水产养殖系统自动化控制改造

冯推顺

摘要：海南作为一个以旅游与绿色产业为主的经济特区，随着自贸港建设加速，对水产品的需求量也越来越大，水产养殖业也跟随着快速发展，标准化的水产养殖场也越来越多，部分养殖场也购进了投料设备和增氧机。但是，目前岛内的水产养殖场的投饵和增氧的自动化与智能化的普及率不高，仍然主要采用人工启动与停止投饵和增氧设备的方式进行养殖。但是与自动化投饵增氧相比，人工投饵存在着投饵量难以控制，增氧时间不够精准，对水产生态环境把握不准确等缺点。为了提高养殖效率，将目前的人工操作模式进行智能化改造是很有必要的。本方案使用STC15F2K60S2单片机作为控制核心，通过DS1302时钟芯片的精确计时，LCD12864液晶屏作为操作显示界面。实现对水产养殖场的投饵及增氧进行自动化控制。

关键词：STC15F2K60S2单片机 SHT11溫湿度传感器 LCD12864 DS1302时钟芯片

一、改造的目的与意义

随着水产养殖规模的扩大，很多养殖场已经配备了投饵机和叶轮式增氧机，但是各设备还是单独需要人工启动运行。水产养殖场是一个潮湿的地方每次由人工操作这些用电设备会存在着较大的安全隐患，并且人工启动和停止的方式存在着运行时间不好把控，导致投饵量不均衡、增氧耗费时间的不足。经过智能化改造之后，投食及增氧设备将由传感器检测和定时设置综合自动完成，无需人工按时启动和停止，减少人工劳动时间，将安全隐患降到最低。另由系统设置定时投食更容易控制投食时间与投食量，促进产量的提高。

二、主要设备与元器件说明

1、叶轮式增氧机

叶轮式增氧机主要由电动机、减速箱、水面叶轮及浮球组成，叶轮式增氧机采用机械方法增氧，通过电动机带动水面叶轮旋转来搅动水面、搅拌气膜和液膜，增加气、液的接触面积，以扩大氧在水中的浓度梯度，提升空气中的氧向水中转移扩散的速度。其基本功能如下：

（1）增氧。叶轮式增氧机的动力大、效率高，每千瓦/时最高可增氧1800克以上。池水在富氧情况下，可有效抑制养殖水产发生细菌性、病毒性疾病，对水产养殖增产增收意义重大。

（2）提水、搅拌。叶轮式增氧机可提升底层水，使其与表层水相互交替，从而起到向低层水增氧的效果，其增氧深度超过2米，适用于高产深水鱼池。

（3）曝除有害气体。叶轮式增氧机有强烈的曝气功能，池水中的有害气体如氨、硫化氢、甲烷、一氧化碳等均能有效曝除。

2、PH传感器

PH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器，通常由化学部分和信号传输部分构成。PH传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测量。在本系统中，PH传感器主要用于对水质酸碱度的实时监测，防止因水质污染导致的大量死亡的现象发生。

3、STC15F2K60S2单片机

由于本系统不仅需要将湿度传感器及时钟芯片的时间读出来，在LCD12864液晶屏上显示，并且需要将PH传感器的信号经AD转换为数字信号进行处理。对控制电路要求具备一定容量的数据存储及拥有AD转换的通道。为了节省成本及减少硬件电路，本系统选用了宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2单片机，该款单片机内置了60KB的Flash程序存储器，2KB的Flash数据存储器，256B基本RAM存储器，可以很好的满足本系统的程序存储及运行要求。具有14个中断源两个优先级也能满足系统要求。

4、SHT11数字温湿度传感器

SHT11传感器是一款含有以校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它的数字模块采集技术以及温湿度传感技术确保了SHT11传感器的可靠性与稳定性。其内部含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。因而SHT11具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高的优点。SHT11低功耗，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。温度测量范围：-40～120℃，相对湿度测量范围： 0～100%RH，湿度分辨率：3.0%RH，温度分辨率：0.4℃。该传感器具有集成化外接简单的优点，其中1和4号引脚为电源接口，2号引脚为串行数据接口，3号引脚为串行时钟接口。5、 DS1320时钟芯片

DS1302是一款美国DALLAS公司推出的涓流充电式的时钟芯片，其片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态数据存储器，可通过简单的串行接口与单片机进行通信。是一款高性能，低功耗的时钟芯片，可对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，并且具有闰年补偿等功能。读/写时钟或RAM数据时，可以选择两种传送方式：单字节传送和多字节传送（字符组方式）。DS1302为8引脚双排直插DIP封装，其中

1和4引脚为主电源供电脚，8号引脚为备用电源接口。2和3号引脚为震荡源接口，外接32768Hz晶振。5、6、7引脚分别为与单片机通信的复位、数据、时钟引脚。

6、LCD12864液晶显示屏

LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种点阵图型液晶显示模块。为了减少汉子取模占据的程序存储器，本系统选用带字库12864点阵图型液晶模块。该模块内部采用ST7920控制器，内置8192个16*16点阵汉字和128个16*8点阵ASCII字符，可以采用并行或串行方式与单片机接口，使用方便灵活。

三、系统的硬件电路设计

要想有一个稳定高效的系统，可靠的硬件电路设计是必不可少的。本系统的硬件电路主要包括以下几部分：电源供电部分、湿度采集部分、时钟电路部分、按键控制部分、液晶显示部分、投食机驱动及增氧机驱动电路部分。具体的结构图如下图1所示。

1、控制电路电源设计

由于控制电路核心部分主要为直流5伏供电，虽然目前市场上有很多物美价廉的电源转换模块，能够取代由独立元器件组成的电源转换电路，但是考虑到电路的整体化，并且组成电路也比较简单，所以本系统将采用独立元器件与控制电路设计在一起。具体电路原理图如下图2所示。

2、DS1302时钟电路

DS1302时钟电路主要为系统提供基准实时时间，用于投食机的精准定时投食。由于DS1302芯片可以使用副电源供电，能够保证在系统停电或系统故障时时间的准确性。具体的电路原理图如下图3所示。使用中注意的是2和3引脚需要接一个32.768KHz的晶振，给DS1302提供一个基准，并且要求这个晶振的引脚负载电容必须是6pF，否则将有可能导致时间误差加大。用于读写时间的5、6、7引脚与单片机连接时需要加上拉电阻，提高IO口的驱动能力，使信号更加稳定，计时也比较准确。

四、软件部分设计

正确的硬件是系统能够正常运行的前提，但是系统能否按要求灵敏的运行主要取决于软件部分，所以一个精简高效的软件设计才能让系统工作得更稳定长久。系统上电后，先进行系统的初始化，主要包含时钟初值设定，液晶屏的初始化显示，定时器与中断初始化设置及IO口配置。接着进行工作模式（可通过按键设置）判断，在手动模式时各执行机构的启动与停止主要由按键来控制，自动模式时执行机构的动作将根据定时设置与传感器采集的信号进行综合控制。部分主程序流程图如下图4所示。

五、结束语

本文介绍了将水产养殖中常规的人力劳动进行自动化改造，系统主要以检测水环境和采用时钟芯片产生的精准时间，通过单片机自动控制投食机和增氧机等设备的智能化运行，进而达到稳产、高产、净化养殖环境的目的。用户可以根据不同情况的需要增加或减少传感器，也可以根据养殖品种调整工作参数和模式。同时可以在该系统上扩充GPRS模块，通过远程终端进行监控和控制。

参考文献：

[1]郭天祥：《新概念51单片机C语言教程》，电子工业出版社，2009年第一版。

[2]徐爱均：《STC15增强型8051单片机C语言编程与应用》，电子工业出版社，2014年第一版。