一種基于無線輸電的智能魚缸控制系統(tǒng)

商振翔　張興強(qiáng)

【摘 要】主要介紹了一種在單板機(jī)控制下的無線輸電的智能魚缸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以單板機(jī)為核心控制器，以XKT-409-25、UC3842電源芯片為電源核心，實(shí)現(xiàn)了大功率無線輸電，防止漏電，自動控制，恒溫，自動照明，自動水循環(huán)，自動泵氧等功能。這使得魚缸更安全，更人性化，更方便易用。

【關(guān)鍵詞】STC89C52單板機(jī)；XKT-409-25電源芯片；UC3842電源芯片；無線輸電；磁耦合；智能魚缸；繼電器

0 引言

美好的環(huán)境可以讓人心曠神怡，很多人喜歡在室內(nèi)養(yǎng)魚，給單調(diào)的生活帶來些許生機(jī)。如今不論在商場、辦公室還是家里很多人都喜歡擺上一個魚缸，既可提供觀賞，又能增添雅興。這不失為一種好的擺設(shè)。但現(xiàn)在的魚缸里有魚缸燈、換氧機(jī)以及溫度調(diào)節(jié)器，容易漏電極不安全，每年都有很多報(bào)道因?yàn)轸~缸漏電導(dǎo)致的安全事故。采用先進(jìn)的無線輸電技術(shù)，將魚缸的有線供電方式改為無線輸電方式，可以更方便的實(shí)現(xiàn)魚缸內(nèi)部器件的防水密封，提高用電的安全性，并對其他的水下設(shè)施的供電提供一個新的解決方案，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)介紹

該系統(tǒng)的主要功能有：電能的無線傳輸，防止漏電，自動燈光照明，自動輸送氧氣，自動溫度調(diào)節(jié)，自動水循環(huán)等功能。本系統(tǒng)采用200V市電供電，以可靠的單板機(jī)作為核心控制器，能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)各部分功能。硬件部分主要有電源部分，單板機(jī)最小核心板，溫度控制部分，氧氣控制部分，燈光控制部分，無線傳輸模塊，按鍵控制部分，顯示部分。

1.1 無線輸電功能

這種無線傳輸電能的系統(tǒng)由電源、電磁波震蕩器、發(fā)射線圈、接收線圈、高頻電磁波整流器、電能變換和集成電路組成，其大致流程如下：電源→電磁波震蕩器→發(fā)射線圈 接收線圈→整流器→變換→集成電路

為了獲得無線供電能方便地傳輸較大的功率，我們將發(fā)射線圈將電能轉(zhuǎn)化為磁場，然后由接收線圈將磁場轉(zhuǎn)化為電能再由接收部分接收。電磁諧振的傳輸距離可以最高可達(dá)到五米。

1.2 溫度控制功能

當(dāng)主系統(tǒng)正常工作時，該部分是當(dāng)檢測到水溫不適合，單板機(jī)自動控制加熱棒加熱，使水溫達(dá)到適宜魚類生存的溫度。

1.3 氧氣控制功能

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，實(shí)時監(jiān)測水中的氧氣濃度，當(dāng)檢測到水中的氧氣低于我們所設(shè)定的值時（即魚類適合的環(huán)境），水中的泵氧機(jī)自動泵氧，補(bǔ)充水中的氧氣。

1.4 人機(jī)控制功能

即用戶可以通過紅外遙控裝置自己設(shè)置魚缸的溫度及LED燈光的樣式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線輸電芯片選擇

電能的無線輸送有四種方式，分別為電磁感應(yīng)原理無線輸電、諧振式無線輸電、磁耦合共振無線輸電、微波無線輸電。在考慮電能的質(zhì)量、電能傳輸?shù)男?、安全性等問題，我們經(jīng)過討論后選擇了磁耦合式無線輸電。

由于我們需要功率大的，效率高的無線電能傳輸方式，所以選用XKT-409-25系列芯片，該芯片使用了最先進(jìn)的寬電壓自適應(yīng)技術(shù)芯片設(shè)計(jì)工藝，不用變動原來電路設(shè)計(jì)即可使其在任意電壓范圍內(nèi)工作，具有穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。XKT-409-25系列芯片專門用于無線感應(yīng)智能輸電、供電管理系統(tǒng)中，可靠性高。XKT-409-25系列芯片負(fù)責(zé)處理無線的電能傳輸?shù)南到y(tǒng)，并且接收部分采用電磁能實(shí)時轉(zhuǎn)換電能轉(zhuǎn)換原理且控制； 智能控制部分為快速充電電池，XKT-409-25只能與外部組件組合，成為一種快速可靠的無線充電器無線電源。

2.2 降壓模塊的芯片的選擇

由于給單板機(jī)提供電源，所以選擇的方案輸出電壓必須穩(wěn)定，紋波極小，效率不能損失過大，所以我們挑選了UC3842作為降壓芯片，UC3842芯片是一種性能較高的電流控只型脈寬調(diào)制芯片。調(diào)制器http：//baike.baidu.com/view/1654807.htm單端輸出可直接驅(qū)動場效應(yīng)管或雙極型的功率管。

它有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1、可利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與電網(wǎng)的隔離。2、UC3842芯片電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，可以再高達(dá)500KHz的頻率下工作。3、該芯片管腳效應(yīng)少，外圍電路簡單。4、啟動電流小于1mA，正常工作電流為5mA。

該芯片集成了真蕩器、具有高溫補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`查放大器、電流檢測比較器、圖騰主輸出電流、輸入和基準(zhǔn)欠電壓所定電路以及PWM所存器電路[1]。

2.3 單板機(jī)的選擇

單板機(jī)的品種多樣，如果按照單板機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)進(jìn)行分類的話，主要分為四位單板機(jī)、八位單板機(jī)、十六位單板機(jī)和三十二位單板機(jī)。其中四位機(jī)結(jié)構(gòu)最簡易，成本很低，但指令簡單，且編程繁瑣，可以用于簡單的校制；十六位機(jī)和三十二位機(jī)為高檔單板機(jī)，集成度較高，性能優(yōu)越，其性價比目前比較貴，從而限制了廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)綜合考慮，選擇性價比極高的STC12C5A60S2系列單板機(jī)。 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單板機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單板機(jī)是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單板機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。完全能滿足系統(tǒng)要求。

2.4 溫度檢測模塊的選擇

本系統(tǒng)選擇DS18B20芯片，DS18B20芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一種線性數(shù)字溫度傳感器，為小體積的3引腳T0-92封裝形式；可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，溫度測量范圍為-55℃～+125℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路[3]。符合系統(tǒng)要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。這兩部分的程序設(shè)計(jì)都采用了標(biāo)準(zhǔn)程序開發(fā)的模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范，提高程序的可讀性和可維護(hù)性，為以后的系統(tǒng)功能添加和完善提供了方便。

整個軟件采用C語言進(jìn)行代碼的編寫，使用Keil C51集成環(huán)境開發(fā)軟件進(jìn)行編譯， C語言與匯編相比，C語言在可維護(hù)性、可讀性、結(jié)構(gòu)上、功能上上有以下明顯的優(yōu)勢：1、Keil C51軟件有強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具和龐大的函數(shù)庫。2、相對于DOS界面，Keil C51 為Windows界面。3、與匯編相比，Keil C51軟件有較高的效率生成目標(biāo)代碼，生成的匯編代碼很規(guī)范，容易理解[4]。

4 總結(jié)

該無線輸電的智能魚缸控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無線輸電，防止漏電帶來的傷害，確保安全；

（2）單板機(jī)智能控制的水族箱；

（3）恒定的溫設(shè)計(jì)，具有低于設(shè)定溫度時加熱功能；

（4）燈光照明可以自由設(shè)定啟動和停止時間以及燈光亮度的樣式；

（5）使用液晶屏，顯示工作狀態(tài)更直觀；

【參考文獻(xiàn)】

[1]UC3842 Datasheet （PDF）.Texas Instruments，2007.

[2]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]DS18B20 Datasheet （PDF） Maxim Integrated Products，2008.

[4]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.endprint