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摘要：为了提高虾塘增氧自动化水平以及虾类产品饲养的数量和质量，通过分析和研究国内外虾塘增氧机自动控制的实现方法，对现有增氧方法优劣对比下，设计了自动增氧机控制系统。该系统具有实用性，能很好的为水产品养殖业生产创造经济效益，减轻虾民的工作量，提高工作效率。
关键词：虾塘；增氧；自动；控制
1导言
目前国内外实现了虾塘增氧机的自动控制，主要有两种方式：一是控制增氧机运行时间的自动控制电路，它是一种经济、方便、实用的时间控制器，对增氧机开关时间实行自动控制，即每到夜间或阴雨天气，自动开启增氧机，每次开机后的持续时间可在15分钟、半小时、1小时或2小时等4个时间中任意选择；二是采用编码解码无线收发组件进行信号的传输，将采集的信号进行一定的处理，去控制增氧机的开启，能达到自动控制增氧机启停的目的。然而，这两种控制方式各有其利弊：方式一未能实现对虾塘含氧量的全天候监控，增氧效果不是很好，而且有很大的能源浪费；方式二虽能实现对虾塘含氧量的全天候监控，但其控制系统复杂，可靠性不是很高。
2 总体设计思路
2.1 设计采用的重要方案、核心技术及设计目的
增氧自动控制器是一种实时检测水中溶氧量并根据氧气浓度自动控制增氧机启停的装置。它采用极谱型复膜氧电极作为溶氧传感器，溶氧传感器和温度传感器采集虾塘水中的数据。ADC0809的作用是将传感器采集到的连续模拟信号转换成数字信号。键盘输入控制条件参数，以AT89S51单片机作为检测和控制的核心，采用可控硅光电耦合器控制增氧机和报警等电路。通过对虾塘水中温度和溶氧量的实时监测，据预先设定的标准对虾塘增氧机进行自动控制，从而自动控制水中溶氧量，以保证虾在适宜的氧气浓度下正常快速生长。可提高养虾业的效率、安全可靠、省时省力。
2.2 系统总体结构示意图：
图1 系统总体结构示意图
3 系统硬件设计
3.1 ADC0809 芯片简介、性能和工作原理
3.1.1 ADC0809芯片简介
ADC0809是8位逐次逼近型A/D 转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
3.1.2 ADC0809芯片的工作原理
ADC0809的工作原理如下：8条模拟量输入通道是IN0－IN7；ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须经过放大电路进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条，ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A、B 和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上8路模拟开关中的一路模拟量输入。
数字量输出及控制线：11条；ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向；单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，通常通过74LS74四分频提供所需时钟信号，频率约为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入线，用于给电阻网络供给标准电压。VREF（＋）常和VCC 相连，VREF（－）常接地。
3.1.3 ADC0809 的芯片性能特点
它是一个逐次逼近型的A/D 转换器，外部供给基准电压；单通道转换时间116us；分辨率为8位，带有三态输出锁存器，转换结束时，可由CPU 打开三态门，读出8位的转换结果；有8个模拟量的输入端，可引入8路待转换的模拟量。ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器，所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态缓冲器由OE控制，当OE为高电平时，三态缓冲器打开，将转换结果送出；当OE为低电平时，三态缓冲器处于阻断状态，内部数据对外部的数据总线没有影响。
3.2 AT89S51芯片性能特点、管脚分布和工作原理
3.2.1 AT89S51芯片介绍
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
3.2.2 AT89S51芯片主要性能特点
9端与5端为变换后的时钟输出端，3端与11端为原时钟输入端，12端与8端联接，6端与2端联接，14端接电源正极、7端接电源负极
分频：8，9，10，11，12，13为一组，1，2，3，4，5，6为另一组，如果要得到二分频，5端或9端为变换后的时钟输出端，原时钟需接11端或3端。
3.4 LCD1602液晶显示器
LCD1602液晶显示器的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。具有低压微功耗、外观小巧精致、被动显示型、显示信息量大、易于彩色化无电磁辐射、长寿命等特点。
LCD1602液晶显示器显示原理：利用旋光效应对光进行偏转，再利用偏振片滤去不需要透过光的相应像素，从而实现图像显示。
LCD1602液晶显示器驱动原理：分成两大步，即写指令，写数据，其中写数据之前要找到显示的位置。
本实验所采用的液晶型号为LCD1602。它位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了，显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母，程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而LCD1602自动完成此功能。
3.5 整体结构
自动增氧控制系统由单片机控制电路、键盘输入及显示电路、控制电路、信号处理电路、增氧机工作状态检测电路和声光报警电路等部分组成，溶氧传感器和温度传感器检测到现场连续的模拟模拟信号，经放大电路将信号放大之后进入ADC0809，进行A/D转换，转换后的数字里进入单片机，与设定的温度和溶氧量上下限值进行比较，若高于上限或者下限值时，单片机输出控制信号，声光报警电路启动，溶氧量高于设定上限值，增氧电机停止工作，反之则启动增氧电机对虾塘进行增氧。键盘输入及显示电路的作用是设定温度和溶氧量的上下限值，并将检测到的信号经A/D转换后的数字信号显示，系统硬件电路框图如图5。
本设计中只用了通道IN0和IN1，为了方便，将地址选择线ABC中的C直接接地，利用A和B的组合选择通道IN0和IN1，A=0，B=0时选择通道IN0，A=0，B=1时选择通道IN1，A接到单片机P3.6引脚，B接到P2.7引脚。ADC0809片内具有三态输出锁存缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连，这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线P0口相连，AT89S51的P0口作为数据总线，又作为低8位地址总线。ADC0809的片内没有时钟信号必须由外部提供，这里利用AT89S51提供的地址锁存允许信号ALE经计数器74LS74构成的4分频器分频获得。ALE引脚的频率是单片机时钟频率的1 /6，单片机的时钟频率为12MHz，则ALE引脚频率约为2MHz，再经4分频后为500kHz，所以ADC0809能可靠工作。
3.7 增氧机控制电路原理图
增氧机控制电路主要由可控硅和光电耦合器组成。单片机发出控制信号，经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后，使得可控硅的触发极处于高电平，可控硅处于导通状态，进而控制增氧机工作。而使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的可靠性，本设计由于条件有限，在此用两个LED发光二极管D3、D4分别代替两台增氧机M1、M2，利用单片机P2.0口控制增氧机M1启停，P2.1口控制增氧机M2的启停。
3.8报警电路
由光报警和声音报警构成：当ADC0809模拟通道IN0和IN1采集到的溶氧量超过溶氧设定值上限或者低于溶氧设定值下限时，单片机输出控制信号，使P3.1管脚输出低电平，光报警电路工作，报警灯亮，同时利用条件判断指令，若检测到的溶氧量低过溶氧下限，单片机输出控制信号，使管脚P2.0和管脚P2.1输出低电平，控制驱动电路，从而驱动两台增氧电机，对虾塘进行增氧（由于实验条件限制，在此用两个发光二极管代替两台增氧电机），反之，增氧电机不启动。当ADC0809模拟通道IN1采集到的温度超过温度设定值上限或者下限时，单片机会输出控制信号，使P3.0管脚输出低电平，声音报警电路工作，蜂鸣器响，反之则声音报警电路停止工作。
4 结论及改进
基于单片机控制的自动增氧控制器充分发挥了单片机的控制运算及数据处理等功能，在样机测试表明：该控制器不仅操作简单、准确、抗干扰能力强、可靠性高，且节能效益明显，具有重要的实用价值与经济效益。
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[4] 欧阳文.ATMEL89系列单片机的原理与开发实践.北京：中国电力出版社.2007.
论文作者:张伟亮
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/20
标签：增氧机论文; 单片机论文; 信号论文; 电路论文; 数据论文; 时钟论文; 对虾论文; 《电力设备》2017年第20期论文;