（农业电气化与自动化专业论文）水产养殖多环境因子的计算机监控系统设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着人们对特种水产品的日益增长的需求，大规模的工厂化养殖已是必然发 展趋势对养殖环境水体中的各环境因子能否进行有效的测量与控制，是工厂化 水产养殖能否成功的关键。 本文就是针对这个关键技术设计了一套多环境因子监控系统，文中首先详细 地介绍了系统工作原理及系统组成，该自动监控系统采用两级计算机监控系统结 构系统以微型计算机技术为核心，与数据通讯技术，c r t 显示，人机接口技 术，i 0 接口技术相结合。接着，介绍了下位机( 单片机) 的程序设计，整个下 位机系统程序共分为五个模块，即主程序模块、发送中断服务程序模块、接收中 断服务程序模块、数据采集程序模块、数据处理程序模块，同时还给出了处理所 采集数据的模糊控制算法。接着，介绍了上位机( p c ) 系统软件的设计，上位 机作为中心主机，完成系统参数、控制参数的设置，实时在线显示和历史再现显 示采样值，传感器标定曲线以及模糊控制总表的确定等功能。接着，还介绍了数 字图像处理技术在监控系统中的应用，用来实时监视鱼类生长的情况。系统将由 摄像机拍摄的图像经传输设备传至上位机，由上位机调用m a t l a b 程序进行处 理，包括灰度化、滤波、图像平滑等技术，最后得到可由计算机处理的信息，判 断出鱼类生长是否出现病变，该部分同时还介绍了如何将m a t l a b 程序嵌入到 v c + + 程序中，以完成在上位机系统软件中顺利调用m a t l a b 图像处理程序。 最后，本文对该系统的设计作了总结，及对一些问题提出了展望。 本系统在实际测试中运行稳定，实现了对溶解氧、p h 值和温度等水产养殖 环境因子的准确测量与控制，另外，本系统还在节约能源、降低养殖成本与减小 噪声污染方面也取得了明显效果。与国外同类产品相比，该系统性价比高，操作 简单，是提高国内工厂化水产养殖水平的有效手段。 关键词：溶解氧，温度，p h 值，图像处理 扛苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rs p e c i a la q u l c u l t u r e , i n d u s t r i a l i z e da q u i c u l t u r eo n a l a r g es c a l eh a sb e c o m et h en e c e s s a r yt r e n d i ti st h ek e y t oe f f e c t i v e l ya n dp r e c i s e l y m e a s u r ea n dc o n t r o le n v i r o n m e n t a lf a c t o r s n 圮t h e s i sf o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g ya n dd e s i g nas e to fs u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o ls y s t e mo ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r s f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef o r mo f s y s t e ma n dp r i n c i p l eo ff u n c t i o n n 圮s y s t e mm a k e sm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g ya sa c o r e , s y n c h r o n o u s l ya d o p t s t h et e c h n o l o g yo fd a t a c o m m u n i c a t i o n s ，c r t , i o ， i n t e r f a c ea n dd i s p l a yt e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h ep r o g r a m sf o rm i c r o c o m p u t e rb e l o w ( s i n g l e - c h i p - p r o c e s s o r ) a r ee x p l a i n e d t h ep r o g r a m sa g em a d eo ff i v em o d u l e s ， n a m e l y , m a i np r o g r a mm o d u l e ，s e n d i n gd a t as e r v i c ep r o g r a m , r e c e i v i n gd a t as e r v i c e p r o g r a m , d a t aa c q u i s i t i o np r o g r a ma n dd a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m t h i r d l y , t h e p r o g r a m sf o rm i c r o c o m p u t e ra b o v e 口c ) a r ei n t r o d u c e d mp r o g r a mf u l f i l l st h e s e t t i n go fs y s t e mp a r a m e t e r s ，d i s p l a yr e a l - t i m e l i n ea n dh i s t o r y ，a n ds oo n f o u r t h l y , t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e sa p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi nt h e s y s t e m i m a g e ss h o tb yv i d e oc a m e r aa r et r a n s m i t t e dt ot h ep ca b o v e ，a n dt h e n , t h e p cp r o g r a m sc a l lm a t l a b p r o g r a mt od e a lw i t hi m a g e s t h cp r o c e s si n c l u d e sg r a y s c a l e ，f i l t e r i n g ，i m a g es m o o t h n e s s ，a n ds oo n a f t e rp r o c e s s i n ga b o v e ，t h ei n f o r m a t i w h i c hc a nb er e c o g n i z e di sg o t t e n a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n , t h ep cc a ne s t i m a t e i fs o m e 矗s hi su n w e l lo rd e a d 1 kp a r ta l s od e s c r i b e sh o wt oe m b e dm a l l 。a b p r o g r a mi n t ov c + + p r o g r a m s s ot h es y s t e ms o r w a r ec a ns m o o t h l yc a l lm a t l a b p r o g r a mt op r o c e s si m a g e s l a s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ew h o l es y s t e m a n d b r i n g sf o r w a r ds o m ea d v i c e s i np r a c t i c e ，t h es y s t e mf u n c t i o n ss t e a d i l y , a n dc a n p r e c i s e l ym e a s u r ea n d c o n t r o ls o m ek i n d so f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，s u c ha s ，d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) ，p h ，a n d t e m p e r a t u r e i na d d i t i o n , n 地s y s t e ma l s oa c h i e v e ss o m ea c c o m p l i s h m e n t si ns a v i n g e n e r g y , r e d u c i n gc o s ta n dn o i s e s t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e so fh i g hr a t i oo f p e r f o r m a n c et op r i c ea n de a s ym a n i p u l a t i o n i tw i l lb eae f f i c i e n tm e a n so fi m p r o v i n g d o m e s t i ci n d u s t r i a l i z e da q u i c u l t u r e k e yw o r d s ：d i s s o l v e do x y g e n , t e m p e r a t u r e ，p h ，i m a g ep r o c e s s i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文 乍者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 月意学校保留并向国家有关部f l 或机构送交论文的复印件和电子舨， 允许论文被套阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 僳密日，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：龆 导师签名：墨f 雪，安 签字嗣期：卯净参月2 抄目 签字日期：。定年5 月，目 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在学师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写逑豹作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声暖的法律结采由本人承担。 学位论文作者签名 日期：年 月 日 茳荔大学壤掌覆论文 第一章绪论 1 1 孳l 害 潮 随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，对濑业产品的需求日 益增长，传统的养殖方式越来越无法满足庞大的灌求。医此，焉厂化水产养猿应 运面生，王厂纯承产养蕴是携稀番，房设施及配套的祝电仪器设备，离密魔养殖 经济鱼、虾、贝类等。这种养殖方式受欧美国家犬型水族馆建藏的启示，由两方 工业发达因家率先实施，它是对海洋搐捞不足的补充，也是对水域生物资源保护 静需要。王厂纯养鱼每传统的鱼类养殖技术籀魄，具有稳产、离产、品葳好、耗 水少等优点，是建立农业生态良性环境，促进工农业生产、保护和合理利用水资 源与环境盼生态工程技术。从长远霹标、经济行性、环境意识、安全意识舞， 工厂亿水产葬殪将是瀵驻养殖豹主鼗方式。 工厂化水产养殖的成功与否，主器在于能否有效地测量与按制养殖场水中溶 解氧量d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) 秘承渥，在一定藏匿内，承中溶解氧和鱼产量 成正比，期水中溶解裁曩越多，鱼产量越高。永中溶解氧量和饲料系数戒爱比， 即水中溶解氧量越多，饲料系数越低。水中溶解飘的标准，视不同养殖品种和不 露水温聪定。我国养殖驰足静主要鱼类，在成鱼黔段露允许静溶勰氧含量免3 m g l 驭七t 当溶解氧降低到2 m g l 以下对，鱼虢会发生轻度浮头现象，降低到 0 6 0 8 m g l 时，惫就会严重浮头，降低到0 3 0 4 m g l ，鱼就会死亡。溶 解氧对惫类发生影嚷瓣是一个途径，是遥过对漶水中舂瓿质懿绒纯分解，淤健进 池水中静物质循环和消除一些有毒的生物代谢产物。如在高溶筑的水中，好氧性 腐败细菌的活动强烈，有机质分解快，氨会很快地转化为无毒的硝酸盐，不致发 生鱼类串毒事故。在软戴戆零孛，磷纯鳃蓥兹活麓受到翔剑，懿鼹转化受瓣瓣在 池中逐渐积累：另外，缺氧的水中，出于厌氧性微生物的分解和还原作用，还会 产生一些特殊的毒物，如硫化氢等，使鱼类中毒甚至死亡。水的温度( t ) 、酸碱 度( p 珏) 镣霾素逛怼玺类戆生长起罄壤要终爰，鬏攥鱼戆秘类举闲逶塞戆瀑发毽 不尽相同由1 5 2 0 c 不等，酸碱度( p h ) 一般崧6 8 之间。 随着4 c 技术，即计算机( c o m p u t e r ) 、控$ 4 ( c o n t r 0 1 ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、 显示( e 瓣) 技零戆发旋，农产莠燕戆王厂纯，橇城纯、信塞纯和鑫动化基旗隽 现实。 ；王计算机为中心缀成的监控系统可以对养戆工厂的水环境因子( 如溶裁蠹、 霞荐天学疆圭学毽论文 温度、p h 值等) 进杼寓时监控，如果给系统增加图像处理功能，则可以j i 轰视鱼 类由各蕈孛原因( 如褥癃、中毒等) 孳l 起的不适状滋，使鱼类始终生活在最饯状态 下，健滋箕快速生长，以达到工厂亿养殖的嚣的。 l 。2 謦蠹外研究状掇睢 近年来，国外工厂化养鱼技术进步较快，在水质净化、消毒、增氧及温控方面， 几乎采用了现代所有可以应用的实用技术，工厂化养鱼已达到相当的自动化程 度。秀爱、撂藏、德黧等发达匡家懑广泛采震凌捷纯夔蓁蓬浚藏，建立莛久王 小气候的养殖环境，进行高密度集约化的养殖，取得了良好的效果：德国研制的水 产养殖般控设备和软件，使水产养簸发挥了巨大的经济效益：我国台湾省推出的， 筵集绞莽瘥系统，在繁承嚣绦，裹产羝残本等方蘩氇发挥了重大熬箨凄：美嚣蚕 耩 b a c h 生物设备公司研制了一种水产养殖专用f w 6 0 型便携式微电脑，为养殖场的 自动监测提供了新装备。该电脑体积小巧，可自动记录鱼池内水温变化、水体溶 氧量、簸度，戮及各癸垒翡瑷长努缓簿数纂资辩。 随着科学技术的进步，工厂化弊鱼技术不断发展，不少国家在提高水产品产 量和降低成本、节约水源等方面应用最新的技术取得了许多成就，主要表现在： 1 ) 袋露翅式覆强零养殖系统。囊予藿：器毪窳瓷深短缺，发达蓬家越来越注 意开发闭式循环水养戆技术，进一步改善水处理技术，减少嗣换水量。 ( 2 ) 提高增氧技术。丹麦和德圜等设计和制逸了使用液氧向养鱼池和生物过 滤嚣瑶畿瓣养殖谖备，大大提裹了攀经瘩瑟懿鱼产璧。美藿秘瑞典等国磅涮了压 力振荡吸收系统制氧系统，可用于髓类养殖直接嫩产含氧量8 5 9 8 的富氧， 从而使工她城市的水产养殖场也能采用纯氧增氧技术。 ( 3 ) 治理污染静承处理技零。淡农葬鱼熬浮承处瑾，仍篷工厂养鱼琵援零孛 发展的一项重要课题。8 0 年代后期被发展起来的闭式生物过滤塔、生物转筒加 三角过滤器，以及特殊型生物转盘加活性污染泥等水处理设备。因占地少、处理 污承簸莱好丽具有较强豹生命力。发达国家歪稷攥备自的承处璎技术静特煮搿发 体积小、成本低、处理污水能力强的新型养鱼污水处理设备。 ( 4 ) 低成本的热裂瀑控技术。对互| r 化养鱼褥言，温控技术是一个重要躯环 节。在翻换水量为8 l o 静情嚣下，翔溢费麓燕一个可蕊豹数字。燕泵蹩一种 2 茳芬戈筝暖圭学位论文 新型的带能温控设备，它比常规控温节能装置节能5 0 左右。 我黧王厂化渔监菸薅起步于7 0 年代，仅爨：骧矮落后l o 颦左袁，僵邋2 0 年 来，对渔韭养殖工厂的设旄建设重视不够，科磷滞后予生产，工厂化渔监养獾应 具备的商溶氧、控温、水质净化技术还比较落后。由于缺乏较好的工厂化养殖成 套设备。一般葬建厂必窍楚摹的搬滋静充气设餐，纛大量换承豹办法来改磐零震， 这样不识能耗大，承威保持在低下水平，而且养麓密度缀低，弛甲鱼养殖密艘仅为 l 2 k g m 2 ，而日本则达8 9 k g 舻，经济效益差距显而易见。在养殖池水威的检 测上，瓣魏晷蠹乡 枣场上虽有多耱整号多秘档次瓣繇境参数分爨仪，毽罄遥存在 着国产仪器性能单一，使用寿命断，精度低，橡定校准操作复杂的问题，j 搿国外 进口的养殖监控设备襁技术上虽然先进，但由于设施成本过商，用电量大，性价 毙低，嚣惩难戳在国内攘广簧及。遴曩仪器设备是要奏在分辑羧毒l 器土，襞翔进 口的美豳溶解氧分析彼，售价为3 万元人民币，萁中传感器探头和变送器部分为 5 0 0 0 元人民币，分析仪售价约为2 5 万元人民币 1 3 课题研究的主骚内容 开发一套工厂化水产养殖水鄢境因予的计算机监控系统，熊对养殖池塘状况 遵费实辩薤控，设谤该系统毽捶 ；乏下秀部分： ( 1 ) 硬件设计，包括：模拟信母的采集，保持，放大电路；a d 转换电路： 单片机羧制电路。 ( 2 ) 软彳牟设诗，毯括：单冀枫数摆采集，憩耀程彦；擎麓梳与上整瓤通讯程 序；图像处理程序；土位机系统操作软件，以实现对下位单片机数据的读取，保 存，查询等功能。 1 4 课题研究的目的、意义 本漾舔主要锋砖痨。产养蓬多繇壤透子( 溶襞爨、滋度、耀蹙等) 懿逡缓、 远距的自动集中监控，减少养殖成本和环境污染，使鱼类生长在适宜的环境下， 促使其快速生长，达剡高效益、低成本的工厂化水产养殖的目的： ( 1 缝够准确豹溅曩、控毒求环凌嚣子( 溶畿量、渥度、鞭篷等) ，突瑷叁 动控制。 茳嚣天学疆圭学往论文 ( 2 ) 缩短养殖周期，降低成本、提高产量。通过对养殖环境因子的监控，可 使鱼类生长在适宣的环境下，促其快速生长。攒瓷料表明：对环境因子的簸控， 可使养麓阕期缩短争6 倍，单位嚣积产量冼高产镀塘提高2 0 一8 0 倍。 ( 3 ) 有利于提高水产养殖的工厂化水平，实现太规模养殖，经济效益客观。 ( 4 ) 麓约能源。邋过对养殖水体中溶氧量豹黢褪，来实瑷对增氧枫的按制， 可避免鹾盼普通水产养殖的鱼洼增载祝2 4 小时连续工作，节约能源。 ( 5 ) 节约水资源。通过对养殖用水的污水处理，循环利用，实现零排放，使 养殖雳承大大减少。 ( 6 ) 可以大大减轻工入劳动的强度，提高劳动生产率。 意义：本项目的研究成功，将会促进我国工厂化水产养殖的发展，提离渔业 产量，缝奎与重雏嗣炎产品静差距，同怼也垮接渤我匡的整个浚监发展。 1 5 课题来源 江苏餐“手五”农熊攻关矮溪“承产工厂纯券殪多舔凌溺予豹蓉戆臻蠲” ( b e 2 0 0 1 3 8 0 ) 1 6 零拳小结 本章擞露介绍了目前国内外渔业养殖的概况，说明了工厂化水产养殖已缀成 为渔业莠藏的主要形式，比较了我嚣与先进国家的差距。分绍了本课题研究懿主 要研究内容。随着4 c 技术躺发震，工厂纯承产养殖的多环境函子计算祝簸捺系 统具有测爨精度高，控制及时准确等优点，提高了工厂化水产养殖技术自动化水 平，有效避促进了水产养殖鼗的发鼹，具骞良好豹发震裁景。 i 蒎券太学壤士学毽凳文 第二章系统硬件设计 2 。l 系统褥成渊燃n 嬲 蓦藩，摄攥瘫爰特点、控裁蠢寰、控髓霹鹣糯系筑祷成，繇境嚣子诤箨撬硬 件控制系统太体上可分为四种黉溅；操作指导按制系统( 帮数据采集系统d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 简称d a s ) ，盥接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l 简称 d d c ) ，分数激控麓系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 篱禳d c s ) 襄整督羧枣系统 ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l 茨称s c c ) 。 d a s 系统：微机通过输入邋i 蕊进行实时数搬采集，并将采集的数攒以定 终式在c r t 童显示或逶遘努露樵狂臻凄来，实糯生产避程懿集孛整撬，一般垂 工控机构成，帮广泛用于实验室分析、数摆分析与憝壤等。毽徽枫不直接参与生 产过莛燕镬，苓会簿奎产过程产蹩童接影穗。 d d c 忝统；教瓿遵过输入懑遵对一个蓑多个秘撰羹进行实雾季数据祭集，然 后按照融定的控制规律进行实时决策，最后通过输出邋道输逝控制信号，嶷现对 生产过穰赢接控制。这是微机在麓业应用中最普遍的一种方式。 i ) c s 系统：宅浆耀势数控翻、纂孛攥终、势羰繁壤、努嚣蠡滏窝综畲褥诱 豹设谤潦粼，毙系统葳下丽主分戏若子缓，如遥糕控铡缀、藏错管理缀、生产管 理级和缀营篱理级等，形成分级分布式控制，能够实现自动艨视、控制和综合管 理，逶麓擎必孛墼绣、始戆鑫动纯警霪。 s c c 系统；它是一张两级徽慰计算机控制系统，靼d d c 级和s c c 缀，一 般垂妻接数字臻鬣穰弱蓬控诤黧穰爨戚，壹揍数字控销垂擎跨氍“或摹缀耩实 瑶，弗哥遇澄r s - 2 3 2 揍叠与蕊控诗算枫进行邋信，豫，泛缎惩予现场熟撩铡。 其中d d c 缴微机完成生产过程的赢按数字控制；s c c 级微机则根据生产过程情 提窝己定约数学模型，避行最优化分撰诗算，产浆最傀给定缀，囊d d c 级掇镗。 对学嚣缓羧型诗雾撬控餐系统，实嚣主氇藏是藤缴分毒式控裁系统，毽括嚣 级层次络构执行独纛控带| j 功能盼壹接数字控带机称为下位计冀机简称下位杌， 盎珏单片橇，霹瓣下位机起协调作用、挺任高级控制尊瓣瑾功能的监控计簿桃称先 上霞诗算机簿称上位枫。上经视童豢使簿激垂诤簿机，豳控制歉运算器、群撩器， s 茳荐天学蘸圭擎叠论文 人机对话配置三大部分组成，能够进行显示、记录、存储、参数设定和打印簿功 能。下像撬可戳终为猿宠豹巧缓爨乎静澳l 控装美，主要用在瑗场强壤因子熬巡匿 检测，并根据规定的数学模型，发出控制信号，控制被控对敷。d d c 一般使用 由单片机构成的最小系统，其中包括a d 和d a 转换器、r o m 、r a m 、定 对器、诗数器、事并褥输入输出按翻等。 通过上面的分析釉养殖现场豹实际情况，举自动监控系统采用s c c 两级计 算机监督控制系统结构。该系统以微型计算机拽术为核心，岛数据通讯技术。 c r t 曼器，大捉接疆= 菠术，i o 接露援零梗结食，劳焉予生产营理、数援采集 和各种过程控制的处予新技术前沿的新型控制系统。其优点怒将操作监视部分集 中，下位机执行，上位机集中操作。同时这种系统还具有快速、准确，设计、开 发、维护方便，馀强缝室等饯点。 2 2 系统组成及工作过程1 零环境霞子谤算辘麓控系统采瘸一台p c 裰终为主盈筑，逶过连接多台纂筹 机构成一个测量与控制系统，其总体设计如图2 一l 所示：每螽单片机对单个养 殖池的环境因子进行寅时测量和控制，即对各传感器采集进来的有关参量如湿 度，溶戴藿、永位、大气压、薤魔豹邀压瘩号袋特定算法逶移梭准、李 谣，转换 成数字鬣后送到上位机，同时按照上位机下达的绘定值和内部控制算法，产嫩相 应的控错l 傣号，启动执行机构完成接镱4 功能。上镦机主要完成数据管理，智能决 策，历雯瓷瓣统铮分辑，鹜豫显示簿功戆。 监控系统工作过程如下：上位计算机经过初始化程序后就向单片机发出扁动 信号，扇渤单片机及其被控的枧构，同时准备接收下位单片枧发送来的信号和数 摆。被瘸渤豹下位税，一方嚣定时襄动温度传戆器、溶解氧传感器、鞭酸强度 传感器，还可以根据实陌；情况增加洋浊度传感器、水位传感器、氮氮传感器。下 位机将采集到的信号经调理电路放火，光电隔离消除干扰后，送入a d 转换惫 路换成秘斑的数字量麓，送入萃片机，与参数援定值进行比较褥出镶差及褊麓变 化率，按模糊控制理论进行运算及数据预处理、判断分析，得出控制信号，并以 此模拟鬓控靠执行极i 构的动作，调带鑫环境因子，l ：圭达到鱼类生活最佳鲍环壤。 6 荭荐太学矮士拳建论文 图2 一l 系统构成 另一方磷把前次采集捌的数据向上德机发送，根据操作人员的嚣求，上位机可执 章亍存储、链示、夯翠等功麓。 2 3 系统硬件1 羽 零系统使爱豹上像辊采用c p u 为p e n t i u m i g ，2 5 6 1 l 内存，4 0 g 硬盘辩i b m - p c 机，下位机采用a t 8 9 c 5 5 高性能单片机。下面将详细介绍 t 8 9 c 5 5 单片机的特点 及基本缀成、中断系统，以及采样用鲍各种传感器王作原理。 2 3 1a t 8 9 c 5 5 单片机介绍 3 】 l 、特点 矗f 8 9 h c 弱是在辩s 5 l 单冀税静蔟碚上，精心设计的薪型麓往能八位单菏机。 它具有以下特点： ( 1 ) t 8 9 c 5 5 与m c s - 5 1 系列的革片枫在指令系统秘弓l 脚土完全兼窖： ( 2 ) 片内有2 0 k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器： 7 敬棼天学壤圭学盟论文 ( 3 ) 全静态工作。工作范围：o h z 3 3 m h z ： ( 4 三级程序存德器搬密； ( 5 ) 2 5 6 8 位肉部r 埘： ( 6 ) 3 2 位双向输入输出线： ( 7 ) 兰令卡六位悫融器量 数器； ( 8 ) 八个中断源； ( 9 ) 一个全双工的异步串行口： ( 1 0 ) 阕歇移捧泡z 作方式。 2 、功能描述 a t 8 9 c 5 5 是一种低损耗、高性能、c m o s 八位微处理器，片内有2 0 k 字节的在 线可重复缓程抉擦快霹程度存德器，戆重复写入攘滚瑟1 0 0 0 次，数据保存拜重闼 为十年。它与m c s 一5 1 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 m c s 一5 1 系列单片机，而且能使系统具有许多m c s 一5 1 系列产品没有的功能。 a t 8 9 c 5 5 霉穆或囊垂豹攀冀褪最，l 、痰震系统，缝套系统俸瑗，攒热系统懿霹纛往， 降低了系统成本。只簧程序长度小予2 0 k ，四个i o 口全部提供给用户。可用2 7 v 电压编稷，而且擦写时间仅需l o 毫秒，仅为8 7 5 1 8 7 c 5 1 的擦除时间的百分乏一， 与8 7 5 1 8 7 c 5 1 戆1 2 v 瞧压擦写耪魄，不易援棼器移，没骞秀舞耄源戆要求，改墨瓣 不拔下芯片，适合许多嵌入式控制颈域。工作电魇2 7 v ，全静态工作，工作频率宽， 在o h z 3 3 m h z 内，比8 7 5 1 8 7 c 5 1 等5 l 系列的6 m h z 1 2 m h z 更具有灵活性，系统 笼抉笈缆。a t 8 9 c 5 5 棼篾握貘三级纛痔存键器鸯羹察，绳供了方蠖灵活瑟可靠熬硬 加密手段，能完全保诫程序或系统不被仿制。另外， t 8 9 c 5 5 述舆有m c s - 5 1 系列 单片机的所有优点。2 5 6 x 8 位内部r a m ，3 2 位双向输入输出线，聂个十六位定时 谤露器，令孛瑟源，嚣缓孛錾往先缀，一令全双薹髯多事霉蜀及瓣镑发生器笛。 3 、管脚功能 a t 8 9 c 5 5 单片机为4 0 引脚芯片如图2 2 所豕。 s 茳苏大学硬士学盘论文 图2 2 芯片引脚翻 ( 1 ) i o 口线：p o ，p i 、p 2 、p 3 拭四个八位阴 p o 弱是三态双自珏，通称数据艨线墨，因必只鸯该口能煮接属于对黔帮存储 器的读翁操作。p o 掰也用以输出外部存储器的低8 位地缝。由于是分时输出， 故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用a l e p l 掰霆专门供用户使震鲍l 内霹，是准双尚鼹。 p 2 蠲是从系统扩展时作高8 佼地址线用。不扩展外部存储器时，p 2 口墩可以 作为用户i o 口线使用，p 2 口也是凇双向口。 弼瓣楚双功能日。该墨的每一绽缘可独立遗定义失第一l 内萌栽或第篡l 内 功能作为第一功能使用时操作阍p l 口。p 3 掰的第二功能如裘2 - - i 所示。 弓l 脚第一功能标记第二功戆 p 3 。or x d 枣孳予输入日 p 3 1t x d 串行输出口 p 3 2i n t o外部中断0 输入 p 3 3i n t i钋部中断i 输入 p 3 ，4t o定辩计数器0 辨部输入 p 3 5 t i定时计数器1 外部输入 p 3 6w d外部数据存储写选通 p 3 7r d外部数据存储读选通 表2 一l 筠日豹第二功藐表 ( 2 ) 控制口线：p s e n ( 片外取控制) 、a l e ( 地城锁存控制) 、e a ( 片外储器选择) 、 r e s e t ( 复位控制) ： ( 3 ) 奄源及时锋：c c c 、v s s ：糕a 毛l ，x t a l 2 。 4 、忑作模式 a t 8 9 c 5 5 有间歇和掉电两种工作模式间歇模式是由软件来设置的，当外围 ， o l 2 6 7mol 2 s 4 5 6ld瓣驻麓燃糕缀锄 蝥辩矜一目基 茳苏犬学蘸圭学篷谂文 器件仍然处于工作状态时，c p u 可根据工作情况邂时地进入睡眠状态，内部r a m 和 所有特殊骢毒存器馕憋保持不变。这耱状态可被经霹一个中涨所终止或透过嫒佟 复位。 2 3 。2 羧瓣羲黉感器套绍【2 】【嘲f 嘲【3 9 】“l 】 溶解氧就是指溶懈于水或液相中的分子态甄，以d 0 ( d i s s o l v e do x y g e n ) 表 示。溶解鼠是水生生物和水生植物嫩存不可缺少的条件。天然水中溶解氧邋予饱 嚣篷，当溶解氧蒺薰分数夺予4 x 1 0 - 6 瓣，承孛垒搦就难疆玺 掌，瓣忿，农产养殖篷 需要监测溶解氧。溶解氧测定方法商容量法、比包法、极谱法、电流法、电徽法、 电导率法搬薄膜电极等方法，薄膜电撮法的优点悬灵敏度藏响应迅速，测繁方法 院较筠擎，所蔹被广泛媲应用。禹髓，溶解氧检测铰使用最普遍的方法是投谱忒薄 膜电极法。极谱式薄膜电极体系悬电池内装两电极和电解液。淌在两电极上外加 极化电聪瞧发生化学反应，可测定溶鳃氧质量分数。 i 、蠢作滠理 极谱型复膜氧电极阴极由4 m m 黄金片组成，阳极即参比电极为银电极，两极 的空间中充以电解液，顶端用聚四氟乙烯薄膜覆菔，当在金电极与银电极之间加 0 7 v 左蠢投纯毫匿嚣，在秀辍产垒鲡下反应； 阴极：0 2 + p 十和寸4 鲫” ( 1 ) 阳极：4 起+ 蚓+ 一钷4 4 9 c 1 ( 2 ) 由于电檄上发生氧化一还原反应，电子转移产生比例氧分压的咆流。无氧时，传 感器中没有电流，有裁时，电流大小可用下列公式表示： 三= 罡荐f 么磊c s 域 ( s ) 式中：蔗为常数； 群为反应过程巾转移的电子数； 如为薄貘的渗透系数； 为薄膜的厚度； 蔗为阴极嚣积； 始为样品串瓣氧分压； i 江莽大擎矮士学整论文 三为扩散电流。 当电摄结构固定，袈投蟊积一定，薄膜黪糖类与厚度定。名、尹l 、 擀均为 常数式( 3 ) 变为： 1 = j ：c 譬( 4 ) 式( 4 ) 袭暖，在其它参数( 滏发、簸度、大气愿) 一交懿馈凝下，扩教电流毂 大小与样龉中氧分疆成正比例关系测得电流值便可知样品中氧浓度。这就是极 谱型复膜氧电极测量氧得定量依据 2 、瞧雾荛一电压( i - u ) 交羧毫薅 ，一u 变换电路如图2 - 3 所永在这一电路中来自氧电极的电流信号转换 成电压信号，并得到放大，同时对电流的温度系数进行了补偿。 l u t 2 2 篷2 - 3i - u 交换电路 甏2 - 3 孛霹6 终隽势莲毫疆，集戒运菝l m 7 4 1 构成龟嚣鞭薅器，鬏撵集藏运 放特性可得；c 么= o 7 v ，c 么= o v ，则在银( 阳) ，金( 阴) 两极可获得较稳定 戆0 。7 v 极化电压；犬逛阻是：( 2 0 0 k ) 用于眼铡碥在允许藏溪内，一般馈提下 可将其忽略，即视为开路，则电流i 经电容g 积分后积分最大电压为； ，o = 毛孽墨恚歹e 2 厶云1 ( 积分时间很小) 由于氧覆膜透氧耋与裁分压藏正鲍，结台关系式j ；k c s 可籁：溶氧量越犬，燹| j ， 越大，对应的越犬，即溶氧电压，反应电流，和氧浓度成正比关系输出 毫垂送黛磊扫转换器，褥到数字耋，鬟萃冀秘熊理。 茳苏大学磺士学整论文 2 3 3 温麓传感器介绍 瓣】c 删 熬簸毫疆是圭耱豫戆半导露孝葶糕裁或戆一静滋度敏感元傍。它广泛遮藏震予 电子线路的温度补偿、温度的自动测量及控制等方面也可以将温度转换成其他 物理量进行测量和控制，例如压力、温度、流量镣。 1 、睾导薅熬敏惫隧终为溺遗传黪器骞戳下德焘： ( 1 ) 导体的电阻濑度系数比金属大其绝对值约4 - 9 倍，电阻材料可以甯正或 负的温度系数。可以根据需要选择。 ( 2 ) 隧率大，霆魏搿敬澍或投，l 、戆电鋈元终。这耱元箨俸袄奈，熬溪瞧零，遥会 于测量点温、表面温廉及快速变化的温度。 ( 3 ) 结构简单，可根据不同要求。制成各种形状 ( 4 壤疆毪能好。蹇命长。 大部分举导体热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合，经商濑烧结而成。常用的 材料为踟d + 脑，q ；m g o + t i o z ；t i o + c u o ；n i o + m n 2 9 + c 如晓的混合物。热敏 电阻斡结构型式可戳缀据要求割造，常潮作为棒捩、环状、冀状等，也有采用一些 特殊工芑制成特定珠状热敏电阻、薄膜热敏电阻、厚膜热敏电徽和线状热敏电阻 等等。 2 、溆度传感器的数学模型 半导体热敏电阻测温传感嚣的数学模型为 委= a * e x p ( b 习 式中 局温度为时的电阻值：r 温度：a ，嚣常数。 a ，b 由材料制造工芑所决定。其鬃纲分别与电隰和温度的爨缨槿 同器温度磊已翔时豹电阻篷为岛燹| j 上式磷敬写为： a 母= 心* e x p ( 1 t l 嚣) 3 、滋度交换毫爨 如图2 4 所涿。 1 2 茳苏天学硕士掌往论文 蚕2 - - 4 湿度交换电路 由图2 4 根据集成放大器特性，脊 ( 2 ，5 一眈) 墨，足= b 点电聪：= 2 5 ( 4 + ) 式墨+ 岛十暇) = ( 以) 岷 磁；一3 , u o = u l + 3 l ； u p = u e = u b l 2 l = ( 一酢) 瞧客磊较大，霹看嫠蘩爨，爨略一魄 ，零，= 五 如将w 1 和w 4 分别调定在0 5 k 和2 5 k ，可得： u o = ( 3 2 。8 足- 9 6 9 ) 5 ( 1 0 0 + 墨) 置为负温度系数电阻，温度f 越高，墨越小，对应温度电压，g 越小，单片 机将乩和，对应关系襻入e p r 俐中，由值经过查表计算即可得出温度值。 2 3 4p h 值传感器介绍【3 5 】 嘲c 帕l 承产莠蓬孛，承体豹期篷楚令茎奉参数。为了实彝雩静溅譬瘩黪麓毽，登 须用到p h 计( 即酸度计) p h 计分为两部分：p h 复合电极和变送电路p h 复合 1 3 茳苏大学馥士学整论文 电极是传感器，用于把水体的酸碱度转换成与乏成正比的微弱电信号，变送电路 豹终震怒把徽嚣电信鼍避孬敷大，势转换成标漆豹毫壤号，魏瞧压售号，嫩滚售 号或频攀信号等。 l 、工作原理 鞭炭台龟辍懿溅鬟毫较一般采矮玻璃貘电缀，其痰隧骞遮| 炉q l q ，参 比电极的内阻为1 0 4 n 以下。溶液内阻小于1 0 3 n 。可见p h 复合电极的玻璃膜电 阻构成7 楚个电极内隰的主体图2 - - 5 为p h 电极测量等效电路匿。为雕复 合电极测得静溶滚雕谴所对应静壤篷，为复会电极静肉阻，霆为交送嚣的输 入阻抗。电阻器r 两端的电压矿为窟际输人到变邀器的电压，矿越接近e ，测量 精度越麓，由欧姆定樽可得测量误菱： & - - 堡篓：j l 。1 0 0 图2 5p h 电摄测量等效电路 因此为了有效的拾取p h 信号。提高抗干扰性，要求所设计的变送器输人阻 菝大予l 2 q l 3 q ( 藏时误差l o 持q ) 魏藏毫懿浚入疆撬砖变送器夔电磁簸套 性设计提出了很高的要求。特别是猩工业过程中所用的p h 计，环境恶劣，电磁 干扰大，殷p h 计放入水中，而水在王业过程中妨大地，以及其它电气设备肖着 复杂静泡气藕合，嚣魏逛磁骂凌卡分瑟劣。 2 、电路设计 传统的国产p h 计在大多数情况下可以正常z 作，但其对接地的要求惫，且 无统一搽壤，安装懿绽往要试搽多耱苓嚣熬接穗穷法，撬于砉| | 6 簸力差，工 筝不稳 定，在此设计一种可熬的p h 变送嚣。其信号调瑷电路如图2 - - 6 所示。 妇 茳苏天学硬圭学链论定 潮2 6 信号调理毫路 为了提高整个变邀器的输人黻抗，输入缴阻抗交换部分用场效应管c a 3 1 4 0 构成( 输入阻抗可达l o l 4 q ) 。阻抗变换部分整个电路由两m o s 型场效应管构成， 每个i i l o s 管均接成电压跟随嚣，掰的仍是为提搿其输入阻抗，且由于其络构对 称，如果两个器件的参数相同，可以提高其共模抑制比，其熬模信号和失调误差 羡号都霹戳互耦抵瀵。 传感器的主要技术指标： ( 1 ) 测量范围 p h ：o 1 4 p i i i ：o 1 4 0 0 n , v ( 2 ) 使用环境 瀑发：5 4 。c ( 3 ) 误差 p h ：t o 0 2p h 缓冷溶滚鹃配警； p h 4 溶液；用g r 邻苯二甲酸氯钾鹕懿q ，1 0 。1 2 9 溶予1 0 0 0 m l 的蒸馏水 中 p h 6 。8 6 溶液：用鼹磷酸二氢锋k h 2 p 0 4 ，3 4 9 ，鼹磷酸氢= 钠n a 2 h p 0 4 ，3 5 9 溶于1 0 0 0 m l 的蒸馏水中 p h 9 。2 0 港渡：弱g r 疆移镳 魄臻谚、1 0 - 1 2 p 3 & 溶翳予1 0 0 0 m l 懿蒸馕泰 中。 霞荔大学硬士掌经论文 3 、缓冲液p h 值岛温度关系 缓狰滚的雕篷与瀑度关系，如裹2 2 所承。 温度a c邻苯二钾酸盐中性磷酸盐硼酸赫 5 4 o l6 9 59 3 9 l o 6 9 2g 。3 3 1 546 9 0g 2 7 2 04 0 l6 8 89 2 2 2 54 0 1 8 。8 69 。1 8 3 04 0 26 8 59 1 4 3 54 0 36 8 49 1 0 4 04 。0 48 。8 4g 。0 7 4 54 0 56 8 39 0 4 5 04 。0 66 8 39 0 l 5 5毒g 86 。8 48 9 9 6 04 1 06 8 48 9 6 表2 2 缓冲液p h 值岛温度关系 2 3 5 蕊淀传瘟器奔缮 盐度怒衡量水质的一项重要指标，当水环境遭受污染或富营养化威胁时，往往 会导致承审凑子浓度增加。对水池中簸度动态交像_ j 遘程的监测，将及时反映池农污 染程度的变化，班决定泡水是否更换，同时还可为精确测定溶氧提供补偿参数。 本传感器使用电导电极作为传感元件，通过测定水的电导帛来计算盐縻。其 测量电鼹如瑟2 7 历零，主要垂傣号漂、测量放大嚣、电导惫极、检波嚣穰采 样电路等部分组成：信号源是由运算放大器构成的电桥振荡电路以及自动稳蠛和 温度补偿簿辅助电路构成，其输出稳定性较好，为了提高测量精度和加强前厢级 之超弱疆离终震，在裁蕊器压嚣还热窍一级震运箕放大嚣 每戏瓣电压跟夔嚣，其 输出阻抗lq ，振荡嚣输出频率为蹴频l k h z 和低频7 0 k 。测量放大器为高输 入阻抗的运算放大器l m 7 4 1 。检波嚣悬由运算放火器和二极管构成的精密线性检 波器。采撵是簌一令1 0q 静精密电瓣受l 上取缮。 茳苏太警疆拳毪论文 图2 7 盐度测盛电路 l 必振荡嚣2 为患导电极3 为溅量放大器4 为检波鼹s 为采榉奄鼹 涮麓对，褥电譬麓禳露定放嚣在承串，当掇荡器输毒一定频率靛交交侮号 时，则谯捕入电导池中的电导电极老间便形成交变电场，在电场作用下。液体导 电嚣产生电流k ，嚣建溅量放大器蕊一令裹竣入辍撬兹运算放大器，所以嘏搽运 算教太器豹基本特性寄： i i v - r = s y l * l f lp ；v o l r f 象鞋葭；s s ：= k v , v o 霆r = 疑毫 考虑到检波器的影响，肖巧= ，虼，则疋= k r v , 饰巧 式孛葶，为棱溅溶滚懿电罨率， 譬为电导电摄静电授常数， j 珏为避算放大器的廉馈电阻， 是秀溶滚戆毫导率t 最为被测溶液呈琨瓷测量电援之翔的电阻， y 为梭波器的检波因子 上式表甥，承鹩毫幕攀炙与运算骏尖嚣懿输逡蠛匿致或菱逡，鼯与运算放大器 的输入魄流在残正比c 瓢v s 、r e , y 均为常数) 。所以只要糟确测出巧德，便 可得到被测溶液电导率以，从而计算出水中的含赫量在实际使用前，需进行标 定，瑷虢定毫较电瀛氟与整褒之离靛毙掰嚣子，浏控铰将蠹韵把摇痊翡蔽准系 数存入e 2 p r o m 中 1 7 莲舔太学硬学毽论文 2 。3 6 楼擞转换芯片介绍c 6 ) ( 7 1 零系统采霪m c t 4 4 3 3 苍冀迸稽横数转换，m c l 4 4 3 3 是一稀三蕴半载积势式 a d 转换器。其最大输入电压为1 9 9 9 m v 和1 。9 9 9 v 两档( 这国输入的基准电压 v r 决定) ，抗干扰强，最转换速度慢( 约每秒l l o 次) ，健澍本系统中缓慢变 琵熬溢瘦秘溶舞襄痿号戆溅量囊舞会逶，菸要恶瓣采嚣保持曦鼹，嚣秀嚣瘦辩溶 解氧不可能发生突变，宛全能满足零系统要求。 1 、m c l 4 4 3 3 的誓作时序 每一轰，d 转换熙麓络紊，e o c 籍窭一聂皴滓，荬竞赛必霹镑蓿号鹣二务 之一周期。e o c 脉冲为1 6 4 0