工廠化養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程

1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工廠化養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 程紹洪 副教授 專業(yè)名稱： 電子信息工程 所在學(xué)院： 信息工程學(xué)院 2012年06月目錄摘 要IAbstractII第一章 前言11.1研究的目的和意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3研究內(nèi)容和方法1第二章 開放式工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)32.1概述32.2充氣增氧系統(tǒng)42.3 電子技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用5第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.1 CPU與存儲(chǔ)器RAM硬件接口電路設(shè)計(jì)73.2傳感器的選擇83.3單片機(jī)型號(hào)的選擇113.4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇133.5電源模塊153.6顯示部分設(shè)計(jì)173.7 晶振電路183.8復(fù)位電路193.9輸出控

2、制電路設(shè)計(jì)19第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)214.1主程序和中斷服務(wù)程序模塊214.2單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部資源分配224.3數(shù)據(jù)采集模塊224.4數(shù)據(jù)處理模塊244.5顯示模塊264.6實(shí)時(shí)控制模型31第五章 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)箱養(yǎng)魚系統(tǒng)335.1系統(tǒng)概述335.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介335.3 無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)的構(gòu)成345.4 無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)345.5無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義35第六章 結(jié)論與建議36致 謝37參考文獻(xiàn)38摘 要隨著工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖在國內(nèi)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的監(jiān)控作為現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要因素正受到越來越多的關(guān)注。本文針對(duì)我國水產(chǎn)養(yǎng)

3、殖急需應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀，研制了一套適合我國國情的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，它能在線檢測溫度、溶解氧濃度、酸堿度三個(gè)主要環(huán)境參數(shù)，并能在室內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，在室外網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的檢測。在室內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境，本系統(tǒng)采取了上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)；在室外網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境，基于水產(chǎn)養(yǎng)殖的現(xiàn)狀，結(jié)合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和RS 485有線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種新的多水體因子遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度和長壽命的特點(diǎn)。整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸及處理，它實(shí)時(shí)性好、自動(dòng)化程度高、電路簡單，在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用中具有一定的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：水

4、產(chǎn)養(yǎng)殖，環(huán)境因子，ZigBee，RS 485AbstractAlong with the development of aquaculture in domestic development, acquaculture environment monitoring as a modern aquaculture important factors are paid more and more attention.This article inview of our country aquaculture in urgent need of the application of automati

5、c control technology,develop a set of suitable for the national conditions of our country aquaculture environment factors control system,it can on-line detecting temperature,dissolved oxygen concentration,pH three main environment parameter,and in the indoor environment to achieve control of tempera

6、ture,the outdoor cage culture environment realization to the water temperature detection.In indoor environment,this system adopted on master-slave structure:the outdoor cage culture environment ,based on the current situation of aquaculture,combined with Zigbee wireless network communication technol

7、ogy and RS 485 cable network communications technology advantages,designe a new multiple water factor remote measurement and control system.This system has the advantages of low cost,low power consuption,low complexity and long life characteristics.The whole system realizes aquaculture environment p

8、arameters automatic acquisition and real-time data transmission and processing,its good real-time,high degree of automatic,simple circuit,in industrialized aquaculture application has certain practical significance.Key words: aquaculture,environmental factor,Zigbee,RS 485第一章 前言1.1研究的目的和意義在養(yǎng)殖水體有限的情況下

9、，走漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路，就要求在養(yǎng)殖模式上尋求發(fā)展，增加養(yǎng)殖密度，提高單位面積魚產(chǎn)量，減少養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的污染。研究本系統(tǒng)的主要目的是為魚類的生長營造有利的水體環(huán)境，從而以高密度、低污染、資源節(jié)約的養(yǎng)殖方式獲得較高的產(chǎn)量。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖中的信息化、自動(dòng)化，對(duì)提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前已進(jìn)行工廠化養(yǎng)殖試驗(yàn)的國家有中國、美國、日本、德國、丹麥、挪威等。從歷史上看，世界工廠化養(yǎng)殖技術(shù)的開發(fā)較早，但由于工廠化養(yǎng)殖本身的局限性，其發(fā)展速度較慢。20世紀(jì)6070年代，不少國家由于過濾系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備不夠完善，使得當(dāng)時(shí)一度繁榮的閉

10、路式工廠化養(yǎng)殖多因水質(zhì)控制不理想半途而廢。近年來工廠化養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展較快，如丹麥的霍姆伯式生物轉(zhuǎn)筒養(yǎng)殖系統(tǒng)、英國漢德斯頓電站的溫流水養(yǎng)殖系統(tǒng)、德國的生物包過濾系統(tǒng)、日本的溫流水養(yǎng)殖系統(tǒng)等，為工廠化養(yǎng)殖的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。我國的工廠化養(yǎng)殖起步較晚，規(guī)模小，設(shè)施落后，技術(shù)裝備水平和自動(dòng)控制水平較低，屬于比較初級(jí)的室內(nèi)高密度養(yǎng)殖，只是增加了充氣和流水，可以說還處在工廠化養(yǎng)殖的初級(jí)階段。80年代初我國漁業(yè)生產(chǎn)方式由捕撈型轉(zhuǎn)向養(yǎng)殖型，由粗放粗養(yǎng)轉(zhuǎn)為高密度精養(yǎng)，因而開始開展適合水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象生存與繁殖的水質(zhì)狀況研究。取得了主要水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物如草魚、青魚、團(tuán)頭魴、鯉魚、羅非魚、鰻鱺和對(duì)蝦等不同生長階段的主要

11、水質(zhì)參數(shù)。1.3研究內(nèi)容和方法從前面的敘述中可以看出，利用自動(dòng)調(diào)控方法進(jìn)行規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)，是獲得優(yōu)質(zhì)、價(jià)廉養(yǎng)殖的必備方法，掌握了水生物養(yǎng)殖的自動(dòng)控制技術(shù)，將使養(yǎng)殖生產(chǎn)的實(shí)用化、規(guī)模化、自動(dòng)化和商業(yè)化成為可能。在室內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境，本課題的主要任務(wù)是研制一套單片機(jī)系統(tǒng)，并使這套單片機(jī)系統(tǒng)能與上位機(jī)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。下位機(jī)單片機(jī)本身可單獨(dú)作為測控儀器使用，上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的科學(xué)管理。整套系統(tǒng)能夠完成養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動(dòng)測量和控制。本系統(tǒng)還采用無線傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的智能化調(diào)控，它不但可以避免傳統(tǒng)的手工化學(xué)測定存在的耗時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)不全等弊端，還可以及時(shí)了解

12、數(shù)據(jù)的變化情況，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，使水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理上了一個(gè)新臺(tái)階。為此，本課題主要研究內(nèi)容如下。1.3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成傳感器、電源、AD轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入、顯示輸出、聲光報(bào)警、繼電器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)放大等電路設(shè)計(jì)。1.3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。1.3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)在水體測控中的應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。第二章 開放式工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)2.1概述2.1.1 工廠化養(yǎng)殖概況工廠化養(yǎng)殖是指運(yùn)用工廠化、機(jī)械化、信息化、自動(dòng)化等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)，在室內(nèi)養(yǎng)殖車間里高密度養(yǎng)殖優(yōu)質(zhì)魚類，對(duì)養(yǎng)殖

13、生產(chǎn)中的水質(zhì)、水溫、水流、投餌、排污等實(shí)行全自動(dòng)或半自動(dòng)管理，始終維持養(yǎng)殖生物的最佳生理、生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到健康、快速生長和最大限度提高單位水體的養(yǎng)殖產(chǎn)量和質(zhì)量，而不產(chǎn)生養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)外污染的一種高效養(yǎng)殖方法。1.傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)存在的問題 無論是何種水域的傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，都受當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?。養(yǎng)殖對(duì)象都是變溫動(dòng)物，其體溫隨水溫的變化而變化，它們的生長受到水溫的制約。養(yǎng)殖對(duì)象在適宜的生長環(huán)境下，新陳代謝強(qiáng)，只有這樣才能發(fā)揮其快速生長、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，其中溫度是最大的限制因子。由于溫度不同，新陳代謝強(qiáng)度也不同。非最佳溫度時(shí)，其代謝強(qiáng)度明顯下降；當(dāng)水溫達(dá)到越冬溫度，魚類代謝下降至最低點(diǎn)，其體重非但

14、不增加，反而因?yàn)橄拇罅磕芰慷浔?，體重下降。由此可見魚類等水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物在一年中真正的快速生長時(shí)期并不長，而大部分時(shí)間由于生長水溫偏低或過低處于緩慢生長期和越冬期，造成魚類等水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物養(yǎng)殖周期過長的缺陷。另外，許多天然水域正受到不同程度的污染，也逐漸成為制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸。2.工廠化養(yǎng)殖的優(yōu)點(diǎn)：（1）在養(yǎng)殖車間的人工環(huán)境條件下，養(yǎng)殖生物的生長受外界環(huán)境的影響小，養(yǎng)殖周期縮短，并可全年生產(chǎn)；（2）養(yǎng)殖水體由于有供氣增氧設(shè)施和采用流動(dòng)水，可大大提高放養(yǎng)密度，單位體積的魚產(chǎn)量大大增加；（3）供水經(jīng)過凈華處理，可提高養(yǎng)殖用水的質(zhì)量，避免病原傳入養(yǎng)殖區(qū)；（4）占地少，適用于城市、廠礦和山區(qū)養(yǎng)殖；

15、（5）基本可以做到管理機(jī)械化和操作自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；（6）屬于知識(shí)與資金密集型產(chǎn)業(yè)，設(shè)施與設(shè)備投資大、技術(shù)要求嚴(yán)、養(yǎng)殖成本與封閉式養(yǎng)殖系統(tǒng)相比較低，比較符合我國當(dāng)前國情，故目前被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的育苗和魚蝦類的生產(chǎn)中。2.1.2 工廠化養(yǎng)殖的主要類型工廠化養(yǎng)殖主要有4種類型：自流水式養(yǎng)殖、開放式循環(huán)流水養(yǎng)殖、封閉式循環(huán)流水養(yǎng)殖和溫流水養(yǎng)殖等。1.自流水養(yǎng)殖 自流水式養(yǎng)殖是利用天然地勢形成的水位落差使水不斷地流經(jīng)養(yǎng)殖池，無需動(dòng)力。例如，在水庫大壩下設(shè)流水養(yǎng)殖池，在引水下山灌溉的水渠邊建造流水養(yǎng)殖池，養(yǎng)殖池流出的水仍可用于農(nóng)田灌溉。這種類型的流水養(yǎng)殖，成本低，但受當(dāng)?shù)氐匦螚l件

16、的限制，是工廠化養(yǎng)殖的原始類型。2開放式循環(huán)流水養(yǎng)殖 開放式循環(huán)水養(yǎng)殖的主要特點(diǎn)是利用湖、庫、河、海等水域，需用動(dòng)力抽水導(dǎo)入流水魚池，使用后的水直接排出或經(jīng)過處理循環(huán)利用，養(yǎng)殖系統(tǒng)始終與天然水體相連，故稱開放式。由于技術(shù)要求相對(duì)較低，設(shè)備簡單、施工較容易，我國目前大多數(shù)育苗溫室均采用此種養(yǎng)殖類型。3.封閉式循環(huán)流水養(yǎng)殖 封閉式流水養(yǎng)殖的用水需經(jīng)過專業(yè)處理后再重復(fù)使用。對(duì)技術(shù)和設(shè)備的要求高，投資大。如何設(shè)計(jì)理想的水處理體系，是該養(yǎng)殖類型的關(guān)鍵。它是在開放式工廠化養(yǎng)殖的基礎(chǔ)之上更佳完善的一種人工可控環(huán)境的養(yǎng)殖方式。4.溫流水養(yǎng)殖 溫流水養(yǎng)殖又可分為開放式和封閉式兩類。開放式的水源是溫泉水或工廠余熱

17、水，要求溫水水量充足，用過的水不再重復(fù)使用，一般有溫度調(diào)節(jié)及增氧設(shè)施。封閉式溫流水養(yǎng)殖對(duì)技術(shù)的要求較高，尤以水體凈化處理最為突出，但其生產(chǎn)效果好，是現(xiàn)代化養(yǎng)殖發(fā)展的重要方向【1】。2.2充氣增氧系統(tǒng)在集約化高密度人工育苗和養(yǎng)殖過程中，采用人工充氣技術(shù)和設(shè)備來增加育苗和養(yǎng)殖水體的溶氧量，可為提高單位水體的育苗量和養(yǎng)殖密度起到重要作用。水體中溶解氧的多寡直接或間接地影響水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的代謝水平、活動(dòng)規(guī)律、生理狀況、能量需求。育苗水體和養(yǎng)殖水體中除了育苗對(duì)象和養(yǎng)殖對(duì)象耗氧外，還有餌料生物及其他生物、殘餌、生物尸體等耗氧。因?yàn)橛绾宛B(yǎng)成的密度越高，投餌量越大，水體所需要的溶解氧也就越多，解決這一需求矛盾

18、的途徑只能是人工增氧。在開放式養(yǎng)殖系統(tǒng)中，不管是魚、蝦、貝、蟹育苗池，還是動(dòng)植物餌料池、預(yù)熱池和養(yǎng)成場的養(yǎng)成池，在生產(chǎn)期間都必須向水體充氣供氧，除供育苗對(duì)象和養(yǎng)成對(duì)象呼吸生長外，還具有激活水體、改善水質(zhì)、平衡水溫等作用。2.2.1充氣機(jī)的選用目前生產(chǎn)上使用的充氣機(jī)，主要有電磁式小型充氣機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、全無油旋片式空氣壓縮機(jī)、水環(huán)式壓縮機(jī)、往復(fù)式空氣壓縮機(jī)等，其型號(hào)規(guī)格因產(chǎn)氣量和壓出氣壓的多少而不同，可以根據(jù)不同的需要選用。電磁式小型充氣機(jī)具有體積小、重量輕、耗電量少、無污染和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，一般較多地使用在水深不超過1.5m的小型水槽。開放式工廠化育苗和養(yǎng)成系統(tǒng)所選用的充氣機(jī)多選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)，

19、正常工作時(shí)它具有輸出的空氣不含油污、配用電機(jī)容量相對(duì)較小而耗電較少、氣量較大、風(fēng)壓較低的特點(diǎn)，適合育苗和養(yǎng)成的要求。但噪聲較大，輸出風(fēng)壓不能突變，如果突然大量減少用氣量，風(fēng)壓升高，電機(jī)易過載而燒壞，所以采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為氣源的充氣增氧系統(tǒng)應(yīng)設(shè)安全閥。也可選用全無油旋片式空氣壓縮機(jī)或水環(huán)式壓縮機(jī)。水環(huán)式壓縮機(jī)，排出氣體無油污，風(fēng)壓相對(duì)較高，無噪聲，但目前應(yīng)用較少。而往復(fù)式空氣壓縮機(jī)一般壓出的氣體易帶油霧，需配有濾油性能好的裝置才適合水產(chǎn)養(yǎng)殖使用，目前在工廠化育苗和養(yǎng)成系統(tǒng)中較少采用。一般應(yīng)根據(jù)育苗或養(yǎng)成的總需氣量及平均有效水深，因地制宜地選用具有合適的風(fēng)量與風(fēng)壓的充氣機(jī)。育苗池和養(yǎng)成池有效水深在

20、1.5m以內(nèi)，可選用風(fēng)壓為2034kPa的充氣機(jī)，有效水深1.82m，可選用風(fēng)壓3449kPa的充氣機(jī)。羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓常用范圍在1549kPa之間；水環(huán)式空氣壓縮機(jī)最大風(fēng)壓大于147kPa；空氣壓縮機(jī)最大風(fēng)壓大于147kPa；往復(fù)式空氣壓縮機(jī)不同型號(hào)相差很大，風(fēng)壓一般都在147kPa以上。充氣機(jī)向育苗池或養(yǎng)成池水體每分鐘充的空氣量與育苗或養(yǎng)成的品種有關(guān)。海水育苗池，每分鐘向池內(nèi)水體全充的空氣量（mmin）為育苗水體（m）的1%5%。一般魚苗為0.5%1.5%；育貝苗為1.0%1.5%；培養(yǎng)動(dòng)物性生物餌料為0.5%1.5%。如果有500m水體，水深為1.6m的貝類育苗池，可選用通風(fēng)量為7mmi

21、n，風(fēng)壓為34kPa的羅茨風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，即可一臺(tái)運(yùn)行另一臺(tái)備用。2.2.2羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)，它的工作原理類似齒輪油泵，在機(jī)身內(nèi)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪，斷面形狀如同鞋底。葉輪分別安裝在兩根平行的軸上，每個(gè)葉輪的端部與殼壁及另一個(gè)葉輪中部的輪廓相吻合，它們之間保持極小的間隙。兩葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在機(jī)殼內(nèi)形成兩個(gè)室，一為氣體吸入室，另一個(gè)為氣體壓出室。羅茨鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口在機(jī)殼上下兩端，運(yùn)行時(shí)習(xí)慣以氣體從上部吸入而從下部壓出為多用。這樣可以利用壓縮后的氣體抵消葉輪和軸的一部分重量，使軸承的壓力減少，從而減輕磨損。2.3 電子技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用2.3.1基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖測

22、控系統(tǒng)多環(huán)境因子水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)是一個(gè)ZigBee無線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)采用星形或樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理的主節(jié)點(diǎn)和可擴(kuò)展的若干個(gè)測控子節(jié)點(diǎn)和可選的路由節(jié)點(diǎn)(用來擴(kuò)展無線通信距離)組成，其中主節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)、路由等功能，是一個(gè)ARM嵌入式系統(tǒng)，它除具有ZigBee全功能設(shè)備（FFD）的電路和協(xié)議棧之外，還具有RS 485串行通信電路，可以提供計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程訪問和控制功能，也可以本地執(zhí)行用戶的測控功能。子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)包含單片機(jī)的ZigBee協(xié)議應(yīng)用終端設(shè)備（RFD），它用來測量水體的各個(gè)因子參數(shù)或執(zhí)行水體改造設(shè)備的運(yùn)行控制，它通過自身的ZigBee模

23、塊和主節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)通信，并經(jīng)過ZigBee和RS 485網(wǎng)絡(luò)間接接受用戶的遠(yuǎn)程控制。路由節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)ZigBee全功能設(shè)備（FFD），它主要用來將多個(gè)星形子節(jié)點(diǎn)簇連接成一個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)，以擴(kuò)展測控范圍。具體應(yīng)用時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以放置在用戶的單位、居室等方便操作的地方，測量和控制子節(jié)點(diǎn)根據(jù)養(yǎng)殖現(xiàn)場規(guī)模的大小安置在水體適當(dāng)?shù)奈恢?，必要的時(shí)候可以增加路由節(jié)點(diǎn)以擴(kuò)大測控范圍，主節(jié)點(diǎn)安置在水池岸邊的測控室內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過RS 485網(wǎng)絡(luò)通信：子節(jié)點(diǎn)每隔1min測量一次，并向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次傳感器數(shù)值，當(dāng)測量到水溫或溶氧量偏低時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)水體pH值不正常時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提示是否更

24、換水體。2.3.2系統(tǒng)組成1數(shù)據(jù)采集器：數(shù)據(jù)采集器主要是由電源模塊、溫度傳感器模塊、pH傳感器模塊、水體透明度檢測模塊、溶解氧濃度檢測模塊、單片機(jī)控制模塊等組成。電源電路供電,單片機(jī)接收獲取溫度傳感器、pH傳感器等采集到的數(shù)據(jù),采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后，送到數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸出口（RS 323或者485）。2無線傳輸設(shè)備：前端采用ZigBee模塊,Zigbee作為一種無線連接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (歐洲流行)和915 MHz (美國流行) 3個(gè)頻段上,分別具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的傳輸速率。該型號(hào)設(shè)備

25、一般為終端節(jié)點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采用ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)可以通過串口直接輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可以通過GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，GPRS部分采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個(gè)終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點(diǎn)一個(gè)，節(jié)約了成本。2.3.3數(shù)據(jù)管理中心根據(jù)數(shù)據(jù)采集器每次傳送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，可以看到網(wǎng)箱各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的變化情況；網(wǎng)箱的集中管理，可以知道每個(gè)網(wǎng)箱的情況。管理人員可在中心控制室在管理平臺(tái)上設(shè)定正常溫度范圍。如果某網(wǎng)箱溫度超過設(shè)定范圍則

26、中心控制單元通過聲光等方式報(bào)警。并顯示出故障設(shè)備的名稱、地址和故障類型，管理人員可根據(jù)養(yǎng)殖實(shí)際情況增添或減少監(jiān)控網(wǎng)箱節(jié)點(diǎn)數(shù)目。2.3.4 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式通過固定公網(wǎng)IP連接。中心采用ADSL等INTERNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)。此種方案先向INTERNET運(yùn)營商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP，IP MODEM直接向中心發(fā)起連接，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 CPU與存儲(chǔ)器RAM硬件接口電路設(shè)計(jì)圖31 CPU與存儲(chǔ)器硬件接口電路圖31為CPU與存儲(chǔ)器RAM6264硬件接口電路。對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，控制信號(hào)是WR和RD。本系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的地址分配采

27、用了全譯碼的方式。AT89C51片內(nèi)地址線為P2.0-P23和P00P07(P23- P20直接與外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的A11-A8相連接，P0.0P07經(jīng)過74LS373輸出后與6264的A0A7相連接)，共12條，片選地址線共四條，其中P27控制三線-八線譯碼器74LSl38的工作，即與74LSl38的G1端相連，74LSl38的G2a 、G2b端相連接地，P24、P2.5、P26參加譯碼，分別與74LSl38的A、B、C端相連，且無懸空的片選線。因此，存儲(chǔ)器每個(gè)存儲(chǔ)單元只有唯一的一個(gè)CPU地址和它一一對(duì)應(yīng)，只要單片機(jī)發(fā)出一個(gè)地址就可選中存儲(chǔ)單元工作，故不存在地址重疊現(xiàn)象，其地址分配如下：

28、Y0： 8000H-8FFFH 接6264RAMY1： 9000H-9FFFH 接6264RAMY2： A000H-AFFFH 接ADC0809Y3： B000H-BFFFH 備用Y4： C000H-CFFFH 備用Y5： D000H-DFFFH 備用Y6： E000H-EFFFH 接8155Y7： F000H-FFFFH 備用當(dāng)G1=1，非G2a =0，非G2b=0時(shí)，譯碼輸入端為C、B、A，74LSl38譯碼器開始工作；當(dāng)不滿足上述編譯條件時(shí)，74LSl38輸出全為高電平，相當(dāng)于譯碼器未工作。因此，芯片6264的基本地址范圍是8000H-9FFFH。3.2傳感器的選擇水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類的生長發(fā)育

29、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、鹽度、亞硝酸鹽等，養(yǎng)殖對(duì)象生長發(fā)育的好壞，產(chǎn)量水平的高低、質(zhì)量的高低，關(guān)鍵在于環(huán)境條件對(duì)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?yàn)檫@三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象的影響起主導(dǎo)作用。下面分別對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行論述，進(jìn)而選擇傳感器。3.2.1控制參數(shù)分析1水溫池水的溫度是水質(zhì)諸因子中與魚類關(guān)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(dòng)，而且還影響其他環(huán)境條件，從而又間接地對(duì)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(qiáng)，每升溫l0，魚蝦代謝水平能提高23倍，但

30、溫度過高，卻會(huì)抑制魚蝦生長，甚至導(dǎo)致其死亡。溫度急劇下降，魚蝦會(huì)陷入休眠，在冰點(diǎn)以下，魚蝦會(huì)因體液凍結(jié)而死。在適溫范圍內(nèi)，水溫上升，魚蝦代謝加強(qiáng)，魚蝦的營養(yǎng)、生長、發(fā)育強(qiáng)化。因此，在實(shí)施魚蝦健康養(yǎng)殖時(shí)，控制每種飼養(yǎng)魚蝦的適溫范圍，具有重要意義。溫度影響?zhàn)B殖池的溶氧量。養(yǎng)殖池溶氧量隨水溫的升高而減少。以魚類為例，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(jī)物的分解作用隨之加強(qiáng)，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)特別明顯，必須引起注意。2溶解氧濃度池水中的溶解氧是與養(yǎng)殖魚類關(guān)系最密切的化學(xué)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

31、，在溫度等環(huán)境條件適宜的情況下，魚類攝食強(qiáng)度大，生長快，餌料利用率高；當(dāng)溶氧低于此水平，魚的攝食和生長就會(huì)受到一定的限制，低于2毫克升時(shí)，魚即不愛吃東西。魚蝦對(duì)氧的需求因年齡和環(huán)境不同而有所差異。急性缺氧時(shí)，魚會(huì)集聚水面，蝦會(huì)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(huì)成批死亡。慢性缺氧時(shí)，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(shí)對(duì)魚蝦生存影響更大的還是由于缺氧，導(dǎo)致整個(gè)水體環(huán)境的惡化。生產(chǎn)實(shí)踐中水池缺氧還是經(jīng)常發(fā)生的，特別是在氣溫很高的夏季，只要注意及時(shí)調(diào)節(jié)，并不會(huì)危及魚蝦的生長。3pH值 作為魚池一個(gè)重要的化學(xué)和生態(tài)因子，pH影響整個(gè)魚蝦健康養(yǎng)殖的全過程。在自

32、然界，從pH5095的水域中，都可以有魚蝦生活，這是由于生物在進(jìn)化過程中長期對(duì)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。對(duì)大多數(shù)魚蝦來說，生活環(huán)境中水的pH是相對(duì)穩(wěn)定的，也就是說它們喜歡在特定的酸堿度水中生活。我們養(yǎng)殖的淡水魚蝦最適宜的pH為6875。pH過高或過低對(duì)魚蝦都有直接損害，甚至導(dǎo)致其死亡。酸性水，可使魚蝦血液的pH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(duì)魚蝦生長同樣有害，堿性過高的水對(duì)魚卵卵膜影響更大，常常因早溶而引起胚胎過早出膜而死。3.2

33、.2傳感器及電路對(duì)于在線式水產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先必須選擇合適的水產(chǎn)環(huán)境參數(shù)檢測傳感器。為了滿足當(dāng)前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控的需要，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的水產(chǎn)環(huán)境參數(shù)檢測傳感器作為水產(chǎn)水質(zhì)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(fù)性，還是響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性都符合水產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控儀器的有關(guān)技術(shù)要求，而且輸出信號(hào)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(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)檢測傳感器的主要技術(shù)參數(shù)。1.溫度傳感器及信號(hào)調(diào)節(jié)電路：本系統(tǒng)選用的溫度傳感器屬于熱電阻式溫度傳感器，它的測量范圍是-5050，精度為±0.1。這種傳感器是利用導(dǎo)體在溫度變化時(shí)，其本身的電阻也發(fā)生變化

34、的特性，來測量溫度的。大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的關(guān)系可由式(3-1)表示： (3-1)式中： 熱電阻在時(shí)的電阻值； 熱電阻在時(shí)的電阻值； 熱電阻的電阻溫度系數(shù)1/?？梢?，只要a保持不變，則金屬電阻將隨溫度線性的增加，其靈敏度S為： (3-2)顯然，a越大，靈敏度就越大，純金屬的電阻溫度系數(shù)a為（0.30.6）%1。但是，絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，a并不是一個(gè)常數(shù)，它也隨著溫度的變化而變化，只能在一定的溫度范圍內(nèi)，把它看作一個(gè)常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，a保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度不同，而且，這個(gè)范圍均小于導(dǎo)體能夠工作的溫度范圍。本系統(tǒng)采用電橋差動(dòng)線性補(bǔ)償電路，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度測量范圍為-2050，以及A/

35、D芯片的輸入電壓范圍，設(shè)計(jì)了如圖3-2所示的測溫電路原理圖。圖3-2 溫度測量電路原理圖2pH值傳感器及信號(hào)調(diào)節(jié)電路本系統(tǒng)采用的是青島昱昌公司生產(chǎn)的GPP011型簡易酸度計(jì)，浸入式探頭，型號(hào)為GPE02P，輸出為0-5V的電壓?？紤]到它的輸出為電壓信號(hào)故無需進(jìn)行iv的變換，但輸出電壓信號(hào)小，所以必須放大。pH值調(diào)整電路原理圖如圖3-3所示。其主要技術(shù)參數(shù)有：(1)測量范圍: 114pH(±001pH) -20150(±0.1)(2)采樣速率：0599秒(3)環(huán)境溫度：-1065(4)相對(duì)濕度：<95(5)供電電源：AC110V/220V±10(6)功耗： 約

36、25W(7)線性度： ±002phf.s(8)重現(xiàn)性： ±002phf.s圖3-3 PH值調(diào)整電路原理圖3溶解氧傳感器及信號(hào)調(diào)節(jié)電路由于條件的限制，本系統(tǒng)沒有溶解氧傳感器，采用的是武漢恒科電子教學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的綜合實(shí)驗(yàn)儀上電位器提供的0-5V電壓信號(hào)，編程時(shí)根據(jù)0-5V與0-20mgL相對(duì)應(yīng)，標(biāo)度變換時(shí)按照線性關(guān)系進(jìn)行編程。溶解氧調(diào)整電路原理圖如圖3-4所示。圖3-4 溶解氧調(diào)整電路原理圖3.3單片機(jī)型號(hào)的選擇單片機(jī)種類很多，單片機(jī)的選擇遵循以下原則：(1)優(yōu)先考慮熟悉的機(jī)型；(2)功能和性能滿足需要的機(jī)型；(3)優(yōu)先選用編程方便的機(jī)型；(4)優(yōu)先選用開發(fā)環(huán)境好的機(jī)型；

37、(5)優(yōu)先選用有豐富參考資料的機(jī)型。本項(xiàng)目應(yīng)用中只是定時(shí)（2s）對(duì)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，在數(shù)碼管顯示，功能相對(duì)簡單，實(shí)時(shí)性不太強(qiáng)，運(yùn)算量不大，因此選用8位單片機(jī)。該應(yīng)用還涉及單片機(jī)與上位PC機(jī)的串口通信，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有一個(gè)串口。滿足這兩個(gè)條件的單片機(jī)很多，考慮到價(jià)格、實(shí)驗(yàn)室已有的單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境和仿真器等因素，選用美國ATMEL公司生產(chǎn)AT89C2051單片機(jī)。該芯片為低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2Kbyte的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128byte的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），工作電壓為2.7V6V，還含有兩個(gè)16位的定時(shí)器，6個(gè)內(nèi)部中斷源，可

38、編程的串口UART，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。片內(nèi)置有通用8位中央處理器和Flash內(nèi)存單元，封裝只有20針，體積比較小，工作溫度為-55+125。AT89C2051引腳圖如圖3-5所示。是美國公司生產(chǎn)的低電壓、高性能位單片機(jī)，片內(nèi)含的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（）和的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（），器件采用公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用位中央處理器和存儲(chǔ)單元，單片機(jī)在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。圖3-5 AT89C2051芯片引腳圖引腳說明如下：VCC：電源電壓；GND：接地；RST：復(fù)位輸入；XTAL1：振蕩器反向放大器的輸入端；XTAL2：振蕩器反向放大器的輸出端

39、；P1端口：P1端口是一組雙向通用IO口，P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和p1.1無內(nèi)部上拉電阻，這兩個(gè)端口之所以不提供內(nèi)部上拉電阻，主要是考慮到它們是內(nèi)部精密比較器的同相輸入端（AIN0）和反相輸入端（AIN1），P1端口還用作向AT89C2051內(nèi)部的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）寫入代碼數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)輸入端口。P3端口：P3端口的P3.0p3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的通用IO口。P3口還可實(shí)現(xiàn)一些特殊功能。例如，P3.0可作為串行數(shù)據(jù)的輸入口，P3.1可作為串行數(shù)據(jù)的輸出口，P3.2可作為外部0號(hào)中斷的輸入口，P3.3可作為外部1號(hào)中斷的輸入口，P3.4可作為外部0號(hào)定時(shí)

40、器的輸入口，P3.5可作為外部1號(hào)定時(shí)器的輸入口。P3口還可接受一些用于向AT89C2051內(nèi)部的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）寫入代碼數(shù)據(jù)時(shí)的編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。這里強(qiáng)調(diào)的是P3.6是芯片內(nèi)部比較器的輸入、輸出的硬線連接，并不作為通用的IO管腳，所以不接到外部。ATMEL公司生產(chǎn)的8位AT89C51單片機(jī)不僅與MCS-51系列完全兼容(也就是說，AT89C51單片機(jī)的指令、管腳、以及用法與MCS-51相同)，而且還有不少創(chuàng)新。AT89C51單片機(jī)具有以下一些特點(diǎn)：1內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(ROM)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) AT89C51單片機(jī)有4K可檫除內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(E2PROM)、128B

41、的RAM。2輸入輸出(IO)口 AT89C51單片機(jī)內(nèi)IO口的數(shù)量和種類較多且齊全，共具有32根IO口線。尤其是它有一個(gè)全雙工的串行口，該串口是利用兩IO口線構(gòu)成的，有四種工作方式，要通過編程選定。3外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間 AT89C51單片機(jī)可對(duì)64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址，而對(duì)程序存儲(chǔ)器是內(nèi)外總空間為64KB，因此AT89C51單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器最大尋址范圍為64KB。4中斷與堆棧AT89C51 單片機(jī)有5個(gè)中斷源，分為2個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的。它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá)128字節(jié)。5定時(shí)器記數(shù)器與寄存器區(qū) AT89C51單片機(jī)有2個(gè)16位定時(shí)

42、器計(jì)數(shù)器，通過編程可實(shí)現(xiàn)四種工作模式。這種單片機(jī)在內(nèi)部RAM中開設(shè)了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。6指令系統(tǒng) AT89C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)功能比較強(qiáng)，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(dāng)振蕩頻率接最高12MHz時(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1us，少數(shù)為2uS，乘除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有4us。7布爾處理器 AT89C51單片機(jī)的布爾處理器實(shí)際上是一個(gè)完整的一位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微機(jī)有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié)合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破。一位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真

43、和實(shí)時(shí)測控方面非常有效，而八位機(jī)在運(yùn)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(jī)中八位機(jī)與一位機(jī)(布爾處理器)的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是MCS-51在設(shè)計(jì)上的精美之處，也是一般微處理機(jī)所不具備的。3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇AD轉(zhuǎn)換器的種類繁多、特性各異。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時(shí)，應(yīng)選擇性能合適、性價(jià)比高的AD轉(zhuǎn)換芯片。AD轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)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AD轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的主要因素有：外接時(shí)鐘頻率和電源電壓的穩(wěn)定性、環(huán)境溫度

44、、外界有無干擾等。AD轉(zhuǎn)換一般有記數(shù)器式AD轉(zhuǎn)換、逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換、雙積分式AD轉(zhuǎn)換、VF變換型AD轉(zhuǎn)換。在這些轉(zhuǎn)換方式中，計(jì)數(shù)器式AD轉(zhuǎn)換線路比較簡單，但轉(zhuǎn)換速度較慢，所以現(xiàn)在很少應(yīng)用。雙積分式A/D轉(zhuǎn)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AD轉(zhuǎn)換既照顧了轉(zhuǎn)換速度，又具有一定的精度，所以是目前應(yīng)用較多的一種AD轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。此外，還有一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離串行傳送的VF變換型AD轉(zhuǎn)換器。3.4.1芯片選取依據(jù)ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，之所以選用這種轉(zhuǎn)換器原因如下：(1)精度可以滿足要求：8位AD轉(zhuǎn)換器的相對(duì)精度是0.39，12位AD

45、轉(zhuǎn)換器的相對(duì)精度是0.024，但從本課題應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，8位精度已完全可以滿足測量和控制的要求。(2)多通道：ADC0809是8通道AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置多路開關(guān)；12位AD轉(zhuǎn)換器AD574A是單通道輸入，所以如果要采集多個(gè)通道，需外加多路選擇開關(guān)，電路復(fù)雜。(3)單一電源供電：ADC0809是用單一的+5V電源，而AD574A需要+5V，±15V三種電源，所用電源復(fù)雜。3.4.2 ADC0809芯片簡介ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝。ADC0809內(nèi)部的多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼

46、電路完成對(duì)A、B和C三個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。3.4.3 ADC0809芯片管腳圖及各管腳功能介紹1.ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖3-7。2.對(duì)ADC0809主要信號(hào)引腳的功能說明如下：IN7IN0：模擬量輸入通道ALE：地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡寫為ST。A、B、C：地址線， 通道端口選擇線，A為低

47、地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK：時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。D7D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高。OE：輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc： +5V電源。Vref：參考電源參考電

48、壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。3.4.4 ADC0809轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送設(shè)計(jì)ADC0809接口必須處理好3個(gè)問題。第一：要給START線送一個(gè)100ns寬的啟動(dòng)正脈沖；第二：獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因?yàn)樗茿/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志位。第三：要給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個(gè)端口地址，也就是給OE線上送一個(gè)地址譯碼器輸出信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)傳遞給微機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換是否完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式：（1）定時(shí)傳

49、送方式：對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的，例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128us?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用這個(gè)延時(shí)子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式：A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，讓軟件監(jiān)測EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。如果EOC為低電平，表明A/D正在進(jìn)行，則控制器繼續(xù)查詢；如果查詢到EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，則給OE線送一個(gè)高電平，以便獲取D0D7線上的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。（3）中斷方式：把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)

50、信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在中斷服務(wù)例程中要是OE線變?yōu)楦唠娖?，則可以獲取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。3.5電源模塊圖3-7為系統(tǒng)電源模塊。其主要原理是把單相交流電經(jīng)過電源變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。圖3-6 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖¨圖3-7 電源模塊3.6顯示部分設(shè)計(jì)人機(jī)界面是便攜式系統(tǒng)的重要組成部分，尤其是對(duì)于本系統(tǒng)，顯示是基本功能之一。液晶顯示器(LCD/Liquid Crystal Display)由于具有輕薄短小、低耗電量、無輻射，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，近年來已經(jīng)占據(jù)了顯示器的主流地位。與傳統(tǒng)的

51、顯示技術(shù)相比，液晶顯示器具有很多重要的優(yōu)越性。首先，液晶顯示器不使用電子槍轟擊方式來成像，因此它完全沒有輻射的危害，對(duì)人體安全；同時(shí)，液晶顯示器不閃爍、顏色失真近乎為零；而且液晶顯示器具有工作電壓低、功耗小、重量輕和體積小等優(yōu)點(diǎn)。考慮到功耗和LCD顯示器的點(diǎn)陣越大體積越大的特點(diǎn)，我們選用NS12864J液晶顯示模塊，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。它主要釆用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng) 控制器和列驅(qū)動(dòng)器兩部分組成了128 (列）X64 (行）的全點(diǎn)陣液晶顯示。此顯示器釆用了COB軟封裝方式，通過導(dǎo)電橡膠和壓框鏈接LCD，使其壽命長，連接可靠。 此液晶顯示器的基本特性為：（1）工作電壓為±5V&#

52、177;10%，可自動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)LCD所需的負(fù)電壓；（2）全屏幕點(diǎn)陣，點(diǎn)陣數(shù)為128（列）×64（行），可顯示8（行）×4（行）個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字，也可完成圖形、字符的顯示；（3）與CPU接口采用5條控制總線和8位并行數(shù)據(jù)總線輸入輸出，適配M6800系列時(shí)序；（4）內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器；（5）簡單的操作指令，顯示開關(guān)設(shè)置，顯示起始行設(shè)置，地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀、寫等指令。此外，了解如下器件有利于對(duì)LCD模塊編程。(1)指令寄存器（IR)：用于寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)D/I=0時(shí)，在E信號(hào)下降沿的作用下，指令碼寫入IR。(2)數(shù)據(jù)寄存器（DR)：用于寄

53、存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對(duì)應(yīng)。當(dāng)D/I=1時(shí)，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入DR,或在E信號(hào)高電平作用下由DR讀到DBDB0 數(shù)據(jù)總線。DR和DDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動(dòng)執(zhí)行的。(3)忙標(biāo)志(BF)：提供內(nèi)部工作情況。BF=1表示模塊在內(nèi)部操作，此時(shí)模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)。BF=0時(shí),模塊為準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時(shí)可接受外部指令和數(shù)據(jù)。利用STATUS READ指令，可以將BF讀到DB7總線，從檢驗(yàn)?zāi)K的工作狀態(tài)。(4)顯示控制觸發(fā)器DFF：用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示（DISPLAY OFF),DDRAM的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAY

54、 OFF)。DFF的狀態(tài)是指令DISPLAY ON/OFF和RST信號(hào)控制的。(5)XY地址計(jì)數(shù)器：XY地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)9位計(jì)數(shù)器。高3位是X地址計(jì)數(shù)器，低6位為Y地址計(jì)數(shù)器，XY地址計(jì)數(shù)器實(shí)際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的頁指針，Y地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的Y地址指針。X地址計(jì)數(shù)器是沒有計(jì)數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。Y地址計(jì)數(shù)器具有循環(huán)計(jì)數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，Y地址自動(dòng)加1，Y地址指針從0到63。(6)顯示數(shù)據(jù)RAM(DDRAM)：存儲(chǔ)圖形顯示數(shù)據(jù)的.數(shù)據(jù)為1表示顯示選擇，數(shù)據(jù)為0表示顯示非選擇。(7)Z地址計(jì)數(shù)器：Z地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)6位計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器具備循環(huán)計(jì)數(shù)

55、功能，它是用于顯示行掃描同步。當(dāng)一行掃描完成，此地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，指向下一行掃描數(shù)據(jù)，RST復(fù)位后Z地址計(jì)數(shù)器為0。Z地址計(jì)數(shù)器可以用指令DISPLAY STARTLINE預(yù)置。因此，顯示屏幕的起始行由此指令控制，即DDRAM的數(shù)據(jù)從哪一行開始顯示在屏幕的第一行，此模塊的DDRAM共64行，屏幕可以循環(huán)滾動(dòng)顯示64行。 3.7 晶振電路對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其是設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷禾峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，原因是上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩

56、。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(lì)也不能欠激勵(lì)。本電路用6M和32.768K兩個(gè)外部晶振。圖3-8為晶振電路。3.8復(fù)位電路系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位，在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠的工作，復(fù)位性能不好會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位電路，系統(tǒng)復(fù)位電路電路圖如圖3-9所示。圖3-8 晶振電路圖 圖3-9 系統(tǒng)復(fù)位電路3.9輸出控制電路設(shè)計(jì)在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中，被測參數(shù)經(jīng)采樣處理之后，還需要計(jì)算并輸出控制模型，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。輸出控制分兩種：模擬量控制和開關(guān)量控制。模擬量控制通常是由DA轉(zhuǎn)換器輸出開控制；開關(guān)量控制是通過控制設(shè)備的“開”或“關(guān)”狀態(tài)的時(shí)間來達(dá)到控制的目的。本系統(tǒng)采用開關(guān)量控制。在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電隔離器。光電隔離器的種類繁多，常用的有發(fā)光二極管光敏三極管、發(fā)光二極管光敏復(fù)合晶體管、發(fā)光二極管光敏電阻，以及發(fā)光二極管光觸發(fā)可控硅等。其原理電路，如圖3-10所示。在一般微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于大都采用TTL電平，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，所以通常加一級(jí)驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)采用的是74LS04。其系統(tǒng)原理圖如圖3-11所示。當(dāng)數(shù)字量Pi輸出為高電平時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器后變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)發(fā)光二極管有電流通過并發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，從而在集電極上產(chǎn)生輸出電壓。此電壓即可用來