基于单片机的水产养殖无线盐度检测系统设计

沈翠凤

摘要摘要：以MCS-51单片机作为控制器，采用nRF905无线通讯模块，设计了一种水产养殖无线盐度检测系统。采用电导率法测量盐度，系统采集盐度信息，采用无线数据传输，克服了传统有线数据传输的缺陷。基于Visual Basic6.0开发了上位机监控软件，实时在线自动监测盐度，系统运行良好，可以满足高效水产品养殖需要。

关键词关键词：单片机；无线通讯；盐度检测；水产养殖

DOIDOI：10.11907/rjdk.162185

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）001004703

引言

随着现代高效农业的不断发展，农业自动化的作用显得尤为重要，它极大地提高了劳动生产率，增加了劳动的舒适性以及可操作性。为进一步促进盐城市智能农业发展，提高水产养殖效率，本文设计了一种基于单片机和无线通讯的水产养殖盐度监控系统。系统采用DJS-10铂黑电导电极检测盐度[1]，因为温度对溶液的导电性能会产生较大影响，从而产生测量误差，所以需要进行实时温度补偿，这里采用PT100铂电阻检测温度。由于采用无线数据传输克服了有线网络传输数据时布线麻烦、施工安装不方便、维护困难的缺点，提高了系统的可靠性和实时性；并且，采用Visual Basic6.0开发了可视化的上位机监控软件，实现了养殖水體盐度参数的远程无线监控。

1系统总体设计

以STC89C51单片机系统为核心的无线盐度检测系统总体结构如图1所示。系统主要由水环境盐度、温度数据采集电路、模数转换电路、无线数据传输电路、串口通讯电路等组成。水环境的盐度与温度两路模拟信号被A/D转换芯片分时采集，处理成数字量后送分控单片机进行综合数据处理，处理后的盐度数据打包后由无线模块发送端发送，无线模块接收端将接收的数据信息发送至主控单片机，通过数码管显示盐度值，并采用RS232串口通信将盐度数据发送至上位PC机，实时同步显示盐度值。

2系统硬件设计

系统硬件电路主要由盐度检测电路、温度检测电路、盐度A/D转换电路、无线通讯模块、串口通讯电路等组成。

2.1盐度检测电路

盐度检测电路如图2所示，主要由测量电源、测量电路和信号调理电路组成[2]。

2.1.1测量电源

采用DJS-10铂黑电导电极作为盐度传感器，如果采用直流电桥法极易导致传感器探头的电解，故考虑使用一定频率的交流电作为测量电源。本文采用100Hz低频交流信号作为测量电源。因为是低频信号，所以用RC桥式自激振荡电路来产生所需要的交流正弦波信号。

为保证测量精度，需要稳定的正弦波，且信号不能失真，因此需要对信号限幅，这里使用两只反向并联的二极管进行限幅。当到达R3端的电压较小时，两只二极管相当于开路，此时等效电阻即为3.6K；而当电压增大到一定程度使得两只二极管交替导通时，R3则被短路，此时增益AV=1+（R3+R4）/R5=1+R4/R5<3，不再满足自激振荡的条件，电压会减小，直到二极管断开，再次满足振荡条件，电压再增大，如此循环往复即可保证输出稳定的正弦波信号。

2.1.2测量电路 采用线性分压测量电路，图2中R6为分压电阻，RX为电极间的溶液电阻。设E为分压电阻两端的电压，当RX>>R6时，有E=R6*VO/（R6+RX）≈R6*VO/RX=GXR6VO。由此可见，当R6、VO都是常数且RX>>R6时，E将正比于GX，即分压电路输出电压和电导池的电导率之间为线性关系，这样测出E就可计算出GX，也就能得到需要的盐度值[34]。但当RX>>R6时，E的值会很小，后面的整流电路将很难处理，因此R6不能取得太小，这里取R6=0.1kΩ，由此造成的非线性误差将通过软件进行处理。

2.1.3信号调理电路

由于采用了100Hz低频信号，在实际测量过程中很可能会引入高频噪声，因而最终送到A/D转换端的信号必须滤去高频干扰信号。图2中的R7、R8、C3、C4和运放组成二阶有源低通滤波电路，能有效滤去高频成分。滤波后的交流信号还要经4个二极管组成的全桥整流电路以及电容滤波后变成直流电压信号，这样才能送A/D转换及单片机处理。此时的直流信号是分压电阻两端的差分信号，此信号正比于被测溶液的电导率，即正比于溶液盐度，最后经差分放大为ADC0809能处理的0～5v电压信号。

2.2盐度数据A/D转换电路

采用DJS-10铂黑电导电极作为盐度传感器对养殖水体盐度信息进行采集；采集的盐度数据经过模数转换模块ADC0809转换后送单片机处理。

2.3无线通讯模块

本系统的无线通讯模块采用nRF905，其接口电路如图4所示。单片机之间通过无线通讯进行数据传输。盐度传感器检测到的数据经过模数转换之后送分控单片机，然后通过无线通讯将数据发送给主控单片机[5]。

2.4串口通讯电路

本系统的串口通信电路采用RS-232C串行通信方式。要实现单片机和电脑RS-232C接口的通信，就必须进行电平转换，将单片机的TTL电平转换成计算机的RS-232C电平，或者将计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平，这里采用MAX232电平转换芯片。

3系统软件设计

3.1下位机软件设计

下位机包括发送单元和接收单元，分别由主控单片机和分控单片机控制。其中发送单元主要包括：ADC0809的2路采集程序、数据处理程序和nRF905发送程序；接收单元主要包括：nRF905接收程序和串口通讯程序。电导率和温度数据处理都在发送单元的程序里进行，发送端主程序流程如图6所示，接收端主程序流程如图7所示。

3.2上位机软件设计

Visual Basic是一种面向对象的可视化程序设计语言，可以方便地建立友好的人机交互界面。本系统基于Visual Basic6.0开发，可以实时监测水产养殖盐度信息[67]。主控单片机系统上的数码管与上位机同步显示的盐度测量值如图8和图9所示，两者数值基本一致，实现了盐度的现场监测与远程监测。实时检测的盐度曲线如图10所示，可直观、方便地显示盐度测量值。

4结语

针对传统水产养殖中人工巡塘成本高、效率低等缺点，本文设计了一种基于单片机和无线通讯的水产养殖盐度监控系统，克服了有线网络数据传输时布线麻烦、系统可靠性差等缺点，同时设计了基于Visual Basic的上位机实时监控软件。实际测试结果表明，系统测量精度高、实时性好、数据传输稳定，且运行效果良好。

参考文献：

[1]林华清，陈华章.数字式海水盐度计的研制[J].广东工业大学学报，2002，19（3）：4549.

[2]阎石.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]兰敬辉.溶液电导率测量方法的研究[D].大连理工大学，2002.

[4]闫瑞杰，李海香，郝瑞霞.多通道盐度测量系统的设计及应用[J].太原理工大学学报，2013，44（6）：749752.

[5]喻金钱，喻斌.短距离无线通信详解——基于单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[6]ZHAO YONG，LIAO YANBIAN.Monitoring technology of salinity in water with optical fiber sensor[J].Journal of Light Wave Technology，2003，21（5）：13341338.

[7]Visual Basic数据采集与串口通信测控应用实践[M].北京：人民邮电出版社，2010.

责任编辑（责任编辑：孙娟）

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