一種新型智能化魚缸的設(shè)計與實現(xiàn)

黃多輝?王漢森

摘 要：隨著人們物質(zhì)生活的改善和欣賞水平的提高，觀賞魚缸之類的工藝產(chǎn)品逐漸進入了家庭、賓館和商場等公共場所。但是，目前市場上觀賞魚缸所需的諸如喂食和換水等操作都需要人為手工進行，這給人們很大的不便。通過對目前市場上水族箱控制設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的分析和研究，本文提出了一種多功能的觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案，完成了實物的制作，實現(xiàn)了魚缸自動投食、自動水循環(huán)、自動殺菌、水溫檢測和自動照明的多種功能。這些功能既減少了觀賞者喂魚的麻煩，也保證了良好的水質(zhì)和衛(wèi)生狀況。另外，燈光智能控制不僅提高了觀賞質(zhì)量還實現(xiàn)了魚缸節(jié)能環(huán)保的要求。

關(guān)鍵詞：魚缸；自動控制；單片機；串口通訊

1 引言

據(jù)最新資料顯示：近年來水族產(chǎn)品的日漸豐富，水族市場更加繁榮昌盛，水族行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的年增長率達到13.8%。其市場空間的拓展速度也預(yù)示著將有更多的投資機會點。隨著魚缸產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，巨大的魚缸市場的需求也極大推動了國內(nèi)外各種魚缸控制設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的魚缸需經(jīng)常換水和補充氧氣，并常配備水泵和空氣泵，用以清潔水體和補充氧氣。但這些設(shè)備的工作時間會因季節(jié)、溫度及飼養(yǎng)魚的多少而不同。每天需要進行多次開關(guān)操作，這樣的連續(xù)工作會縮短設(shè)備的壽命，不利于節(jié)能。

根據(jù)調(diào)查市場上現(xiàn)有的魚缸控制系統(tǒng)都是功能較簡單的設(shè)備。如燈光照明控制，只能人為的進行開關(guān)控制；溫度的控制，采用加熱棒進行加熱控制，由于加熱棒本身采用雙金屬片溫控以及手工控制加熱棒的開關(guān)，造成溫控精度較差，很難達到期待的恒溫效果。因而市場亟需一種新的系統(tǒng)能把這些功能整合在一起，構(gòu)成多功能控制器。這些儀器集溫度、燈光、充氧、報警等控制功能于一體。功能設(shè)計上要求性能穩(wěn)定可靠安裝、調(diào)試維護方便。

因此，根據(jù)當(dāng)前市場的需求，以魚缸中的水溫、溶氧量、光照等的控制為研究對象，我們開發(fā)了一套集多種功能于一體的控制系統(tǒng)。該設(shè)計解決了人們在日常生活中對魚缸繁雜的維護問題，具有較高的應(yīng)用價值和市場前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本實驗中設(shè)計的智能魚缸有多種功能，我們用模塊化思路來實現(xiàn)整體魚缸的設(shè)計需求，該系統(tǒng)包括主控、按鍵、顯示、溫度、紅外、時鐘和外設(shè)等七個模塊。鍵盤模塊用用來設(shè)置當(dāng)前時間、投食時間和系統(tǒng)殺菌過濾時間；溫度模塊用來測量當(dāng)前環(huán)境溫度；紅外模塊時檢測是否有人體靠近，單片機通過輸出各種各種信號來控制外設(shè)模塊作；系統(tǒng)的時間、溫度和設(shè)置參數(shù)等數(shù)據(jù)則通過液晶模塊顯示出來。圖1給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖。

該控制系統(tǒng)以單片機為控制核心，結(jié)合傳感器技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括自動照明、自動換水、自動喂食、自動水循環(huán)等功能，并可根據(jù)需要增加控制參數(shù)，通過選擇不同元器件控制成本。第一部分是以STC89C51為核心的控制部分，實現(xiàn)對各種控制參數(shù)的設(shè)置、存儲、顯示和處理。第二部分是輸入輸出部分，用于采集由傳感器傳送過來的各種信號，并輸出多路信號實現(xiàn)對魚缸相應(yīng)功能的實時控制，兩部分之間通過串口進行通訊。

3 智能魚缸硬件模塊設(shè)計

本系統(tǒng)是以STC89C52單片機為控制核心，該芯片具有在線編程功能，功耗低，能在3.3V的超低壓下工作。時鐘芯片采用DS1302，它是一款高性能、低功耗、自帶RAM的實時時鐘芯片，具有使用壽命長、精度高和功耗低等特點，同時具有掉電自動保存功能，可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，其工作電壓為2.5V～5.5V。溫度檢測模塊由DS18B20構(gòu)成，它采用獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊，具有測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點，其測溫范圍在-55～+125℃，工作電壓為3V～5.5V。顯示部分使用1602液晶顯示屏來實現(xiàn)，它具有低功耗、壽命長、可靠性高的特點，其工作電壓為5V。人體紅外感應(yīng)模塊采用HC-SR501模塊，該模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，工作電壓在4.2V～20V，具有靈敏度高、可靠性強、超低功耗和超低電壓工作模式等優(yōu)點。

3.1 單片機主控制模塊的設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，如圖2所示。

3.2 時鐘電路模塊的設(shè)計

圖3是DS1302的引腳排列，其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。X1和X2是振蕩源，外接32.768KHz晶振用來為芯片提供計時脈沖。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。

3.3 溫度傳感器電路設(shè)計

DS18B20采用外部電源供電方式，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該部分電路設(shè)計如圖4。

3.4 顯示模塊設(shè)計

1602顯示電路設(shè)計如圖5所示。將L1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1， E 端和P2.2相連。當(dāng)RS=0時，對LCD1602寫入指令；當(dāng)RS=1時，對LCD1602寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)R/W端接高電平時芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，E端為使能信號端。當(dāng)R/W為高電平，E端也為高電平，RS為低電平時，液晶顯示屏顯示需要顯示的示數(shù)。

3.5 獨立式鍵盤設(shè)計

由于單片機在正常應(yīng)用過程中可能會經(jīng)常進行鍵操作，因而編程控制方式使CPU經(jīng)常處于工作狀態(tài)。 在進行本次設(shè)計中，只涉及到了切換、加、減和移位4個功能。如圖6所示。

3.6 紅外模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用HC-SR501模塊，此模塊較為簡單，它具有三管腳，一接電源一接地中間輸出管腳接單片機，如圖7所示。

3.7 外設(shè)模塊設(shè)計

外設(shè)部分為單片機通過繼電器控制的投食，照明燈，殺菌過濾設(shè)備。本系統(tǒng)采PNP管直接驅(qū)動繼電器，如圖8所示。

4 智能魚缸軟件模塊設(shè)計

系統(tǒng)上電時進行初始化操作，系統(tǒng)開始運行。當(dāng)有設(shè)置鍵按下時進入修改時間模式，在修改時間模式下設(shè)置時間完成后再送數(shù)據(jù)到液晶屏顯示；無按鍵按下時讀取時間、溫度等數(shù)據(jù)送入液晶屏顯示。

4.1 時鐘程序流程圖

DS1302開始計時，首先進行初始化，當(dāng)有中斷信號時，讀取時鐘芯片的數(shù)據(jù)送入液晶屏顯示。這時若有設(shè)置鍵按下時，進行時間和相應(yīng)參數(shù)修改，完成后將數(shù)據(jù)送入時鐘芯片；若沒有按鍵按下，則直接存入EPROM，送入液晶屏顯示。整個控制流程如圖9。

4.2 溫度程序流程圖

開始進入初始化DS18B20，即通過主機拉低單線產(chǎn)生復(fù)位脈沖然后釋放該線。如果有應(yīng)答脈沖，則發(fā)起ROM命令；當(dāng)成功的執(zhí)行ROM命令后，就使用Convert T命令開始溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換溫度完成后，再初始化DS18B20，觀察是否有應(yīng)答脈沖。若有，就發(fā)起Read Scratchpad（讀取暫存器和CRC字節(jié)）命令，然后同時讀出第1、2個字節(jié)，即為溫度的數(shù)據(jù)。整個控制流程如圖10。

4.3 顯示程序流程圖

顯示程序流程圖如圖11。首先對1602顯示屏進行初始化（初始化大約持續(xù)10ms左右），然后檢查忙信號，若BF=0，則獲得顯示RAM的地址，寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示；若BF=1，則代表模塊正在進行內(nèi)部操作，不接受任何外部指令和數(shù)據(jù)，直到BF=0為止。

5 結(jié)論和展望

本文針對觀景魚缸在溫度監(jiān)控、自動殺菌、自動換水等實際需求，詳盡地分析魚缸中各種環(huán)境參數(shù)對魚類和水草的影響，從魚缸的日常養(yǎng)護要求和實際工作環(huán)境出發(fā)，設(shè)計了魚缸多功能控制系統(tǒng)并用單片機進行了實現(xiàn)。從實際運行結(jié)果看，此控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)魚缸水溫按魚類和水草的生長要求進行自動溫度檢測顯示，自動水循環(huán)控制和自動殺菌控制，這對魚類和水草的生長是至關(guān)重要的。整個方案實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的自動化，這不僅節(jié)省了人力物力，還消除人為因素對魚缸控制的不確定性影響，保證所養(yǎng)殖的魚類和水草的正常生長，提高了效率。

較長時間的運行測試表明該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便、具有多種節(jié)電工作模式。同時該系統(tǒng)設(shè)計靈活、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，易于規(guī)模化生產(chǎn)，可廣泛用于家庭和賓館等安裝觀賞魚缸的場所。

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