1、 JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 本 科 毕 业 设 计 题目 ： 水产养殖中的水质检测系统设计 学 院： 工 学 院 姓 名： 杨鸿年 学 号： 2011120731 专 业： 通信 工程 班 级： 通信 122 指导教师： 董子健 职 称： 讲师 二 0 一三 年五月 水产养殖中的水质检测系统设计 I 摘 要 随着我国经济的快速发展，人民在水产养殖生活中对水质的要求有了很大的提高，但是我国水资源却出现了很多问题，比如水资源短缺、分布不均匀，尤其是水质越来越差。水质检测工作是水体污染防治工作和水坏境保护的重要组成部分，但是，目前在我国水质检测的实际工作中，大量
2、采用的检测方法已经不能满足要求，因此我们要大量发展和提升水质检测的技术。本系统是基 于 51 系列单片机 AT89C51，通过模数转换器 ADC0804 将输送来的模拟信号转换成数字信号，然后传送到单片机 AT89C51，通过程序算法处理换算出本测量水质的电阻值，然后换算成电导率，通过液晶显示器1602 显示出来。使用 DS18B20 温度采集模块，传送的信号经过 51 单片机的转换和处理，将温度值通过字符液晶 1602 显示器显示出来。本设计结构简单，使用灵活，具有很大的研究价值。 关键词 ： AT89C51； ADC0804;DS18B20 ； 1602 液晶显示器； keilC51 水产
3、养殖中的水质检测系统设计 II Abstract With Chinas rapid economic development, People in the aquaculture life has been greatly improved the water quality requirements , but the countrys water resources have many problems, such as shortages of available water, uneven distribution, especially water quality is getti
4、ng worse. Water quality testing work is a important composition part of water pollution prevention and control work and water pollute environment protection, However, in the actual work of Chinas water quality detection, a large number of used testing method already can not meet the requirements, so
5、 we have to develop a large number of equipment and enhance water quality testing technology. This system is based on the 51 series micro-controller AT89C51. transported analog signal through the analog-to-digital converter ADC0804,the analog signal will be converted into a digital signal and then t
6、ransmitted to the micro-controller AT89C51. translated by water resistance value the program algorithm processing of the measuring , and then converted into electrical conductivity displayed in the liquid crystal display 1602. Use DS18B20 temperature acquisition module, transmitted signal through th
7、e 51 single-chip conversion and processing, the temperature value display by character LCD 1602 . The design of the structure is simple, flexible, has great research value. Keywords: AT89C51;ADC0804; DS18B20; 1602 LED DISPLAY; KEILC51 水产养殖中的水质检测系统设计 目 录 摘 要 . I Abstract. II 目 录 .III 1 引言 . 1 1.1 水产养
8、殖中的水质检测简介 . 1 1.2 电导率、温度对水产的影响 . 1 1.3 水产养殖中水质检测的若干指标 . 1 1.4 水质检测的常用因素及本系统检测的因 素 . 2 1.5 水质与水电导率的相互关系 . 2 2 系统设计 . 4 2.1 系统设计要求 . 4 2.2 系统设计原理 . 4 2.21 pH 值测量原理 . 4 2.22 浊度测量原理 . 5 2.23 溶解氧测量原理 . 5 2.3 总体设计方案 . 6 3 系统各方案设计论证与选择 . 7 3.1 电阻检测模块方案论证 . 7 3.2 温度传感器方案的选择 . 8 4 系统硬件 电路设计 . 10 4.1 AT8951 单
9、片机及其他器件的功能介绍及原理 . 10 4.2 DS18B20 温度传感器的简介 .11 4.3 ADC0804. 13 4.4 PH 检测模块 . 15 4.5 浊度检测模块 . 16 4.6 溶解氧检测模块 . 17 4.7 液晶显示模块 . 18 4.8 稳压电源设计 . 19 4.9 最小系统设计 . 20 5 系统软件设计 . 21 5.1 软件设计 . 21 5.2 程序流程图 . 21 5.21 温度检测程序流程图 . 21 5.22 电阻检测程序流程图 . 22 参考文献 . 23 附录 1 电路原理图 . 24 附录 2 程序 . 24 致 谢 . 32 水产养殖中的水质检
10、测系统设计 1 1 引言 1.1 水产养殖中的水质检测简介 在过去，水产养殖都是分散的，不成规模的，人们都是通过在不断的摸索中形成经验，不断提高养殖的技术，从而提高产量。然后毕竟经验都是有限的，而且不稳 定，容易出现错误的经验，导致鱼类大批死亡。 水质的优劣与 鱼 类健康密切相关。随着 科技的进步 ，人们 可以通过技术手段检测水的各种参数 ， 通过对水的参数进行检测，并根据检测到的参数值进行动态调整，这样就可以大幅度提高水产的产量。 1.2 电导率、温度对水产的影响 通过对水的电阻的检测，测出水的电阻，电阻的倒数便是水的电导，根据水的有效长度和有效横截面积得出电极常数，由 ALPPK *1*1
11、 （式中 P 是被测水质的电导， L 是测试的导体有效长度， A 是导体的有效横 截面积） 便得水的电导率，电导率大说明导电能力强，也就说明水质浑浊，在一定范围内适合鱼类的生长，通过 DS18B20 温度传感器可以检测到水的温度，不同鱼适合在不同温度下生活，通过检测到的值，可以调节水的温度以适合鱼类的最佳生长。 1.3 水产养殖中水质检测的若干指标 1、色度：饮用水的色度如大于 15 度时多数人即可察觉，大于 30 度时人感到厌恶。标准中规定饮用水的色度不应超过 15 度。 2、浑浊度：为水样光学性质的一种表达语，用以表示水的清澈和浑浊的程度，是衡量水质良好程度的最重要指标之一，也 是考核水处
12、理设备净化效率和评价水处理技术状态的重要依据。浑浊度的降低就意味着水体中的有机物、细菌、病毒等微生物含量减少，这不仅可提高消毒杀菌效果，又利于降低卤化有机物的生成量。 3、臭和味：水臭的产生主要是有机物的存在，可能是生物活性增加的表现或工业污染所致。公共供水正常臭味的改变可能是原水水质改变或水处理不充分的信号。 水产养殖中的水质检测系统设计 2 4、余氯：余氯是指水经加氯消毒，接触一定时间后，余留在水中的氯量。在水中具有持续的杀菌能力可防止供水管道的自身污染，保证供水水质。 5、化学需氧量：是指化学氧化 剂氧化水中有机污染物时所需氧量。化学耗氧量越高，表示水中有机污染物越多。水中有机污染物主要
13、来源于生活污水或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。 6、细菌总数：水中含有的细菌，来源于空气、土壤、污水、垃圾和动植物的尸体，水中细菌的种类是多种多样的，其包括病原菌。我国规定饮用水的标准为 1ml 水中的细菌总数不超过 100 个。 7、总大肠菌群：是一个粪便污染的指标菌，从中检出的情况可以表示水中有否粪便污染及其污染程度。在水的净化过程中，通过消毒处理后，总大肠菌群指数如能达到饮用水标准的要求 ，说明其他病原体原菌也基本被杀灭。标准是在检测中不超过 3个原菌。 8、耐热大肠菌群：它比大肠菌群更贴切地反应食品受人和动物粪便污染的程度，也是水体粪便污染的指示菌。 9、 大肠埃希氏
14、菌 ：大肠细菌为埃希氏菌属代表菌。一般多不致病，为人和动物肠道中的 常居菌 ，在一定条件下可引起肠道外感染。 某些血清型菌株的致病性强，引起腹泻，统称病致病大肠杆菌。肠道杆菌是一群生物学性状相似的 G-杆菌，多寄居于人和动物的肠道中。埃希菌属（ Escherichia）是其中一类， 包括多种细菌，临床上以大肠埃希菌最为常见。大肠埃希菌（ E.coli）通称大肠杆菌，是所有哺乳动物大肠中的正常寄生菌，一方面能合成维生素 B 及 K 供机体吸收利用。另一方面能抑制腐败菌及病原菌和真菌的过度增殖。但当它们离开肠道的寄生部位，进入到 机体其他部位时，能引起感染发病。有些菌型有致病性，引起肠道或尿路感染
15、性疾患。简而言之，大肠埃希菌 =大肠杆菌 。 1.4 水质检测的常用因素及本系统检测的因素 水质检测一般是利用各种传感器对水中的各类参数进行检测。经常检测的因素有温度、 PH 值、电导率、溶解氧、浑浊度。本系统检测的因素是水的电导率和温度。 1.5 水质与水电导率的相互关系 纯水本身可微弱地介离，使水具有微弱的导电能力。水中含有各种溶解盐类，并以离子的形态存在，使水溶液具有更强的导电性。当水中插入一对电极时，通电之后，水产养殖中的水质检测系统设计 3 在电场的 作用下，带电的离子就产生一定方向的移动，水中阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，使水溶液起导电作用，水的导电能力的强弱程度，就成为电导。电
16、导度反映了水中含盐量的多少，是水的纯净度的一个重要指标。水质越纯，温度越低，电离度越低。因此水的导电率越低。超纯水几乎不能导电。 溶液导电能力以电阻值来表示，导电能力强电阻值小。纯水导电性微弱。电阻率P 的物理意义是长度 1cm，截面为 1cm2 均匀导电体的电阻值（即 1cm 水或水溶液的电阻值），并称之为水的“电阻率”。电阻率的单位为欧姆厘米 ( cm）。电阻率 (P)的倒数 称为电导率 (x)(单位为记作欧姆 -1厘米 -1）。 水产养殖中的水质检测系统设计 4 2 系统设计 2.1 系统设计要求 由于不水质的导电能力不同，不同温度对水的电导率也有影响，本设计通过检测不同水质及不同温度下
17、水中的电阻，从而得出其电导率，通过温度传感器得出其温度。 本系统要能实现如下基本功能： 1、实现对水质电导率的检测。 2、实现对水温的检测。 3、实现对水中氧浓度的检测。 4、实现对水的 PH 值检测。 5、实现对水的浑浊度检测。 2.2 系统设计原理 2.21 pH 值测量原理 PH 值是水溶液酸碱度的标志，是水质检测的一个重要指标。采用 pH 复合电极传感器对水的 pH 值信号进行转换，当被测溶液的酸碱度不同时， pH复合电极产生直流电位将发生变化，这样即可将溶液的酸碱度转变成电信号进行采集，而 pH 复合电极由玻璃电极和甘汞电极组成。在水溶液的酸碱度测量中，玻璃电极是测量电极，甘汞电极是
18、参考 电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也 随着变化，这就是 pH 复合电极的测定原理。 当薄膜玻璃的表面被水解时，其表面形成 0.6nm 厚的溶胀层。内侧和外侧的溶胀层被玻璃组织分开，同时由于玻璃膜内外两侧不同的表面电位便在玻璃膜上建立了一个电位差。这一电位差可通过零电流法用一带有 pH 刻度的毫伏计测量并以 pH值的形式显示出来。当一对电极形成电位差等于零时，被测溶液的 pH 值即为零电位 pH 值，一般为 7。此电位遵循能特斯方程，在 25 度的条件下，质子活度变化一级别时，电位变化 59.16mV，即电极转化 斜率为 59,16。 水产养殖中的水质检测系统设计
19、 5 2.22 浊度测量原理 浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，是水中悬浮物与胶体光学性质的综合反映。一升蒸馏水中含有一毫克二氧化硅为一个浊度单位。浊度的高低虽然不能直接说明水质的污染程度，但由人类生活和工业生活污水造成的浊度增高，仍可表明水质变坏。目前，浊度分析方法按光接收方式一般可分为透射光法、散射光法、透射光一散射光比较测量法。我们着重分析透射光浊度法，透射光浊度法如下：光束射入试样，试样中的浊度物质会使光的强度衰减。透射光强度随浊度的变化遵从朗伯一比尔定律， 即透射光强随浊度增加按指数形式衰减：透射光浊度法在测量低浊度水样时，大部分光被直接透射，微小浊度变化所引起的透射光
20、变化相当小，且无法对散射光测量信号进行加工处理，准确度低，抗干扰能力弱，且读数不稳定。 2.23 溶解氧测量原理 水中溶解氧含量多少是水体质量的一个重要指标。水中溶解氧的定义为每 1 千克水溶液中含有的氧的毫克数，单位为 mg t,。采用极谱型氧电极，可消除流动对溶解氧测量的影响。由金片组成电极的阴极，由银丝组成阳极即参比电极，两极之间充以电解液，顶端用 F46 薄膜覆盖。当在阴极与阳极间加 0.7V 左右极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧化还原反应，电子转移产生的电流正比于水中氧分压，无氧时氧电极无电流产生，有氧时，其电流大小正比于溶液中氧浓度。氧在阴极上还原，电极输出
21、电流，其大小受制于多种因素，去掉电极表面状况的变化等不定因素，电极电流与水中氧浓度的关系可描述如下： （式中 I 是扩散电流， K 是氧电极比例系数， N 是反应中电子得失数， F 是法拉第常数， S 是阴极面积， P 是薄膜的透氧系数， L 是透线膜的厚度， C 是水中的氧浓度）。 极谱型复膜氧电极的输出特性线性度很好，在氧浓度 允许范围内都可呈直线关系。当接触传感器周围的氧浓度发生变化时，从传感器输出开始变化到最终输出 90所需的时间不大于 10 秒。该传感器具有结构简单、体积小、重量轻、可在常温下使用等特点。由于温度和盐度对溶解氧测量影响较大，检测中需采取温度和盐度补偿措施。另外，大气压
22、力对溶解氧的测量也有一定的影响，由于大气压力随海拔高度而变化，大气压力越高，水溶解氧的能力就越大。本仪器主要应用于平原地区，基本上可以保证一个标准大气压 (101.3kPa)，故大气压对溶氧测量的影响可不予考虑。 水产养殖中的水质检测系统设计 6 2.3 总体设计方案 本设计 将温度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、浑浊度传感器、 PH值传感器提供的模拟信号通过模 /数转换器 ADC0804 转换成数字信号，然后将转换后的数字信号传送到单片机中进行算法处理，再通过显示器显示出被检水质的各种参数。整体设计框图如图 1 所示。 图 1 系统整体设计框图 电导率模块 51 单 片 机 显示模块 温度模块 溶解氧模块 浑浊度模块 PH 模块 A D C 0 8 0 4 电源模块 时钟电路
