水产养殖自动监控设计.docx

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水产养殖自动监控设计

摘要

第一章综述

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3本课题研究的内容

第二章系统的总体设计

2.1系统选型

2.2系统的方案及功能

2.3系统的性能指标

2.4传感器的选择

2.4.1控制参数分析

2.4.1.1水温

2.4.1.2溶解氧浓度

2.4.1.3pll值

2.4.2传感器的选择

2.5单片机型号的选择

2.6模数转换芯片的选取

2.7片外扩展RAM

2.8并行1/0口扩展

2.9语言工具的选取

2.10控制算法的选择

第三章系统的硬件设计

3.lCPU与存储器RAM硬件接口电路设计

3.2时钟电路与复位电路的设计

3.2.1时钟电路

3.2.2复位电路

3.3ADC0809芯片与AT89C51单片机接口设计

3.4显示接口电路设计

3.5独立式键盘设计

3.6超限报警电路设计

3.7串口通讯接口电路设计

3.8输出控制电路设计

第四章系统的软件设计

4.1飞:

程序和中断程序服务模块

4.2单片机系统内部资源分配

4.3数据采集模块

4.3.1采样周期的确定

4.3.2采样程序

4.4数据处理模块

4.4.1数据滤波

4.4.2标度变换

4.4.3BCD码转换

4.5显示模块

4.6实时控制模块

4.7串l-1通讯模块

4.7.1下位机

4.7.2上位机

第五章系统的抗干扰设计

5.1硬件抗干扰设计

5.1.1复位电路的抗干扰设计

5.1.2信号线的抗干扰设计

5.1.3系统地线设计与去藕电容的配置

5.1.4电源的抗干扰措施

5.1.5过程通道抗干扰措施

5.2软件抗干扰设计

5.2.1数字量输入输出中的软件抗干扰

第六章试验与结论

6.1试验

6.2结论

参考文献

致谢

摘要

随着工厂化水产养殖在国内的不断发展，水产养殖的自动监控作为现代化水产养殖的重要特征正受到越来越多的关注，其主要功能是对养殖环境内水体的温度、溶解氧浓度、酸碱度三个主要环境参数进行监控，来实现对水质的控制。

本文首先通过对国内外水产养殖自动监系统控研究现状的分析，提出了整体的设计方案，确立了以溶解氧、pH值、温度为监控系统的主要监控对象。

在控制算法的选择上，由于被控对象具有大滞后、非线性的特点，无法建立精确的数学模型，利用常规控制方法难以达到满意的控制效果。

模糊控制作为智能控制领域的重要分支，特别适合处理模型不确定的系统，且具有设计简单、鲁棒性强的优点。

因此本课题选用模糊控制算法对系统的环境因子进行控制。

整个系统采取了上下位机的结构。

本系统下位机的设计主要分为硬件和软件两

部分。

硬件部分，以AT89C51微控制器为核心，进行了A/D转换模块、存储器模块、键盘模块、LED显示模块及输出控制模块的设计;软件部分，进行了数据采集、数据处理、实时控制、显示、串口通讯等模块的设计。

本系统中，下位机系统既可以单独作为监控仪使用，满足小型水产养殖生产的要求，也可以作为智能控制系统的一部分。

另外，本文对系统的抗干扰措施也进行了较为详细的论述。

本系统实现了水产养殖环境参数的自动采集和数据的实时传输及处理，它实时

性好、自动化程度高、电路简单、成本低，在工厂化水产养殖应用中具有一定的实

际意义。

关键词:

单片机;A/D转换;模糊控制;水产养殖

ABSTRACT

WiththedevelopmentoffactoryaquacultureinChina，asanimportantcharacterof

modernaquiculture,themonitoringofenvironmentalfactorshasgainedmoreandmore

attentions.Aimingattheactualitythatautomationtechnologyisexactlyneedin

aquaculturefactoryofourcountry,akindofenvironmentalfactorsmonitoringsystemis

designedinthisdissertationtofittheneedsofourcountry'saquaculturefactory,which

canonlinemeasurethreemainenvironmentalfactors,andcanrealizethecontrolon

temperature.

Firstofall,thispaperputforwardthewholedeviseprojectaftertheanalyzeoflatest

researchallovertheworldandthestructureintroductionoftheenvironmentin

aquaculture.Inthesystem,themainmonitoringobjectsaredissolvedoxygen,pHand

temperature.Thesystemisanonlinear,largelag.Itishardtofindtheprecise

mathematicalmoduleanddifficulttogetasatisfactoryeffectinconventionalcontrol

methods.Thefuzzycontrolasabranchofintelligencecontrolfieldespeciallysuites

handingthesystemoftheindeterminationmodel.Itdoesn'tneedmathematicalmodeland

hasgoodanti一ammingcapability.Inthepaper,thefuzzycontrolisusedtocontrolthe

environmentalparameters,andutilizeMATLABsoftwaretooltoassistdesigningtothefuzzycontrolsystem.

Thesystemadoptsthestructureofsuperior/belowpositionoperator.Thebelow

positionoperatorsystemdesignisdividedintotwoparts，hardwarepartandsoftwarepart.Onthehardwarepart，A/Dconvertermodule,memorymodule，keyboardmodule,LEDmodule,outputcontrolmodulearedesignedaroundtheMicroprocessor,AT89C51.Onthesoftwarepart,datasamplingmodule,dataprocessingmodule,realtimecontrol

module,displaymodule,keyboardresponsemodulearedesigned.Aboveposition

operatorsoftwareprogramsbyVisualBasic.Softwarehasfriendlyinterface,convenient

operation，completefunction.Thebelowpositionoperatorsystemcanalonebeusedas

controlsystemtomeetthedemandofsmall-scaleaquacultureproduction,andcanalso

beregardedasapartoftheintelligentcontrolsystem.Inaddition,anti一amming

methodsareintroducedinthepaper.

Thissystemachievedthefunctionthatautocollectofenvironmentdata,data

transmitandmanageinrealtime.Ithasahighrealtimeworkabilityandahigh

automationdegree,it'scostwaslow,soitcanadapttherequestofmoderninspectof

environment.Thissystemhascertainactualmeaningsinthefactoryaquaculture.

Keywords:

single-chipmicrocomputer;A/Dconverter;fuzzycontrol;anti一amming;

factoryaquaculture

第1章综述

1.1研究的目的及意义

近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的大幅度提高，人们的消费观念变化很大，消费档次与水平都在提高，对水产品的需求也在高速增长。

加快发展高科技渔业一工厂化养殖的路子是满足市场需求和发展的必由之路。

另外，工厂化养殖把外来的污染和病害经过处理降低到最小程度，控制环境参数使水生生物所受的损害减小，有效地、及早地防治病害，最终生产出优质无公害水产品。

工厂化水产养殖是随着科学技术的进步而发展起来的一种新的生产方式。

这种

养殖方式是在品种高密度放养的基础上集机、电、化、仪、自动化、生物工程技术

为一体，对生产过程中的水质、水温、饵料、防疫、吸污、分选、起捕、污水处理

等各因素或环节进行人工控制或自动控制，使养殖品种在最佳环境下达到最快生产

速度，从而使单位面积水域生产量极高。

其主要特点是:

高投入、高产出、短周期。

该养殖方式由于具有易于人工控制、节地、节水、劳动力需求少、生产率高、产品更符合食用卫生标准，因此宜于在缺地、缺水、鱼品价格高、饲料丰富的地区推广，更适宜在资金雄厚、技术先进的发达地区广泛实施。

目前，该养殖方式已成为跨世界的投资热点

我国由于淡水资源的紧缺，因而淡水渔业待真正纳入“可持续发展”的总体战略，如果不与资源和环境相协调将难以为继。

近年来，鱼类赖以生存的江河、湖泊和浅海等水体环境受到越来越严重的污染，危害了鱼类的生存，致使渔业资源日趋衰退，从自然界中捕获的名、特、抚水产品的数量日益减少，人类因食用含有毒素的鱼贝类而使人致病、死亡的事件越来越多，人类食用天然水产品的安全感正受到冲击;另一方面，传统养殖业中大量养殖污水的排放，又加剧了环境污染，使得发展传统养鱼业与控制环境的矛盾日益突出。

现代工厂化养鱼起源于内陆海洋水族馆技术、自动化水族箱技术和流水高密度

养鱼技术，是工程科学与生命科学的有机结合;工厂化养鱼是集生物、物理、化学

和电子等多门学科为一体的养鱼技术，具有产量高、技术含量高、劳动强度小、周

期短、节约土地和水资源等特点，它将生物技术、信息技术和现代养殖方式集于一

身，所以工厂化养鱼是渔业高科技的最集中的代表，是世界渔业的发展方向，当然

也是中国渔业的发展方向。

工厂化养殖的主要特点表现在生产的连续性、无季节性和主动控制性，而主动

控制坏境和营养供给是工厂化生产的核心。

渔业养殖水域的水是养殖动物的生活环

境，每一种水产养殖动物都需要有适合其生存的水质环境，水质环境若能满足要求，水产养殖动物就能生长和繁殖，如果水质环境中的水受到某种污染，某些水质指标超出水产养殖动物的适应和忍耐范围，轻者水产养殖动物不能正常生长，重者可能造成水产养殖动物大批死亡。

为了防止因水质污染造成水产养殖的环境破坏，就必须对水产养殖环境的水质进行分析和监测，并通过科学的方法控制水质，以满足水产养殖动物正常生长发育所需要的水质要求。

总之，有了监控技术，工厂化渔业生产才可能向大规模、高水平、高质量发展。

封闭、循环式工厂化渔业生产大大减少了对江河湖畔的污染，并节约了水资源，大大降低了自然水产养殖所需的燃料等其它能源。

因此，监控技术应用于水产养殖不仅能够给工厂化养鱼带来高产和安全，同时对于保护自然环境和节约能源也起到了积极的作用。

自动监控技术应用于水产养殖的重要作用已越来越得到我国水产养殖界的重

视.该项技术在水产养殖中的应用，将会极大地促进水产养殖业的健康发展。

它不

但可以避免传统的离线检测（主要是手工化学测定）中存在的耗时费力、数据不全

等弊端，还可以随时了解各数据的变化情况，并对环境参数进行自动控制，使水产

养殖管理达到一个“新境界”。

它可以为渔业生产人员提供准确、鲜活的实验数据，能够使人们对水产养殖的过程的规律有更进一步的认识，从而优化养殖工艺，降低养殖成本，提高养殖效益，为水产养殖科学的持续发展奠定基础。

因此，研制一种适合于工厂化渔业生产的水质自动监控系统具有很重要的实际意义。

本课题的目的是利用单片机技术、测控技术，研究一套成本低廉、控制精度高

的水产养殖环境监控系统，实现对水产养殖环境的调控，完成由传统养殖技

术到现代养殖技术的转变，降低生产成本和劳动强度，提高生产效率，加快水产养

殖技术的实用化和商业化进程。

1.2国内外现状及发展趋势

工厂化水产养殖是一门新兴的产业，是取代传统的池塘、流水、网箱、大棚温

室等养殖方式的新型工业化生产方式。

目前世界上己有相当比例的高产露天工业化

养鱼池改造成温室。

这正是为了巧妙地运用养殖生产过程的空间差、时间差进行错

落组合搭配，使鱼种、成鱼、观赏鱼、活饲料养殖相结合，构成多层次、多功

能、多途径的、自控环境高效生产系统，实现全年全天候生产。

由于世界工业与科技的高度发展，工业化国家首先采用机、电、化工、仪表自

动化、电脑、生物工程等现代化技术装备来武装养鱼业，对养殖的主要环境因素，

如水温、水质、水流、溶氧、光照、投饲、消毒、杀菌、吸污、分选、起捕、污水

处理及应急发电等进行人工控制，并使其最优化，使鱼在最佳的理化环境中生长，

吃得少、长得快、病害少、肉质好、价格高，产品像工业品一样，全年均衡上市.

自从六十年代初期日本在群马县开始进行工厂化养鱼以来，世界各国，特别是美国、加拿大、德国等纷纷设计工业化养鱼装置，经过近二十年的发展逐步形成了高效的规模化生产。

同时养殖环境的自动监控技术也获得了很大的进步，在水体消毒、净化、池底排污、增氧及控温方面，几乎采用了现代所有可以引用的实用技术，工厂化养殖已达到相当高的自动化程度。

在国外臭氧已被用于养殖水体的消毒净化，它与生物滤池结合使用，还可提高去除氨氮和有机物的能力。

液态纯氧增氧技术在西欧工厂化养鱼业中己开始应用，可使水体中的溶氧量达到17-18mg/L，可提高养殖密度，降低饵料系数;采用遥控式自污机，使池底排污实现了自动化;热泵技术的利用，为工厂化养鱼加温节省了50%的费用，目前，热泵这一节能控温装置正在国外工厂化养鱼业中普及;水质净化现仍以生物滤池为主，但70年代发展起来的卵石滤池、砂滤池正被淘汰，代之以质轻、比表面积大、强度高、通风性能好的人造滤料（如聚乙烯网板等）。

挪威的水产养殖历经数十年的不断投资、研究、开发，己成为一个新型的蓬勃发展的产业。

尤其是蛙鱼的养殖，挪威的人工养殖蛙鱼技术成熟且处于世界领先水平，其定点的孵化场完全实现科学化管理，诸如水质、水温、配合饵料一组成的控制等都有专门的仪器设备进行监测、控制。

近年来，美国、丹麦、日本和我国等国家，发展了鱼菜共生、鱼藻共生系统。

利用养殖肥水培育蔬菜、花卉、水果、藻类，既能最大限度地提高水产品和蔬菜等的产量，又能净化水质，污染降至最低程度，从而形成小环境生态系统良性循环。

日本BICOM公司生产的闭合循环水产养殖系统，其核心技术是体现它原有技术优势和特色的“内脏型硝化苗反应器”。

该系统主要由一级硝化处理槽、水管维持装置、全自动SS驱除装置、SS分离系统、浓缩氧制造装置、水温控制装置、圆形养鱼槽等部件构成。

美国则提出了高密度水产养殖系统的程序控制技术，其用于水产养殖的自动控制系统一般可分通用控制系统和工业程序控制系统两类。

通用控制系统是基于微机的控制系统，用于控制海水鱼的生长环境。

工业程序控制系统由小型计算机和控制软件组成。

我国起始于70年代，仅落后发达国家10余年，到80年代初己达到国际同类水

平，已逐步从传统的池塘养殖走向工厂化.1979年作为科研攻关项目的“中国对虾工厂化人工育苗技术的研究”，开发了对虾养殖的控温技术，充气与搅拌技术，饵料一的商业化与营养供给技术，较为全面地形成我国工厂化养殖的基础模式。

虽然在

对虾育苗中提出了工厂化这一概念，但限于财力，时间技术和认识等方面的制约，

在对虾养殖过程中并没有采用封闭循环工厂化养殖的模式。

20世纪80年代引入一

批国外养鳗鱼的成套技术，目前仅个别尚可运转，没有普及推广。

工厂化养殖之所

以发展缓慢，主要是因为投资高，进口一套国外的工厂化水产养殖系统约需一千多万人民币，再加上能耗大，鱼的售价偏低，尚未找到适合中国淡水鱼养殖的配套技术。

近几年我国自行设计的具有8800平方米，可供应660吨鲜鱼的鱼菜共生养殖系统，虽未大面积推广应用，但生产效果良好，鱼产量达100公斤/平方米年，前景看好。

此外，上海水产大学对工厂化水产育苗温室进行了研究，并采用多路转换技术减少水质参数传感器，大大降低了仪器设备费用。

孙士平等人将模糊控制理论运用于特种养殖，通过对蝎子的养殖试验，也获得了较好的控制效果。

河南省水产利·学研究所朱文锦等人对水产养殖环境参数的监控也进行了研究，开发了一套监控系统，该系统具有监测、运算、预报、图形显示、打印、自动与手动功能.吴沧海等人开发了一套渔业水质自动监控系统，解决了渔业生产过程中增氧、投饲、污水零排放和水质自动调理等环节的控制技术，为养殖业的科学管理提供了很大的方便，为现代化渔业管理提供了技术支持.2003年7月，中国水产科学研究院渔业机械研究所完成了“广东罗非鱼良种场育苗车间”的设计建造。

该车间分为亲鱼池、孵化池、鱼种暂养池等生产区域，全部采用玻璃钢水池和循环水系统，研制有先进的脉冲式生物过滤器，具有水温设定控制、水质多参数检测、生产过程监控等功能，技术措施上达到国内先进的水平。

工厂化养殖就监测项目而言，过去一般只有流量，水温和溶解氧三项，目前国

外一些工厂有七项，增加了pH、光照、无机物、有机物。

监测控制范围从过去主要上下限到现在一些单项达到任意要求控制，并从机械化进入自动化或半自动化控制。

按上述要求，我国的工厂化养殖自动化水平还相当低。

智能化工厂养殖技术的关键之一是自动监控系统的传感器质量问题。

目前在国产的传感器中，除了温度、pH,溶解氧的传感器质量较好外，多数传感器性能不稳定，质量较差。

国外进口的价格十分的昂贵，一套监控氨氮装置的价格需要人民币几十万，即使引进后，也无法推广使用。

目前的养殖水平要求全套的监控设施价格不能超过10万元。

因此，发展我国的智能化温室，首先应该抓好温度、pH,溶解氧的自动监控技术。

我国目前能够做到的流量，水温和溶解氧三项指标控制是通过大量换水，锅炉升温和充气来解决，可以说是以消耗能源，牺牲环境来换取效益，对工厂化而言是一种初级的粗养阶段，而采用生物净化装置的处理设施，进行循环水养殖是中等程度的半精养阶段，只有全面实现养殖过程中水体循环、水体控温、水质监测、生物过滤、充气增氧、臭氧脱色、饵料投喂、死鱼收集、污水处理和起捕分类十项内容的自动化管理和监测目标的自动控制才是工厂化养殖的高级阶段。

从以上内容可以看出，我国的工厂化渔业的自动化水平还相当低。

较先进的工

业化养殖设备采用电脑控制传感装置，收集和分析有关水质的数据，如含氧量、酸

碱度、水温、水位和流速等，并配有相应的报警和救急系统。

有的养殖场甚至根据有关数据，利用电脑来安排最佳饲料投放量，以获得最佳转化率。

此外，对水中氨氮含量、亚硝酸盐含量等重要水质数据的快速测定也将有所突破，以便对水质进行更有效的监控，使工业化养鱼更加可靠稳定。

由此可看出以知识和资本密集型为特征的新型养殖业是未来发展的必然趋势。

随着现代化水平的不断提高，新品种、新的养殖方式接连出现，导致相关产业崛起和发展，水产养殖将进入崭新的局面和超常发展时期。

1.3主要研究状况

从前面的叙述中可以看出，利用自动调控方法进行规模化水产养殖生产，是获

得优质、价廉养殖的必备方法，掌握了鱼类养殖的自动化控制技术，将使养殖鱼类

生产的实用化、规模化、自动化和商业化成为可能。

本系统是以单片机为基础，使单片机系统与各个设备间实现通讯来达到监控的目的。

下位机单片机本身可单独作为测控仪器使用，上位机可实现对水产养殖生产的科学管理。

整套系统能够完成养殖环境因子的自动测量和控制。

为此，该系统的主要构成有:

1.系统硬件设计

完成电源、存储器扩展、A/D转换、键盘输入、显示输出、声光报警、继电器

驱动、信号放大等电路设计。

2.系统软件设计

完成主程序、数据采集、数据处理、键盘输入、数据显示、输出控制、数据通

讯等模块的设计。

3.模糊控制器设计

由于温度和溶解氧浓度是两个强藕合的因子，温度的变化会引起溶解氧浓度的

变化，这两个因子难以建立精确的数学模型，用一般的方法难以达到较好的控制效

果。

而模糊控制技术是模仿人的思维来进行控制的一种控制方法，不需要数学模型，且能达到较好的控制精度，所以该系统采用模糊控制的方法来实现对温度的自动化控制。

第二章系统的总体设计

本系统的硬件由下位机MCS-51单片机系统和上位机PC机组成。

下位机主要

完成数据的采集、模/数转换、数据实时显示、预处理和控制执行机构;上位机主要

完成系统参数和控制参数的设定、数据处理、分析、显示等任务。

2.1系统选型

目前，根据应用特点、控制方案、控制目的和系统构成，水产养殖环境计算机

硬件控制系统大体上可分为四种类型:

操作指导控制系统即数据采集系统（简称DAS）、直接数字控制系统（简称DDC）、分散型控制系统（简称DCS）和监督控制系统（简称SCC）。

其中DAS系统是指微机通过输入通道进行实时数据采集，并将采集的数据以一定格式在CRT上显示或通过打印机打印出来，实现生产过程的集中监视，一般由工控机构成，可广泛用于实验室分析、数据分析与处理等。

但微机不直接参与生产过程控制，不会对生产过程产生直接影响;DDC系统是指微机通过输入通道对一个或多个物理量进行实时数据采集，然后按照己定的控制规律进行实时决策，最后通过输出通道输出控制信号，实现对生产过程直接控制。

这是微机在工业应用中最普遍的一种方式:

DCS系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从下而上分成若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等，形成分级分布式控制，能够实现自动监视、控制和综合管理，适用于大中型场、站的自动化管理;