无线传感器网络的水质环境多参数监控系统设计硬件子系统(附件)
本文介绍了一种以无线传感器网络为核心的水质参数监控系统，用于水产养殖水质的监测。系统采用温度传感器、PH值传感器、盐度传感器、溶解氧传感器对水质的环境参数进行测量，并将采集的数据进行A/D转换传输到单片机并通过NRF2401无线通讯模块发送到控制节点进行处理，最后由LCD1602液晶显示屏将温度、盐度、溶解氧、PH值显示出来。当水中溶解氧含量异常，系统通过D/A转换对增氧机进行控制。系统硬件电路包括电源电路、晶振电路、复位电路、传感器调理电路、A/D转换电路、报警电路、LCD1602显示模块等。经实验证明该系统可实现对水质参数的检测。此监控系统具有操作简单、精度高、响应速度快等优点，具有很高的使用价值。关键词 NRF2401，无线传感器网络，单片机，A/D转换目 录
1 引言1
1.1 本课题的研究背景1
1.2 水产养殖国内外研究现状1
1.2.1水产养殖国内研究现状1
1.2.2 水产养殖国外研究现状2
1.3 本课题主要研究内容2
2 总体方案设计3
2.1无线通讯方式比较3
2.2系统结构3
2.3监测节点设计4
2.4控制节点设计4
3 硬件设计5
3.1 芯片及元器件介绍5
3.1.1 STC89C51芯片5
3.1.2无线通讯模块外NRF24017
3.1.3 LCD1602液晶显示屏9
3.1.4 ADC0809芯片11
3.1.5 DAC0832芯片14
3.2 信号采集15
3.2.1温度传感器15
3.2.2 PH传感器及其调理电路18
3.2.3溶解氧传感器及其调理电路19
3.2.4盐度调理电路21
3.3 按键电路22
3.4 报警电路22
3.5 继电器电路23
3.6 晶振电路23
3.7复位电路24
3.8 电源供电电路24
4 PCB制作25
结 论28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
r /> 3.2.3溶解氧传感器及其调理电路19
3.2.4盐度调理电路21
3.3 按键电路22
3.4 报警电路22
3.5 继电器电路23
3.6 晶振电路23
3.7复位电路24
3.8 电源供电电路24
4 PCB制作25
结 论28
致 谢29
参 考 文 献30
附录 电路原理图32
1 引言
1．1 本课题的研究背景
我们国家已经成为一个农业大国,并且水产养殖的发展非常迅猛，传统的养殖方式并不能够满足养殖的需求。面临着国外养殖的激烈竞争和规模的不断扩大还有非常棘手的鱼病问题。低生产率的传统养殖方式的资源利用非常有限以及非常繁琐的管理方式，但是水产养殖的智能法与传统的养殖模式有着本质的区别而所以就成为了水产养殖未来的发展方向，过去的水产养殖科技含量很低，这与庞大的经济规模不匹配，传统方式仍然靠人为的观察、判断和处理，这种方法已经不能与当今的经济发展相协调。有时，错误的认为判断会造成疾病的频频发生从而给水产养殖带来不小的损失。
我们可以通过对水体的规范管理使其健康的发展，只有合适的环境才能让鱼类健康的生存，健康的成长，这样才能让事故尽可能少的发生产生更大的经济效益，大大减少了水产养殖所需的成本。正是这样的形式使大规模水产养殖发展迅速，运用自动化技术能使水产养殖更加的智能化，更加的产业化，这不仅减少了养殖所需时间，更是水产养殖技术更加成熟的体现。运用自动控制对水质实施监控，与上位机配合使用，就可以对水质参数进行测量分析再对其进行相应的处理。水质自动监控系统，通过无线模块、单片机以及上位机完成对温度、盐度、PH 值和溶氧度的在线检测。水产养殖水质自动监控系统可以对水质参数进行实时的检测，并能及时做出响应，当水质状况异常时就启动报警系统，进一步提高了水产养殖的智能化程度。
1．2 水产养殖国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
我国水产养殖以人工对水质参数进行采集为主，对水质的在线检测和规范化的监测系统的建设才刚刚起步并有了初步的发展。我国的水质检测仪器大部分靠进口，很多机构靠采样后进行实验室分析来对参数进行采集，从九十年代开始，一些检测仪器设备开始国产化，也取得了一定的成就。西安交通大学研制了第一台水质监测仪器，后来上海的一些公司也研制出了可以检测PH值、溶解氧、电导率等多参数的水质监测设备。再到后来，水质监测仪器可以监测更多的参数，多家国内知名厂商开始生产水质监测仪，这样的水质检测仪具有断电保护功能、状态自检和自动报警的功能。科技不断的发展，水质监测仪的功能也越来越完善。上个世纪九十年代，我国开始关注现场总线技术，江苏大学开展基于RS-485总线的水质多参数监控系统。
1.2.2 国外研究现状
国外的科技水平较高，起步也较早，科研基础雄厚，他们在水质环境参数的检测的领域有着比较先进的技术。六十多年之前，许多的发达国家就已经将先进的自动控制技术、先进的电子设备、重大理论成果运用于水产养殖行业。从那时起，就开始对水温、投食、水质进行控制，使水产养殖实现自动化，做到了简便快捷地对水环境进行优化。生物在这种环境下能够快速、健康地成长从而使产量得到提高。在上世纪五六十年代，便携式的水质参数检测仪已经在市场上销售。七十年代，无线通讯技术和电子技术被应用于水质参数的监测，率先取得了一定的成果，自动化的水产养殖技术就此产生了。在半导体技术不断发展的前提下，便携式检测仪陆续开始监测PH值、溶解氧、温度等水质参数。日本等国家也在六十年代将电子技术、计算机和无线技术运用与水产养殖。欧洲许多国家也研制出了水质环境多参数检测仪，这些检测仪主要检测浊度、盐度、溶解氧含量以及PH值和温度等参数。水产养殖逐步地实现自动化。韩国和德国等也相继研制出了自己的水质多参数监测系统，从而对水质的环境参数实现实时精确的测量使得水产养殖更加智能化，同时也使负责监测的工作人员的工作更为轻松简便，带来了诸多便利。西方发达国家的先进技术和经验已较为成熟和完善，由于多方面的原因它的起步要比国内早三十年左右，所以我们需多多向其借鉴和学习，并加强自身的实力，不断创新和发展，使水产养殖迈向新的台阶。
1．3 本课题主要研究内容
系统模块中的传感器设备用于感知环境信息如温度、溶解氧、PH值、盐度等，再经过A/D转换、通过51单片机对水环境参数进行采集、和处理，再将采集的数据通过无线传感器网络进行传输，控制节点接收到数据之后，单片机对数据处理后，将水环境参数显示在液晶屏上，并控制继电器完成对水质参数的监控。软件部分主要包括系统初始化、主程序模块、数据采集、数据处理模块、液晶显示模块，串口通信模块几个部分，是用来实现硬件的功能。
1 引言1
1.1 本课题的研究背景1
1.2 水产养殖国内外研究现状1
1.2.1水产养殖国内研究现状1
1.2.2 水产养殖国外研究现状2
1.3 本课题主要研究内容2
2 总体方案设计3
2.1无线通讯方式比较3
2.2系统结构3
2.3监测节点设计4
2.4控制节点设计4
3 硬件设计5
3.1 芯片及元器件介绍5
3.1.1 STC89C51芯片5
3.1.2无线通讯模块外NRF24017
3.1.3 LCD1602液晶显示屏9
3.1.4 ADC0809芯片11
3.1.5 DAC0832芯片14
3.2 信号采集15
3.2.1温度传感器15
3.2.2 PH传感器及其调理电路18
3.2.3溶解氧传感器及其调理电路19
3.2.4盐度调理电路21
3.3 按键电路22
3.4 报警电路22
3.5 继电器电路23
3.6 晶振电路23
3.7复位电路24
3.8 电源供电电路24
4 PCB制作25
结 论28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
r /> 3.2.3溶解氧传感器及其调理电路19
3.2.4盐度调理电路21
3.3 按键电路22
3.4 报警电路22
3.5 继电器电路23
3.6 晶振电路23
3.7复位电路24
3.8 电源供电电路24
4 PCB制作25
结 论28
致 谢29
参 考 文 献30
附录 电路原理图32
1 引言
1．1 本课题的研究背景
我们国家已经成为一个农业大国,并且水产养殖的发展非常迅猛，传统的养殖方式并不能够满足养殖的需求。面临着国外养殖的激烈竞争和规模的不断扩大还有非常棘手的鱼病问题。低生产率的传统养殖方式的资源利用非常有限以及非常繁琐的管理方式，但是水产养殖的智能法与传统的养殖模式有着本质的区别而所以就成为了水产养殖未来的发展方向，过去的水产养殖科技含量很低，这与庞大的经济规模不匹配，传统方式仍然靠人为的观察、判断和处理，这种方法已经不能与当今的经济发展相协调。有时，错误的认为判断会造成疾病的频频发生从而给水产养殖带来不小的损失。
我们可以通过对水体的规范管理使其健康的发展，只有合适的环境才能让鱼类健康的生存，健康的成长，这样才能让事故尽可能少的发生产生更大的经济效益，大大减少了水产养殖所需的成本。正是这样的形式使大规模水产养殖发展迅速，运用自动化技术能使水产养殖更加的智能化，更加的产业化，这不仅减少了养殖所需时间，更是水产养殖技术更加成熟的体现。运用自动控制对水质实施监控，与上位机配合使用，就可以对水质参数进行测量分析再对其进行相应的处理。水质自动监控系统，通过无线模块、单片机以及上位机完成对温度、盐度、PH 值和溶氧度的在线检测。水产养殖水质自动监控系统可以对水质参数进行实时的检测，并能及时做出响应，当水质状况异常时就启动报警系统，进一步提高了水产养殖的智能化程度。
1．2 水产养殖国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
我国水产养殖以人工对水质参数进行采集为主，对水质的在线检测和规范化的监测系统的建设才刚刚起步并有了初步的发展。我国的水质检测仪器大部分靠进口，很多机构靠采样后进行实验室分析来对参数进行采集，从九十年代开始，一些检测仪器设备开始国产化，也取得了一定的成就。西安交通大学研制了第一台水质监测仪器，后来上海的一些公司也研制出了可以检测PH值、溶解氧、电导率等多参数的水质监测设备。再到后来，水质监测仪器可以监测更多的参数，多家国内知名厂商开始生产水质监测仪，这样的水质检测仪具有断电保护功能、状态自检和自动报警的功能。科技不断的发展，水质监测仪的功能也越来越完善。上个世纪九十年代，我国开始关注现场总线技术，江苏大学开展基于RS-485总线的水质多参数监控系统。
1.2.2 国外研究现状
国外的科技水平较高，起步也较早，科研基础雄厚，他们在水质环境参数的检测的领域有着比较先进的技术。六十多年之前，许多的发达国家就已经将先进的自动控制技术、先进的电子设备、重大理论成果运用于水产养殖行业。从那时起，就开始对水温、投食、水质进行控制，使水产养殖实现自动化，做到了简便快捷地对水环境进行优化。生物在这种环境下能够快速、健康地成长从而使产量得到提高。在上世纪五六十年代，便携式的水质参数检测仪已经在市场上销售。七十年代，无线通讯技术和电子技术被应用于水质参数的监测，率先取得了一定的成果，自动化的水产养殖技术就此产生了。在半导体技术不断发展的前提下，便携式检测仪陆续开始监测PH值、溶解氧、温度等水质参数。日本等国家也在六十年代将电子技术、计算机和无线技术运用与水产养殖。欧洲许多国家也研制出了水质环境多参数检测仪，这些检测仪主要检测浊度、盐度、溶解氧含量以及PH值和温度等参数。水产养殖逐步地实现自动化。韩国和德国等也相继研制出了自己的水质多参数监测系统，从而对水质的环境参数实现实时精确的测量使得水产养殖更加智能化，同时也使负责监测的工作人员的工作更为轻松简便，带来了诸多便利。西方发达国家的先进技术和经验已较为成熟和完善，由于多方面的原因它的起步要比国内早三十年左右，所以我们需多多向其借鉴和学习，并加强自身的实力，不断创新和发展，使水产养殖迈向新的台阶。
1．3 本课题主要研究内容
系统模块中的传感器设备用于感知环境信息如温度、溶解氧、PH值、盐度等，再经过A/D转换、通过51单片机对水环境参数进行采集、和处理，再将采集的数据通过无线传感器网络进行传输，控制节点接收到数据之后，单片机对数据处理后，将水环境参数显示在液晶屏上，并控制继电器完成对水质参数的监控。软件部分主要包括系统初始化、主程序模块、数据采集、数据处理模块、液晶显示模块，串口通信模块几个部分，是用来实现硬件的功能。
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