鱼塘氨氮含量自动监控系统

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1、分类号：学校代码：U D C： 本科生学号：密级： 公开级桂林电子科技大学2010届攻读学士学位本科生学位（毕业）论文鱼塘氨氮含量自动控制系统设计学科专业电子信息工程本 科 生 梁云指导教师 完成时间二0一O年六月中国广西桂林鱼塘氨氮含量自动控制系统设计梁云（桂林电子科技大学广西 桂林）摘要为了提高水产养殖的自动化水平以及水产饲养的数量和质量，研制了鱼塘中氨氮含量自动监控 系统。该系统以AT89C51单片机为控制核心，并结合NH3气敏传感器和温度传感器实现对鱼塘水体的 氨氮含量、温度境因子的实时检测，根据环境因子的变化自动计算出精确地氨氮含量。系统充分考 虑基于鱼塘的水产养殖的实际，采用灵活的

2、设计方式，用户可以根据实际需要自己设置采集点的个 数，减少使用系统的花费，实现最少投资最大收益。关键字：水产养殖；自动监控；AT89C51单片机；氨气敏传感器；温度传感器；增氧机Ammonia content of fish ponds automatic monitoring systemAbstractIn order to improve the automation level of aquaculture and fish breeding in the quantity and quality of fish ponds,we developed automated monitor

3、ing system of Ammonia content. The system control AT89C51 microcontroller core, combined with NH3 gas sensor and temperature sensor to achieve the ammonia in the pond water content, temperature, real-time detection of environmental factors. according to change of environmental factors to calculate a

4、ccurately the ammonia content. Full account of the system based on the actual aquaculture ponds, flexible design, users can set their own according to the actual needs of the number of collection points to reduce the cost of using the system and achieve at least the greatest investment returns.Keywo

5、rds： Aquaculture; Automatic monitoring; AT89C51 microcontroller; ammonia gas sensor; temperature sensor; oxygen machine目录1. 绪论11.1研究背景11.2国内研究的现状21.3系统的要求及目标22. 水体氮含量测量原理和控制方法32.1氨氮含量的标准32.2 NH3气敏传感器测量原理32.3影响水体氮含量的因素42.4其他测量氨氮含量的方法42.4.1钠氏试剂光度法42.4.2滴定法52.5减少氨氮含量的方法52.6小结63. 系统的硬件设计83.1系统整体硬件结构设计83

6、.2控制模块93.2.1单片机控制93.2.2单片机的时钟和复位电路 103.2.3键盘输入模块 123.2.4 LCD显示模块 133.4数据采集模块 143.4.1温度采集子模块 143.4.2氮含量采集子模块 163.4.3 A/D转换子模块 163.5执行元件及驱动模块 173.6抗干扰技术 183.6.1形成干扰的基本要素 183.6.2抗干扰的设计原则 193.7小结 204. 系统的软件设计214.1系统总流程图 224.2按键控制流程图 224.3 LCD显示流程图 234.4温度采集流程图 244.5 NH3采集流程图 244.6软件看门狗 254.7小结 255. 系统测试

7、误差分析266. 结论27致谢28参考文献29附录30附录I系统整体实现电路图 30附录II系统源程序代码 311. 绪论本章对氮元素对水体生物的影响和国内的研究现状进行了概括，另外对于系统的要 求和目标给出了总体的描述。1.1研究背景氮元素是藻类必需的一种常量元素，也是养殖水体中较常见的一种限制初级生产力 的营养元素，对生产影响很大。在人工养殖池塘的水体中，氮以分子态氮（N2）、无机态氮（NH3、NH4+、NO2-、 no3-）及有机物（如尿素、氨基酸、蛋白质）等形式存在。在生物、非生物及人为因素 的影响下，它们在水体中，不断地转化、迁移，不断地进行着动态循环。其中水中以 nh3和nh4+离

8、子存在的氮元素对生产影响最大，nh3与nh4+都是藻类必需的营养盐， 几乎所有藻类都能直接、迅速而且优先利用nh3与nh4+。其不利的一面是由于氨态氮 的存在抑制藻类对亚硝酸态氮（NO2-）和尿素的利用；而且氨态氮在转化成硝酸盐的过 程中还要消耗水中溶氧，尤其是分子态氨（nh3）对鱼类及其他水生动物有很强的毒性， 即使浓度很低，也会抑制生长，损害鳃组织，加重鱼病，对养殖和生产造成不利影响。池塘水体中氨氮的主要来源是池水和底泥中含氮有机物的分解及水生生物的代谢。 尤其在高投入、高产出的池塘中人为的大量投饵、施肥使池塘中含氮有机废物数量增加； 放养的密度大，生物代谢旺盛，排泄废物氨的数量增多。氨的

9、增加速率大大超过了浮游 植物利用极限，全使氨在水中积累。氨态氮在水中以氨（nh3）和铵（nh4+）两种形态存在，并且在复杂的水环境条件 下不断地按下式相互转化达成动态平衡：NH3 + H+ NH4+影响NH3和NH4+的动态平衡的环境因子，主要是水的温度和pH值，在pH值小于 7时，水中的氨几乎都以NH4+的形式存在，在pH大于11时，则几乎都以NH3的形式 存在，温度升高nh3的比例增大。也就是说在碱性条件下，水温越高氨分子所占的比例 越大、毒性越强。近年来的研究表明，鱼类能长期忍受的最大限度的氨浓度为0.025毫 克 nh3/l。在了解了上述氨在水中的一般变化规律后，我们就可以有针对性地制

10、定具体的降氨 措施，力求减少分子态氨对养殖生产的影响。国内现在大多数氨氮检测装置都是用在工业上面的，价格昂贵。而价格比较便宜的 都是用化学方法来测定氨氮含量的，化学方法测定的时候有很多弊端，其不能实时的检 测氨氮含量的变化，并且也不能根据测得结果自动的控制氨氮含量，这就会大量增加人 力，增加了成本。该系统利用氨气敏传感器和温度传感器完成对氨氮的检测，并且利用AT89C51单 片机作为控制中心，完成对检测结果的处理和对驱动模块的控制，自动的完成氨氮含量的检测和控制1.2国内研究的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

11、。用于检测氨氮含量的电子仪器也都用于 工业方面，用在养殖业上面的少之又少。工业测控氨氮仪器价格十分昂贵，在养殖业上 利用这些天价的仪器就不太现实了。1.3系统的要求及目标该系统要求能够自动完成氨氮含量的检测，然后根据检测的数据控制驱动部分来减 少水体中氨氮含量。1. 系统能够准确的测量出来氨气含量和温度值，防止信号的干扰和失真，能够对 信号进行去干扰处理，确定所测得的信号的真实性2. 控制部分可以利用所测得数据（NH3和温度），计算出NH4+的浓度，然后发出控 制信号来对执行部分进行操作3. 显示部分要求能够显示出当前的温度值和氨氮含量，以方便观察，由于不同鱼 类对氨氮的承受能力不同，按键部分

12、要求能够对池塘的氨氮标准进行设定4. 执行部分是利用供氧机给池塘底部供氧来达到减少NH4+离子浓度的目的，驱动 部分在接收到控制中心发出来的控制信号以后能够驱动增氧机来完成执行工作2. 水体氨氮含量测量原理和控制方法氮是藻类赖以生存和生长发育必备条件之一，但又是对鱼类生长有害的物质。因此， 池塘水体氮含量是系统采集的外界环境因子中一个比较重要的参数，也是系统控制的重 要数据依据。由此可知，氨氮量的测量原理是系统设计所需的重要理论来源，本章以下 环节将对其进行阐述。2.1氨氮含量的标准虽然不同的鱼类对氨氮的耐受力是不一样的，但是我国渔业水质标准中规定非 离子氨氮含量应不超过0.02mg/L，氮在

13、实际养殖环境中很难达到这个要求，根据有关的 研究结果，池塘中非离子氨氮含量应该控制在0.2mg/L，这样才能不会影响水中植物的 生长液，不会使鱼类出现氨氮中毒的情况。所以氨氮含量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，水体中氮的测量，对于水产养殖业的发展都具有重要意义。2.2 NH3气敏传感器测量原理氨气敏传感器采用隔膜式气敏电极结构聚偏氟乙烯膜为疏水性透气膜，内电解液为 NH4CL,指示电极为玻璃膜PH电极，内参比电极为Ag-AgCL，在玻璃膜与外层聚偏氟 乙烯膜之间有一层很薄的NH4CL液膜，测量范围为0.0000

14、531.0MOL/L。氨气敏传感器工作的时候，被测液体中的NH3透过疏水性透气膜与传感器内H+离 子反应NH4+=NH3+H+引起H+离子变化，由PH电极测得其变化，在恒定离子强度下测 得的电动势与水样中的NH3对数呈线性关系，由测得的电动势可得NH4+离子的含量。水体中NH4+、NH3H2O和NH3的分配比例与PH和温度有关，一般情况下鱼塘水的 PH为中性，温度在0-30摄氏度，水体中NH3和NH4+离子共存。温度和PH值决定着各 种离子的解离度，由于池塘水一般为中性，PH值故可认为恒定，则该系统使用的环境 中氨的解离度只于温度有关了。原则上来说直接测量NH4+和 NH3的浓度都可以，但是在

15、水体中测量NH4+离子的难 度很大，因为水体是一个极其复杂的环境，里面有大量的离子共存，比如K+、Na+、Al+ 等，其中NA+和K+离子对NH4+离子的干扰最大，而直接采用NH3电极进行测量则容易 的多，且不受上述众多离子的干扰。根据化学方程式可知水体中碱的解离系数Kb为k = NH 4+ OH -(1)b NH3而水的离子积常数Kw为Kw=OH-H+(2)将(2)式带入(1)式可得N 二匕(3)b NH H +于是可以得到如下方程式= J + = =K,(4)NH K10 ph常数Kb和Kw是随温度改变其值的，水体的PH值10Ph在池塘中的值可以认为是恒 定的，有式(4)可以知道，当测得温度T和NH3的数值的时候就可以得到NH4+离子的浓 度了。2.3影响水体氮含量的因素水中的氮含量不是一个固定的量，它要受到其他一些因素的影响，包括物理因素和 生化因素，下面将简单说明这些因素与水体中氨氮含量的关系：1. 物理因素：物理因素包括水温、PH等因素，水温越高NH4+离子的解离度越大，在水中氮以离 子存在的就越多，同样水体的酸碱度也会影响到氮元素的含量，我们有4式就可以看到， P