鱼塘含氧量自动监控系统
孙道宗 ，王卫星 ，许利霞 ，俞 龙
（华南农业大学 工程学院 ，广州 510642）
摘 要：为了提高水产养殖技术的自动化水平以及鱼类产品饲养的数量和质量，研制了水产增氧机自动控制系统。该系统由AT89C51单片机、含氧量传感器等组成，可实时监测水塘含氧量、检测增氧机工作状态，能实现自动开机、关机以及超限声光报警等功能。 关键词：水产养殖学；含氧量；设计；自动控制；增氧机
中图分类号：S951.4 文献识别码：A 文章编号：1003—188X (2005) 04—0128—03
1 引言
氧是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。水中含氧量主要与自然温度、湿度和鱼的密度等因素有关。鱼对水中的含氧量非常敏感，传统的养殖方式一般是根据经验观察鱼的浮头情况，来判断水中是否缺氧。为了防止泛塘的发生，渔民需花费大量时间、精力观察鱼塘情况。此种方式存在事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖成本。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，笔者研制了鱼塘含氧量自动监控系统，实时监测水中的含氧量和温度，自动启动水产增氧机运行，使鱼塘中水的含氧量和温度的上下限保持在设定范围内，有效地提高了鱼类的安全性，降低了养殖成本。
增氧机置于鱼塘中心的非投食区，氧探头和温度探头置于鱼塘边、水面下0.5m 的非投食区[4]，控制系统安置在岸上的控制室内。系统示意图和结构框图分别如图1和图2所示。
鱼 塘
图1 系统示意
2 系统组成
系统由单片机、信号采集电路、控制电路、键盘输入及显示电路、声光报警电路和增氧机工作状态检测电路等部分组成。采用AT89C51单片机作为控制系统的核心单元，晶体振荡频率ƒosc =12MHz。AT89C51内部有4kB 的E PROM 和128字节RAM ，存储器资源满足系统要求，故不需外扩存储器。模数转换器采用ADC0809，完成含氧量和温度传感器信号的A/D转换。利用AT89C51内部时钟功能为控制提供时间依据。系统选用光电耦合器和可控硅作为控制电路，直接控制增氧机和报警等装置。使用时，
2
图2 系统结构框图
3 硬件电路设计
3.1 信号采集电路
信号采集电路由含氧量传感器、温度传感器和A/D转换器组成。氧探头和温度探头转换的信号较弱，进行A/D转换前先用仪用放大器进行放大处理。利用ADC0809转换器的8通道可实现水中含氧量和
温度等多个参数的多路数据采集和转换。为防止输出电压过大损坏A/D转换器，进行模数转换前应加限幅保护电路，使其输出电压范围在0～5V 内，电路如图3所示。
图3 信号采集电路
图3中，利用两个二极管D1和D2将输入电压幅度限制在0～5V之间，电容C 、电阻R 和外部电路阻抗构成一个低通滤波器，滤除频率较高的干扰信号，提高A/D转换的可靠性。其中, 电容C 的大小根据输入信号的频率来选择，电阻R 限制过压状态下的输入电流的大小。
3.1.1 含氧量传感器和温度传感器
本系统采用极谱型复膜氧电极，由铂电极和Ag/AgCl参比电极组成电极对，电极腔内充有特制的电解液, 响应时间为90%（30s）。在两个电极上加上一个固定的极化电压，当电极插入被测样品时，水中溶解氧或气体中的氧透过薄膜，在阴极上将发生还原反应。电极输出的电流与氧的活度（氧分压）成正比。极谱型复膜氧电极的反应分别为
阴极：O 2+2H2O+2e-→H2O 2+2OH- (1)
T 1—测量溶液温度；
E 1—电位值，电极清洗后在样品溶液测得； T 2—溶液温度。 3.1.2 A/D转换器
8位A/D转换器件ADC0809为单+5V供电，输
入电压范围0～5V，转换速度100μs，通过其引脚IN0～IN7可输入8路模拟电压，由地址线A 、B 、C 的状态决定转换8路输入中的其中一路。 3.2 增氧机控制电路
增氧机控制电路原理图如图4所示。
自单片机P3.2 口
增氧机
图4 增氧机控制电路
增氧机控制电路主要由光电耦合器和可控硅组成。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。使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。 3.3 键盘输入及显示电路、声光报警电路 键盘由复位键、模式键、加一键和移位键组成。当系统进入死机状态时，通过复位键使系统恢复工作。通过模式键、加一键和移位键的组合，可设定
含氧量和温度的上下限，为系统控制增氧机的开--
H (2)2O 2+2e→2OH
停、声光报警电路的工作与否提供依据。当信号采--阳极：Ag+Cl→AgCl+e (3)
集电路采集到的含氧量大于设定值上限时，系统则
全反应：4Ag+O2+2H2O+4Cl-→4AgCl+4OH- (4) 停止增氧机工作，反之，系统则开启增氧机。当温
采用溶氧变送器对溶氧传感器进行供电和信号度信号高于设定值上限或低于设定值下限时，系统变送，其由溶氧传感器、测量放大器和24V 开关电则启动声光报警电路。 源等组成。它将溶氧传感器产生的电流转换为电压显示电路采用16×2字符型点矩阵式LCD 模组信号并加以放大，输出信号可由数字电压表读数或（简称LCM ），用于显示控制器采集水的溶氧量和温计算机数据采集。极谱型复膜氧电极有极大的温度度值, 以及溶氧量的上下限设定值。利用单片机P1系数，而且是非线性的，温度变化对测量的精度有
口作为液晶显示器数据输入端口，输入的数据为
较大的影响。本系统采用铂式热敏电阻测量水中的
ASCII 码。显示模块无需接口电路，直接与单片机
温度，通过桥式电路将电阻变化转化为电压变化，
相连。
经运算放大器放大后，进行A/D转换，最后通过查
3.4 增氧机工作状态检测电路
表获得温度值。考虑温度影响，水中溶解氧的计算
增氧机工作状态检测电路如图5所示。增氧机
式为
是本系统的关键控制对象，其工作状态检测电路主
’2 O mg /L )=O2[1+5%(T 1-T 2)](E 2-E 0)/(E 1-E 0) (5)要由电流互感器和集成运算放大器组成。利用电磁
感应原理，电流互感器检测增氧机中是否有电流流式中 Q2—氧饱和水在水温T 1时的含氧量；
E 0—电位值，将电极浸入Na 2SO
3内读取；
E 1—电位值，将电极清洗后浸入氧饱和水
中测得；
过。电流互感器提供的信号经过两级放大传输后给单片机。第一级运算放大器将电流互感器的电流信号转化成电压信号，第二级放大器对信号进行再次
放大。电路可实时监测增氧机的工作状态是否与系统指定的工作状态一致。当增氧机出现故障时，系统及时启动声光报警电路工作。
电
互感R
至单片机口
进行更有效的监控，也可定时控制其他渔业机械。
图5 增氧机工作状态检测
4 软件设计
系统软件用汇编语言编写而成，包括键盘、显示、数据采集与处理等模块化程序。键盘处理程序主要进行水中含氧量和温度上下限的设定，系统处于含氧量上下限和温度上下限设定状态时，移位键加一键才起作用。按键动作的识别采用软件去抖动方法。整个系统结构分明紧凑、程序运行可靠。系统主程序流程图如图6所示。
图6主程序流程图
参考文献：
[1] 苏 凯，刘庆国，陈国平.MCS-51系列单片机系统
原理与设计[M].北京：冶金工业出版社，2003. [2] 李朝青. 单片机原理及接口技术[M].北京：北京航
空航天大学出版社，1994.
[3] 沈美明，温冬婵.IBM-PC 汇编语言程序设计[M].北
京：清华大学出版社，1991.
[4] 成永旭，金继明，朱选才，等. 用测氧仪自动监控
精养鱼池增氧机适时开机的实验[J].渔业现代化， 1996，(6)：7－10.
5 结束语
本文介绍了水产增氧机的实时控制系统，该系统以水中含氧量和温度为主要监控参数。单片机自动控制增氧机的运行，并配有声光报警系统。经过进一步扩充，该系统可通过PC 机实现远程监控，监测水的酸碱度、水位、水流速度等，从而对水质
Oxygen Content Automatic Monitoring System of the Fishpond
SUN Dao-zong, WANG Wei-xing, XU Li-xia, YU Long
(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China)
Abstract ： In order to improve the quality and quantity of breed fish, and to upgrade the automatic level of the control technique of the aquatic products, an automatic control system was developed for oxygen-increasing machine. Based on an AT89C51 and an oxygen sensor, the system can measure the oxygen content in the pond in real time, realize starting or shut-down the machine automatically, monitor the working state of the oxygen-increasing machine. It also have the function of sound-light alarm if abnormity occurs.
Key words： aquiculture ；oxygen content；design ；automatic control; oxygen-increasing machine
鱼塘含氧量自动监控系统
孙道宗 ，王卫星 ，许利霞 ，俞 龙
（华南农业大学 工程学院 ，广州 510642）
摘 要：为了提高水产养殖技术的自动化水平以及鱼类产品饲养的数量和质量，研制了水产增氧机自动控制系统。该系统由AT89C51单片机、含氧量传感器等组成，可实时监测水塘含氧量、检测增氧机工作状态，能实现自动开机、关机以及超限声光报警等功能。 关键词：水产养殖学；含氧量；设计；自动控制；增氧机
中图分类号：S951.4 文献识别码：A 文章编号：1003—188X (2005) 04—0128—03
1 引言
氧是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。水中含氧量主要与自然温度、湿度和鱼的密度等因素有关。鱼对水中的含氧量非常敏感，传统的养殖方式一般是根据经验观察鱼的浮头情况，来判断水中是否缺氧。为了防止泛塘的发生，渔民需花费大量时间、精力观察鱼塘情况。此种方式存在事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖成本。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，笔者研制了鱼塘含氧量自动监控系统，实时监测水中的含氧量和温度，自动启动水产增氧机运行，使鱼塘中水的含氧量和温度的上下限保持在设定范围内，有效地提高了鱼类的安全性，降低了养殖成本。
增氧机置于鱼塘中心的非投食区，氧探头和温度探头置于鱼塘边、水面下0.5m 的非投食区[4]，控制系统安置在岸上的控制室内。系统示意图和结构框图分别如图1和图2所示。
鱼 塘
图1 系统示意
2 系统组成
系统由单片机、信号采集电路、控制电路、键盘输入及显示电路、声光报警电路和增氧机工作状态检测电路等部分组成。采用AT89C51单片机作为控制系统的核心单元，晶体振荡频率ƒosc =12MHz。AT89C51内部有4kB 的E PROM 和128字节RAM ，存储器资源满足系统要求，故不需外扩存储器。模数转换器采用ADC0809，完成含氧量和温度传感器信号的A/D转换。利用AT89C51内部时钟功能为控制提供时间依据。系统选用光电耦合器和可控硅作为控制电路，直接控制增氧机和报警等装置。使用时，
2
图2 系统结构框图
3 硬件电路设计
3.1 信号采集电路
信号采集电路由含氧量传感器、温度传感器和A/D转换器组成。氧探头和温度探头转换的信号较弱，进行A/D转换前先用仪用放大器进行放大处理。利用ADC0809转换器的8通道可实现水中含氧量和
温度等多个参数的多路数据采集和转换。为防止输出电压过大损坏A/D转换器，进行模数转换前应加限幅保护电路，使其输出电压范围在0～5V 内，电路如图3所示。
图3 信号采集电路
图3中，利用两个二极管D1和D2将输入电压幅度限制在0～5V之间，电容C 、电阻R 和外部电路阻抗构成一个低通滤波器，滤除频率较高的干扰信号，提高A/D转换的可靠性。其中, 电容C 的大小根据输入信号的频率来选择，电阻R 限制过压状态下的输入电流的大小。
3.1.1 含氧量传感器和温度传感器
本系统采用极谱型复膜氧电极，由铂电极和Ag/AgCl参比电极组成电极对，电极腔内充有特制的电解液, 响应时间为90%（30s）。在两个电极上加上一个固定的极化电压，当电极插入被测样品时，水中溶解氧或气体中的氧透过薄膜，在阴极上将发生还原反应。电极输出的电流与氧的活度（氧分压）成正比。极谱型复膜氧电极的反应分别为
阴极：O 2+2H2O+2e-→H2O 2+2OH- (1)
T 1—测量溶液温度；
E 1—电位值，电极清洗后在样品溶液测得； T 2—溶液温度。 3.1.2 A/D转换器
8位A/D转换器件ADC0809为单+5V供电，输
入电压范围0～5V，转换速度100μs，通过其引脚IN0～IN7可输入8路模拟电压，由地址线A 、B 、C 的状态决定转换8路输入中的其中一路。 3.2 增氧机控制电路
增氧机控制电路原理图如图4所示。
自单片机P3.2 口
增氧机
图4 增氧机控制电路
增氧机控制电路主要由光电耦合器和可控硅组成。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。使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。 3.3 键盘输入及显示电路、声光报警电路 键盘由复位键、模式键、加一键和移位键组成。当系统进入死机状态时，通过复位键使系统恢复工作。通过模式键、加一键和移位键的组合，可设定
含氧量和温度的上下限，为系统控制增氧机的开--
H (2)2O 2+2e→2OH
停、声光报警电路的工作与否提供依据。当信号采--阳极：Ag+Cl→AgCl+e (3)
集电路采集到的含氧量大于设定值上限时，系统则
全反应：4Ag+O2+2H2O+4Cl-→4AgCl+4OH- (4) 停止增氧机工作，反之，系统则开启增氧机。当温
采用溶氧变送器对溶氧传感器进行供电和信号度信号高于设定值上限或低于设定值下限时，系统变送，其由溶氧传感器、测量放大器和24V 开关电则启动声光报警电路。 源等组成。它将溶氧传感器产生的电流转换为电压显示电路采用16×2字符型点矩阵式LCD 模组信号并加以放大，输出信号可由数字电压表读数或（简称LCM ），用于显示控制器采集水的溶氧量和温计算机数据采集。极谱型复膜氧电极有极大的温度度值, 以及溶氧量的上下限设定值。利用单片机P1系数，而且是非线性的，温度变化对测量的精度有
口作为液晶显示器数据输入端口，输入的数据为
较大的影响。本系统采用铂式热敏电阻测量水中的
ASCII 码。显示模块无需接口电路，直接与单片机
温度，通过桥式电路将电阻变化转化为电压变化，
相连。
经运算放大器放大后，进行A/D转换，最后通过查
3.4 增氧机工作状态检测电路
表获得温度值。考虑温度影响，水中溶解氧的计算
增氧机工作状态检测电路如图5所示。增氧机
式为
是本系统的关键控制对象，其工作状态检测电路主
’2 O mg /L )=O2[1+5%(T 1-T 2)](E 2-E 0)/(E 1-E 0) (5)要由电流互感器和集成运算放大器组成。利用电磁
感应原理，电流互感器检测增氧机中是否有电流流式中 Q2—氧饱和水在水温T 1时的含氧量；
E 0—电位值，将电极浸入Na 2SO
3内读取；
E 1—电位值，将电极清洗后浸入氧饱和水
中测得；
过。电流互感器提供的信号经过两级放大传输后给单片机。第一级运算放大器将电流互感器的电流信号转化成电压信号，第二级放大器对信号进行再次
放大。电路可实时监测增氧机的工作状态是否与系统指定的工作状态一致。当增氧机出现故障时，系统及时启动声光报警电路工作。
电
互感R
至单片机口
进行更有效的监控，也可定时控制其他渔业机械。
图5 增氧机工作状态检测
4 软件设计
系统软件用汇编语言编写而成，包括键盘、显示、数据采集与处理等模块化程序。键盘处理程序主要进行水中含氧量和温度上下限的设定，系统处于含氧量上下限和温度上下限设定状态时，移位键加一键才起作用。按键动作的识别采用软件去抖动方法。整个系统结构分明紧凑、程序运行可靠。系统主程序流程图如图6所示。
图6主程序流程图
参考文献：
[1] 苏 凯，刘庆国，陈国平.MCS-51系列单片机系统
原理与设计[M].北京：冶金工业出版社，2003. [2] 李朝青. 单片机原理及接口技术[M].北京：北京航
空航天大学出版社，1994.
[3] 沈美明，温冬婵.IBM-PC 汇编语言程序设计[M].北
京：清华大学出版社，1991.
[4] 成永旭，金继明，朱选才，等. 用测氧仪自动监控
精养鱼池增氧机适时开机的实验[J].渔业现代化， 1996，(6)：7－10.
5 结束语
本文介绍了水产增氧机的实时控制系统，该系统以水中含氧量和温度为主要监控参数。单片机自动控制增氧机的运行，并配有声光报警系统。经过进一步扩充，该系统可通过PC 机实现远程监控，监测水的酸碱度、水位、水流速度等，从而对水质
Oxygen Content Automatic Monitoring System of the Fishpond
SUN Dao-zong, WANG Wei-xing, XU Li-xia, YU Long
(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China)
Abstract ： In order to improve the quality and quantity of breed fish, and to upgrade the automatic level of the control technique of the aquatic products, an automatic control system was developed for oxygen-increasing machine. Based on an AT89C51 and an oxygen sensor, the system can measure the oxygen content in the pond in real time, realize starting or shut-down the machine automatically, monitor the working state of the oxygen-increasing machine. It also have the function of sound-light alarm if abnormity occurs.
Key words： aquiculture ；oxygen content；design ；automatic control; oxygen-increasing machine