常DB9孔直接插到PC机的串口上，也可根据引脚定义连到单片机或其他终端上。
RS-485信号从另一边的绿色端子引出，之后通过电线直接连到485设备上，或者接到485总线上。
其接线方法如下图：
图2-3RS-485网络接线图
当传输距离比较远时，为了避免信号的反射和回波，建议在接收末端接入终端匹配电阻，其阻值一般介于100至140Ω之间，典型值为120Ω，1/4W。
指示灯说明：
PWR指示灯：
当接上电源后，红色PWR灯点亮，代表转换器供电正常。
TXD/RXD指示灯：
当RS-232这边有数据收、发时，绿色RXD、TXD灯会根据数据频率闪烁。
2.2.4差动放大器
本文采用的信号放大器是AD620差动放大器，它是一款低价格、高精密度的放大器，它只需一个外接电阻，就能方便地进行各种增益的调整。
该芯片具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点，在电池供电的便携式设备、精密的数据采集系统、ECG和医疗仪器、传感器接口、工业过程控制、多路转换应用系统、称重和微控制器应用系统中的前置放大器等领域中获得广泛应用。
1．主要性能
仅需一个外接电阻即可获得1一1000范围内的任意增益;
极宽的电源工作范围（士2.3V一士18V）;
比三片运放组成的电路性能高;
功耗低，最大电源电流仅为1.3mA;
最大输入失调电压125刀V;
最大输入失调漂移1刀V/℃;
最大输入偏置电流20nA;
2．引脚名称
AD620引脚图示如图2-4。
图2-4AD620引脚图
1，8引脚
：
增益调节器，该引脚接不同的电阻即可得到不同的增益；2，3引脚-IN，+IN：
运算放大器反向输入和同向输入；4，7引脚
，
：
电源正负输入端；5引脚REF：
参考电压端；6引脚OUTPUT：
运算放大器输出端。
第三章水位水质自动控制系统硬件设计
3.1鱼塘水位水质自动控制系统硬件结构
鱼塘水位水质自动控制系统如图3-1所示：
图3-1硬件结构设计图
3.2水位检测和水质检测、报警等接口电路
1．水位、含氧量检测和接口电路
为了便于实现水位检测功能，用三个开关来作用，正常情况时，开关断开，给单片机的信号是低电平（即0），单片机此时不发出命令；浮球随水位的涨落，当水位到达下限水位时，开关SQ1闭合，这时单片机检测到P0.0为高电平（即1），P1.0发出命令，执行机构让灌水机进水；当水位到中限，此时水位正好，SQ2闭合，这时单片机检测到P0.1为高电平，给单片机一个停水信号，P1.1输出停水信号，停机；当水位涨到上限水位时，SQ3闭合，单片机检测到P0.2为高电平后，排水机开始工作，到达SQ2时，停机。
当测氧传感器输出一个高电平给单片机的P0.4脚，P1.4输出信号，氧气泵启动，一段时间后，泵停。
2．报警接口电路
为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。
单片机P0.0端口为启动电机命令输出端口，P0.0=1为高电平，与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P0.1=1为高电平，反之，电机停止工作。
水位过高时P0.2=1为高电平，排水电机启动；当P1．3为高电平时蜂鸣器报警。
水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向鱼塘内供水工作也停止。
3．存储器扩展接口电路
为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。
74LS373用于锁存地址，单片机的P0．0～P0．7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端OQ0～O7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2．0～P2．2．单片机选通引脚丽接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。
3.3键盘及其接口技术
3.3.1键盘输入的特点
键盘实质上是一组按键开关的集合。
通常，按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合断作用。
一个电压信号通过机械触点的断开、闭合过程，其波形如图3-3-1所示。
由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开的瞬间均伴有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5—10ms，这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。
鱼塘的水位初级检测电路相当于键盘输入，因此要采取消抖措施。
3.3.2按键的确认
键的闭合与否，反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示闭合的话，那么低电平则表示断开，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。
鱼塘水位的检测根据这一原理，达到检测控制水位的目的。
当浮球上浮和下降，使开关闭合和断开，来给单片机高低电平。
3.3.3消除按键抖动的措施
1．硬件消抖
（1）双稳态消抖
双稳态消抖电路用两个与非门构成一个RS触发器。
当按键未按下时，输出为1，当键按下时，输出为0.此时即使因按键的机械性能，使按键因弹性抖动而产生瞬时不闭合（抖动跳开b），只要按键不返回原状态a，双稳态电路的状态不改变，输出保证为0，不会产生抖动的波形。
就是说即使b点的电压波形是抖动的，单经双稳态之后，其输出为正规的矩形方波，这一点很容易通过分析RS触发器的工作过程得到验证。
（2）滤波消抖电路
因为RC积分电路具有吸收干扰脉冲的作用，所以只要选择好适当的时间常数，让按键抖动信号通过此滤波电路，便可消除抖动的影响。
当K未按下时，电容两端电压为0，与非门输出为1.当K按下时，由于C两端电压不能突变，即使在接触过程中出现抖动，只要C两端的充电电压波动不超过门的开启电压（TTL为0.8V左右），门的输出将不会改变，这可通过适当选取R1、R2和C的值来实现。
同样，K在断开过程中，即使出现抖动，由于C两端电压不能突变，它要经过R2放电，只要C两端的放电电压波动不超过的门的关闭电压，门的输出也不会改变。
所以，关键在于R1、R2和C时间常数的选取，必须保证C由稳态电压充电到开启电压或关闭电压的延迟时间大于或等于10ms。
这既可由计算确定，也可由实验确定。
2．软件消抖
如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此常采用软件的方法进行消抖。
在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。
第四章水位水质自动控制系统软件设计
4.1主程序设计
系统软件是整个系统的重要组成部分，只有在它的指挥控制下硬件电路才能进行工作，完成相应的功能，而且部分硬件电路的缺陷还可以通过软件编程加以弥补。
根据系统的功能要求，软件是用MCS－96汇编语言，采用模块化结构，由主程序、自动检测跟踪子程序、校准子程序等组成。
在本系统中，高精度测量的实现在很大程度上是由软件来保证的。
主程序包括系统参数初始化和循环工作过程，是本系统中软件部分的核心。
它主要完成的任务是：
首先，对单片机状态参量和程序自定义的状态参量进行系统初始化；其次，对各子程序进行管理和控制，安排相应的指令，提供子程序的入口数据，以达到完成系统功能的目的，如图4-1所示。
图4-1软件设计图
初始化子程序主要用来对单片机的一些寄存器、I/O口等的初始状态进行设置，对一些集成电路芯片的电源进行开/关。
其中主要包括初始化堆栈指针，关中断，停止看门狗，清除中断标志等；对系统进行校准，对一些重要参数校准存储，如温度电桥电阻，运算放大器放大倍数，零点漂移；接着程序进入主循环，开启中断，进入低功耗模式，等待中断进入。
当水池水位处于上、下限之间时，P0．0=0，P0．2=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升．还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P0．0=1，P0．2=0，此时启动电机转动，带动水泵给水池供水。
水位检测信号与输出控制操作关系如表4-1.所列，图4-1为水池水位控制程序流程。
表4-1水位检测信号与输出控制操作关系
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
输出控制操作
1
0
0
0
灌水机启动
0
0
1
0
排水机启动
0
1
0
0
停机
0
0
0
1
水位报警
第五章硬件抗干扰技术措施
5.1硬件抗干扰技术措施
仪器仪表在实际工作中，其自身各部分及与周围其它电子设备之间，都不可避
免的存在各种形式的电磁干扰，轻者使仪器产生误差或错误，严重的甚至会导致仪器的损伤。
因此在产品开发过程中，抗干扰设计是至关重要的一个环节。
一方面，它必须有效的避免因外界电磁干扰导致的仪器自身性能的降低；另一方面，还须尽可能地减小仪器自身对外界的干扰，保证一个系统中的各个设备协调无误地工作。
本设计中采用了下列硬件措施来提高仪器的抗干扰性能:
1.从交流电网到稳压电源输出的直流电包含大量的电磁干扰信号，接在同一个电源上的各电子设备也会通过电源馈线的传导相互干扰。
为减小传导干扰，可在PCB板的插件面，用0.lpF的电容（表面封装式）直接接到每个集成电路芯片的VCC端，实现良好的解藕。
2.模拟电路与数字电路分开，模拟地与数字地仅在唯一一点相连，同时加粗电源线和地线，消除信号传输中的共模干扰。
3.板内导线应避免采用大环形的布局方法，在布线时应尽可能将同一输出而电流相反的导线平行布设，以减少对其它导线的磁场祸合。
4.信号线尽可能短，优先考虑小信号线，采用双面走线，使线间距尽可能宽，
布线时元器件面和焊接面的各印刷引线要相互垂直，以减少寄生电容;尽可能不在集成芯片引脚之间走线;易受干扰的部位增设地线或用宽地线环绕。
5.在允许的前提下，尽可能采用较低速的时钟以减弱电磁干扰。
6.通讯接口电路采用光电祸合器件以隔离两个系统的地线，消除地电位不同所产生的影响;同时利用光祸还可形成电流环电路的传送形式以抑制噪音。
当串入系统的干扰作用于单片机内的CPU部件时将导致系统失控。
典型的故障
是破坏程序计数器PC的状态，使程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入“死循环”。
使程序摆脱“乱飞”或“死循环”状态而纳入正轨的方法包括软件陷阱技术、看门狗技术、软件数字滤波技术等。
5.2软件抗干扰措施
1.软件陷阱技术
软件陷阱技术就是用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门进行出错处理的程序，以使程序按既定目标继续执行。
如果把这段程序的入口标号称为ERR，软件陷阱即为一条“LJMPERR”指令，为加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令。
因此真正的软件陷阱为:
NOP
NOP
LJMP，ERR
软件陷阱可设置在未使用的中断向量区、未使用的ROM空间、表格的末尾以及LJMP、SJMP、RET工等转移和返回指令之后。
在正常情况下，程序不会执行到这些地址处，只有程序乱飞时才会遇到软件陷阱。
这样CPU就可以准确地捕获到乱飞的“程序”而又不会影响正常执行的程序流程。
本设计中ERR代表000H0，即遇到软件陷阱立即从头执行程序。
2.看门狗
当程序进入死循环时，软件陷阱也就无能为力了，这时可用看门狗技术来补救。
本设计中采用软硬件相结合的看门狗技术。
在程序正常执行时每隔一段时间触发看门狗电路（“喂狗”），使看门狗电路不产生复位信号；若程序进入死循环，则不能喂狗，看门狗电路会产生复位信号，使程序从头执行。
此外，户机和采集器间的低频通讯，大大降低了干扰的可能。
3.数字滤波法
根据数据受干扰性质及干扰后果的不同，采取的软件对策各不相同，没有固定的模式。
对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，在硬件措施上常采取有源或无源RLC网络，构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。
同样，运用CPU的运算、控制功能也可以实现频率滤波，完成模拟滤波器类似的功能，这就是数字滤波。
在许多数字信号处理专著中都有专门论述，可以参考。
随着计算机运算速度的提高，数字滤波在实时数据采集系统中的应用将愈来愈广。
在一般数据采集系统中，可以采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。
下面介绍几种常用的方法:
（1）算术平均值法:
对于一点数据连续采样多次，计算其算术平均值，以其平均值作为该点采样结果。
这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响;一般3-5次平均即可。
（2）比较取舍法:
当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较取舍法，即对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律，确定取舍，从而剔除偏差数据。
例如，“采三取二”即对每个采样点连续采样三次，取两次相同的数据为采样结果。
（3）中值法:
根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况，对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。
5.3系统误差分析
5.3.1测量误差的来源
热量计系统中，误差的主要来源有:
温度传感器、流量传感器、A/D转换、放大器等电路中与精度有关的元件引起的误差。
其中，温度传感器在常温区范围内有一定的
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