智能家用小魚缸設(shè)計原理與分析

摘要：針對目前市面上銷售的魚缸在后期打理不便，本文設(shè)計了一款智能家用魚缸。利用AT89S51單片機(jī)和電磁閥對魚缸進(jìn)行改造，增加了定時換水功能、定時喂食功能和水位檢功能，解放雙手，優(yōu)化生活品質(zhì)。本設(shè)計成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，易推廣，具有一定的市場價值。

關(guān)鍵詞：智能;家用;小魚缸

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0164-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著人們生活水平的提高，家庭裝修時會增加一些點(diǎn)綴性物件，比較常見的就是魚缸。目前市面上銷售的魚缸大部分只是一個玻璃鋼帶氧氣泵和燈等器件，不具有智能性。這樣的魚缸在后期使用時打理起來非常麻煩。所以很多家庭裝上魚缸用不了多久后魚缸就不再使用了。其中換水是魚缸打理中最麻煩的一點(diǎn)，尤其是比較大的魚缸。一般的魚缸換水采用的方式是人力換水。利用大氣壓壓差，人用軟橡皮管從魚缸底部向外抽水，抽完之后再倒新水進(jìn)去，操作非常麻煩。在當(dāng)今快節(jié)奏生活的方式下，這種換水方式顯然堅持不了多久。另外，如果魚缸主人需要外出一段時間，那么這樣換水方式就更沒有辦法進(jìn)行。本文針對類似這種不便對魚缸做了以下改良設(shè)計，主要是利用單片機(jī)和電磁閥增加了魚食定時投放、定時自動換水、魚缸水位檢測等功能。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)描述

首先在魚缸的底部安裝一個帶水閥的放水孔，放水孔的下部連上PVC材質(zhì)的下水管，將下水管引入家用的廢水管道。在魚缸的頂部安裝一個帶水閥的進(jìn)水水管。其中進(jìn)水管道和放水管道可以從魚缸下面的地板走線以便于美觀性。魚缸的塑料頂部需再留有一個存放魚食的空間。空間的下部安裝帶電磁閥門的喂食口。

整個系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)為主控核心，AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP（ln-system programmable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，性價比高。單片機(jī)主要通過串口線和轉(zhuǎn)換電路直接連接水位傳感器、進(jìn)水電磁閥、放水電磁閥和投食電磁閥。系統(tǒng)具有自動換水功能，自動喂食功能。這樣魚缸在后期使用時只需定期在食物盒里添加魚食即可，大大節(jié)省時間。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是指單片機(jī)上對魚缸各種功能的控制程序設(shè)計。AT89S51對魚缸的控制功能主要有定時換水功能、定時投食功能以及魚缸水位控制等。

2.1 系統(tǒng)總體工作流程

系統(tǒng)啟動后，定時器也啟動。第一次啟動的時候會打開換水功能（第一次只打開進(jìn)水閥），后面系統(tǒng)默認(rèn)魚缸每隔7天啟動一次換水模式，換水根據(jù)不同魚缸容量出廠預(yù)設(shè)置不同換水持續(xù)時間。魚缸水位檢測功能是在系統(tǒng)啟動后一直保持開啟狀態(tài)的。出廠時會預(yù)設(shè)值水位高度，一般為缸體高度的85%-95%，這樣的水位高度既可以保證魚的生存空間足夠大又可以增加魚缸的觀賞性。喂食周期預(yù)設(shè)值為一天一次，符合絕大部分金魚的飲食周期。本系統(tǒng)通過單片機(jī)控制換水、魚缸水位監(jiān)測、喂食等功能，系統(tǒng)控制流程圖如圖2。

2.2 主要控制部分工作流程

2.2.1 水位控制

水位傳感器實(shí)時采集水位狀態(tài)，如果水位過低則會通過單片機(jī)打開進(jìn)水閥，如果水位過高則會通過單片機(jī)打開放水閥。工作流程圖如圖3。

2.2.2 喂食控制

喂食閥會在系統(tǒng)第一次啟動時打開關(guān)閉一次。以后會每24小時打開關(guān)閉一次。工作流程圖如圖4。

2.2.3 換水控制

換水控制時，進(jìn)水閥和放水閥同時打開指定時間，控制方式與喂食控制比較類似，在此不再贅述。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)的測試主要就是通電后觀察水位狀態(tài)和喂食閥開啟關(guān)閉的定時時間間隔以及進(jìn)水閥和放水閥開啟關(guān)閉的定時間隔時間是不是依照系統(tǒng)設(shè)置的時間。

水位狀態(tài)測試包括兩點(diǎn)，一是在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，手動往魚缸里添加超過95%高度的水，觀察放水閥有沒有啟動，并在水位達(dá)到95%后及時關(guān)閉放水閥;二是在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，從魚缸里取出水使其低于魚缸高度的85%，觀察進(jìn)水閥是不是打開，在達(dá)到85%高度后有沒有及時關(guān)閉進(jìn)水閥。

喂食功能測試是指觀察喂食閥有沒有每24小時開啟關(guān)閉一次。

換水功能測試是指觀察進(jìn)水閥和放水閥有沒有每7天開啟關(guān)閉一次，每次持續(xù)指定時間。

通過長時間的運(yùn)行測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)水位的控制和每天準(zhǔn)點(diǎn)喂食以及每七天換水一次。

4 結(jié)語

本文主要是對智能家用小魚缸的基本功能進(jìn)行了研究，提出了總體設(shè)計方案，并在硬件方面和軟件方面提出了設(shè)計思路。

主要特色是利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動喂食、自動換水和魚缸水位檢測功能，大大方便了日常使用。

該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，成本低廉，易于規(guī)模化生活，具有一定的推廣價值。后面將對魚缸做聯(lián)網(wǎng)方面的進(jìn)一步研究。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】

基金項(xiàng)目：2017年安徽省高等教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊”（項(xiàng)目編號：2017jxtd128）

作者簡介：陸曉東（1987-），男，安徽利辛人，助教，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。