基于單片機的水產養殖無線鹽度檢測系統設計

沈翠鳳

摘要摘要：以MCS-51單片機作為控制器，采用nRF905無線通訊模塊，設計了一種水產養殖無線鹽度檢測系統。采用電導率法測量鹽度，系統采集鹽度信息，采用無線數據傳輸，克服了傳統有線數據傳輸的缺陷。基于Visual Basic6.0開發了上位機監控軟件，實時在線自動監測鹽度，系統運行良好，可以滿足高效水產品養殖需要。

關鍵詞關鍵詞：單片機；無線通訊；鹽度檢測；水產養殖

DOIDOI：10.11907/rjdk.162185

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001004703

引言

隨著現代高效農業的不斷發展，農業自動化的作用顯得尤為重要，它極大地提高了勞動生產率，增加了勞動的舒適性以及可操作性。為進一步促進鹽城市智能農業發展，提高水產養殖效率，本文設計了一種基于單片機和無線通訊的水產養殖鹽度監控系統。系統采用DJS-10鉑黑電導電極檢測鹽度[1]，因為溫度對溶液的導電性能會產生較大影響，從而產生測量誤差，所以需要進行實時溫度補償，這里采用PT100鉑電阻檢測溫度。由于采用無線數據傳輸克服了有線網絡傳輸數據時布線麻煩、施工安裝不方便、維護困難的缺點，提高了系統的可靠性和實時性；并且，采用Visual Basic6.0開發了可視化的上位機監控軟件，實現了養殖水體鹽度參數的遠程無線監控。

1系統總體設計

以STC89C51單片機系統為核心的無線鹽度檢測系統總體結構如圖1所示。系統主要由水環境鹽度、溫度數據采集電路、模數轉換電路、無線數據傳輸電路、串口通訊電路等組成。水環境的鹽度與溫度兩路模擬信號被A/D轉換芯片分時采集，處理成數字量后送分控單片機進行綜合數據處理，處理后的鹽度數據打包后由無線模塊發送端發送，無線模塊接收端將接收的數據信息發送至主控單片機，通過數碼管顯示鹽度值，并采用RS232串口通信將鹽度數據發送至上位PC機，實時同步顯示鹽度值。

2系統硬件設計

系統硬件電路主要由鹽度檢測電路、溫度檢測電路、鹽度A/D轉換電路、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、測量電路和信號調理電路組成[2]。

2.1.1測量電源

采用DJS-10鉑黑電導電極作為鹽度傳感器，如果采用直流電橋法極易導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。因為是低頻信號，所以用RC橋式自激振蕩電路來產生所需要的交流正弦波信號。

為保證測量精度，需要穩定的正弦波，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的二極管進行限幅。當到達R3端的電壓較小時，兩只二極管相當于開路，此時等效電阻即為3.6K；而當電壓增大到一定程度使得兩只二極管交替導通時，R3則被短路，此時增益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，如此循環往復即可保證輸出穩定的正弦波信號。

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E為分壓電阻兩端的電壓，當RX>>R6時，有E=R6*VO/（R6+RX）≈R6*VO/RX=GXR6VO。由此可見，當R6、VO都是常數且RX>>R6時，E將正比于GX，即分壓電路輸出電壓和電導池的電導率之間為線性關系，這樣測出E就可計算出GX，也就能得到需要的鹽度值[34]。但當RX>>R6時，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行處理。

2.1.3信號調理電路

由于采用了100Hz低頻信號，在實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4個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轉換及單片機處理。此時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率，即正比于溶液鹽度，最后經差分放大為ADC0809能處理的0～5v電壓信號。

2.2鹽度數據A/D轉換電路

采用DJS-10鉑黑電導電極作為鹽度傳感器對養殖水體鹽度信息進行采集；采集的鹽度數據經過模數轉換模塊ADC0809轉換后送單片機處理。

2.3無線通訊模塊

本系統的無線通訊模塊采用nRF905，其接口電路如圖4所示。單片機之間通過無線通訊進行數據傳輸。鹽度傳感器檢測到的數據經過模數轉換之后送分控單片機，然后通過無線通訊將數據發送給主控單片機[5]。

2.4串口通訊電路

本系統的串口通信電路采用RS-232C串行通信方式。要實現單片機和電腦RS-232C接口的通信，就必須進行電平轉換，將單片機的TTL電平轉換成計算機的RS-232C電平，或者將計算機的RS-232C電平轉換成單片機的TTL電平，這里采用MAX232電平轉換芯片。

3系統軟件設計

3.1下位機軟件設計

下位機包括發送單元和接收單元，分別由主控單片機和分控單片機控制。其中發送單元主要包括：ADC0809的2路采集程序、數據處理程序和nRF905發送程序；接收單元主要包括：nRF905接收程序和串口通訊程序。電導率和溫度數據處理都在發送單元的程序里進行，發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上位機軟件設計

Visual Basic是一種面向對象的可視化程序設計語言，可以方便地建立友好的人機交互界面。本系統基于Visual Basic6.0開發，可以實時監測水產養殖鹽度信息[67]。主控單片機系統上的數碼管與上位機同步顯示的鹽度測量值如圖8和圖9所示，兩者數值基本一致，實現了鹽度的現場監測與遠程監測。實時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結語

針對傳統水產養殖中人工巡塘成本高、效率低等缺點，本文設計了一種基于單片機和無線通訊的水產養殖鹽度監控系統，克服了有線網絡數據傳輸時布線麻煩、系統可靠性差等缺點，同時設計了基于Visual Basic的上位機實時監控軟件。實際測試結果表明，系統測量精度高、實時性好、數據傳輸穩定，且運行效果良好。

參考文獻：

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[2]閻石.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2008.

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[4]閆瑞杰，李海香，郝瑞霞.多通道鹽度測量系統的設計及應用[J].太原理工大學學報，2013，44（6）：749752.

[5]喻金錢，喻斌.短距離無線通信詳解——基于單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

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[7]Visual Basic數據采集與串口通信測控應用實踐[M].北京：人民郵電出版社，2010.

責任編輯（責任編輯：孫娟）

第1期 劉桂元，曾志遠，楊書新：基于Unity3d引擎的教育類游戲設計與實現軟 件 導 刊2017年標題