顏麗娜，王順忠，張鐵民

（海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，海南?？?71158）

在水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，為了保持水中有足夠的溶氧量，打氧機(jī)需要工作以確保水中的生物得予存活.但是，打氧機(jī)的啟動(dòng)、停止幾乎是依據(jù)養(yǎng)殖人員日積月累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，打氧機(jī)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)科學(xué)、節(jié)能地工作，這在一定程度上造成了用電上的浪費(fèi)，使得養(yǎng)殖利潤(rùn)的獲取也沒(méi)有達(dá)到最大化.

然而，打氧機(jī)工作與否不能僅僅依據(jù)水中的溶氧量，還需考慮到影響溶氧量的因素，如水溫、氣壓、水面大小等.就水溫而言，當(dāng)水溫較高時(shí)，水溶氧度低，水中的氧氣含量少；反之，當(dāng)水溫較低時(shí)，水溶氧度高，水中的氧氣含量多[1].由于不同的水生物在不同溫度下的需氧量不同，這就需要在不同的水溫下根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的溶氧量上下限，以保證所養(yǎng)水體生物在最適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)[2].因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫的測(cè)試系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)水中溶氧量的上下限，控制打氧機(jī)節(jié)能工作，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

1 水溫測(cè)試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

水溫測(cè)試系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1，所設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)主要由水溫傳感器，溫度轉(zhuǎn)換電路、采集電路、數(shù)據(jù)傳輸模塊及上位機(jī)測(cè)控模塊組成.溫度轉(zhuǎn)換電路首先將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，后經(jīng)單片機(jī)采集處理模塊對(duì)轉(zhuǎn)換的模擬電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行計(jì)算處理，從而獲得上位機(jī)所需要的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)傳輸模塊是單片機(jī)與PC機(jī)的接口電路，借助于此模塊，一方面，上位機(jī)測(cè)控模塊可以發(fā)出指令信號(hào)控制單片機(jī)對(duì)模擬轉(zhuǎn)換信號(hào)的采集；另一方面，上位機(jī)可以接收單片機(jī)經(jīng)計(jì)算處理后輸出的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)水溫的遠(yuǎn)程測(cè)試.

2 水溫測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

水溫測(cè)試系統(tǒng)以STC12C5410AD[3]為主控核心，主要由PT100傳感器、運(yùn)算放大器OP37信號(hào)轉(zhuǎn)換電路[4]、MAX232串行通信模塊和PC機(jī)組成.當(dāng)水溫變化時(shí)，鉑熱電阻PT100的阻值也會(huì)發(fā)生改變.因此，若流經(jīng)PT100的電流為恒值，PT100兩端的電壓值則與PT100的阻值成正比例關(guān)系，借助于PT100阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系，則可計(jì)算出水的溫度值.

水溫測(cè)試系統(tǒng)電路見(jiàn)圖2.滑動(dòng)變阻器輸出的0.28 V電壓作為電阻的輸入信號(hào)，采用一級(jí)運(yùn)放OP37確保流經(jīng)PT100的電流恒為2.8 mA.此時(shí)一級(jí)運(yùn)放OP37輸出的微弱電壓信號(hào)為2.8RPT100mV，需采用二級(jí)運(yùn)放OP37對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步的放大處理，使輸出的電壓信號(hào)V0便于單片機(jī)采集.當(dāng)PC機(jī)發(fā)出“開(kāi)始采集”的控制命令時(shí)，具有A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5410AD單片機(jī)則會(huì)采集二級(jí)運(yùn)放OP37輸出的電壓信號(hào)V0，并進(jìn)行電壓信號(hào)與溫度的數(shù)據(jù)處理，得到實(shí)時(shí)溫度值，且通過(guò)串行通信模塊[5]將實(shí)時(shí)溫度值上傳給PC機(jī)顯示；當(dāng)PC機(jī)發(fā)出“停止采集”的控制命令時(shí)，單片機(jī)則停止采集數(shù)據(jù).

結(jié)合運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換及PT100阻值隨溫度變化的特性知識(shí)，從理論上進(jìn)行分析，則可以得到三個(gè)式子：

將（1）、（2）代入（3），從而得到單片機(jī)采集電壓信號(hào)后轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)與水溫之間的函數(shù)關(guān)系式：

其中，RPT100—PT100阻值；V0—OP37二級(jí)運(yùn)放輸出電壓；ADC—單片機(jī)采集電壓信號(hào)后轉(zhuǎn)換輸出的10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)；T—水的溫度；

3 水溫測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

水溫測(cè)試系統(tǒng)的流程圖見(jiàn)圖3.主程序由單片機(jī)與上位機(jī)程序組成，其中，單片機(jī)程序采用keil軟件進(jìn)行編寫，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及串口通信模塊.上位機(jī)界面采用VB軟件完成，水溫測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)界面見(jiàn)圖4.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線擬合

將設(shè)計(jì)好的硬件電路與編寫好的程序結(jié)合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，為了避免外界各種干擾信號(hào)的影響，保證測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行良好，單片機(jī)需多次采集數(shù)據(jù)取平均值，才能得到較為穩(wěn)定的測(cè)試數(shù)據(jù).

用溫度計(jì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)與理論溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.將水溫從80℃下降到常溫，采用溫度計(jì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的水溫進(jìn)行標(biāo)定，并將溫度計(jì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.

圖4 水溫測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)界面Fig.4 Upper computer interface of water temperature measuring system

表1 單片機(jī)采集信號(hào)后轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)和溫度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Output data of single-chip microcomputer after collecting signal and measuring data of thermometer

以單片機(jī)采集電壓信號(hào)后轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，溫度計(jì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，采用最小二乘法將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性曲線擬合[6]，所得的曲線見(jiàn)圖5.若將標(biāo)定好的實(shí)驗(yàn)公式作為測(cè)試系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式則可實(shí)現(xiàn)水溫的實(shí)時(shí)測(cè)試.

水溫測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定公式為：

不難看出，理論公式與標(biāo)定公式基本上是一致的.

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，所標(biāo)定的公式與理論公式基本上保持一致，因此，所設(shè)計(jì)的水溫測(cè)試系統(tǒng)是可行的.當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，只需對(duì)水溫進(jìn)行重新標(biāo)定，則可實(shí)現(xiàn)水溫的遠(yuǎn)程在線測(cè)試，且測(cè)試誤差可以控制在1℃的范圍內(nèi).這為后續(xù)水中所需溶氧量的調(diào)節(jié)提供了前提保障.當(dāng)水溫較高時(shí)，打氧機(jī)可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)或增加機(jī)器臺(tái)數(shù)工作；當(dāng)水溫較低時(shí)，打氧機(jī)可以減速運(yùn)行或減少機(jī)器臺(tái)數(shù)，這在一定程度上確保了水生物得予存活，打氧機(jī)又可節(jié)能工作.

[1] 張?zhí)m舸.水中的溶氧量與何相關(guān)[J].釣魚,2009,5:43.

[2] 陳郡,王濤.魚塘溶氧量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(24):11718-11719.

[3] 陳桂友,柴遠(yuǎn)斌.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:33-34.

[4] 秦曾煌.電工學(xué)電子技術(shù)[M].5版.北京:高等教育出版社,2002:111-113.

[5] 劉艷玲.采用Max232實(shí)現(xiàn)MCS-51單片機(jī)與PC機(jī)的通信[J].天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,2(15):57-61.

[6] 鄒樂(lè)強(qiáng).最小二乘法原理及其簡(jiǎn)單應(yīng)用[J].科技信息,2010,23:282-283.