智能鱼缸自动控制系统的设计

摘要随着21世纪科技的发展，人们生活水平的逐渐提高，居住环境得到极大地提升，装饰产业悄然出现，使得观赏鱼缸得到了大众们的青睐。但是现在人们的生活节奏越来越快，而传统的鱼缸需要人们花费大量的时间和精力来维修和养护。因此设计一款自动控制，定时换水，投喂的智能鱼缸，能够使爱好养鱼的人们减少大量养护鱼缸的时间和精力，在市场上有非常好的发展前景。本课题是了一个基于单片机的智能鱼缸自动控制系统。以STC89C52单片机作为系统的核心，设计了水温检测模块，通过温度传感器，来检测鱼缸中的水温，将采集的信息发送给单片机，由单片机控制加热制冷。同时设置了定时模块，来自动控制鱼缸的换水和投喂。注水时，由水位检测电路来控制停止注水。此设计可以实现对水族箱的智能化控制，可以克服目前水族箱市场上各种设备独立工作和需要手动带来的不便，并且成本低廉、性能可靠。关键词：智能鱼缸；STC89C52单片机;DS18B20温度传感器；ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnologyinthe21stcentury,people'slivingstandardshavebeengraduallyimproved,thelivingenvironmenthasbeengreatlyimproved,andthedecorationindustryhasquietlyemerged,makingtheornamentalfishtankpopularwiththepublic.Butnowpeople'slifeisgettingfasterandfaster,andthetraditionalfishtankneedspeopletospendalotoftimeandenergytorepairandmaintain.Therefore,designinganintelligentfishtankwithautomaticcontrol,regularwaterchangeandfeedingcanreducethetimeandenergyoffishtankmaintenanceforpeoplewholovefishfarming,whichhasaverygooddevelopmentprospectinthemarket.Thistopicisanintelligentfishtankautomaticcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer.WithSTC89C52singlechipmicrocomputerasthecoreofthesystem,awatertemperaturedetectionmoduleisdesigned,whichdetectsthewatertemperatureinthefishtankthroughatemperaturesensor,andsendsthecollectedinformationtothesinglechipmicrocomputer,whichcontrolsheatingandcooling.Atthesametime,atimingmoduleissettoautomaticallycontrolthewaterchangingandfeedingofthefishtank.Whenwaterisinjected,thewaterleveldetectioncircuitcontrolstostopwaterinjection.Thisdesigncanrealizetheintelligentcontroloftheaquarium,overcometheinconveniencecausedbytheindependentoperationandmanualoperationofvariousequipmentsintheaquariummarket,andhaslowcostandreliableperformance.KEYWORDS:STC89C52single-chipcompute;Temperaturesensor;Liquidlevelsensor;automation；Fishtank第一章绪论1.1课题研究的目的及意义随着我国经济水平的发展，人们生活水平的不断提高，居住环境也得到了质的飞跃,装饰业的悄然出现，使鱼缸成为了我们国家很多家庭用于装饰居家环境的青睐物，但是在现在的中国，生活工作节奏越来越快，大多数的家庭拥有观赏鱼缸的水族爱好者表示日常没有过多的时间和精力去对鱼缸进行日常的维护工作，因此设计一款能够自动控制加水换氧，恒温，甚至自动按时投喂的鱼缸自动控制系统能够大大减少水族爱好者们对于鱼缸维护工作投入的时间和精力，对于鱼缸市场有巨大的促进作用，具有很大的市场和发展前景。针对水族箱的控制问题，也陆续出现了各种控制水族箱水温、水位、充氧和排水的设备，如过滤器、加热器、加氧泵等改善水环境的设备。但是由于产品繁多，功能不同意，而且大多是非智能化的，单一的恒温控制、充氧或是排水的系统。如果组成一套完整的结合一体的控制系统，往往需要购置多个设备分别安装，投入的费用较大，也存在一定的资源浪费。这样不仅增加了成本，重复投资，影响美观，而且功能使用不灵活、不方便，整体性能也无法得到提升。因此，本设计以家庭中水族箱的日常养护为背景，以水族箱中的水位、水温、定时投喂等的控制为研究对象，对日常养护过程中的综合自动化及其应用技术展开研究，这对利用高新技术改造原有的水族箱及传统规模化水产养殖产业的自动化发展具有较大的实际意义和研究价值。1.2国内外研究现状自1984年美国联合科技公司提出智能家居概念以来，全世界陆续开启了制造智能化家居系统的研究进程。国外的一个研究团队在2016年3月推出了一款名为FishBit的智能水族生态监控系统，该系统由一个监控器、一个插座控制器以及配套的手机端App组成。监控器主要是对鱼缸中的水温等进行实时监测，控制器的作用则类似于一个智能插座，通过手机端App来控制插在插座上对应的加热、供氧设备的开关。该系统并没有把控制系统与相应的控制设备集成起来，导致用户在使用前需要二次配置，包括外部链接各种控制设备以及App端的各个对应控制端口的设置，过程繁琐且容易出现配置错误。此外，整套FishBit的售价过高，不易进行推广。国内目前只有一家水族器材生产研发企业推出显款智能鱼缸控制系统相关产品，是利用类似智能插座的控制器，需要用户额外购置加热棒、供氧泵等设备插在控制器插座上，并由一台手机大小的遥控器来进行控制，控制范围较小。我国水族箱控制系统的发展起步比较晚。二十世纪八、九十年代中国的改革开放，随着人们的生活水平的提高，观赏鱼水族箱开始进入人们的生活中，近年来其快速发展的状况使其成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注。如今是国际水族产品看中国，许多国外大的采购公司都盯准中国这个市场，把长远的目标放在中国。而在刚开始的饲养过程中，水族设备市场上的鱼缸控制系统都是功能比较简单的设备。如水族箱温度的控制，人们采用的是加热棒进行加热控制，由于加热棒本身采用双金属片温控以及手工控制加热棒的启停，造成温度控制精度较差，无法进行准确的供热，对于水温的恒温控制造成了难度。电路简单，能分担人们不必要的手工的水族箱控制电路系统也随之而生。水族箱中各种参数的控制，也产生了相关的控制设备。如间歇充氧定时器，有自动水温控制器、自动喂食器、灯火自动控制器等这些设备各自独立运行，控制相应的箱内参数，所以造成独立的控制设备配置数量繁多，不但购买独立的设备耗费资金多，而且不利于整个系统的操作。因此多功能组合的水族箱电子控制系统的设计是很有必要的。1.3主要研究内容本课题是以STC89C52单片机作为系统的核心的智能鱼缸自动控制系统的设计，使系统具有自动检测温度，定时投喂，定时换水的功能。本课题的具体研究内容如下：1.硬件的选用和电路连接的方式。选用了成本较低和精准度较高的STC89C52单片机为主要芯片，通过温度传感器来检测温度信号，当检测到温度过低时，控制加热器来加热，检测到温度过高时，停止加热器；通过定时电路来控制继电器进行投喂和注水，并通过水位检测电路来停止注水。完成整个系统的硬件设计。2.设计程序流程图，编写相应的程序来实现各个模块的功能。主要有水温检测模块设计，定时模块设计，液晶显示模块设计，继电器模块设计，水位检测模块设计。3.进行软硬件调试，对整个系统进行整体调试，并对调试结果进行分析。最终得到了与预期相符的结果，达到了设计要求。第二章系统总体方案设计2.1系统设计方案总体结构是用温度传感器来采集信号发送给单片机，由单片机进行数据的处理。首先通过温度传感器来检测鱼缸中的水温，如果水温过低就通过单片机控制加热器加热。然后每隔一段时间就排水，注水以及投喂。注水的停止由浮子液位开关控制。智能鱼缸系统是由水温检测模块电路，定时模块电路，液晶显示模块电路，继电器模块电路，水位检测模块电路组成。系统的总体电路的设计框图如图2.1所示。图2.1系统总体结构框图基于单片机的智能鱼缸自动控制系统的软件设计也按照分模块的方法进行设计，大体分为以下模块：水温检测模块程序设计，定时模块程序设计，液晶显示模块程序设计，继电器模块程序设计。在进行软件设计前，需确定软件的开发环境，选择合适的计算机语言（本课题选用C语言），需透彻了解各个模块之间数据传输的关系，使数据传输较少，从而提高了各个模块的独立性，再根据硬件设计编写各模块程序，以子函数的形式进行函数间的调用，使每个子模块有机的结合起来。另外，在软件设计的过程中，一定要注意提高软件的互操作性、可扩展性、易读性等。2.2主要芯片简介2.2.1STC89C52单片机STC89C52是由集成电路公司STC所研发和进行生产的一款高性能的单片机处理器，该芯片内含8k比特位可反复擦写PEROM、128k比特位RAM、8位CPU和FLASH存储单元，采用高密度、非易失性存储技术生产，指令代码兼容51内核单片机。该单片机引脚图2.2如下：图2.2STC89C52单片机引脚图AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写(>1000次）FlashROM·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz·2个串行中断·可编程UART串行通道·2个外部中断源·共6个中断源·2个读写中断口线·3级加密位·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能2.2.2DS18B20数字温度传感器温度传感器采用DS18B20芯片，DS18B20芯片具有成本低、体积小、封装。形式多样的诸多优点，封装后可以在空间较小的工作场合发挥很好的作用，适用于各种系统测温。而且精准度。高达0.0626℃，具有出色的抗。干扰能力，采用3线制与单片机相连，使用非常方便。其测温范围较大，为-55℃。到125℃，可用于锅炉测温、农业温棚测温、智能仪器内部测温等对温度精确度要求非常严格的场合。1.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2.测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差1℃。3.工作电源:3.0~5.5V/DC4.在使用中不需要任何外围元件5.测量结果以9~12位数字量方式串行传送图2.3DS18B20引脚图引脚功能:1(GND)：地2(DQ)：单线运用的数据输入输出引脚3(VDD)：可选的电源引脚2.2.3DS1302时钟芯片时钟电路采用DS1302芯片，DS1302具有高性能、低能耗、接口简单、使用方便且成本较低的诸多优点，且可以采用备用电源，在系统掉电的情况下为时钟芯片供电，防止数据的丢失。它不仅可以计时普通的秒、分、时、天、周、月、年，而且具有闰年补偿等功能，并且其工作能耗非常低，备用的纽扣电池有一年多的有效期。因为在单片机系统中，有较多的功能、应用、设置需要耗费单片机的硬件资源，所以在单片机系统中使用时钟芯片DS1302能很好降低主控芯片的资源占用。图2.4DS1302引脚图2.2.4液晶LCD1602常用的液晶显示主要分为两种，一种是只能显示英文和字符的液晶LCD1602，另一种是比较负责的，可以显示汉子和各种字符的液晶LCD12864，在本设计中，由于需要显示的字符比较简单，所以选择使用液晶LCD1602对字符进行显示，电源接5V。其引脚图2.5如下：图2.5LCD1602引脚图LCD1602引脚功能：第1脚:VSS为地电源。第2脚:VDD接5V正电源。第3脚:VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚:RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚:R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚:E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～~14脚:DO~D7为8位双向数据线。第15脚:背光源正极。第16脚:背光源负极。第三章系统硬件设计3.1单片机最小系统设计单片机最小系统设计是指实现单片机内部的功能正常进行的最基本的电路和设计，是作为开发其他系统时的通用核心设计。单片机的最小系统是由一个电源电路，8MHZ或者12MHZ的晶振起振电路（即系统的心脏），以及RC电路组成的复位电路构成。其电路图如图3.1所示：图3.1STC89C51单片机最小系统3.2水温检测模块电路设计DS18B20温度传感器的主要作用是检测鱼缸的具体温度数值，并将数字信号的温度变化值转化为电信号传送给单片机识别，与单片机的P10引脚相连。其电路图如图3.2所示：图3.2水温检测模块电路设计3.3定时模块电路设计DS1302模块是控制鱼缸换水、投食的相对时钟,其对时间处理的同时还可以为系统提供其他扩展的功能，比如闹钟提醒，事件定时，备忘等。时钟芯片与单片机的P11、P12、P13接口相连。其电路图如图3.3所示，其中，Y2为晶振，BT1为备用电池，当主系统断电后，备用电池继续供电给时钟模块，保证其正常运行，防止出现数据的丢失。图3.3定时模块电路设计3.4液晶显示模块设计LCD1602显示模块为系统的显示窗口，用于显示系统的一些参数，如温度、时间等。我们在本系统中，需要更加直观的对数据的参数进行显示，以体现设备的可视化，人性化以及智能化。所以在数据的显示方面，添加使用了液晶来进行显示。选择的LCD1602的IO接口上，有电源引脚以及用于数据通信的8条数据接口，和3条用于控制的控制接口。单片机通过11个IO口语液晶进行连接，就能够完成对液晶的读写操作，进而可以有效的显示字符。提高系统的人机交互的能力。在操作液晶的时候，还有一个IO口特别的重要，那就是VO接口，因为通过这个接口，可以有效的控制液晶的亮度，进而可以实现对液晶在不同的环境光的下的采集和控制，进而可以有效的提高液晶的显示的清晰程度其电路图如图3.4所示，其中，R1为滑动变阻器，用于调节液晶对比度。图3.4液晶显示模块电路设计3.5继电器模块设计由于单片机的工作电压一般在5V左右，但是系统所要用到的加热器、水泵工作电压要求较高，无法由单片机模块供电正常工作，所以这个时候需要一个利用单片机系统小电流来控制加热器、水泵大电流的开关，也就是继电器。继电器是最重要的控制元件之一，简单来说就是一个无源开关，可以实现自动隔离，因而被广泛应用在工业的多种大功率仪器控制中。本设计中，继电器模块一共两个，依次用于控制加热，水循环。其中控制加热继电器电路图如图4.9所示，另一个继电器电路图与之完全相同。图3.5继电器模块设计3.6水位检测模块设计J90和J91的1、2脚分别和浮子液位开关杆上部和下部的磁簧开关相连通，当带有磁性材料的浮子随水位移动到水位的上下限位置时，就会触动开关，从而产生开关量，经P34和P35传回给单片机，单片机给水泵发出控制信号，实现对水位的控制。其电路图如图3.6所示：图3.6水位检测模块设计3.7总体电路设计图3.5硬件总体电路图系统软件设计4.1软件设计流程图主程序是检测水族箱内各种环境参数，从而进行智能控制的主监控程序，根据模块化设计的根本思想，可以将系统功能划分为多个子任务，每个子任务由对应的子程序运行来实现。首先在进行程序设计的时候主要是需要进行各个模块的初始化以及与我们相关的寄存器的进行配置，然后我们根据对电路及功能的设计需要，然后分别对各个模块进行初始化，然后在利用我们内部的串口模块进行初始化。并通过液晶来显示时间，执行相应函数操作与数据的采集。其软件的流程图如图4.1所示。图4.1系统主程序流程图主程序代码如下：voidmain(){ init(); while(1) { water(); shizhong(); wendu(); print1(0x8e,a/10+0x30); print1(0x8f,a%10+0x30); if(open1==0) { if(temp<a) led3=1; else led3=0; } else led3=0; if(ok==0) { delay(20); Beep_key(); while(ok==0); write_com(0x01); Set_time(1); } cc(0x2200); xcx(0x2200,time[0]); xcx(0x2201,time[1]); write_com(0x0c); }}4.2温度检测模块设计温度检测模块主要是通过检测温度与设定温度的比较进行对加热器的控制，使水族箱的温度可以适合所饲养的鱼类的生存。图4.2温度监测模块程序流程图其程序如下：#ifndef_DS18B20_H_#define_DS18B20_H_#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitDQ=P3^3;voiddelay_18B20(unsignedinti){ while(i--);}voidInit_DS18B20(void){ unsignedcharx=0; DQ=1; delay_18B20(8); DQ=0; delay_18B20(80); DQ=1; delay_18B20(14); x=DQ; delay_18B20(20);}ucharReadTemp(void){ unsignedchara=0; unsignedcharb=0; unsignedchart=0; unsignedchartemp_value; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); WriteOneChar(0x44); delay_18B20(100);//thismessageisweryimportant Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); delay_18B20(100); a=ReadOneChar(); b=ReadOneChar(); temp_value=b<<4; temp_value+=(a&0xf0)>>4; return(temp_value); }#endif4.3水位检测控制模块设计图4.3水位检测控制模块程序流程图其程序如下：vo1ancneck(volay{if(cDog=2)cDog-3;hour_time-(tSystemTime.cHour/16)*10+tSystemTime.cHour%16;minute_time-tSystemTime.cMinute/16;ifminute_timc--0)cRunmodc-o;elseif(minute_timc—1)cRunmodc=1;elseif(minutetime=2)cRunmode-=2;elseifminute_time--3)cRunmode-3;elseifminute_time4)cRunmode-4;elseif(minutc_timer=5)cRunmode=5;if(hour_time<stoptime1){if(hour_time>=runtime1)bTR0=1;elsebTR0=0;}elsebTR0=0;if(tempe-(settemp*10))instau=0;else{fif((settemp*10-tempt)D5)instau=1；}}4.4液晶显示模块设计图4.4液晶显示模块程序流程图其程序如下：unsignedcharLCD_Wait(void){ LcdRs=0; LcdRw=1; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); LcdEn=1; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); LcdEn=0; returnDBPort; }#defineLCD_COMMAND 0//Command#defineLCD_DATA 1//Data#defineLCD_CLEAR_SCREEN 0x01#defineLCD_HOMING 0x02voidLCD_Write(bitstyle,unsignedcharinput){ LcdEn=0; LcdRs=style; LcdRw=0; _nop_();_nop_();_nop_(); DBPort=input; _nop_();_nop_();_nop_(); LcdEn=1; _nop_();_nop_();_nop_(); LcdEn=0; _nop_();_nop_();_nop_(); LCD_Wait(); }#defineLCD_SHOW 0x04 #defineLCD_HIDE 0x00#defineLCD_CURSOR 0x02#defineLCD_NO_CURSOR 0x00 #defineLCD_FLASH 0x01#defineLCD_NO_FLASH 0x00voidLCD_SetDisplay(unsignedcharDisplayMode){ LCD_Write(LCD_COMMAND,0x08|DisplayMode); }voidLCD_Initial(){ LcdEn=0; LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN); }voidPrint(unsignedchar*str){ while(*str!='\0') { LCD_Write(LCD_DATA,*str); str++; }}voidPrintXY(ucharx,uchary,uchar*str){ GotoXY(x,y); while(*str!='\0') { LCD_Write(LCD_DATA,*str); str++; } }voidWaitForEnable(void) { DBPort=0xff; LcdRs=0;LcdRw=1;_nop_();LcdEn=1;_nop_();_nop_();while(DBPort&0x80); LcdEn=0; } voidWriteDataLCM(uchardataW){ WaitForEnable();// LcdRs=1;LcdRw=0;_nop_();DBPort=dataW;_nop_(); LcdEn=1;_nop_();_nop_();LcdEn=0;} voidDisplayOneChar(ucharx,uchary,ucharWdata){ GotoXY(x,y); WriteDataLCM(Wdata); }voidDisplayThree(uintx,uinty,ucharnum){ if(num>=100) DisplayOneChar(x,y,table[(num/100)]);DisplayOneChar(x+1,y,table[(num/10)%10]);DisplayOneChar(x+2,y,table[(num)%10]);}{ if(num>=100) DisplayOneChar(x,y,table[(num/100)]);elsePrintXY(x,y,""); DisplayOneChar(x+1,y,table[(num/10)%10]); PrintXY(x+2,y,".");//显示小数点 DisplayOneChar(x+3,y,table[(num)%10]); PrintXY(x+4,y,"%");}第五章系统调试与分析5.1硬件调试对硬件进行调试时，首先用万用表来检测的是电路中是否有短路、断路或者虚焊错线、少线和多线的情况。然后检查二极管、三极管、集成电路和电容极性等是否连接有误。电源供电(包括极性)连线是否正确检查直流极性是否正确。将各模块电路连接起来，在调试时也要注意仪器的使用，避免因使用仪器不当而导致调试的误差或因仪器使用不正确引起故障。在调试电路时出现故障，应查找故障原因并排除故障。不能随意拆掉电路重新安装，以防带来新问题。再者就是观察液晶LCD1602显示是否正常。在上述情况都正常的情况下，下载已编写好的程序进行测试，观察液晶上显示的水位和温度值，并设置温度的上下限和换水的时间，看执行器是否工作。5.2软件调试硬件电路检查无误后，系统仍无法实现预期的结果，达不到设计要求，很有可能是软件出现错误。1.当以断点或连续方式运行时，目标系统没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，通过检查程序代码书写，发现因未对函数进行申明导致错误，改正后系统能正常运行。2.不响应中断，通过检查发现中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置不正确，使CPU没有开放中断或不许某个中断源请求。修改中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置后，系统可以正常运行。第六章结论与展望6.1结论本课题设计的智能鱼缸系统以现代市场需求现状为背景，利用单片机、嵌入式、传感器、C语言编程等技术设计出可以实现自动控制温度、自动水循环和自动喂食的智能鱼缸系统，以满足市场的需求。在设计智能鱼缸系统的过程中，不仅用到了专业所学的单片机、嵌入式、C语言编程等技术，而且用到了诸多专业以外的知识，如传感器技术、继电器等。硬件部分在综合考虑其稳定性、便利性、成本的情况下选择了满足设计要求的元器件。软件部分使用了模块化程序设计，各个模块之间互相独立工作，同时统一受主控单片机控制，各个模块互相协调统一，使得系统更加简洁、稳定、可靠。该系统具有结构简单、便于操作、性能稳定、成本较低、便于大量生产等优点。6.2展望虽然本课题达到了最初的目的，为鱼缸中鱼类和水草的生长环境调控