1、 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 共 47 页I摘 要随着水产技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质参数的连续实时监测提出了更高要求。溶解氧指的是溶解于水或液体中的分子态氧，用D0表示。水中缺氧直接影响养殖对象的生长繁殖，所以在水产养殖中必须经常地，连续地监测养殖水体中的溶解氧量。针对鱼塘传统的观测手段耗时费力、步骤复杂、成本高等缺点,设计了基于51单片机的鱼塘溶解氧实时在线监测装置。在鱼塘的监测区域中，该装置利用溶解氧传感器测得监测区域中的溶氧量，当鱼塘水中溶解氧指标低于某个参数时，能及时通过LED灯和蜂鸣器发出报警声并通过GSM通讯技术用短信方式发报警信
2、息到户主手机上，让户主及时作出处理措施。利用GSM短消息能够实现数据的远程通信，这一技术适用于野外环境测量，在工业监测领域中有广泛的应用前景。为了提高该装置的实用性和续航能力，该装置利用太阳能和蓄电池混合供电。太阳能电是发展最为迅速的一种绿色能源，太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视。利用太阳能对这些监测装置进行供电，安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守。关键字：51 单片机； 溶解氧传感器； GSM； 太阳能和蓄电池混合供电桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页 共 47 页IIAbstractWith the deepening of aquacultur
3、e technology and increasing awareness of environmen- tal protection, people put forward higher request to continuous real-time monitoring of water quality parameters. DO is the abbreviation of Dissolved Oxygen which refers to oxygen molecules dissolved in water or liquid. For hypoxic water directly
4、affects the growth of breeding objects, it must regularly and continuously monitor the amount of dissolved oxygen in water.In order to overcome the shortcomings of traditional observation approaches in Fishponds that is demanding, complex and cost high, a real-time online monitoring device with 51 S
5、CMSCM was designed based on dissolved oxygen in fishponds. The device has the dissolved oxygen sensors to monitor the oxygen in the monitoring area. When the index below a certain parameters, it can promptly send alarm information to the householder phone through the GSM communication technology and
6、 also start the LED lights and alarm sounders. It makes the remote communication in aquaculture come true, and householders can timely take measures to solve such matters. This technique is suitable for wild environment measurement, also can be used in industrial monitoring field.In order to improve
7、 the usefulness and life of the device capabilities, the device using solar energy and battery hybrid supply power. Solar electricity is the most rapidly developing green energy. As is clean and renewable, people put more and more attention on it. Using solar energy for power supply of monitoring de
8、vices, its more simply to install and maintain, can realize the longer-life and unattended.Keywords: 51 SCM；DO Sensors； GSM；Solar and battery powered桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 III 页 共 47 页III目 录引言 .11 概述 .31.1 溶解氧 .31.1.1 传统鱼 塘养殖溶解氧监测方式 .31.1.2 国内外在水体溶解氧检测存在现状 .31.2 溶解氧监控的必要性 .41.3 水溶氧度测量报警电路的可行性 .41.3.
9、1 通讯的可行性 .41.3.2 设备的可行性 .51.4 水溶氧度测量报警电路系统组成及功能 .51.4.1 水溶氧度 测量报警系统的组成 .51.4.2 水溶氧度 测量报警电路系统的功能 .62 通讯 .72.1 通讯方式 .72.1.1 通讯方式 .72.1.2 方案选择 .82.2 短消息业务 .92.2.1 短消息 业务分类 .92.2.2 短消息 业务的优点及应用 .93 水溶氧度测量报警电路系统硬件设计 .113.1 GSM 模块 TC35i.133.2 数据采集 .153.2.1AT89S51 单片机最小系 统 .183.2.2 太阳能供 电 .213.2.3 复位电 路 .2
10、33.2.4 数码管 显示 .243.2.5RS-232 串口通信 .243.2.6TTL 的接法 .254 水溶氧度测量报警电路系统软件设计 .264.1 AT 指令 .264.2 单片机与 TC35 的通信 .294.3 GSM 模块初始化 .30桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 IV 页 共 47 页IV4.4 在 protues 中的仿真 .325 系统调试 .335.1 硬件调试 .335.2 软件调试 .336 结论 .35谢 辞 .36参考文献 .37附 录 .38附录 A:收发短信及相关操作 AT 命令.38附录 B:作品实物.39附录 C:系统设计原理图.40附录
11、 D:PCB 图.41附录 E:程序清单.42桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 47 页1引言氧气是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。水中溶解氧量主要与温度、湿度和鱼的密度等因素密切相关。鱼类只有在水中溶解氧量达到一定数量后，才能维持其生命活动，而且在一定的范围内，其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加，低含氧量对鱼类的生活及生长是非常不利的。所以水体溶解氧含量的测量,对于水产养殖业的发展都具有重要意义。集 约 化 高 密 度 养 殖 产 业 代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物。随着水产科研技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，
12、人们对水质各参数的连续实时监测提出了更高的要求。国外集 约 化 高 密 度 养 殖 产 业 始于 20 世纪 50 年代，90 年代以后大力开发了工厂化养鱼技术和水质的自动监测网络系统。我国工业化养鱼起步较晚，目前我国农业生产仍大都停留在传统的依靠人工经验判断的水平上，无法实现自动化控制，科研滞后于生产，水产养殖技术还比较落后，而从国外直接引进现代化的养殖设备和控制系统价格高，运行成本高，在国内无法推广普及。现在，一般都是采用工业控制计算机为上位监控机，以多个 PLC 可编程控制器和多个单片机系统为下位机，通过 RS-485 协议进行通讯，构成计算机集散监控系统。由于监控中心和各个养殖鱼场的分
13、散性，地理和环境的不同，用有线方式构成计算机网络监控系统，会有距离远，成本高，架线和维护困难等问题，因此将无线通讯计算机技术应用于水产养殖的远程监控中，已成为水质自动监控系统的发展趋势。为了实现远程监控，从机与监控中心之间的通信联系是必不可少的。但由于远程监控系统的特殊性，无线通信是最佳的通信方式。从系统对频率资源的利用及系统组网方式的角度来讲，监控系统所用的通信方式有以下几种：固定频率通信方式、集群移动通信方式和蜂窝移动通信方式。其中前两种分别采用单一频率和共用频率进行通信，实践证明，均有一定的缺陷，而蜂窝移动通信方式的核心概念就是频率复用，即多个用户共用一组频率，同时，多组用户在不同的地方
14、仍可以使用该组频率进行通信，从而大大提高了频率的利用率。目前蜂窝移动通信己经从第一代 FDMA 方式的模拟体制经过第二代 TDMA 方式发展到第三代 CDMA 方式的数字体制。目前 DCMA 通信网还处在发展阶段，用户也非常有限，因此，组建远程监控系统使用最广泛的是以TDMA 方式为核心的 GMS 蜂窝网。本文提出了一种以低成本方式实现了现场的无线数据传输。此通信网络由溶解氧测量装置和户主手机组成，从装置和业主的手机的通讯采用 GSM 技术。GSM 系统提供多种电信服务，包括声音、电文、图像、传真、短消息、计算机文件等，它具有高频谱效率、稳定性和安全性好，以及集成度高，容量大(GSM 用户量比
15、模拟蜂窝系统用户量多 10 倍以上)，开放性的接口，抗噪声性能强，覆盖范围广等特点。鉴于 GSM 网桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 47 页2的上述优点，以及短信息服务的实惠经济，故非常适于远程监控系统的数据传输。为了提高该装置的实用性和续航能力，该装置利用太阳能和蓄电池混合供电。太阳能电是发展最为迅速的一种绿色能源，太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视，利用太阳能对这些监测装置进行供电，安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 47 页31 概述1.1 溶解氧溶解氧（Dissolved Oxyg
16、en）是指溶解于水中分子状态的氧，即水中的 O2，用 DO表示。溶解氧是水生生物生存不可缺少的条件。溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。溶解氧随着温度、气压、盐分的变化而变化，一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。溶解氧除了被通常水中硫化物、亚硝酸根、亚铁离子等还原性物质所消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有机物质被好氧微生物的氧化分解所消耗。所以说溶解氧是水体的资本，是水体自净能力的表示。天然水中溶解氧近于饱和值（9ppm），藻类繁殖旺盛时，溶解氧含量下降。水体受有机物及还
17、原性物质污染可使溶解氧降低，对于水产养殖业来说，水体溶解氧对水中生物如鱼类的生存有着至关重要的影响，当溶解氧低于 4mg/L 时，就会引起鱼类窒息死亡，对于人类来说，健康的饮用水中溶解氧含量不得小于 6mg/L。当溶解氧（DO）消耗速率大于氧气向水体中溶入的速率时，溶解氧的含量可趋近于 0，此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化，所以溶解氧大小能够反映出水体受到的污染，特别是有机物污染的程度，它是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标。因此，水体溶解氧含量的测量，对于环境监测以及水产养殖业的发展都具有重要意义。 1.1.1 传统鱼 塘养殖溶解氧监测方式目前，大多数渔业养殖户对水中溶解氧含量的判
18、断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低。 1.1.2 国内外在水体溶解氧检测存在现状我国目前对水质检验的常规程序是取样后拿到实验室检验分析，中间的工作环节复杂，导致检测时间长，不能及时得到水质情况。国内目前一些单位和研究机构已经开发研制出一些小型溶解氧检测仪，一般都基于电流测定法，如上海雷磁仪器厂生产的 JPSJ605 型溶解氧分析仪，北京北斗星工业化学研究所研制的 HBD5W 手持式水质通用测试仪等，其速度方面同国外同类仪器还有一定的差距；国内对荧光溶解氧传感器也有一些研究，技术已经达到国外平均水平，但研究实现商品化的较少。国外一般采用新型的
19、基于荧光淬灭效应的溶解氧测量仪，代表产品有瑞士 DMP 公司的 MICROXI型的溶解氧测量仪，美国 OXYMON 氧气测量系统等等，测量精确，快速，并可以远程测量等。总的来说，目前市场上大多数商品化溶解氧测量仪都是基于 Clark 溶氧电极的，基于荧光淬灭法的光纤溶解氧传感器较少。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 47 页4我国环境监测、监控技术在环境领域的应用等方面的研究与发达国家相比还存在显著差距。目前国内在水质监测系统上还没有自己开发的完整的设备，大多数采用国外的设备和技术，如 ECOTECH 公司的 WQMS（水质监测系统），美国 SIGMA900 系列水质
20、采样器等等，但是国外的水质检测设备和系统大多数价格高，体积大，有的不完全符合中国的环境条件。据海关统计，2000 年我国进口各类仪器仪表总额 70 亿美元，接近我国仪器仪表工业总产值的 50%。全国每年用于仪器仪表进口的费用大大超过用于购买国产仪器的费用，价格昂贵、采购周期长以及各种配件难以获得等原因，严重地约束了我国科学技术的发展。因此我国急需研究开发自行生产的环境水质自动监测仪器。 1.2 溶解氧监控的必要性集 约 化 高 密 度 养 殖 产 业 代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物。随着水产科研技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质各参数的连续实时监测提出了
21、更高的要求。传统渔业养殖户对水中溶解氧含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低，不准确，不直观，渔民需要花费大量的时间、精力观察鱼塘的情况。在鱼塘中，放置水溶氧度检测装置，利用水溶氧度传感器测定鱼塘水体中溶解氧含量。当鱼塘水体中溶解氧含量低于下限指标的时候，报警信息能够及时反馈给户主，让户主及时进行处理，保证鱼塘溶解氧含量处于良性状态，使鱼塘中水的溶氧量设定的范围内，有效地提高了鱼类养殖的安全性，降低了养殖成本，对提高养殖产量，达到高产高效的目的，具有重要的意义。1.3 水溶氧度测量报警电路的可行性1.3.1 通讯的可行性采用无线信道有以
22、下几种方式:(l)数字数据网 (Digital Data Network，DDN)是利用数字通讯(如光缆、数字微波和卫星信道) 来传输数据信号的数据传输网，可以为用户提供专用的数字数据传输信道，为用户建立专用数据网提供条件。DDN 网络提供图像通信、数据电话通讯、数据广播通讯等多种业务，具有传输速率高、网络时延小、误码率低、可靠性高等特点。缺点是DDN 在某些城市覆盖面积小，且数据网在使用成本及使用畅通上也易受数据通讯的控制。(2)专门的鱼塘监控通讯网。必须向当地的无线管理委员会申请专用的通讯频道，在监控中心架设全向高增益天线，远程监控终端设立电台。专用通讯网不受外界控制，通讯半径可以通过在监
23、控终端设置逐步扩展;缺点是一次性投资较高，监控点越多系统成本越高，且网络需要自己维护，通讯可靠性不够理想。(3)GSM 无线移动网是一种极具发展前途的新兴技术，由中国移动和中国联通两家桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 47 页5建网，覆盖范围大，无须担心存在死角、盲区等问题。即便是个别地方局部网络覆盖有问题也是暂时的，只要与当地通讯部门协调即可解决。GMS 网络具有通讯数据传输响应时间短、抗干扰能力强、功耗低等特点，且系统建设费用低廉。1.3.2 设备的可行性水溶氧度测量报警电路系统是集计算机技术、现代通讯技术、检测技术、自动控制等技术于一体的高科技系统工程。(1)现代
24、化计算机技术飞速发展，其硬件、软件性能和可靠性都大大提高，能够满足路灯监控系统长期稳定可靠运行的要求。(2)无线数据通讯设备发展日趋成熟，无论从可靠性、资费，还是对使用环境的要求等各方面都可得到满足。(3)各类检测设备正在向小型化、智能化方向发展，可靠性逐渐提高，并利用太阳能供电，完全可以适应水溶氧度测量报警电路系统长期正常高效运行的要求。1.4 水溶氧度测量报警电路系统组成及功能水溶氧度测量报警电路系统的基本要求为：能够采集鱼塘水体中溶解氧含量，当溶解氧含量低于下限时，能够发出报警信号并能通过短信方式发送报警信息到户主手机上，为鱼塘水溶氧含量的正常提供保证。使用太阳能与电池的混合供电方式，使
25、装置能长期独立运行，不用外接电源。集 约 化 高 密 度 养 殖 产 业 代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物。随着水产科研技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质各参数的连续实时监测提出了更高的要求。所以，用先进技术提高鱼塘溶解氧监控自动化控制与管理水平，实现科学化控制、管理，势在必行。近年来，计算机技术发展迅速，结合各行业实际取得了许多成果，极大的推动了社会发展。鱼塘溶解氧监控系统符合时代进步要求，能够提高鱼塘管理效率与现代化程度，保证鱼生活环境的安全，节省运行所需人力、物力。借助于计算机、通信等先进技术，拥有运行可靠、自动化程度高、高效节电、使用维护方便的鱼塘
26、无线监控系统将成为渔业现代化的重要标志之一。 1.4.1 水溶氧度 测量报警系统的组成桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 47 页6数字式溶解氧传感器 单片机溶解氧下限报警器GSM 户主手机太阳能电池和蓄电池图 1.1 水溶氧度测量报警电路系统组成水溶氧度测量报警电路系统由数据测量和采集模块、GSM 短信报警模块与太阳能电池和蓄电池供电模块组成。图 14.1 为水溶氧度测量报警电路系统的基本组成。数据测量和采集模块由水溶氧度传感器和 51 单片机共同组成，包括水体溶解氧含量测量和采集，单片机判断下限。GSM 短信报警模块是利用 GSM 无线网络发送报警信息给户主手机。太阳能电池和蓄电池供电模块可以供电给装置，不用外接电源。1.4.2 水溶氧度 测量报警电路系统的功能水溶氧度测量报警电路装置能够独立完成测量和采集鱼塘水体中溶解氧含量，并通过单片机判断是否超出下限，若超出就自动发出报警信号(声光)，并通过 GSM 发送报警信息给户主手机。使用太阳能与电池的混合供电方式，使装置能长期独立运行，不用外接电源。
