智能多功能鱼缸设计

智能多功能鱼缸设摘要随着社会经济的迅速发展，生活质量的提高，人们对家庭休闲娱乐设施的需求也不断增加，水族宠物行业也因此蓬勃发展。由于当前市场上常见的智能鱼缸的科技属性和便捷程度并不高，因此设计一个节能高效的智能鱼缸是有必要的。本课题研究的内容为智能多功能鱼缸设计。该套系统主要由温度模块、水位、舵机、STM32单片机、水泵、OLED屏幕、继电器、按键等部分组成，采用单片机技术处理对温度、水位等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用舵机模拟喂食，按键用来调整模式。样机测试结果表明:该装置设计合理，动作准确，技术上可行、可靠，具有应用推广价值。关键词：温度模块；传感器；STM32单片机目录第1章绪论 第1章绪论1.1研究目的及意义随着社会经济的迅速发展，生活质量的提高，人们对家庭休闲娱乐设施的需求不断增加，水族宠物行业也因此蓬勃发展。据《2021年中国宠物消费趋势研究报告》中显示，2020年在我国因养宠物的人数日益增多所拉动的宠物行业的消费规模已经在向3000亿元靠拢。疫情所带来的影响甚至影响了宠物主人的情感消费，预计到2023年宠物行业的消费规模将达到4456亿元。在大城市生活的居民和90后、00后的年轻一代因不同身份和不同个性等原因，养殖的宠物种类也逐渐增多，由猫、犬等常规宠物转移到圈养水族类宠物或异宠。据统计，2021年养殖宠物的类别结构中，水族类宠物的占比达到了16%，成为了宠物养殖者除猫、犬等宠物中的第一选择，而且有接近两成的宠物养殖者开始“智能养宠”，他们使用科技的力量来养殖宠物。智能宠物用品在两个方面受到主要的关注，一个是宠物用品的科技属性和便捷程度，另一个则是宠物用品的安全性能。智能宠物用品既能使宠物养殖者省时省力，还能更好的照顾宠物。由于当前市场上常见的智能鱼缸的科技属性和便捷程度并不高，为了能给观赏鱼养殖者提供一种便捷程度高、自动化程度高、成本低、节能且高效的智能鱼缸。因此基于STM32单片机设计了一种智能鱼缸，该鱼缸可以控制鱼缸测温和加热、定时投食、水位检测和自动加水。1.2国内外研究现状在2021年王燕平等人《基于蓝牙技术的智能鱼缸控制系统设计》[1]中基于蓝牙技术，从而实现鱼缸与智能手机等电子设备的智能互联，能实现对鱼缸环境、各参数的远程智能监测和控制。控制系统可以以单片机为中心CPU，加上各种控制电路和传感器技术，以实现对鱼缸内水位、水温、含氧量等参数的智能控制，以及实现一键投食、自动加热、自动加水、打氧等智能化功能，整个智能鱼缸系统除了以单片机芯片构成的信息处理设备，还包括手机等设备的App控制。该文章从鱼缸的控制系统、水情监测系统，对水位、pH值、喂食等具体的监测与控制功能的实现等方面，探究基于蓝牙的智能鱼缸系统设计与实现，以方便人们对鱼缸进行准确、便捷的远程智能化控制。在2022年，赵冬明、宋子博，王浩哲等人的团队在《智能鱼缸控制系统设计》[4]中针对市场上出现了一些多功能的鱼缸产品，多是简单功能组合，自动化程度不足等问题，从系统集成、自动控制、性价比等方面提出了一套完整的智能鱼缸控制系统解决方案。该方案以STC89C52单片机为控制核心，结合传感器技术，集多种功能于一体，包括水循环过滤、温度控制、自动投食、水位报警、状态显示等功能。硬件上，对主控模块、温度采集模块、水位采集模块、时钟模块、按键模块、显示模块、投食模块、水循环模块、加热模块、报警模块等进行设计。软件上，对主程序和初始化、时间采集、温度采集、水位采集、显示、水循环、投食、温度控制、水位报警、中断等子程序进行设计。经过测试，系统稳定可靠，操作简洁方便，能够实现鱼缸的自动管理。同年，国内的研究人员王勋、康荣显、王玥、张新宇、刘小龙、王晓童等人在《基于STM32单片机的智能鱼缸设计》[16]中针对前国内市场上常见智能鱼缸的功能性并不强，自动程度较低，控温模块、加氧模块、自动投喂和水位调节模块采用的是互相独立的组件，不但使用时不方便，而且成本比较高的问题，设计了一款可以根据需要自动调节水温，自动加氧、自动喂食和远程控制与管理的智能鱼缸，在节省经济的同时降低了养殖难度。在2022年CostaAnnamaria等人的团队在《FromPhotocatalysistoPhoto-Electrocatalysis:AnInnovativeWaterRemediationSystemforSustainableFishFarmingl》[20]中在这项研究中，光电催化反应(PEC)的效果被评估为传统光催化(PC)的创新应用，以多学科方法修复虹鳟鱼(金鳟)养殖循环系统中的水，与鱼类福利和健康有关。该项研究中使用了三个水箱，配备了传统的生物过滤器作为控制系统，三个水箱配备了PEC净化系统。监测水体中检测氨、亚硝酸盐和硝酸盐离子的浓度，并平行评估鱼体的氧化损伤和应激反应。经PEC处理的实验组的水显示出更低的氨(TAN)和亚硝酸盐浓度和更高的硝酸盐浓度，可能是由于TAN通过PEC氧化。组织学分析显示，两组鳃和肝脏均未见任何病理改变。对照组的超氧化物歧化酶(sod1)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx1)和肿瘤坏死因子(TNFα)基因表达量显著高于PEC处理组，而热休克蛋白70(Hsp70)基因表达量在两组间无显著差异。这些结果表明，与使用传统的生物过滤器相比，使用PEC过滤器对水质有积极的影响，从而使O.mykiss的福利水平很高。同年的2月OrtizInmaculad他的研究团队在《Intensifiedfishfarming.PerformanceofelectrochemicalremediationofmarineRASwaters》[21]报告了一个RAS示范工厂的性能分析，其目的是养殖金枪鱼(金头鲷)和海鲈鱼(舌齿鲈)，并提供了对养殖水的电化学修复。这份报告突出了创新的电化学修复RAS水的好处和优势。1.3主要研究内容本课题研究的内容为智能多功能鱼缸设计。该套系统主要由温度模块、超声波测距、电机、单片机STM32、水泵、LCD1602屏幕、继电器、按键等部分组成；该套系统采用单片机技术来对温度、超声波测距等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用电机模拟喂食，按键用来调整模式。该设计能实现的预期结果如下：该套系统可以显示当前的时间；系统可以实时监测当前的温度并进行显示；系统可以实时监测当前的水位并显示；系统可以设置水位阈值，并且在系统监测水位不足时，可以自动加水，在系统检测水位足够时，停止加水；系统可以设置温度阈值，并且在系统监测温度过低时，加热继电器开始进行加热，温度高于设定阈值时，加热继电器停止加热；系统可以自由切换自动模式或手动模式：在手动模式下可以按键控制喂食和按键控制打氧，在自动模式下可以设置自动打氧时间、喂食时间，在到系统设置的时间时，系统可以自动打氧、自动喂食。第2章系统总体结构2.1设计方案本课题研究的内容为智能多功能鱼缸设计。该套系统主要由温度模块、水位模块、电机、STM32单片机、水泵、OLED屏幕、继电器、按键等部分组成；采用单片机技术处理对温度、水位等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用电机模拟喂食，按键用来调整模式。图2-1系统整体结构框图2.2元器件选型2.2.1单片机型号选择方案一：51单片机是一款广泛应用于各个领域的基础入门单片机，然而，与其他单片机相比，51系列的单片机存在一些局限性。首先，它一般不具备自编程能力，这意味着在开发过程中，无法灵活地更新和修改程序，限制了其扩展性和适应性。其次，51单片机的运行速度较慢，特别是在处理双数据指针时，性能不够强大。这在一些需要高效处理数据的应用中可能会成为瓶颈。此外，51单片机内置的一些功能如AD转换、EEPROM存储等需要通过扩展模块来实现，这增加了软硬件的负担和开发成本。与一些现代化的单片机相比，51单片机的自我保护能力较差，容易因不当操作而烧坏芯片。方案二：STM32系列单片机是一款性能出众、功能强大的系列单片机。它被广泛应用于低成本、高性能和低功耗的嵌入式应用程序中，并且在功耗和集成度方面也表现出色。STM32单片机具备强大的处理能力和丰富的外设接口，适用于各种复杂的应用场景。同时，STM32单片机拥有便捷的开发工具和简单的结构，使得开发人员可以更快速地完成项目，并且其强大的功能性受到了业界的广泛认可。在选择主控制芯片时，本文使用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是意法半导体集团基于STM32系列ARMCortex-M内核开发的一款高性能微控制器。它拥有64KB的程序存储器，适用于存储复杂的应用程序。该芯片需要2‎‏V~3‎‏.6V‎‏的工作电压，并且能够在-40℃~85℃的环境温度下正常工作，适用于各种工业和商业应用。本‎‏实验采‎‏用的STM32FI03C8T6引脚图如图2-2所示。图2-2STM32Fl03C8T6引脚图2.2.2通信模块选择方案一：Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。然而，目前国内的Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.4GHz频率，虽然在某些方面表现出色，但它的衍射能力和穿墙能力相对较弱。在家居环境中，即使是一扇门、一扇窗或一堵非承重墙，都可能对Zigbee信号造成较大的衰减。方案二：蓝牙通信模块具有较低的功率需求，非常适合电池供电设备的工作。它还具有低成本的优势，适用于各种低成本设备。此外，蓝牙通信模块能够同时管理数据和声音传输，而且具有低延时的特点。综合比较考虑，本设计选择了蓝牙通信模块作为通信方案。通过采用蓝牙技术，可以解决Zigbee在衍射和穿墙方面的局限性，并且满足了低功耗、低成本、数据和声音传输的要求。此外，蓝牙技术在市场上得到广泛应用，拥有庞大的生态系统和支持，使得与其他设备的互操作性更强。在使用蓝牙通信模块的设计中，需要注意与其他蓝牙设备的兼容性，以确保设备之间的良好通信。同时，针对家居环境中可能存在的信号干扰和距离限制，可以采取一些增强信号覆盖范围的措施，如合理布置蓝牙设备的位置或者使用蓝牙信号扩展器等。图2-3蓝牙通信模块实物图2.2.3显示模块选择方案一：LCD液晶显示屏在节能方面具有明显的优势。其采用液晶技术，通过电场控制液晶分子的取向来实现图像显示。相较于其他显示技术，LCD显示器在节能方面表现出色。首先，LCD液晶显示器具有较大的可视面积，可以满足用户对大屏幕显示的需求，而不会因为供电不足而导致画面色彩失真或显示不稳定。这一点在观看高清内容或进行专业设计工作时尤为重要。然而LCD显示器也存在一些不足之处。首先是可视偏转角度相对较小的问题。当观看LCD屏幕时，从不同的角度观察，画面的亮度和色彩可能会发生变化，这可能对多人观看或需要广视角的场景造成一定的困扰。其次，LCD屏幕在亮度和对比度方面不如其他显示技术表现出色。尽管LCD显示器的亮度和对比度已经得到了很大的改善，但与一些高级显示技术相比，仍然有所欠缺。此外，LCD显示器的寿命有一定的限制，使用寿命通常受到背光源的衰减以及液晶材料老化等因素的影响，长时间使用后可能需要更换背光源或整个显示屏幕。方案二：OLED（OrganicLightEmittingDiode）屏幕在多个方面都表现出了明显的优势。首先是其超薄的设计，OLED屏幕的厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的1/3，并且重量也更轻，这使得OLED屏幕在移动设备和薄型电视等领域有着广泛的应用前景。其次，OLED屏幕几乎没有可视角度的问题，即使从很大的视角下观看，画面仍然保持不失真，这使得多人观看或需要广视角的场景下，OLED屏幕能够提供更好的视觉体验。此外，OLED屏幕的制造工艺相对简单，成本更低。相较于液晶显示屏，OLED屏幕的制造过程不需要背光源，并且可以通过在有机材料中直接发光来实现图像显示，因此制造工艺更加简单，成本更低。同时，OLED屏幕具有更高的发光效率，能耗比LCD屏幕更低，能够为用户节省电力开支。最重要的是，OLED屏幕具有良好的低温特性，在极寒环境下仍能正常显示。例如，在零下40度的严寒环境下，OLED屏幕仍能正常工作，而LCD屏幕可能无法达到相同的效果。综上所述，综合考虑各方面因素，设计显示模块时选择OLED屏幕是一个较为合理的选择。它不仅在节能方面具有明显优势，还能提供更薄、更轻、更广视角、更高发光效率和更好的低温特性。然而，需要注意的是，每种显示技术都有其优缺点，选择适合特定应用需求的显示模块时，仍需综合考虑功耗、成本、可靠性等因素，以满足用户的实际需求。图2-4OLED屏实物图第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计该套系统主要由温度模块、水位模块、电机、单片机STM32、水泵、OLED屏幕、继电器、按键等部分组成；采用单片机技术来对温度、水位等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用舵机模拟喂食，按键用来调整模式。手机APP连接蓝牙模块，来实现对系统的远程控制，控制系统的远程喂食、加水、加热、喂食等功能。3.2系统的主要功能模块设计3.2.1温度采集模块设计DS18B20是一款常用的高精度的单总线数字温度测量芯片。具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。1.测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4°。2.返回16位二进制温度数值。3.主机和从机通信使用单总线，即使用单线进行数据的发送和接收。4.在使用中不需要任何外围元件，独立芯片即可完成工作。5.掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM，通过配置寄存器可以设定数字转换精度和报警温度，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。6.每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值。7.宽电压供电，电压2.5V~5.5V。DS18B20返回的16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。如果高五位全部为1，则代表返回的温度值为负值。如果高五位全部为0，则代表返回的温度值为正值。后面的11位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.0625即可获得此时的温度值。温度采集模块原理图如图3-1所示。图3-1温度采集模块原理图3.2.2水位采集模块设计WaterSensor水位传感器是一款简单易用、性价比较高的水位/水滴识别检测传感器，它是利用一系列的暴露的平行导线线迹来测量其水滴/水量的大小，进而对水位进行判断。容易实现将水流量到模拟信号的转换，输出的模拟值可以直接被STM32读取，起到水位预警作用。WaterSensor水位传感器能够监测水位。该模块主要是利用三极管的电流放大原理：当液位高度使三极管的基极与电源正极导通的时候，在三极管的基极和发射极之间就会产生一定大小的电流，此时在三极管的集电极和发射极之间就会产生一个一定放大倍数的电流，该电流经过发射极的电阻产生特点电压，被AD转换器采集。主要参数：1.工作电压：DC3—5V2.传感器类型：模拟3.工作湿度：10%—90%无凝结4.产品尺寸：62mmX20mmX8mm5.工作电流：小于20mA6.检测面积：40mmX16mm7.工作湿度：10℃—30℃WaterSensor水位传感器不仅可以测量水位，还可以测量是否有水，当测量是否有水时，直接检测输出端引脚，若检测为0，则显示没有水，若检测到1，则有水；当检测水位变化时，需要进行ADC采集，利用函数进行模拟电压值到水位的转换。水位采集模块原理图如图3-2所示。图3-2水位采集模块原理图3.2.3溶解氧采集模块设计TDS水质检测模块采用TDS传感器（钛合金）和NTC（3950_10K）热敏电阻配合8位高性价比单片机(STM8S003F4P6)，内部已做AD(10位)采集，并通过算法计算出对应的TDS值及温度值，用户只需通过串口读数据即可，另外可接数码管显示模块，即可循环显示TDS值和温度值，方便用户快速使用。TDS用来表示测定溶解在水中的所有固体物质，包括矿物质、盐分以及溶解在水中的微小金属物质。测量单位为ppm或mg/L，它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。通常可用电导率推测溶液中的盐分，水越纯净，可溶性固体越少，电阻越大，电导越小，纯水几乎不能导电。TDS值与电导率有直接关系，TDS值一般为电导率的0.55倍。TDS测量主要通过给测试电极输入交变的驱动电压（防止探头极化），在被测液体中产生微小电流，从而得到被测液体的电导率。温度测量则通过测量NTC负温度系数的热敏电阻值，从而计算出当前的环境温度。并根据TDS传感器在受不同温度范围所表现的特性差异，通过获取的温度在相应温度范围内进行补偿。模块采用电极法测定水溶液的电导率，当两电极插入溶液中，可以测出两电极间的电阻R。根据欧姆定律，温度一定时，有R=pL/A，其中p为电阻率，L为电极间间距，A为电极的截面积。由于A、L是固定不变的，故L/A是一常数，称为电导池常数Q，即R=pQ。电导S与电阻R成倒数关系:S=1/R电导率K与电阻率p成倒数关系:K=1/pK=1/p=Q/R用标准溶液校准，获得电导池常数Q再测水样得到电阻R，即可求出K，即可得到TDS=0.55K。受温度影响，以25℃为标准温度，温度每增加1℃，电导率上升2%，故温度作为补偿因子参与TDS计算，公式为：K=K(未温补)*(1+0.02*(T-25))。T为测得溶液温度值。溶解氧采集模块原理图如图3-3所示。图3-3溶解氧采集模块原理图3.2.4显示模块设计0.96寸4针O‎‏LED屏模块是一种‎‏显示屏模块，它包括‎‏一个0.96英寸的‎‏OLED显示屏和4‎‏个引脚。这种OLE‎‏D屏幕模块通常用于‎‏嵌入式系统和小型电‎‏子设备中，可以显示‎‏文本、图像和其他类‎‏型的信息。由于其小‎‏尺寸和低功耗，它们‎‏也常用于智能手表、‎‏健康追踪器和其他便‎‏携式设备中。此类模‎‏块通常使用SPI或‎‏I2C接口进行通信‎‏，并且支持多种分辨‎‏率和颜色模式。该模块有4个‎‏引脚，分别为VCC‎‏、GND、SCL和‎‏SDA。VCC是电‎‏源引脚，用于提供模‎‏块的电源，一般是3‎‏.3V或5V电源。‎‏GND是地引脚，用‎‏于提供模块的接地。‎‏需要接到负极电源上‎‏。SCL是时钟引脚‎‏，用于传输数据时的‎‏时钟信号。通常需要‎‏连接到主控芯片的时‎‏钟引脚。SDA是数‎‏据引脚，用于传输数‎‏据。通常需要连接到‎‏主控芯片的数据引脚‎‏。在使用I2C接口‎‏时，这个引脚也可以被称为SDA（串行数据线）。显示模块原理图如图3-4所示。图3-4显示模块原理图3.2.5舵机模块设计舵机G90的主要参数：1.尺寸：21.5mmX11.8mmX22.7mm2.重量：9克（1kg=1公斤=2斤）3.无负载速度：0.12秒/60度(4.8V)0.002s/度4.堵转扭矩：1.2-1.4公斤/厘米(4.8V)5.使用温度：-30~~+60摄氏度6.死区设定：7us(7MHZ)7.工作电压：4.8V-6V8.位置等级:1024级9.脉冲控制精度为2us运行原理：舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0—180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。舵机模块原理图如图3-5所示。图3-5舵机模块原理图3.2.6蓝牙模块设计HC-05蓝牙串口通信模块，是以BluetoothSpecificationV2.0为基础，并带有EDR的BluetoothSpecification的数字传输模块。其工作频率为2.4GHz，采用GFSK调制。该系统具有4dBm的最大发送功率，接收灵敏度为-85dBm，板载PCB天线，可以达到10m的通讯。模块内置发光二极管，可以直接看到蓝牙的连接状况。改模块选用了CSR的BC417芯片，支持AT指令，用户可根据需要而变更其角色（主从模式），并可设定其所需之参数，如串口波特率、设备名称等，具有相当的灵活性。6根引脚，名称与功能如下：1.VCC:接电源的正极，电压的范围为3.3v到5.0v。2.vdd:为外接供电电源输入端。3.GND:地线。4.TXD:模块串口发送引脚（TTL电平，不能直接接RS232电平），可直接接单片机的RXD引脚。5.RXD:模块串口接收引脚（TTL电平，不能直接接RS232电平），可直接接单片机的TXD引脚。6.KEY:用于进入AT状态。7.LED:该引脚用于检测蓝牙模块是否已连接其他蓝牙设备。HC-05通过TX和RX引脚，支持使用标准AT命令。为此，用户必须在设备启动时进入特殊命令模式。启动进入数据模式，这样它就可以与其他设备进行无线通信。蓝牙模块原理图如图3-6所示。图3-6蓝牙模块原理图3.2.7蜂鸣器模块设计蜂鸣器是一种能够发出声音的电子元件，它通常用于发出警报声、提示声、提醒声等。蜂鸣器有两种类型：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。本设计采用有源蜂鸣器设计，有源蜂鸣器是一种内置了振荡器的电子元件，可以通过电压的变化来产生声音。有源蜂鸣器常用的驱动方式是直接连接到微控制器或其他数字电路的输出引脚上。蜂鸣器广泛应用于各种电子设备中，例如计算机、手机、警报器、电子钟表、游戏机等等。它的工作原理简单，使用方便，是一种重要的电子元件。主要参数：1.频率：蜂鸣器的频率指的是它能够发出的声音的频率，一般常用的频率为2kHz、4kHz、8kHz等。2.声压级：蜂鸣器的声压级指的是它发出的声音的响度，常用的声压级有70dB、80dB、90dB等。3.工作电压：蜂鸣器的工作电压是指它能够正常工作的电压范围，一般常用的工作电压为5V、12V等。4.工作温度：蜂鸣器的工作温度是指它能够正常工作的温度范围，一般常用的工作温度为-20℃到+70℃。5.尺寸：蜂鸣器的尺寸指的是它的外观尺寸，常见的尺寸有12mm、16mm、22mm等。工作原理：其工作原理是通过将交流电信号转化为机械振动，进而产生声音。蜂鸣器由线圈、振动片和铁芯组成。当通以交流电时，线圈中的电流会产生磁场，磁场会吸引铁芯，使得振动片与铁芯相连。随着电流方向的反转，铁芯和振动片就会来回震动，从而产生声音。蜂鸣器模块原理图如图3-7所示。图3-7蜂鸣器模块原理图3.2.8电源接口模块设计单片机需要的电压为3.3V或5V，因此需要选择合适的电源电压，同时考虑到电压的稳定性和噪声等因素。根据单片机的工作电流和外设的功耗等因素来确定电源的电流输出能力，以保证单片机和外设的正常工作。‎‏如图3‎‏-8为电源接口电路原理图。图3-8电源接口电路原理图第4章系统的软件设计4.1软件主流程图溶解氧模块收集水中溶解氧数据：系统启动后，测量水中溶解氧装置检测水中的氧气含量，数据传输到主控制板，测得氧气含量高于阈值，系统开始打氧；反之，停止打氧。水位模块：水位传感器读取水位，数据传输到主控制板，当水位低于阈值时，系统开始加水；反之，停止加水。温度模块：温度传感器测量水温，数据传输到主控制板，当水温高于阈值时，加热继电器停止加热；反之，停止加热。图4-1软件主流程图4.2温度采集模块的软件设计首先通过温度传感器检测鱼缸内水的温度，当温度低于设定的阈值时，开启加热模式，当温度高于设定的阈值时，停止加热模式。温度采集模块子程序流程图如图4-2所示。图4-2温度采集模块子程序流程图4.3显示模块软件的设计在设计中需要显示当前环境的温度、水位和溶解氧信息。系统使用液晶显示数据，STM32单片机初始化完成后显示屏会自动写控制字，控制字为单片机中获得的数据，随后显示出来。如图为显示模块子程序流程图。图4-3显示模块子程序流程图4.4水位采集模块软件的设计首先通过水位传感器检测鱼缸内水的位置，当水位低于设定的阈值时，开启加水模式，水泵打开；当水位高于设定的阈值时，关闭加水模式，水泵关闭。水位采集模块子程序流程图如图4-4所示。图4-4水位采集模块子程序流程图4.5溶解氧采集模块软件的设计首先通过溶解氧传感器检测鱼缸内水的氧气含量，当氧气含量低于设定的阈值时，开启打氧模式；当氧气含量高于设定的阈值时，关闭打氧模式。溶解氧采集模块子程序流程图如图4-5所示。图4-5溶解氧采集模块子程序流程图4.6舵机模块软件的设计舵机接收到间隔工作的信号或上位机的启动信号，进行启动自转一周，如无信号则继续采集数据。实现其功能的流程图如下。图4-6舵机流程图4.7蜂鸣器模块软件的设计首先，输入控制信号来控制蜂鸣器的状态。然后，判断控制信号是否为触发信号。如果是触发信号，蜂鸣器将被触发，发送电流给蜂鸣器并产生声音。如果不是触发信号，蜂鸣器将停止工作，停止发送电流。实现其功能的流程图如下。图4-7蜂鸣器模块流程图第5章系统测试5.1系统实物图图5-1系统完整实物图5.2自动加水模式测试首先通过水位传感器检测鱼缸内水的位置，当水位低于设定的阈值时，水泵打开，开启加水模式；当水位高于设定的阈值时，关闭加水模式，水泵关闭。如图5-2为水位传感器实物图，图5-3为水泵实物图。图5-2水位传感器实物图图5-3水泵实物图5.3自动打氧模式测试首先通过溶解氧传感器检测鱼缸内水的氧气含量，当氧气含量低于设定的阈值时，增氧继电器开启打氧模式；当氧气含量高于设定的阈值时，增氧继电器关闭打氧模式。水中溶解氧阈值可通过手机APP连接本设计蓝牙装置进行设置，本设计溶解氧阈值范围最低可设置0mg/L，最高不超过100mg/L。如图5-4为溶解氧传感器实物图，图5-5增氧继电器实物图。图5-4溶解氧传感器实物图图5-5增氧继电器实物图5.4自动加热模式测试首先通过温度传感器检测鱼缸内水的温度，当温度低于设定的阈值时，加热继电器开启加热模式，当温度高于设定的阈值时，加热继电器停止加热。温度阈值可以通过手机APP连接蓝牙模块设置需要的温度，大多数鱼的生长温度适合20至24摄氏度，热带鱼的生活水温一般应该维持在20至30摄氏度，温带淡水鱼的生活温度应该维持在18至25摄氏度。如图5-6为温度传感器实物图，图5-7为加热继电器实物图。图5-6温度传感器实物图图5-7加热继电器实物图5.5自动喂食模式测试手机APP连接本设计蓝牙装置，可以在手机上设置自动喂食时间，到达自动喂食时间时，舵机模拟喂食功能。如图5-8为舵机实物图。图5-8舵机实物图第6章结论系统软件的调试过程并不是一帆风顺，在调试过程中出现了一些错误。但在刘老师的辅导下，我总算发现了问题，并纠正了设计中的错误和不科学的地方。设计方案中的问题和解决方法主要包含下面一些层面：在功率模块模拟仿真过程中，发现调试输出值一直达不上设计规定，查验基本原理错误后，发现电路板焊接时出现了一些技术问题，于是重新焊接；应用仿真软件，发现错误代码。然后调整，发现在启用程序流程时，单片机没有正常复位，在程序流程中添加复位程序流程后才获得准确的結果；在模拟测试时，一直提醒端口号P0存有逻辑错误。尽管不危害效果的输出，但在具体印刷制版过程中确实会危害电源电路。之后通过调研发现，数据信息发送错误代码表明时，未能分辨忙碌情况。之后在制定中添加忙碌情况分辨后，系统软件工作中一切正常，数据信息口也没有提醒逻辑错误。参考文献王燕平.基于蓝牙技术的智能鱼缸控制系统设计[J].电子技术,2021,50(03):43-45.郝海燕，李梦琪，李瑾玥，龚杰.基于单片机的智能鱼缸控制系统设计[J].内江科技，2022，43(03):49-50.高文静,王静.智能鱼缸远程控制系统的设计[J].电子测试,2021.赵明冬,宋子博,王浩哲.智能鱼缸控制系统设计[J].无线互联科技,2022,19(09):80-82.吕杰,梁鉴明.一种基于STM32单片机的智能鱼缸控制系统设计[J].现代信息科技,2020,4(20):5.李熠伟,吴科,卿晓梅,等.一种光伏供电智能鱼缸控制系统的设计[J].河南科技,2020(17):3.赵琳琳.基于树莓派的智能鱼缸控制系统设计[J].大众标准化,2020(9):3.李金武,宋新爱.智能鱼缸自动控制系统设计与实现[J].智能计算机与应用,2020,10(3):4.张胜男,杨荣国.物联网鱼缸智能控制系统设计[J].现代商贸工业,2020,41(6):3.吴海青，何满塘，周朝阳，郭晗，贺泱钤，王立功.基于STM32单片机的智能鱼缸控制系统设计[J].机械工程与自动化，2022(6):158-160.王玥.基于物联网的水质自动采样系统设计[J].2021.孙洪波.基于物联网的智能生态鱼缸系统设计与实现[J].微型机与应用,2016,35(23):4.王冰洁,冯正勇.基于STM32的智能鱼缸设计[J].电脑迷,2017.陈晨，曹佳雯，林昱希，仇妍.基于SET、KANO模型的小户型家用智能鱼缸造型设计研究[J].包装工程，2022,43(S01):144-150.张洲,薛小松,谢承辉,等.基于Arduino的智能鱼缸监控系统设计[J].电子测试,2022(012):036.王勋,康荣显,王玥,张新宇,刘小龙,王晓童.基于STM32单片机的智能鱼缸设计[J].赤峰学院学报(自然科学版),2022,38(05):10-14.RaoJS,TummalaSK,KuthuriNR.ComparativeanalysisofPWMtechniquesfor15-levelcross-connectedHbridgeinverter[J].NanotechnologyforEnvironmentalEngineering,2022,7(2):393-403.AnthonyAnania,DanielIngoHefftd,NwankwoWilsone，IoT-basedmonitoringsystemforfreshwaterfishfarming:Analysisanddesign[J].IntelligentComputing,2022.ZhengJ,RuiC,HaoZ,etal.IntelligentFishTankControlSystemBasedonInternetofThingsCloudComputingPlatform[C]//the2ndInternationalSymposium.2018.BuoioEleonora,CialiniChiara,CafisoAlessandra,AidosLucia,MazzolaSilviaMichela,RossiRaffaella,LivolsiSimone,DiGiancamilloAlessia,MorettiVittorioMaria,SelliElena,BestettiMassimiliano,FranzSilvia,ChiarelloGianLuca,CostaAnnamaria,BazzocchiChiara.FromPhotocatalysistoPhoto-Electrocatalysis:AnInnovativeWaterRemediationSystemforSustainableFishFarming[J].Sustainability,2022,14(15).SantosGermán,OrtizGándaraIsabel,DelCastilloAndrés,ArrutiAxel,GómezPedro,IbáñezRaquel,UrtiagaAne,OrtizInmaculada.Intensifiedfishfarming.PerformanceofelectrochemicalremediationofmarineRASwaters.[J].TheScienceofthetotalenvironment,2022,847.附录源代码#include"delay.h"#include"sys.h"#include"key.h"#include"usart.h"#include"usart3.h"#include"led.h"#include"adc.h"#include<stdio.h>#include<string.h>#include"ds18b20.h"#include"tds.h"#include"zd.h"#include"ph.h"#include"oled.h"#include"timer.h"externu8zhuodux[6];externu8TDS_Buff[6];//TDS存放数组unsignedcharduoji_count=0;unsignedcharzhuanjiao=11;u8send[30];intbeepNum=0;shorttemperature;unsignedinttemperatureyu=30; u8temperatureyus[15];intbiaozhi1=0;intbiaozhi2=0;intbiaozhi3=0;intbiaozhi4=0;intycFlag=0;intkzFlag=0;intfragment=0;u8kzFlags[2];shorttemperature; u8tem[15];u8temperaturedyu=28; u8temperaturehyu=32; u8temgyu[15];u8temdyu[15];u16o2yu=100;u8o2yus[15];u16ya;u8yas[15];u8phs[15];u8temps[15];u8times[30];voidUSART1_Puts(char*str){while(*str){USART1->DR=*str++;while((USART1->SR&0X40)==0);}}voidUSART3_Puts(char*str){while(*str){USART3->DR=*str++;while((USART3->SR&0X40)==0);}}voidUSART2_Puts(char*str){while(*str){USART2->DR=*str++;while((USART2->SR&0X40)==0);}}//定时器周期是0.1ms//舵机PWM周期是20ms，0-180°分别对应0.5-2.5ms的脉宽//变量zhuanjiao可调范围为5-25对应0-180°，当zhuanjiao=15时对应90°//为了让舵机运行更精确，建议向右或向左转是不要使用0°或180°，建议向中间靠近一点//右转时选用zhuanjiao=7左转时用zhuanjiao=23voidDuojiMid(){ zhuanjiao=15; delay_ms(500);}voidDuojiRight(){ zhuanjiao=25; delay_ms(500);}voidDuojiLeft(){ zhuanjiao=6; delay_ms(500);}voidServoInit(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Servo_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;// GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//配置GPIO端口速度 GPIO_Init(Servo_GPIO,&GPIO_InitStructure); Servo_SET;//默认给高电位modfiedbyLC2015.09.2012:00}intmain(void){ delay_init(); NVIC_Configuration(); KEY_Init(); LED_Init();OLED_Init(); OLED_ColorTurn(0);//0正常显示，1反色显示OLED_DisplayTurn(0);//0正常显示1屏幕翻转显示 OLED_Refresh(); OLED_Clear();uart_init(115200);//串口1初始化，可连接PC进行打印模块返回数据uart2_init(115200);//对接BC26串口初始化 Adc_Init(); usart3_init(9600); beep_Init();beep=0;JDQ1=1;JDQ2=1; TIM2_Init(); ServoInit();OLED_ShowChinese(0,16,0,16);// OLED_ShowChinese(18,16,1,16);// OLED_ShowString(36,16,":",16); OLED_ShowChinese(0,32,2,16);// OLED_ShowChinese(18,32,3,16);// OLED_ShowString(36,32,":",16); OLED_ShowChinese(0,48,4,16);// OLED_ShowChinese(18,48,5,16);// OLED_ShowString(36,48,":",16); OLED_Refresh(); while(DS18B20_Init()) //DHT11初始化 { delay_ms(200);} KEY_Init(); temdyu[0]=temperaturedyu/10+'0'; temdyu[1]=temperaturedyu%10+'0'; OLED_ShowString(95,16,temdyu,16); o2yus[0]=o2yu%1000/100+'0'; o2yus[1]=o2yu%100/10+'0'; o2yus[2]=o2yu%10+'0'; OLED_ShowString(95,32,o2yus,16); OLED_Refresh(); DuojiMid(); delay_ms(1000); DuojiRight(); while(1) { if(USART3_RX_STA==1){ USART3_RX_STA=0; if(USART3_TX_BUF[0]=='w'){ if(USART3_TX_BUF[1]=='1'){ temperaturedyu=(USART3_TX_BUF[2]-'0')*10+USART3_TX_BUF[3]-'0'; o2yu=(USART3_TX_BUF[4]-'0')*100+(USART3_TX_BUF[5]-'0')*10+USART3_TX_BUF[6]-'0'; temdyu[0]=temperaturedyu/10+'0'; temdyu[1]=temperaturedyu%10+'0'; OLED_ShowString(95,16,temdyu,16); o2yus[0]=o2yu%1000/100+'0'; o2yus[1]=o2yu%100/10+'0'; o2yus[2]=o2yu%10+'0'; OLED_ShowString(95,32,o2yus,16); OLED_Refresh(); }if(USART3_TX_BUF[1]=='2'){ times[0]=USART3_TX_BUF[2]; times[1]=USART3_TX_BUF[3]; times[2]=USART3_TX_BUF[4]; times[3]=USART3_TX_BUF[5]; times[4]=USART3_TX_BUF[6]; times[5]=USART3_TX_BUF[7]; times[6]=USART3_TX_BUF[8]; times[7]=USART3_TX_BUF[9]; times[8]=USART3_TX_BUF[10]; times[9]=USART3_TX_BUF[11]; 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