螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng) 畢業(yè)論文

1、第一章緒論第一節(jié)課題研究背景眾所周知，自然情況下螃蟹是在秋天上市。作為天津這個(gè)對(duì)于水產(chǎn)品情有獨(dú)鐘的海濱城市，冬季吃上螃蟹一直是天津老百姓的心聲，國(guó)家一直也是為了豐富老百姓的餐桌提出了“菜籃子”工程這樣的民心工程。冬季溫室養(yǎng)殖螃蟹系統(tǒng)就是幫助天津農(nóng)村養(yǎng)殖戶創(chuàng)收實(shí)現(xiàn)國(guó)家提出的縮小城鄉(xiāng)居民收入水平做出貢獻(xiàn)的一個(gè)好項(xiàng)目。螃蟹身上還蘊(yùn)藏著巨大的價(jià)值，可以說(shuō)其身上基本全是寶貝。河蟹是我國(guó)產(chǎn)量最大的淡水蟹類。因其鮮美可口的味道受到廣大消費(fèi)者的喜食。古人曾有云“不到廬山辜負(fù)目，不食河蟹辜負(fù)腹”。紅樓夢(mèng)對(duì)在賈府大觀園大家吃蟹的場(chǎng)面也具體生動(dòng)地做了描述。歷史之說(shuō)以對(duì)其有如此高的評(píng)價(jià)，主要由于其不僅肉質(zhì)的口感十分鮮

2、美而且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值十分豐富。不僅在國(guó)內(nèi)河蟹是深受歡迎，國(guó)際市場(chǎng)上其也是搶手貨。在外貿(mào)市場(chǎng)上，一直是國(guó)際市場(chǎng)上的暢銷產(chǎn)品換匯率很高。河蟹還具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，其肉中蛋白質(zhì)含量為14%，脂肪含量為59%，碳水化合物含量為7%,并且其肉中含多種氨基酸.據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，每100克蟹肉中含維生素高達(dá)5960國(guó)際單位，熱量為139千卡，為常規(guī)水產(chǎn)品之冠。其除具有食用價(jià)值外，河蟹在其他方面也有很大的價(jià)值。在工業(yè)方面，可以從蟹殼中提取甲殼質(zhì)，用甲殼質(zhì)合成纖維，既柔軟又有光澤，可與羊毛比美。在藥用價(jià)值方面，蟹肉可清諸熱、散血結(jié)、續(xù)斷傷、理經(jīng)脈、滋陰等功能，蟹殼具有可清熱解毒、破瘀、消積、止痛等功能，促進(jìn)兒童的生長(zhǎng)發(fā)

3、育，用甲殼質(zhì)提取的幾丁胺，制成醫(yī)用縫合線，不會(huì)引起傷口感染，并能被人體吸收，而不需拆線。其還可以處理污水，用氫氧化鈉溶液處理后得到的酮酸，具有凝結(jié)劑的作用，是處理廢水的最佳材料之一。冬季養(yǎng)殖螃蟹技術(shù)一直是天津養(yǎng)殖業(yè)的一大難題。冬季不能養(yǎng)殖螃蟹的最主要的原因就是冬天氣溫很低。在氣溫較低時(shí)，螃蟹基本就不生長(zhǎng)了甚至螃蟹還可能會(huì)被凍死。螃蟹是對(duì)溫度比較敏感的動(dòng)物，人為控制水池中的溫度不夠精確不能滿足冬季生長(zhǎng)的要求?，F(xiàn)在冬天自動(dòng)化溫室大棚已經(jīng)在名貴花卉、反季蔬菜方面取得了很好的效果1，因此我們將此技術(shù)遷移到冬季螃蟹養(yǎng)殖中。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方法無(wú)論是在控制精度方面還是解放勞動(dòng)力方面都

4、不再適合大面積的水產(chǎn)養(yǎng)殖，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)慢慢普及了我們生活的方方面面。近些年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)用發(fā)展及其迅速。目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)具備了比較完善的技術(shù)，單片機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)很成熟了,各種傳感器（溫度、溶氧、PH值）精確度較高，由它們組成的系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以極大地解放農(nóng)民的勞動(dòng)力減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，最重要的是自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高養(yǎng)殖的效率提高養(yǎng)殖的成功率?，F(xiàn)代這個(gè)高科技發(fā)展的時(shí)代，一套能調(diào)節(jié)池塘中影響螃蟹生存的主要參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)是必不可少的。運(yùn)用自動(dòng)化裝置養(yǎng)殖螃蟹加大螃蟹的產(chǎn)量，充分利用螃蟹身上的優(yōu)勢(shì)，其將在社會(huì)中發(fā)揮更大的作用。第二節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖及螃蟹養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展我國(guó)

5、是世界上發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖最早的國(guó)家之一，中國(guó)的養(yǎng)殖業(yè)歷史可以追溯到公元前11世紀(jì)。淡水養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)驗(yàn)的文字記載已有3000多年的歷史。我國(guó)最早的一部有關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖的書籍養(yǎng)魚經(jīng)于公元前5世紀(jì)問(wèn)世。數(shù)千年來(lái)，我國(guó)的勞動(dòng)人民靠著自己智慧和勤勞的勞動(dòng)在實(shí)踐中摸索并積累了適合中國(guó)水域環(huán)境的實(shí)用養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)。新中國(guó)成立后，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段尤其淡水養(yǎng)殖業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。新中國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)歷了迅速恢復(fù)發(fā)展階段、波動(dòng)事發(fā)展階段和持續(xù)發(fā)展階段三個(gè)階段2。我國(guó)現(xiàn)在的水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，養(yǎng)殖業(yè)不再是傳統(tǒng)的人工巡守、人工投料及檢測(cè)的模式了，而是在不同程度上使用了自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及數(shù)字化的監(jiān)控

6、和顯示3。目前我國(guó)已經(jīng)有了自己比較成熟的養(yǎng)殖特色和科學(xué)的養(yǎng)殖方法。但是我國(guó)的養(yǎng)殖方法還存在著許多問(wèn)題，其中最主要的就綜合素質(zhì)低，主要是我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化程度不夠高，生產(chǎn)效率比較低4。我國(guó)是世界上最早養(yǎng)殖河蟹的國(guó)家之一。我國(guó)的河蟹養(yǎng)殖業(yè)起源于60年代后期，當(dāng)時(shí)主要用的是自然界中捉到的河蟹幼苗放養(yǎng)在規(guī)定的河流湖泊中去繁殖。70年代初期，我國(guó)開始人工育苗。1971年5月5日，在浙江奉化市海帶育苗廠由浙江省淡水水產(chǎn)研究所的許步劭、何林崗、韓炳炎、杜家圣四位科研人員首次成功育出大眼幼體，這次人工育苗的成功圓了幾代研究人工養(yǎng)殖河蟹人的夢(mèng)。這是一次歷史性的突破，從此拉開了河蟹人工育苗的序幕。這次成功固然可

7、喜，但是這次成功并不是完全的成功，這次成功只限于海水土池和人工配制的半咸水中，其他地方都沒能取得成功。幾位科研人員并沒有滿足當(dāng)前的勝利，仍在繼續(xù)探索。先在小面積上實(shí)驗(yàn)，然后再一點(diǎn)一點(diǎn)擴(kuò)大養(yǎng)殖面積實(shí)驗(yàn)，就這樣逐步摸索經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用。80年代在國(guó)家發(fā)展“一優(yōu)兩高”農(nóng)業(yè)的情況下，調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，螃蟹從大面積養(yǎng)殖逐步過(guò)渡到小面積的精養(yǎng)細(xì)樣培育出優(yōu)良品種，得到社會(huì)地廣泛認(rèn)可并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。90年代小面積的精養(yǎng)細(xì)養(yǎng)已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)優(yōu)良螃蟹品種的需求。需求要求生產(chǎn)轉(zhuǎn)入大規(guī)模精養(yǎng)細(xì)養(yǎng)的時(shí)代，在利益的驅(qū)使下，群眾也開始自發(fā)性的加入大規(guī)模養(yǎng)殖螃蟹的隊(duì)伍中，因此螃蟹養(yǎng)殖發(fā)展的進(jìn)入

8、快速發(fā)展階段。二十一世紀(jì)的今天，在河蟹的社會(huì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值被社會(huì)充分肯定后，螃蟹養(yǎng)殖技術(shù)將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，更多螃蟹的養(yǎng)殖模式，螃蟹的品種將會(huì)不斷豐富。池塘養(yǎng)殖目前是我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要方式之一。本系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵就成了水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和控制，連續(xù)多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)在80年代才開始使用56。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，已經(jīng)采用現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，成功實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化7。第三節(jié)本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容本課題主要是設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)調(diào)控溫室中池塘的水質(zhì)參數(shù)系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)水中的幾個(gè)主要參數(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在溫室池塘中養(yǎng)殖螃蟹。課題中主要控制對(duì)象為水中的溫度、溶氧量、pH值。通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)水質(zhì)參數(shù)，單片機(jī)接收傳感器

9、采集到的數(shù)據(jù)并將其設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比。由于池塘水域面積過(guò)大，只用一組傳感器檢測(cè)水中參數(shù)不能滿足我們的要求。所以我們經(jīng)過(guò)論證合理劃定區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中加入一傳感器傳感器。我們將采用RS485總線將分布在池塘中不同區(qū)域的多個(gè)測(cè)試儀連接到工控機(jī)上，組成多點(diǎn)采集監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)8。根據(jù)不同的結(jié)果做出不同的調(diào)節(jié)控制，從而使池塘水質(zhì)環(huán)境一直保持在恒定且是最適宜螃蟹生長(zhǎng)的環(huán)境。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的，首先畫出螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖。選擇系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)控制方案，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路圖。通過(guò)C語(yǔ)言編程使單片機(jī)能準(zhǔn)確接收處理傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并以正確的方式控制水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備工作。單片機(jī)通過(guò)與上位機(jī)信息交換，

10、使傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)可以在PC機(jī)上顯示。在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題之后，不光是只有單片機(jī)能對(duì)其進(jìn)行控制，PC機(jī)也可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這樣完善了系統(tǒng)的功能，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制，減小了系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的概率。在完成硬件設(shè)計(jì)和軟件編程后，利用實(shí)驗(yàn)板模擬實(shí)際系統(tǒng)的工作。在LCD顯示屏和PC機(jī)上顯示數(shù)據(jù)。摘要冬季螃蟹養(yǎng)殖一直是天津水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的重大難題。為了解決這一問(wèn)題，采用控制水中溫度、溶解氧和pH值的方法，為螃蟹營(yíng)造最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。本系統(tǒng)是以AVR單片機(jī)為核心的測(cè)控系統(tǒng)，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器、RY952溶解氧傳感器和雷磁E-201-C可充式復(fù)合pH電極實(shí)時(shí)采集各個(gè)水質(zhì)參數(shù)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大濾波電路和A/

11、D轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給單片機(jī)分析比較數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，根據(jù)采集值與設(shè)定值比較結(jié)果的不同，利用開關(guān)量控制加熱器、增氧機(jī)的啟停和HCl和NaOH溶液罐電磁閥。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和螃蟹養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定一個(gè)最佳水質(zhì)采樣周期，定期采集水質(zhì)參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)池塘水質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)控制。本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是能在上位機(jī)上也能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)顯示和控制。系統(tǒng)利用串口線實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信，下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)檢測(cè)到的水質(zhì)參數(shù)，上位機(jī)也可向下位機(jī)設(shè)置各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的設(shè)定值。系統(tǒng)不僅能在下位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示和控制池塘養(yǎng)殖環(huán)境，在PC機(jī)上也可對(duì)池塘進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)與控制。這樣可使系統(tǒng)接收多地對(duì)系統(tǒng)的控制。上位

12、機(jī)采用LabVIEW軟件平臺(tái)，通過(guò)程序前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)，開發(fā)出一套符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的上位機(jī)軟件。本檢測(cè)控制系統(tǒng)操簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、節(jié)約能源。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)調(diào)試，本系統(tǒng)將很會(huì)為解決天津冬季溫室螃蟹養(yǎng)殖難題提供幫助。關(guān)鍵詞：冬季螃蟹養(yǎng)殖； AVR單片機(jī)； LabVIEW；ABSTRACTCrab breeding in winter has been a major problem in aquaculture.To solve this problem,we use the method of controlling the temperature,DO and pH,p

13、roviding the most suitable environment for crab growth.This system is the measurement and control system which the AVR MCU is the core.In the system, we use digital temperature sensor DS18B20, dissolved oxygen sensor RY952 and rechargeable and compound pH probe detect each parameter in real time.Thr

14、ough amplification, filter circuit and analog to digital conversion,Signal collected is transmitted to MCU to compare and analysis and displayed on the LCD screen.Based on the different comparison results between the acquisition value and set value,we use switching value to control the heater and ox

15、ygen aerator and the aperture of electron magnetic valves of NaOH and HCl solutions.According to repeated experiments and crab breeding experience , we set an most suitable water quality sampling period ,regularly collecting water quality parameters in order to achieve real-time detection and contro

16、l .The greatest feature of this system is able to detect, display and control the system on the upper computer.System uses the serial cable to achieve the communication between the upper computer and lower computer,the lower computer can send the water parameters detected to upper computer. As well,

17、 the upper computer can send the set points of water parameters to the lower computer. The system not only can display and control pond water quality by lower computer in real time,but also can carry out monitoring and controlling pond water quality by upper computer in real time , enabling multi-po

18、int control system .system can be controlled by multi-point .We choose LabVIEW as the platform in which program in upper computer is be developed.By designing panel and block diagram in the LabVIEW, we can develop a upper computer program which can meet demand of the design in the system.This detect

19、ion and control system can be operated easily, it has good usability, high reliability and energy conservation.After a period of commissioning and tests in the field , this system would contribute to slove the problem of Crab breeding in winter.Key word: Crab breeding in winter; AVR MCU; LabVIEW致謝在此

20、次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，首先我要感謝我的導(dǎo)師楊世鳳教授。感謝他在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給我的指導(dǎo)和幫助。通過(guò)他的指導(dǎo)，明確了我的的設(shè)計(jì)方向充實(shí)了我的知識(shí)，細(xì)化了我的任務(wù)量才使我能順利地按期完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。在此我對(duì)楊老師細(xì)心幫助表示由衷的感謝。此外，我也非常感謝在大學(xué)期間的其他老師們給予我的幫助，通過(guò)你們的認(rèn)真教授，讓我扎實(shí)地掌握了本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技術(shù)，使我對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)上了一個(gè)臺(tái)階，從理論遷移到了實(shí)際上。為我在今后學(xué)習(xí)和工作的道路上打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四年大學(xué)生活和我一起學(xué)習(xí)、生活和娛樂(lè)的同學(xué)們，感謝你們?cè)诟鱾€(gè)方面對(duì)我的幫助和激勵(lì)。正是因?yàn)樵谶@四年的時(shí)間里有你們，才使我的大學(xué)生涯豐富多彩異常炫麗精彩。美好的

21、時(shí)光總是那么短暫，我相信大學(xué)的時(shí)光將是我們最美好的回憶，我們之間的友誼將永久天長(zhǎng)。最后，感謝學(xué)校學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)老師們?yōu)槲覀儎?chuàng)造的良好學(xué)習(xí)環(huán)境，感謝父母一直以來(lái)在生活和學(xué)習(xí)上給予我的支持和幫助。同樣感謝和我一起生活了4年的同學(xué)們。在此感謝所有幫助過(guò)我的人們。第二章螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案第一節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)是以AVR單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng),AVR單片機(jī)以次高效、可靠和低功耗等優(yōu)點(diǎn)被小型工控系統(tǒng)廣泛采用9。溫度、溶解氧和pH值三個(gè)水質(zhì)參數(shù)由溫度傳感器、溶解氧傳感、pH值傳感器分別從溫室池塘中采集三個(gè)重要水質(zhì)參數(shù)。由于在室外環(huán)境中不確定因素較多經(jīng)常會(huì)遇到干擾，采集到的信號(hào)需要

22、經(jīng)過(guò)濾波電路與信號(hào)放大電路。單片機(jī)不能識(shí)別模擬信號(hào)，濾波放大后的信號(hào)需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊才能被單片機(jī)接收并將其顯示在LCD液晶顯示屏上。單片機(jī)將采集到的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)值的不同發(fā)出不同的控制命令，水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備按發(fā)出的命令對(duì)池塘中的水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行控制。單片機(jī)在控制的同時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上對(duì)池塘水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行的檢測(cè)和控制。圖2-1所示為系統(tǒng)組成框圖。圖2-1 系統(tǒng)組成框圖第二節(jié)溫室池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)的控制原理和控制方法本系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器、溶解氧傳感器和pH值傳感器每一周期采集一次池塘中水質(zhì)參數(shù)，并把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路，傳送到單片機(jī)中，單片

23、機(jī)再根據(jù)采集到的各個(gè)數(shù)據(jù)分別與設(shè)定值進(jìn)行比較進(jìn)行處理操作，控制執(zhí)行器的開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)。在下一個(gè)周期中，三個(gè)傳感器繼續(xù)采集池塘中的三項(xiàng)參數(shù)傳送到單片機(jī)中與對(duì)應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行比較控制最終實(shí)現(xiàn)池塘中環(huán)境在設(shè)定值上恒定。下面我來(lái)重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的水溫、溶解氧、pH值檢測(cè)原理和控制的方法。一、池塘水質(zhì)各參數(shù)的檢測(cè)（一）水溫的檢測(cè)本系統(tǒng)的使用環(huán)境是在冬天，保持好池塘的水溫成為該養(yǎng)殖系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵，同時(shí)也直接影響著螃蟹的生長(zhǎng)。在最佳的溫度下, 河蟹生長(zhǎng)得得快, 飼料轉(zhuǎn)化效率高,抵抗病能力強(qiáng)體質(zhì)強(qiáng)健。螃蟹的生活周期分為分為七個(gè)主要階段10。一生要經(jīng)過(guò)5個(gè)階段，在每個(gè)階段對(duì)于溫度要求都不一樣，要進(jìn)行分別控

24、制。I階段要求在1622；II階段要求在1824；III階段要求在2024；IV階段要求在2225；V階段要求在2426。可以看出，螃蟹在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)于溫度比較敏感，控制系統(tǒng)精度要達(dá)到0.1才能滿足系統(tǒng)要求。目前主要的溫度測(cè)量方法主要有接觸式和非接觸式兩種11。技術(shù)比較成熟且應(yīng)用廣泛的主要有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、DS18B20、紅外測(cè)試儀。下面來(lái)分別介紹它們的特點(diǎn)以便選擇合適的傳感器：1、熱電阻：其主要根據(jù)金屬導(dǎo)體的熱電阻效應(yīng)，電阻率隨溫度變化而變化的物理現(xiàn)象。利用電阻與溫度之間的函數(shù)關(guān)系將溫度變化量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電阻變化量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。其靈敏度高、具有較好的線性性但體積比較大。常

25、見的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。2、熱敏電阻：熱敏電阻是一種具有很高電阻溫度系數(shù)的半導(dǎo)體元件。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)大多都為負(fù)的特點(diǎn)，隨著溫度的增加阻值隨之降低。溫度的變化會(huì)造成阻值很大的改變，從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。熱敏電阻靈敏度高、體積小、熱慣性小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其互換性和穩(wěn)定性差還存在著嚴(yán)重的非線性，其不適合在高溫情況下測(cè)溫。3、熱電偶：熱電偶同樣也是根據(jù)熱電效應(yīng)設(shè)計(jì)的，由兩種不同的導(dǎo)體連接成一閉環(huán)回路而制成的溫度傳感器，由于電壓和溫度間是非線性關(guān)系的，需要與參考溫度作第二次測(cè)量，經(jīng)溫度-電壓變化，以獲得溫度值。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但不適合高精

26、度的測(cè)量和應(yīng)用。4、DS18B20：DS18B20通過(guò)門開通期間內(nèi)低溫系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度，門的開通期是由高溫度系數(shù)振蕩器決定。其輸出的信號(hào)是數(shù)字量可以省去A/D轉(zhuǎn)換模塊簡(jiǎn)化系統(tǒng)。5、紅外測(cè)試儀：紅外測(cè)試儀是近年來(lái)紅外技術(shù)發(fā)展的最新成果。紅外測(cè)溫是根據(jù)物體本身的溫度在絕對(duì)零度以上都會(huì)不斷地發(fā)射紅外線，由波爾茲曼定律可知，如果測(cè)出物體所發(fā)射的紅外輻射功率就可以確定其溫度。不用接觸就可以測(cè)量溫度。在超高溫的條件下被廣泛使用。（二）溶解氧檢測(cè)溶解氧是指溶解于水中的分子態(tài)的氧，是水中生物和水中植物不可缺少的生存條件12。目前測(cè)定溶解氧主要有三種方法：自動(dòng)比色分析和化學(xué)分析分析測(cè)量

27、，順磁法測(cè)，目前溶解氧的檢測(cè)方法有電流測(cè)定法、熒光猝滅法、電化學(xué)法測(cè)量和陽(yáng)極溶出伏安法等13。自動(dòng)養(yǎng)殖系統(tǒng)一般采用電化學(xué)的測(cè)量方法。該傳感器是一種運(yùn)用電流測(cè)定法檢測(cè)溶解氧的原電池型電極。傳感器氧電極由金陰極、銀-氯化銀陽(yáng)極、聚四氟乙烯薄膜、殼體等部分組成如圖2-2所示。電極腔內(nèi)充入氯化鉀溶液，聚四氟乙烯薄膜將內(nèi)電解液和被測(cè)水樣隔開，溶解氧通過(guò)薄膜參透擴(kuò)散。當(dāng)兩電極間加上0.50.8V固定極化電壓時(shí)，水樣中的溶解氧擴(kuò)散通過(guò)薄膜，并在陰極上還原，產(chǎn)生與氧濃度成正比的擴(kuò)散電流。電極反應(yīng)陰極被還原： （2-1）陽(yáng)極被氧化： （2-2）圖2-2 溶解氧電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的還原電流可表示為：（2-3）（2-3）

28、式中 K比例常熟；n電極反應(yīng)得失電子數(shù)；F法拉第常數(shù)；A陰極面積；Pm薄膜的參透系數(shù)；L薄膜的厚度；C0溶解氧的分壓或濃度；與成線性關(guān)系，因而只要測(cè)得得還原電流就可以求出水樣中溶解氧的濃度14。各種溶解氧測(cè)定儀就是依據(jù)如圖2-3所示的這一原理工作的。測(cè)定時(shí)，首先用無(wú)氧水樣校訂零點(diǎn)，在用化學(xué)法校準(zhǔn)刻度值，最后測(cè)定水樣，便可以直接顯示其溶解氧濃度。儀器設(shè)有溫度補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償由于溫度變化造成的溫度誤差。圖2-3 溶解氧測(cè)定儀原理溶解氧電極法不受水樣色度、濁度及化學(xué)滴定法中干擾物質(zhì)的影響，快速簡(jiǎn)單，適宜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)測(cè)量。（三）pH值的檢測(cè)pH值檢測(cè)pH值同樣也是一個(gè)非常重要水質(zhì)參數(shù)。pH

29、值同樣也有其特殊性，其與水中的溫度、氨氮、溶解氧的含量、水中生物呼吸作用、浮游植物的光合作用相互影響。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖最適合的pH值范圍為:6.58.5,pH值超過(guò)8.5，水中氨的毒性增大，硫化氫毒性減小。pH值超過(guò)9.5，大多數(shù)水產(chǎn)動(dòng)物不能生存。PH值低于6，水產(chǎn)的氨無(wú)毒性，單硫化氫毒性增大。PH值低于5，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物有嚴(yán)重危險(xiǎn)。據(jù)科學(xué)分析，河蟹最適宜生長(zhǎng)的pH值為8.0-8.5。測(cè)定水中pH值得方法有玻璃電極法和比色法測(cè)定pH值。比色法是一種化學(xué)方法，不能將pH值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)單片機(jī)無(wú)法處理，本自動(dòng)控制系統(tǒng)不適宜采用此方法。綜上所述，本系統(tǒng)采用玻璃電極法，同時(shí)也是測(cè)定PH值最常用的方法，該方法基本

30、不受溶液的顏色、濁度、膠體物質(zhì)、氧化劑和還原劑以及高含鹽量的干擾15。玻璃電極法（電位法）如圖2-4所示測(cè)定pH值是以pH玻璃電極為指示電極，飽和甘汞電極為參比電極，并將二者與被測(cè)溶液組成原電池。圖2-4 pH值測(cè)量示意圖E電池=甘汞玻璃 （2-4）（2-4）式中的甘汞飽和甘汞電極的電極電位，不隨被測(cè)溶液中氫離子活度（）變化,可是為定值；玻璃PH玻璃電極的電極電位，隨被測(cè)溶液中氫離子活度變化。將傳感器插入待測(cè)溶液，依照斯特方程，原電池輸出電動(dòng)勢(shì)、被測(cè)溶液絕對(duì)溫度以及被測(cè)溶液pH值之間關(guān)系可用式：（2-5）式（2-5）中E為電極間的輸出電動(dòng)勢(shì)（mV）；為常數(shù)，與參比電極材料、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電

31、極以及液接電位有關(guān)的電位差（mV）；K為斯特系數(shù)；T為被測(cè)溶液的絕對(duì)溫度（K）；為被測(cè)溶液的pH值；是常數(shù)，為測(cè)量電極內(nèi)緩沖溶液的pH值。pH電極在使用前需進(jìn)行標(biāo)定，確定的實(shí)際值。采用PH值已知的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校正電極。對(duì)于據(jù)調(diào)查，河蟹最適宜生長(zhǎng)的PH值為8.0-8.5。令標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值分別為和，在相同溫度T下，由式（2-5）得到在標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液下電極輸出電動(dòng)勢(shì)分別為和，電動(dòng)勢(shì)與pH值關(guān)系如式（2-6）（2-7）所示：（2-6）（2-7）由式（2-6）、（2-7）可得：（2-8）將式（2-5）與式（2-8）相減變換得：（2-9）經(jīng)過(guò)標(biāo)定，根據(jù)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值、和相對(duì)應(yīng)電極電動(dòng)勢(shì)、，由

32、式（2-9）得到待測(cè)溶液的pH值16。二、池塘各水質(zhì)參數(shù)的控制（一）水溫控制調(diào)節(jié)溫度的儀器設(shè)備有浸入式的電熱器、熱泵、熱交換器、氣體電力加熱單元和冷卻器。國(guó)內(nèi)比較常用的是浸人式電熱器, 也有的工程是通過(guò)往養(yǎng)殖池中加熱水調(diào)整的。如果使用的是浸入式電熱器就是通過(guò)調(diào)整加熱時(shí)間來(lái)保持溫度如果是加熱水, 就要通過(guò)控制加熱水的電磁閥開關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)達(dá)到調(diào)整溫度。由于本系統(tǒng)對(duì)溫度精度的要求不是很高，所以采用浸入式電熱器。（二）溶解氧控制溶解氧同樣也是水質(zhì)的重要參水之一，也是保證水中有機(jī)物進(jìn)行無(wú)機(jī)化分解所必須的,對(duì)調(diào)節(jié)水環(huán)境中眾多物質(zhì)的氧化分解起著主導(dǎo)的作用。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖中采用的增氧方式種類繁多, 根據(jù)其增

33、氧的原理,大致可分為三類：物理方法、化學(xué)方法和生物方法17。在螃蟹的生長(zhǎng)的各個(gè)階段中，始終對(duì)于水中溶解氧的要求極高必須在5mg/l以上，以此需要不斷向水中增氧，我們?cè)鲅跻话悴捎迷鲅鯔C(jī)，使用增氧機(jī)在增氧的同時(shí)也可以使水中溶解氧分布均勻18。但是常規(guī)的通過(guò)增氧機(jī)日夜不停的工作來(lái)保持水體的含氧量的方法存在耗電量大、噪音污染嚴(yán)重、影響魚類生長(zhǎng)等諸多弊端19。水產(chǎn)養(yǎng)殖一般采用增氧機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧含量的控制。在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，控制水中溶解氧主要采用增氧機(jī)。目前市面上有多種增氧機(jī)，如葉輪式增氧機(jī)、浮式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)、充氣式增氧機(jī)。由于螃蟹的養(yǎng)殖池塘水深高于一米，所以采用葉輪式增氧機(jī)其增氧能力、動(dòng)力效率均

34、優(yōu)于其他機(jī)型。其首先利用機(jī)械部件攪動(dòng)水體，促進(jìn)對(duì)流交換和界面更新；之后把水分散為細(xì)小霧滴，噴入氣相，增加水一氣的接觸面積；最后通過(guò)負(fù)壓吸氣，令氣體分散為微氣泡，壓入水中。其不僅可以增氧還可以通過(guò)機(jī)械部件攪動(dòng)水體排出水中的有害氣體和降溫的功效。（三）pH值控制pH值是影響水生生物的生長(zhǎng)生存一個(gè)關(guān)鍵因素。如果pH值過(guò)高，螃蟹容易受到水中磷酸鹽溶解度的影響。若pH值過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致卵球失去彈性甚至卵球扁塌提前破膜20。而且在螃蟹生長(zhǎng)的5個(gè)階段對(duì)pH的要求不一樣，所以要精確控制pH值。pH值控制方法有通過(guò)加水或者排水來(lái)控制pH值，向池塘中添加酸堿中和劑，本系統(tǒng)采用的中和劑為HCl和NaOH溶液21。第三

35、章螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) ATMega16芯片的介紹一、ATMega16芯片介紹核心控制芯片是是一個(gè)系統(tǒng)的大腦，它的運(yùn)算處理的速度和能力影響著系統(tǒng)的執(zhí)行能力和執(zhí)行速度，直接決定著系統(tǒng)處理的正確與否。由于Atmel公司的ATmega16功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單并且價(jià)格低廉，可為該系統(tǒng)提供靈活而低成本的解決方案。本課題的核心控制芯片為Atmel公司的ATmega16單片機(jī)是如圖3-1所示。ATmega16單片機(jī)其具有功耗低的特點(diǎn)采用AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位CMOS微控制器。ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。AVR單片機(jī)內(nèi)置了32個(gè)通用工作寄存器，每個(gè)通用工作寄存器都是8

36、位的并具有非常豐富的指令，一條指令一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)寄存器。每個(gè)的寄存器都與算邏單元（ALU）直接連接。ATMega16系統(tǒng)內(nèi)置16K字節(jié)的可編程Flash，其擦寫壽命達(dá)10,000 次。512字節(jié)EEPROM擦寫壽命達(dá)100,000 次，1K 字節(jié)SRAM，32個(gè)可編程的I/O 口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，片內(nèi)集成了8路10位ADC，兩個(gè)可編程的串行USART以及具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器22。圖3-1 PDIP封裝ATMega16引腳引腳說(shuō)明：VCC：電源GND：接地PA7.PA0：PA口可以作8位雙向的I/O口，還有A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端功能。PB7.PB0：PB口

37、可以作8位雙向的I/O口，還有外部中斷以及計(jì)數(shù)器源、模擬比較輸入端、SPI通道口等功能。PC7.PC0：PC口可以作8位雙向的I/O口，還有定時(shí)起振器引腳、JTAG測(cè)試口、兩線串行接口等功能。PD7.PD0：PD口可以作8位雙向的I/O口，還有USART輸入輸出引腳、定時(shí)器比較匹配輸出、定時(shí)器比較匹配輸出、外部中斷輸入等功能。AREF：ADC的模擬基準(zhǔn)輸入引腳23。RESET：復(fù)位輸入引腳。AVCC：AVCC是PA口內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器電源。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與VCC連接，不使用ADC時(shí)該引腳應(yīng)直接與VCC連接，。XTAL1：片內(nèi)時(shí)鐘操作電路與反向振蕩放大器的輸入端。XTAL2：片

38、內(nèi)時(shí)鐘操作電路與反向振蕩放大器的輸出端。第二節(jié)螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)的最小系統(tǒng)系統(tǒng)電源模塊電源模塊是為系統(tǒng)提供能量的重要模塊，是一個(gè)決定系統(tǒng)能否正常工作的重要模塊，為使系統(tǒng)能正常工作，必須為實(shí)驗(yàn)板提供穩(wěn)定的電源。在本實(shí)驗(yàn)板中，LCD液晶顯示屏、DS18B20等外設(shè)都需要實(shí)驗(yàn)板為它們供電。由于ATmega16單片機(jī)的正常工作的電壓一般在4.5V-5.5V之間。我們的民用電統(tǒng)一為220V，如果將它加在板子上，肯定會(huì)把實(shí)驗(yàn)板和外部器件燒壞。本系統(tǒng)用的電源適配器是將220V的50/60HZ的交流電轉(zhuǎn)換為6V的直流電，輸出的電流可在300mA、3A、4.5A、6A這四檔中根據(jù)需要選擇。電源適配器輸出的6V

39、直流電源還是大于單片機(jī)的正擦工作電壓，我們需要一個(gè)穩(wěn)壓電源將輸入的6V降到5V。本系統(tǒng)選用穩(wěn)壓電源LM2940可以將輸入的電壓穩(wěn)定在5V上。LM2940穩(wěn)壓電源具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，紋波小，穩(wěn)定的線性度非常好，但是其功耗稍大。在安全性方面其有非常大的優(yōu)勢(shì)，LM2940內(nèi)設(shè)有一個(gè)靜態(tài)電流降低電路，該電路內(nèi)還設(shè)有防止電路接反的電路，可以防止電源接反對(duì)實(shí)驗(yàn)板和板上外設(shè)的損壞。如果實(shí)驗(yàn)板出現(xiàn)短接的情況，它也可以降低短路電流，以防造成大的損失。電源模塊原理圖如圖3-2所示。圖3-2 電源模塊原理圖系統(tǒng)的晶振電路模塊晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，為一個(gè)系統(tǒng)各部分能夠通訊系統(tǒng)都使用同一個(gè)晶振頻率。X

40、TAL1用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入，XTAL2 用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸出，為了使其更好地起振，在晶振兩端都加上22pF電容如圖3-3所示，單片機(jī)的振蕩器分為石英晶體和陶瓷諧振器兩種。熔絲位是用來(lái)選擇石英晶體振蕩器或陶瓷諧振器兩種放大器模式中一種的。對(duì)于諧振器，CKOPT在未編程時(shí)其最大晶振頻率為8 MHz，熔絲位在編程時(shí)其最大晶振頻率為16 MHz。不管選擇石英晶體還是陶瓷振蕩器任意一種模式，圖3-3中C5和C6的數(shù)值始終要保持一致。晶振電路如圖3-3所示。圖3-3 晶振電路三、復(fù)位電路模塊復(fù)位時(shí)，單片機(jī)程序復(fù)位向量處開始執(zhí)行并且寄存器都被恢復(fù)為初始值。此時(shí)不要求任何時(shí)鐘處于正常

41、運(yùn)行狀態(tài)。ATmega16有5個(gè)復(fù)位源：上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位掉電檢測(cè)復(fù)位和JTAG AVR復(fù)位。表3-1為ATmega16的復(fù)位特性。表3-1 ATMega16復(fù)位特性ATmega16單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖3-4所示。圖3-4 復(fù)位電路復(fù)位電路中，根據(jù)電容的特性，通電后電容電壓不能突然變化，因此電容兩端電壓需要滿足：（3-1）單片機(jī)系統(tǒng)中R=10，C=0.1uF，由式（3-1）可得出上電復(fù)位的條件：當(dāng)電容兩端電壓上升到門限電壓的最大值0.9Vcc時(shí)，低電平的持續(xù)時(shí)間又大于最小脈沖寬度t=2.3ms就滿足了上電復(fù)位條件，此時(shí)按下復(fù)位鍵時(shí)，單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的手動(dòng)復(fù)位。圖3-4中D

42、iode 1N4148二極管是用來(lái)在斷電時(shí)使圖中電容C13快速放電。第三節(jié)螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)的傳感器選擇信號(hào)采集一、傳感器的選擇與連接傳感器的選擇主要要考慮到測(cè)量條件、傳感器的性能、傳感器的使用條件等因素。其中主要考慮傳感器的靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量范等。1、溫度傳感器：本系統(tǒng)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20如圖3-5所示。由于本系統(tǒng)對(duì)溫度的要求不是很高，數(shù)字溫度傳感器DS18B20完全可以滿足。DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的。跟其他溫度傳感器相比，DS18B20采用的單總線方式接線，線路簡(jiǎn)單體積小，使用起來(lái)十分方便。一根總線上可以掛很多DS18B2

43、0溫度傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，同時(shí)DS18B20價(jià)格非常便宜，非常適合較小型系統(tǒng)的應(yīng)用尤其對(duì)于實(shí)驗(yàn)板。DS18B20適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能；可以測(cè)量55125內(nèi)的溫度；在配置寄存器后，可實(shí)現(xiàn)912位的溫度值輸出，性能穩(wěn)定，線性度良好24；測(cè)溫的精度很高，溫度傳感器輸出的912位溫度數(shù)值分別對(duì)應(yīng)的可分辨的溫度最小單位分別為0.5、0.25、0.125和0.0625；在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 DS18B20與AVR單片機(jī)PA.2口連接。DS18B20與PA.2口連接如圖3-6所示

44、。圖3-5 DS18B20實(shí)物圖及管腳引腳說(shuō)明：GND：地DQ：?jiǎn)尉€運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳VDD：可選VDD引腳圖3-6 DS18B20與ATmega16連接2、溶解氧傳感器：本系統(tǒng)的溶解氧傳感器采用RY952溶解氧傳感器。由于其輸出的為模擬信號(hào)，輸出的模擬量需經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后方可接入ATmega16內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道中。系統(tǒng)將處理好的溶解氧傳感器輸入信號(hào)連接到ADC通道0上面即PA0口。RY952溶解氧傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：溶解氧測(cè)量范圍：020mg/L；最小分度值：0.01mg/L；使用的溫度范圍：040；溫度補(bǔ)償：自動(dòng)溫度補(bǔ)償（050）；溫度補(bǔ)償誤差（040）：3；響應(yīng)時(shí)間：20秒

45、；零點(diǎn)輸出（100N2，20）：0.3mV；輸出：大氣中15 to 21mV；測(cè)量誤差：±0.1mg/L；零值誤差：0.1mg/L；重復(fù)性：±0.10mg/L；穩(wěn)定度：±0.03mg/L；輸出阻抗：約20K；測(cè)溫誤差：±0.50；接口：2根正負(fù)極連接線3、pH值傳感器：本系統(tǒng)的pH值傳感器采用雷磁E-201-C型可充式復(fù)合pH電極。由于其輸出的為模擬信號(hào)，輸出電壓模擬量需經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后接入ATmega16內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將溶解氧傳感器輸入信號(hào)連接ADC通道1上面，即PA1口。該電極輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)，并具備溫度補(bǔ)償功能。其主要技術(shù)參數(shù)

46、如下：測(cè)量范圍：0-14pH；使用的溫度范圍：0-60；零電位：7±0.5pH（25）；百分理論斜率：（PTS） 98.5%（25）；內(nèi)阻：250M；堿誤差：0.2pH（1mol/L pH14）（25）；相應(yīng)時(shí)間：1分鐘第四節(jié)螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)的信號(hào)處理電路一、系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，而多數(shù)傳感器接采集到的都是模擬信號(hào)，這種信號(hào)單片機(jī)不能處理。這時(shí)我們就要必須要將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到的數(shù)字信號(hào)再傳送到單片機(jī)中處理。而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的器件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在本系統(tǒng)中溶解氧傳感器和PH值傳感器采集到的數(shù)據(jù)需要AD轉(zhuǎn)換器才能被單片機(jī)處理。

47、ATmega16的PA口內(nèi)置了8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器如圖3-7所示。其具有10位精度、65 - 260 s 的轉(zhuǎn)換時(shí)間、± 2 LSB 的絕對(duì)精度、0.5 LSB的非線性度、最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá)15K SPS、可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和單次轉(zhuǎn)換模式兩種模式中選擇、具有8路復(fù)用的單端輸入通道、7路差分輸入通道、ADC轉(zhuǎn)換具有自動(dòng)觸發(fā)的功能，可在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)產(chǎn)生中斷。此外，ADC轉(zhuǎn)換器還具有睡眠模式，其睡眠模式的噪聲抑制器，可以保證在一個(gè)采樣周期中的ADC轉(zhuǎn)換中輸入的電壓為恒定值。由于本系統(tǒng)對(duì)精度的要求不是很高，ATMega16內(nèi)部集成的8路10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器完全可以滿足系統(tǒng)的要求。

48、ADC采用逐次逼近方法，把輸入到PA口的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為十位的數(shù)字信號(hào)，其最大值為AREF引腳的電壓減去1 LSB25，其最小值為GND。單端電壓輸入以GND為參考。ADC轉(zhuǎn)換器通過(guò)與模擬多路復(fù)用器連接能對(duì)PA口的輸入電壓進(jìn)行采樣。根據(jù)不同的工作環(huán)境和要求，通過(guò)ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA 的Bit 5ADFR選擇連續(xù)或單次轉(zhuǎn)換模式。圖3-7 ATmega16的ADC接口圖二、放大電路放大電路顧名思義就是具有放大作用的電路。放大電路能夠?qū)⒁粋€(gè)微弱的電信號(hào)，通過(guò)一個(gè)有放大功能的器件，得到一個(gè)波形相似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號(hào)。放大電路的基本原理是利用具有放大特性的電子元件,加上

49、工作電壓后,輸入端的微小電信號(hào)變化可以引起輸出端較大電信號(hào)的變化,輸出端的變化要比輸入端的變化大幾倍到幾百倍。本控制系統(tǒng)中除溫度傳感器可以直接輸出數(shù)字信號(hào)外，溶解氧和pH傳感器輸出電壓模擬信號(hào)都只有毫伏級(jí)。為了避免誤差，我們將其送入單片機(jī)處理之前，都需要現(xiàn)將其先進(jìn)行放大處理。本系統(tǒng)的是使用的是AD623芯片。AD623單電源儀表放大器是由Analog Device公司生產(chǎn)的，可以在單電源的情況下提供滿電源幅度的電壓信號(hào)。圖3-8為AD623引腳圖。圖3-8 AD623引腳圖引腳說(shuō)明：+VS和-VS為電源正負(fù)端；REF為放大器基準(zhǔn)輸入端；OUTPUT為放大器輸出端；-RG和+RG是增益設(shè)置電阻接

50、入端；-IN和+IN分別為放大器的反相和同相輸入端。AD623儀用放大器使用靈活，僅需單個(gè)電阻即可設(shè)置放大增益，在無(wú)外接電阻的條件下，放大器的增益G=1。在外接電阻下，最大增益為1000倍。AD623內(nèi)部電路原理圖如圖3-9所示。AD623內(nèi)部是一個(gè)三運(yùn)放放大電路，其差分輸出滿足26：(3-2)式(3-2)中為輸入電壓，為增益設(shè)置電阻。差分電壓通過(guò)放大器后轉(zhuǎn)變?yōu)閱味穗妷海敵鲭妷阂砸_5的電位為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。圖3-9 AD623內(nèi)部電路圖AD623儀表放大器可采用單電源供電，即+VS=3.012V，-VS=0V。AD623的電源管腳內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)鉗位二極管，以防止輸入端、輸出端、增益電阻端和參考

51、端過(guò)壓超過(guò)電源電壓高低0.3V。此外，對(duì)于所有增益，在電源接通或切斷情況下鉗位二極管都起到保護(hù)作用。在溶解氧和pH值的數(shù)據(jù)采集中，運(yùn)用AD623單電源（5V）的信號(hào)放大電路如圖3-10所示。放大增益通過(guò)外接20電位器調(diào)節(jié)，放大電路輸出以GND（0V）為基準(zhǔn)，差分輸入負(fù)端接地。電源端添加0.1uF的瓷片電容和10uF的鉭電解電容進(jìn)行解耦。圖3-10 信號(hào)放大電路第五節(jié)螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)的通訊電路一、串口通信電路串行通訊目前是上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通訊的主要方式。本實(shí)驗(yàn)板上配置了一個(gè)母頭可與RS-232串口線相連。RS-232的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（

52、DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”27。但是電腦與單片機(jī)通訊的問(wèn)題還沒有解決了。標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平很高，最高達(dá)到正負(fù)15V，單片機(jī)常用的TTL電平最高只有5V不能正常連接。由于電腦串口輸出電壓高達(dá)12V，直接與單片機(jī)連接會(huì)燒壞芯片。所以相互連接的話，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX232CSE芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)RS-232的通訊功能。通訊接口電路如圖3-11。圖3-11 通信接口電路第六節(jié)螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)的控制和顯示模塊一、開關(guān)量控制輸出電路池塘養(yǎng)殖環(huán)境溫度、溶解氧和pH值都采用開關(guān)量進(jìn)行控制。系統(tǒng)開關(guān)量輸出通過(guò)固態(tài)繼電器控制加熱器和增氧機(jī)的啟停。固態(tài)繼電器是一種由固態(tài)電子元件組成的

53、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件，它的使用周期比較長(zhǎng)、可靠性高、靈敏度高、轉(zhuǎn)換速度快和電磁干擾小的特點(diǎn)28。在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流動(dòng)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。由于單相固態(tài)繼電器SSR-10DA內(nèi)部自帶光電耦合隔離，選用其不僅具有控制電路的功能還具有隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的作用。目前常見的固態(tài)繼電器的外形如圖3-12所示。應(yīng)用在系統(tǒng)中的固態(tài)繼電器控制輸出如圖3-13所示。圖3-12 常見固態(tài)繼電器外形圖3-13 固態(tài)繼電器在控制中的應(yīng)用二、矩陣鍵盤本系統(tǒng)采用矩陣鍵盤來(lái)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)中需要的按鍵比較多為了減少對(duì)I/O口占用，所以采用33

54、的矩陣鍵盤。圖3-14所示為單片機(jī)與矩陣鍵盤的連接圖。系統(tǒng)設(shè)計(jì)矩陣鍵盤取中斷方式進(jìn)行按鍵檢測(cè)，可以通過(guò)上拉電阻的方式將行線和列線拉高，也可以置底。按鍵后，將鍵值的輸出連接至單片機(jī)外部中斷0上，具體檢測(cè)原理見下一章。圖3-14 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)三、LCD的顯示電路LCD1602液晶顯示屏在我們的日常生活中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍了，廣泛地應(yīng)用在很多電子產(chǎn)品的顯示器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到。1602液晶顯示屏是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符（2行16列），并具數(shù)字式接口、顯示質(zhì)量高、體積小、重量輕、低功耗、顯示內(nèi)容豐富等諸多

55、優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型低功耗系統(tǒng)中。圖3-15為1602液晶顯示屏實(shí)物圖；圖3-16為1602液晶顯示屏與單片機(jī)連接圖。表3-2為L(zhǎng)CD1602的接口說(shuō)明。圖3-15 1602液晶顯示屏實(shí)物圖表3-2 1602接口說(shuō)明圖3-16 1602液晶屏與單片機(jī)連接圖ATmega16單片機(jī)與LCD1602液晶顯示屏連接如圖所示。液晶顯示屏的數(shù)據(jù)端與單片機(jī)的PB口連接，數(shù)據(jù)命令選擇端和使能信號(hào)端分別與PC1和PC0連接。由于系統(tǒng)中液晶顯示屏只用作顯示數(shù)據(jù)，只需向LCD1602液晶顯示屏中寫數(shù)據(jù)或命令就能滿足要求了，不需要從LCD1602液晶顯示屏上讀取數(shù)據(jù)，所以液晶顯示屏LCD1602的讀寫選擇端直接接地就

56、可以了，使LCD1602液晶顯示屏始終處于寫數(shù)據(jù)或命令的模式。第四章螃蟹溫室過(guò)冬調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件倆個(gè)方面。上位機(jī)即為PC機(jī)，下位機(jī)即為ATmega16單片機(jī)。ATmega16單片機(jī)在ICC AVR軟件的編程環(huán)境中運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。ATmega16單片機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的顯示、與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信、控制外部水質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，接收PC機(jī)的指令并完成相應(yīng)的操作。PC機(jī)是LabVIEW軟件環(huán)境中運(yùn)用其圖形化模塊在程序面板上進(jìn)行編程的。PC機(jī)通過(guò)接收單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)將其顯示在前面板上并且可以在前面板上各水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的地方進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)池塘

57、水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。第一節(jié)下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的下位機(jī)程序運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，程序包括系統(tǒng)主函數(shù)、各個(gè)模塊的初始化子函數(shù)（包括I/O口、LCD液晶顯示屏、DS18B20、定時(shí)器）、定時(shí)器T0中斷處理子函數(shù)、DS18B20溫度讀取子函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)、按鍵中斷和鍵值讀取子函數(shù)、顯示子函數(shù)、控制輸出子函數(shù)、串口通信子函數(shù)以及其他子函數(shù)。函數(shù)的頭文件頭文件是一種包含功能函數(shù)、數(shù)據(jù)接口聲明的載體文件。對(duì)于一個(gè)較大型的單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)使用到許多子函數(shù)，使用頭文件引入庫(kù)函數(shù)可以大大簡(jiǎn)化程序。本程序的頭文件見附錄。函數(shù)的宏定義本系統(tǒng)需要使用許多變量，宏定義可以把某些端口定義成為簡(jiǎn)單易懂的變量，在編程時(shí)宏定義可以減小出錯(cuò)的概率，提高程序的可讀性便捷性。本程序的宏定義見附錄。全局變量的定義全局變量顧名思義，這種變量在程序中每個(gè)函數(shù)都可以使用，方便參數(shù)的傳輸。全局變量可以將主函數(shù)與子、子函數(shù)與子函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，全局變量還