鱼塘自动增氧控制器需求分析报告.docx

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鱼塘自动增氧控制器需求分析报告

鱼塘自动增氧控制器需求分析报告

1引言

1.1编写目的

本项目旨在研制一种鱼塘自动增氧控制器，该仪器能准确测量鱼塘中溶解氧含量，并能根据用户设定的上、下限值自动控制增氧机启停，当溶氧低于下限时启动增氧机，当溶氧高于上限时关闭增氧机，使溶解氧含量保持在设定的最佳状态。

溶解氧是池塘养殖业最重要的水质指标，鱼类的呼吸依赖于水中的溶解氧含量，如果水中的氧含量过低鱼类将无法正常生长。

主要养殖鱼类正常生长所需要的溶解氧含量一般在4－5mg/L以上。

此时鱼类摄食好、生长快、饲料利用率高。

当溶氧低于此值时，鱼类的摄食和生长都将受到一定的影响。

特别是当溶氧低于2mg/L时，鱼类基本上停止摄食。

当溶氧低于1mg/L时，鱼类就会浮头。

而当溶氧低于0.5mg/L时，鱼类即可窒息死亡。

如果溶氧偏高，一般对鱼类没有太大的危害，但深度过饱和溶氧有时会引起气泡病，并且会消耗太多的能源。

目前增补池塘增氧量的设备是增氧机，而增氧机工作状况的控制却是人工手动作，这样必然存在着判断不准确等现象，而在一般情况下，鱼塘缺氧往往是在夜间，特别是在拂晓气压较低时，鱼塘溶解氧浓度下降到最低点。

渔民为观察鱼情而彻夜不眠。

为将渔民从繁忙的体力劳动中解脱出来，确保增氧机工作的可靠性，研制了智能型池塘增氧机控制器，该控制器能够根据池塘中溶解氧浓度的高低，对增氧机的工作状况进行自动控制，大大提高了增氧机工作的可靠性，使鱼更快更好生长。

1.2立项的背景

a.所开发的系统的名称；

鱼塘自动增氧控制器

b.该系统同其他系统或其他机构的基本的相互来往关系。

该系统可通过RS232\485与上位机的通信，实现远程控制。

2任务概述

2.1目标

准确测量鱼塘中溶解氧含量，并能根据用户设定的上、下限自动控制增氧机启停，当溶氧低于下限时启动增氧机，当溶氧高于上限时关闭增氧机，使溶解氧含量保持在设定的最佳状态。

2.2用户的特点

中小型鱼塘，用增氧器且无控制设备

3需求规定

3.1项目的功能规定

该鱼塘自动增氧控制器包括开关机限值的设定、氧传感器校准、溶氧含量测量与显示、水温测量与显示、传感器故障报警与显示、手动工作与显示、控制溶解氧传感器电极搅拌装置的关闭和启动、传感器测量值的RS232传送、EEPROM存储等功能。

3.2主要技术指标

3.2.1测量范围：

0～20mg/L

3.2.2最小分度值：

0.01mg/L

3.2.3测量误差：

≤±0.2mg/L

3.2.4显示方式：

4位数码管显示

3.2.5响应时间：

小于20秒

3.2.6故障处理能力要求：

当传感器出现故障时，控制器能自动检测到并启动增氧机间歇性工作

3.2.7工作环境：

0－50℃，避免强腐蚀液体和气体

3.2.8报警方式：

声光报警，同时以30秒的间隔周期控制继电器的输出

3.2.9控制方式：

用插座和插头将继电器和单片机连接，继电器输出220V交流，可以控制增氧机的中间继电器（220V控制的交流接触器）

3.2.10通讯方式：

RS232\485

4系统硬件结构

图1系统硬件结构

4.1芯片选型及主要参数

4.1.1传感器

本系统采用的溶解氧传感器是内置温度传感器的，该产品具有高稳定性，打破电化学传感技术难题，实现传感器不换透气膜和电解液。

溶解氧传感器技术参数如下：

测量范围

0～20mg/L

温度适用范围

0～40℃

最小分度值

0.01mg/L

响应时间（T90）

＜20s

温度补偿误差

（0～40℃）

＜3%

温度补偿

自动温度补偿

（0~50℃）

零点输出

<0.3mV

输   出

大气中15to21mV

测量误差

≤±0.1mg/L

零值误差

≤0.1mg/L

重复性

≤±0.10mg/L

稳定度

±0.03mg/L

输出阻抗

约20KΩ

测温误差

≤±0.50℃

探头外形尺寸

φ20×125mm

接   口

2根正负极连接线

温度传感器主要参数：

⏹测量范围：

-55℃~150℃。

⏹线性度：

10mV/℃。

⏹工作电压：

4V~30V。

⏹输出接口：

VCC、GND、信号输出。

4.1.2放大电路

由于溶解氧传感器输出的电压信号非常微弱，只有15~21mV，温度传感器输出的电压满足关系式：

V=10t（mV），它输出的电压也非常微弱。

欲用单片机实现对VF芯片输出数据的采集和处理,必须先对传感器输出的电压信号不失真地放大许多倍。

4.1.2.1溶解氧传感器放大电路设计

溶解氧传感器输出的电压只有15~21mV,而V\F转换芯片要求入口信号为0~5V。

所以,必须将溶解氧传感器的输出信号放大250倍,考虑到单运放,若选择其外围电阻参数使其放大倍数太大,则运放增益偏离理论值就相对大,并且增益的稳定性和一致性相对差些。

所以只用一级运放来放大250倍显然不妥当。

又在实验中发现对称双运放差分电路比单运放电路的实测增益值更接近理论增益值。

因此,本系统高增益电路设计为三运放差分电路,如图3所示。

因为同相放大器具有极高的输入阻抗。

所以在图3的输入电路中使用两个同相放大器,把各自的输出作为下一级差动放大器的输入,从而得到非常高输入阻抗。

若设同相放大器,各自的输出电压分别为e3,e4,则有:

e3=（1+R2/R1）e1-e2R2/R1

（1）

e4=（1+R3/R1）e2-e1R3/R1

（2）

取R2=R3=,R4=R5,R6=R7,则该电路的输入，输出关系如下：

e0=-（e3-e4）R6/R4=R6/R4（1+2（e2–e1）R2/R1）（3）

图3电路左端两个同相放大电路的增益为式（3）中1+2R2/R1=1+2×12=25倍。

图3右端为增益R6/R4=10倍差分放大电路，图3电路全部增益为250倍。

电位器W1和W2分别用于二级运放的调零。

调零、稳零是保证运放增益正确性和精确性的一个重要环节。

0.01uF的二个电容是为了防止高频成分的噪声和振荡。

4.1.2.2温度传感器放大电路设计

温度传感器输出的电压满足关系式：

V=10t（mV），如环境温度为25℃时输出电压为250mV,因此它的放大倍数略小，我们选增益为20。

利用差分式电路如下：

图2

若选取电阻值满足Rf/R1=R3/R2,则V0=Rf（V1-V2）/R1,其中Rf/R1=20。

4.1.2.2器件选择

图3电路由二级放大器的级联组成,级联放大器噪声系数主要由初级放大器决定,所以图左端的两个初级运放选择低噪声放大器非常重要。

又由于前置放大器存在零点漂移的问题,所以它还必须是低零漂、高线性度的优质放大器。

本系统用高精度运放LMOP07为初级运放。

另外,二级差分放大选用集成模块ICL7650，它由具有自稳零性能的运算放大器组成。

图2放大器也选用LMOP07。

4.1.3V/F转换电路

V/F转换即电压/频率转换,是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号,当输入电压变化时,输出频率也响应变化。

实现V/F转换有很多的集成芯片可以利用,其中LM331是一款性能价格比较高的芯片,由美国NS公司生产,是一种目前十分常用的电压/频率转换器,还可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

由于LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到01Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;较宽的频率变化范围，可从1Hz变化到100kHz,最佳的频率范围为：

10Hz~11kHz;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。

LM331可采用双电源或单电源供电,可工作在4.0～40V之间,输出可高达40V,而且可以防止Vs短路。

图4是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。

图4　V/F转换电路原理图

其输出频率与电路参数的关系为:

Fout=Vin·Rs/（2.09·RL·Rt·Ct）可见,在参数Rs、RL、Rt、Ct确定后,输出脉冲频率Fout与输入电压Vin成正比,从而实现了电压-频率的线性变换。

改变式中Rs的值,可调节电路的转换增益,即V和F之间的线性比例关系。

VF转换的分辨率取决于计数器计满时的值N，只要增加N就可以达到任意高的分辨率。

因为N等于VF的输出频率f与时基门脉冲宽度T的乘积，即N=f×T。

所以要提高分辨率就要增加VF的输出频率f和增加门脉冲宽度T。

不过VF一般在10~10kHz内精度最高，频率越高精度越差，而门脉冲T实际上就是模数转换的转换时间。

由于溶解氧传感器输出的信号经放大电路以后输出的电压为：

3.75V~5.25V,本电路中将3～6V的电压转换成3kHz～6kHz的频率信号,电路参数理论值为Rt=6.8kΩ,Ct=0.01μF,RL=100kΩ,Rs=14.212kΩ,由于元器件与标称值存在误差,在电路参数基本确定后,通过调节Rs的电位器,可以实现所需V/F线性变换。

由Fout=Vin·Rs/（2.09·RL·Rt·Ct）可知,电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果Fout,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择,其中Rt、Ct、Rs、RL要选用低温漂的稳定元件,Cin可根据需要选择0.1μF或1μF。

电容CL对转换结果虽然没有直接的影响,但应选择漏电流小的电容器。

电阻RL和电容CL组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。

电路中的47Ω电阻对确保电路线性失真度小于0.03%是十分必须的。

4.1.4单片机

本系统所使用的单片机选用AT89S52,它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

4.2个模块功能介绍

4.2.1显示模块

本模块主要完成所测温度和溶解氧值的显示，采用4段数码管显示。

4.2.2报警模块

本模块采用声光报警，用LED和有源蜂鸣器实现。

当溶解氧传感器或温度传感器出现故障（短路或断路）时，面板上的“故障指示”灯亮，蜂鸣器鸣叫，输出继电器以约30秒的间隔周期工作。

继电器吸合的同时，面板上的“工作指示”灯亮。

而当传感器工作恢复正常后，该溶解氧测定仪的工作立即恢复正常状态。

4.2.3LED指示灯模块和按键模块

按键模块主要用来设置增氧机的开关机限值、校准温度和溶解氧、手动启动增氧机以及仪器的开和关，LED指示灯模块主要完成对各种工作状态的指示，包括以下几个子模块：

1.工作指示：

当测到的溶氧含量低于设定的“开机限值”时，输出继电器吸合，“工作指示”灯亮。

而当测到的溶氧含量高于设定的“关机限值”时，输出继电器断开，“工作指示”灯灭。

2.手动指示：

当按下面板上的“手动（增加）”按键，“手动指示”灯和“工作指示”灯亮，输出继电器吸合。

再次按下面板上的“手动（增加）”按键，“手动指示”灯和“工作指示”灯灭，输出继电器断开。

3.故障指示：

当氧传感器或温度传感器出现故障（短路或断路）时，面板上的“故障指示”灯亮，蜂鸣器鸣叫，输出继电器以约30秒的间隔周期工作。

继电器吸合的同时，面板上的“工作指示”灯亮。

而当传感器工作恢复正常后，该溶解氧测定仪的工作立即恢复正常状态。

4.设定参数和校准指示：

在正常工作状态下，短时按下面板上的“设置”按键，该设备不改变工作状态。

当按下面板上的“设置”按键并维持约3秒后，显示开机限值，同时面板上的“开机限值”灯亮：

此时如果按动“温度（减小）”按键可修改该值，每按动一次，该值减少1，当减少到最小值后即停止减少；如果按动“手动（增加）”按键也可修改该值，每按动一次，该值增加1，当增加到最大值后即停止增加。

第2次按面板的“设置”按键，显示关机限值，同时面板上的“关机限值”灯亮：

此时如果按动“温度（减小）”按键可修改该值，每按动一次，该值减少1，当减少到最小值后即停止减少；如果按动“手动（增加）”按键也可修改该值，每按动一次，该值增加1，当增加到最大值后即停止增加。

第3次按下面板上的“设置”按键，为溶氧传感器校准状态，面板上“校准”灯亮，显示溶氧传感器当前的测量值：

此时如果按动“温度（减小）”按键可修改该值，每按动一次，该值减少1；如果按动“手动（增加）”按键也可修改该值，每按动一次，该值增加1。

如果第4次按下面板上的“设置”按键，该溶解氧测定仪立即将刚才设定的开机限值、关机限值进行存储，同时返回正常工作状态。

如果没有第4次按下“设置”按键,而是按下“校准（电源）”按键，溶解氧测定仪则除了存储当前设定的开机限值、关机限值，而且还对传感器进行校准并存储校准值。

此外，当按下“设置”按键进入参数设定状态后，没有按上述的次序进行参数设定或校准设定，在最后一次按键后约10秒钟，该溶解氧测定仪即返回正常工作状态，不存储设定的参数和校准值。

继电器模块

本模块的继电器通过插座来控制380V的中间继电器，从而控制增氧机的开启与关闭。

存储模块

本模块主要完成掉电存储的功能，在系统突然掉电后能够保存已设置的开机限值和关机限值以及存储采集的数据，保证数据不至于丢失。

本系统选用AT24C02，AT24C02等系列为较为典型的串行EEPROM,简称I2C总线式串行器件，AT24C02串行器件不仅占用很少的资源和I/O线,而且体积大大缩小,AT24C02同时具有工作电源宽,抗干扰能力强,功耗低,数据不易丢失和支持在线编程.I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线总线.它通过SDA串行数据线及SCL串行时钟线两根线在连到总线上的器件之间传送信息,并根据地址识别每个器件:

不管是单片机,存储器,LCD驱动器还是键盘接口。

AT24C02特性◎工作电源宽2.5～5.5V,抗干扰能力强,功耗低,数据不易丢失和支持在线编程◎256B的存储容量◎擦写次数多大于10000次◎写入速度快小于10ms◎封装形式:

SOP8/DIP8。

4.2.6RS232通讯模块

本模块主要完成下位机与上位机的通讯，单片机将所测得的溶解氧值和温度值周期性地传送给上位机。

RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。

传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

因此本系统采用RS-485通讯，由于RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

它的通信距离能够达到几十米到上千米。

RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

4.2.7电源模块

本模块主要完成对整个系统的供电，本仪器采用220V交流为电源，经变压、整流、滤波后获得正负5V稳直流电源，供给单片机和各芯片使用，由于+5V耗电较多，故稳压电路有两个7805并联进行，这两个集成块尽量挑选性能接近者配对使用，并各加散热片。

负电压电源可通过电压跟随器的反向输入得到。

电源模块组成如下图所示：

4.2.8控制搅拌装置模块

为了提高测量的精度，需在探头前横向加装一潜水泵，以保证探头前的水流流速（0.3m/s），通过单片机上的继电器可控制潜水泵的开和关。

5系统软件设计

5.1下位机软件设计

为了优化系统软件程序设计，整个下位机系统软件结构选用模块化结构，采用自上而下的方法，按不同功能有按键，数码管显示，VF转换，报警等模块。

其中主程序流程图如下图所示：

6可靠性措施

为了提高系统的可靠性，防止外来干扰影响系统的正常工作，在硬件和软件上都采取了措施。

放大电路中，多次采用差分放大电路设计，有效地抑制了共模信号的干扰，提高了测量的准确性和系统的精度。

系统在供电设计中，使数字电路部分与模拟电路部分电源分开供电等处理；有效地抑制了系统干扰，保障了系统工作的可靠性。

软件上，采用了冗余指令、软件陷进等方法，有效的抑制了程序“跑飞”。

另外，采样程序也采用了软件滤波措施，将每路传感器中的数据连续采样三次，取中间值作为该传感器的数值（中值滤波）。