当前位置：首页 > news >正文

基于单片机的螺旋藻生长大棚PH智能控制设计

news 2025/10/14 6:30:14

基于单片机的螺旋藻生长大棚PH智能控制设计

点击链接下载资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/91926435

1. 系统功能介绍

本系统以单片机为核心控制器，设计了一套适用于螺旋藻生长大棚环境的PH智能控制系统。螺旋藻作为一种对水质条件极为敏感的微生物，其生长环境中PH值的稳定性直接影响其光合作用效率及生物量增长。因此，本系统旨在实现对螺旋藻培养液PH值的实时监测、上下限自动调节与超限报警，并通过LCD液晶屏显示当前PH值、报警状态及设定范围。

系统主要功能如下：

模拟量测量功能：通过外接A/D转换芯片对PH传感器输出的模拟信号进行采样。系统将电压信号转换为数字量，并计算得到实际PH值，实时反映螺旋藻培养液的酸碱度状态。
上下限设置与超限报警：用户可通过按键输入设定PH上下限阈值。当实时测量值超出设定范围时，系统会自动触发蜂鸣器与LED灯报警，提示用户采取相应的调整措施。
LCD液晶显示功能：采用1602液晶显示模块，实时显示当前PH值、设定上下限值以及系统报警状态，方便用户观察与操作。
自动调节功能：当PH值低于设定下限时，单片机控制碱液泵启动；当PH值高于上限时，单片机控制酸液泵工作，实现PH值的自动调节。
系统稳定性设计：通过光耦隔离与滤波电路设计，确保传感器信号采样过程抗干扰性强，保证在大棚环境中长时间稳定运行。

2. 系统电路设计

整个系统以单片机为核心，由A/D转换模块、PH检测模块、LCD显示模块、报警控制模块、键盘输入模块以及光耦隔离控制模块构成。各模块功能紧密配合，实现了螺旋藻大棚中PH值的智能检测与调节。

2.1 单片机最小系统设计

本系统采用 STC89C52RC 单片机 作为主控制芯片。该芯片基于MCS-51内核，具有高速、低功耗的特点，内部集成128字节RAM、8KB Flash存储空间，完全满足系统实时采样与控制的需要。

在最小系统中包括晶振电路、复位电路和电源滤波部分：

晶振电路 采用12MHz晶振，确保系统运行稳定。
复位电路 采用上电复位与手动复位相结合的方式，保证系统在异常情况下能快速恢复。
电源滤波 使用电解电容与陶瓷电容组合滤波，保证系统供电稳定，避免外部干扰引起的系统重启。

2.2 PH检测与A/D转换模块

PH传感器通常输出0~5V范围内的模拟电压信号，而单片机无法直接进行模拟量采样，因此本系统选用 ADC0832 模拟数字转换芯片，实现8位分辨率的A/D转换功能。

ADC0832通过SPI接口与单片机相连，工作原理如下：

单片机发送启动信号；
ADC0832采样PH传感器输出的电压；
转换完成后将数字信号送回单片机；
单片机通过算法将数字量换算为实际PH值。

计算公式为：

PH = (电压 / 5.0) × 14

其中14为PH的满量程对应值。

通过这一模块，系统实现了高精度的PH测量功能，并为后续控制提供基础数据。

2.3 LCD液晶显示模块

显示部分采用 1602字符型LCD模块。该模块能够显示两行字符，每行16个字符，足以显示PH值、上下限阈值、报警提示等关键信息。

LCD模块采用4位数据线模式连接单片机，节省I/O口资源。主要显示内容包括：

第一行：显示“PH值=xx.xx”
第二行：显示“L:x.x H:x.x”或“报警中”

显示内容更新频率约为500ms，确保人眼读取流畅且不闪烁。LCD初始化采用标准指令模式，通过延时与命令同步保证显示可靠。

2.4 键盘输入模块

系统配备一个4×4矩阵键盘，用于输入PH值的上下限阈值。按键定义如下：

数字键（0~9）：用于输入数值；
“↑”、“↓”：用于切换输入模式；
“S”键：保存参数；
“R”键：恢复默认阈值。

键盘采用轮询扫描方式检测按键状态，配合软件去抖动算法确保输入准确无误。用户可通过此模块灵活设定大棚内螺旋藻生长所需的最佳PH范围。

2.5 声光报警模块

报警部分由蜂鸣器与LED灯组成，用于提醒操作人员PH值异常。单片机检测到PH值超限后，立即输出高电平驱动三极管，使蜂鸣器发声、LED闪烁。若PH恢复至正常范围，则报警信号自动解除。

报警逻辑如下：

当PH < 下限时，蜂鸣器以500Hz间歇报警；
当PH > 上限时，蜂鸣器连续鸣响；
LED灯与报警状态同步闪烁。

该设计在提示上清晰明确，可在噪音较大的养殖环境中有效引起注意。

2.6 自动控制与光耦隔离模块

系统为实现自动调节PH值，设置了两个继电器输出接口，分别控制酸液泵与碱液泵。当PH值超限时：

PH低于下限 → 启动碱液泵；
PH高于上限 → 启动酸液泵。

为防止高压干扰单片机工作，继电器控制电路通过 光耦隔离 实现信号传输隔离。光耦内部的光电转换结构能够有效避免电磁干扰，提高系统抗干扰能力与可靠性。

3. 程序设计

系统程序基于C语言编写，采用模块化结构设计，主要包括主控程序、A/D采样程序、显示程序、键盘输入程序、报警与控制程序等。整个系统程序结构清晰，运行稳定。

3.1 主程序设计

主程序主要负责系统初始化、数据采集与显示更新，并在循环中实时判断PH值是否超限。

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "adc0832.h"
#include "key.h"#define uchar unsigned char
#define uint unsigned intfloat ph_value;
float ph_high = 9.0, ph_low = 7.0;void main()
{LCD_Init();ADC0832_Init();Key_Init();Buzzer_Init();LCD_ShowString(1, 1, "PH Control Sys");while(1){ph_value = ADC0832_Read() * 14.0 / 255.0;Display_PH(ph_value);Key_Scan();Check_Alarm(ph_value);}
}

该主程序逻辑简单清晰，循环中实时采样PH值并更新显示，同时进行报警检测。

3.2 A/D采样程序

ADC0832的通信采用软件SPI方式，确保兼容性强。

unsigned char ADC0832_Read(void)
{unsigned char dat = 0, i;CS = 0;CLK = 0;DI = 1; CLK = 1; CLK = 0;DI = 1; CLK = 1; CLK = 0;DI = 0; CLK = 1; CLK = 0;for(i = 0; i < 8; i++){CLK = 1;dat = (dat << 1) | DO;CLK = 0;}CS = 1;return dat;
}

该程序每次采样完成后返回8位数字信号，经过换算可得到当前PH值。

3.3 显示模块程序

LCD显示函数主要完成当前PH值与上下限信息的实时刷新。

void Display_PH(float ph)
{LCD_ShowString(1, 1, "PH=");LCD_ShowFloat(1, 5, ph, 2);LCD_ShowString(2, 1, "L=");LCD_ShowFloat(2, 3, ph_low, 1);LCD_ShowString(2, 9, "H=");LCD_ShowFloat(2, 11, ph_high, 1);
}

该函数以浮点显示形式呈现数值，更新频率控制在500ms，确保显示稳定。

3.4 键盘输入程序

键盘程序实现阈值输入与保存功能。

void Key_Scan(void)
{uchar key = GetKey();switch(key){case KEY_UP: ph_high += 0.1; break;case KEY_DOWN: ph_low -= 0.1; break;case KEY_SAVE: Save_Setting(); break;default: break;}
}

通过简单的键盘操作，用户可灵活设置螺旋藻培养所需的最佳酸碱范围。

3.5 报警与控制程序

系统在每次采样后调用报警判断函数，根据PH值控制报警与泵的启停。

void Check_Alarm(float ph)
{if(ph > ph_high){Buzzer_On();LED_On();AcidPump_On();}else if(ph < ph_low){Buzzer_On();LED_On();AlkaliPump_On();}else{Buzzer_Off();LED_Off();Pump_Off();}
}