基于單片機的智能水箱水質監測系統

張澤飛，羅輝輝，翟 娟，周 弘，徐 宇

（揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225009）

0 引言

我國的水質監控系統已初步完善，但對于水產養殖等小型區域的水質監測還尚未成熟[1-4]。水質指標是魚類生存和成長息息相關的重要因素。因此，對水環境的參數如 pH值、溶解氧、水溫、渾濁度等進行監控有著重要的意義。

目前，對于養殖水域來說，國家基本上沒有建立相應的監測系統。水產養殖行業大部分是采用人工觀察，通過觀察魚類是否浮出水面呼吸從而判斷水中溶解氧含量是否足夠，從而人工開啟增氧設施或者其它調節設備。不僅工作人員勞動強度大，而且水質不穩定影響養殖效果。由于養殖水域尤其是小型養殖水域的水質監測基本上是空白，因此低成本的小型水域水質監測系統成為未來發展的必要趨勢。

本文設計的自動化水箱監控與調節系統，以水產養殖的水質參數為監測目標，采用AT89S51單片機為控制單元，選取DS18B20溫度傳感器等作為測單元，以LCD顯示器作為顯示部分，分別以蜂鳴器與報警燈、繼電器作為動作部分。單片機實時與溶解氧、pH值、溫度等傳感器保持通信，獲得相應數據并進行分析處理。當檢測到的實時數據超出設置的范圍時，蜂鳴器指示燈、繼電器各自動作。此水箱的適用范圍也很廣闊，可以家用養殖，可以是觀賞養殖，也可以是商業養殖，甚至是研究養殖[1]-[2]。

1 系統的總體架構

該系統（如圖1）主要由單片機、溫度傳感器、溶解氧（氧容量）傳感器、PH傳感器、LCD、調節裝置組成。通過相應的傳感器監測當前水質指標，當測得的溫度、溶解氧含量、pH值和單片機預設的值有偏差時，驅動調節裝置進行調節，同時相關數值顯示在LCD上，使得水質達到水生生物的最佳生活環境[3-4]。

2 系統的硬件設計

2.1 溶解氧檢測電路

在水產養殖中，溶解氧對水中生物如魚類的生存有著非常重要的影響。低溶氧時可以導致水生物生長緩慢，對疾病的抵抗能力發病率高；高溶氧時某些魚類幼體可能會產生疾病。因此溶解氧濃度在對水生生物的生長顯得尤為重要[5]。

我們選用溶解氧傳感器KDS-25B，測量時，溶解于電極端頭的外部被測介質中的氧傳遞到電極透氧膜外表面，以擴散的方式，最后到達電極陰極表面，通過氧化還原反應，構成一種氧鉛蓄電池，然后由內部電阻將氧化還原反應產生的電流轉化成電壓輸出。

（1）電源濾波電路

如圖2所示，該電路利用電抗性元件對交直流阻抗的不同，實現濾波功能。電容C對直流開路，對交流阻抗較小，并聯在負載兩端。電感L對交流阻抗大，對直流阻抗小，要與負載串聯。經過濾波電路后，既可保留直流分量，又可以濾掉部分交流分量，減小了電路的脈動系數，改善了直流電壓的分量。

（2）信號放大電路

由于溶解氧探頭輸出的信號為電流信號，在并聯電阻后轉換的電壓信號只有 1-100 mV，電壓很小，所以需要一個信號放大電路將所測信號進行放大，如圖3所示。

a）信號放大電路圖

b）AD623放大器簡介

在放大電路中我們之所以采用 AD623放大器是因為它功耗低，可單電源工作且所需電流極小，只需外接一個電阻即可設置增益。同時它輸入阻抗較大，對輸入信號影響小。

c）AD623放大器工作原理

PNP晶體管作為電壓緩沖器，接收輸入信號，同時提供一個共模信號到輸入放大器。每個放大器串接一個50 kΩ的反饋電阻以保證增益可編程，差分電壓經過輸出放大器變為單端電壓。

2.2 pH值的檢測電路

PH值對水中生物的生存有很大影響。經大量數據證明，魚在酸性（PH<5.5)的條件下，水體中的魚類對傳染性魚病體抗力降低，即使水中溶解氧達標，也會出現呼吸困難、生長緩慢、死亡率變高等癥狀。因此，水中 pH值的測量并及時調節對水生生物的生長生活顯得尤為重要[6]。

圖2 電源濾波電路Fig.2 Power filter circuit

圖3 信號放大電路圖Fig.3 Circuit diagram of signal amplification

圖4 采集電路和放大電路Fig.4 Acquisition circuit and amplification circuit

我們選用E-201-CPH型復合玻璃電極pH傳感器。，pH復合電極監測水中的 pH值，并將其轉化為電流信號，經過信號采集后，通過濾波電路、信號放大電路、模數轉換電路后輸入到單片機中，輸出結果經LCD顯示電路顯示。

（1）濾波電路

一般在電路的輸入信號中，總有一些噪音和干擾，為了能夠更好地完成 PH的測量和調節，必須消除以上干擾。和上一個溶解氧傳感器的濾波電路相似，在這就不多贅述。

（2）放大電路

PH傳感器要經過合理的放大才能在 A/D轉換器中接受到信號。

（3）模數轉換電路

a）ADC0832介紹

ADC0832作為一種常用的的模數轉換芯片，功能強大，體積小巧。具有8位分辨率、在5 V工作電壓下輸入電壓在0-5 V之間，功耗較低等優點。

b）模數轉換電路設計與功能程序實現

ADC0832的分辨最高可達到2^8，可適用于一般電路的轉換要求，所以芯片一般輸入電壓在0-5 V之間。正常情況下，ADC0832與單片機的連線應為4根數據線，分別為CLK,DI,D0,CS。根據DI數據輸入端，可以實現通道功能的選擇。電路圖如下。

2.3 溫度的檢測電路

在水產養殖中，溫度也對水中生物如魚類的生存有著重要的影響。低溫時，水生生物行動緩慢，導致新陳代謝緩慢，僅僅只能維持生命；高溫時可能會殺死水生生物。

我們選擇 DS18B20溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，抗干擾能力強，精度高的特點。其次它接線方便，安裝方便，開銷小，工作原理簡單。

圖5 A/D轉換電路Fig.5 A/D conversion circuit

溫度傳感器電路較為常見，基本上原理相類似，就是DQ接P1.6引腳，當溫度改變時，會產生一個動態的變化，從而在顯示數碼管上面顯示出來[7-8]。如圖6所示。

3 系統的軟件設計

（1）初始化單片機、A/D、設置總線。

（2）通過傳感器進行數據采集。

（3）運行A/D轉換器。

（4）與設定值進行比較，超出范圍，則顯示超出提示，進行調節，若沒有超出范圍，則顯示當前數值。

（5）如此循環往復。

圖6 LCD1802顯示數字溫度傳感器總電路設計Fig.6 LCD1802 display digital temperature sensor master circuit design

圖7 軟件設計程序流程圖Fig.7 Flow chart of software design program

4 結束語

本文闡述了基于AT89S51單片機的自動化、智能化小型水箱的工作原理，重點介紹了溶解氧、pH值、溫度的監測與調節主控器模塊，最后提出了系統的軟件設計方法。實現了小型水域水質監測與調控功能，具有經濟實用價值。