摘要：通过分析深水网箱养殖投饵设备的现状和存在的问题后，提出一种利用计算机和单片机作为控制核心，能够进行远程控制和自动投饵的硬件方案和控制策略。对自动投饵机总体结构、控制系统设计、硬件电路以及通信设计进行介绍。该设计可降低养殖成本，科学投饵，为水产养殖自动化的研究提供参考。
关键词：自动投饵机；自动控制；单片机；网箱养殖
随着网箱养殖产业的快速发展，对饵料投喂提出较高的要求。水产养殖中饵料的成本是一项重要投入，饵料的投放对养殖鱼类的品质、产率等有很大影响[1-3]。目前我国深水网箱养殖主要采用人工投饵，投饵过程中存在劳动强度大、投喂不均匀、效率低、饵料量难以准确控制等缺点。饵料的浪费又会污染水质，恶化养殖环境，还会增加鱼类病害的发生，影响鱼类的生长，增加养殖成本，降低养殖效益[4-7]。因此饵料的投喂技术是否科学合理，是影响养殖效果和生态环境的一个最重要的因素。在水产养殖过程中，控制养殖成本的投入，使水产养殖可持续发展，饵料投喂技术非常重要。随着自动化养殖设施水平的不断提高，投饵机作为养殖中重要的设备之一越来越受到养殖户的重视。为适应各种不同的水产养殖生产方式，各种类型的投饵机被开发出来以满足市场需求。国内使用较多的自动投饵机往往存在一些问题：例如饵料破损率较大，运行的稳定性不足，不能满足深水网箱养殖对稳定性[8-11]、安全性的要求，同时自动化控制水平也有待提高。国外一些国家在水产养殖自动化设施方面处于领先水平，例如挪威研制的自动投喂系统集监控、自动投喂、远程管理等于一体，利用计算机控制整个系统的运行。当前水产养殖向节能、环保、精准、高效的生产方式发展，研制合适的设备可以节省劳动成本，同时达到精准投喂、节约饵料、保护水质，促进养殖鱼类的健康生长。本文作者以深水网箱养殖为重点，研制一种适用于网箱养殖用自动投饵机，对自动投饵机的控制系统进行设计和技术研究。
1自动投饵机总体结构及工作原理
自动投饵机由数据采集、数据传输、计算机控制系统、网箱轨道、投饵机构等组成。投饵机构的运动控制系统由单片机进行自动控制，计算机的控制软件可以人机交互操作，操作人员可以通过计算机收集的数据进行投饵操作也可以利用软件自动投饵。实现网箱根据不同因素进行科学合理投饵。自动投饵机总体结构如图1所示。自动投饵机的工作原理：单片机接收到由计算机通过无线数据传输模块发送的控制命令后，单片机给出相应的控制指令；饵料仓内的传感器检查仓内是否有饵料，如果有饵料，网箱导轨上的行走直流电机按某一速度匀速运行到指定位置；单片机控制开关仓门步进电机投放饵料，下料量通过开放仓门的程度和时间决定；饵料落在抛料机构的弧形托盘上；单片机控制抛料直流电机的转速，抛料直流电机的转子连接有矩形刷子，通过对转速的控制实现饵料360°的抛撒范围，同时控制抛洒半径；行走直流电机在网箱运行轨道不同位置进行定点抛撒，使饵料均匀落在网箱水面上。
2控制系统设计
利用单片机作为自动控制系统的控制器，对水产养殖的投饵过程进行自动化管理，可以提高网箱养殖自动控制设备的水平，科学合理投饵，降低养殖成本。自动投饵机的自动控制系统以AT89C52单片机作为核心控制器，主要控制：对发送来的数据进行处理；控制各个电机的运动流程；接受投饵机内部传感器信号；模拟信号转换为数字信号；和无线通信模块、计算机的通信。自动投饵机控制系统框图如图2所示。自动投饵机运行时，由计算机作为上位机，养殖人员可以实时观测数据，计算机控制界面会记录投饵量和投饵时间等参数，投饵机的位置、运行状态、投饵数据记录也会显示在界面。计算机通过网络接受GPRS传输的数据信息，经过管理软件对数据的分析再进行投饵情况的判定，投饵决定再由计算机通过网络传输给单片机。单片机通过通信电路上的无线通信模块得到控制命令，单片机内部程序对命令进行解码分析，再对各个电机发出运动指令。电机的控制电路接在单片机的I/O接口上，电机运动控制指令经I/O接口输出给电机控制电路，电机控制电路对指令信号放大和转化再传输给各个电机，使电机可以按照要求运动进行投饵。这样系统实现了数据的远程发送和接收，计算机远程控制投饵。操作人员在陆上的控制室也可以根据采集的数据参数，通过控制软件的界面手动设置投饵量和时间等参数进行投饵操作。
3硬件介绍
自动投饵机控制电路图如图3所示，AT89C52单片机作为投饵控制器，内部存有控制程序。对单片机的I/O口进行扩展，利用8255A可编程并行接口对I/O口进行扩展，8255A芯片的控制端口和单片机连接。8255A芯片的控制端口包括RD、WR、CS、A0、A1，其中RD、WR、CS3个端口低电平有效。CS芯片片选信号，当输入引脚为地点平时表示8255A芯片被选中，允许8255A与单片机进行通讯否则无法做数据传输；RD、WR分别代表芯片的读信号线和写入信号线，两个引脚在输入为低跳变沿时且CS=0时允许8255A通过数据线和单片机进行数据发送和接收；A0、A1是8255A的地址选择线，用来选择8255A的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。A0、A1、CS、WR分别和单片机的P2.5、P2.6、P2.7、RD、WR连接。RE⁃SET复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器被清除，所有I/O口均被置成输入方式。D0—D7是数据总线，是8255A和单片机数据传送的通道，当单片机执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作。控制字和状态信息也是通过数据总线传送的。8255A还有3个输入输出口PA、PB、PC，使用PA口和PB口作为输入输出端口和电机驱动器的控制口连接。步进电机驱动器选用两相混合式，控制信号输入接口包括脉冲控制信号PUL+、PUL-，方向信号DIR+、DIR-，使能信号ENBL+、ENBL-。PUL+、DIR+、ENBL+接在+5V电压，PUL-、DIR-、ENBL-分别接PA0、PA1、PA2。PA0输出脉冲控制信号，控制步进电机的运动，每发射一个脉冲步进电机旋转一个步距角，改变PA0输出脉冲的发送频率可以改变步进电机的运行速度，实现精确控制饵料的投放；PA1输出方向控制信号，PA1输出的高低电平可以改变步进电机的转动方向，为保证电机可靠换向，方向信号先于脉冲信号至少5μs建立；PA2输出使能信号，ENBL-的输入信号用于使能或禁止，ENBL-接低电平时驱动器将切断电机各相的电流是电机处于自由状态，此时步进电机脉冲不被响应，接高电平时步进电机可按程序运转，使能信号提前方向控制信号至少5μs。步进电机的A相、B相线圈和驱动器相对应的接口连接。驱动器的八位拨码开关可以设定细分精度、动态电流、静止半流，设定细分步数可以提高步距均匀度，较少振动，完成精确投饵的要求。直流电机选用无刷直流电机配合无刷直流电机驱动器，利用PWM脉宽调速，控制电机的旋转速度，实现投饵机运动快慢的控制和饵料抛撒半径的控制。无刷直流电机驱动器的控制信号接在PB口上包括紧急制动IN3、方向信号IN2、调速信号IN1。无刷直流电机的霍尔信号线和驱动器的霍尔信号输入接口连接，用于检测转子的位置和方向，电机的3个相线U、V、W和驱动器对应相线接口连接三相线连接电机内部定子线圈，利用脉冲宽度的调制控制定子旋转磁场的频率从而改变转子的转速。
4控制程序和通信设计
4.1计算机控制端程序设计
计算机控制软件使用VB语言设计和编写，控制软件可以实现人机交互控制和监测网箱内的环境数据。界面设计简洁直观便于用户直接监控，界面的数据监测包括水速测量显示，溶解氧量显示，PH值显示等数据显示界面以及自动投饵机位置显示。控制软件有手动控制和自动控制两种工作方式。采用手动控制，用户可以通过“前进”、“后退”按钮控制行走直流电机在导轨上的位置；通过“仓门开放”按钮控制饵料仓门的开放程度；通过转速的大小调节选择按钮控制饵料抛撒电机的转速，控制饵料抛撒半径。采用自动控制工作方式，控制软件对监测的数据进行整合分析，通过内部的算法做出相应的操作指令，通过无线数据传输模块送达单片机接收端。单片机对指令解码后，调用程序内部的数据指令表进行自动投饵操作，单片机控制程序流程图如图4所示。同时将投饵结果显示在计算机控制界面。
4.2通信设计
在自动投饵控制系统中，通信是连接计算机控制端和单片机控制端，以及监测设备和计算机控制端的桥梁。通信的可靠性是保证整个系统稳定安全运行的前提条件。由于控制室和养殖网箱的距离较远，铺设通信电缆不方便，可靠性较低而且会增加成本投入，因此选用无线通信硬件。近年来，无线通信技术的快速发展，传输速率的大幅度提高和传输容量的扩大可以保证通信的可靠性和稳定性。通信的设计在计算机控制端利用VB中的MSCOMM通信控件编写通信协议，利用GPRS无线通信模块传输数据和控制指令。投饵机的单片机和接受通信模块相连，实现控制指令的稳定接收，单片机再做出对应的操作。环境坚持测数据通过无线传输模块发送数据给计算机数据接收端。通信系统的安全可靠运行为自动投饵系统的实现提供保证，实现人员的远程控制和操作，大大降低人员的工作量，还能做到科学管理。
5结束语
自动投饵机控制系统设计结合计算机的人机控制界面和单片机作为控制机构，通过无线传输模块进行数据的传递，操作人员可以在陆上实现远程控制，投饵过程中可以对计算机控制界面的参数进行人工设定，观测投饵机的运行状态，从而实现科学合理投放饵料。该控制系统的设计对提高网箱养殖精确投饵操作和远程控制的能力，降低劳动强度，促进网箱养殖配套设施的研制和自动化水平起到积极作用。
作者:刘吉伟 王宏策 魏鸿磊 单位:大连工业大学机械工程与自动化学院 中国汽车技术研究中心