智能水族箱控制系统

毕业设计（论文）开题报告题目：智能水族箱控制系统系（部）计算机应用技术专业计算机科学与技术学生学号班号指导教师开题报告日期2011.09.19说明一、开题报告应包括下列主要内容：1．通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求2．进度计划是否切实可行；3．是否具备毕业设计所要求的基础条件。4．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；5．主要参考文献。二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语：指导教师签字：检查日期：

一、课题的开发背景与需求分析随着人们生活水平的不断提高，各种观赏娱乐电器层出不穷，其中水族箱就开始进驻许多家庭、办公室等地方，五颜六色，美轮美奂的观赏鱼让人醉心不已。它不但可以给人带来无比宽松舒适的美感，更能调节居室环境，使人寻回那久违的绿色与鲜活的鱼类，让大自然的美景在自己的身边长存。但人们不可能每时每刻的调控着水族箱中的合适的温度和氧量，这也就孕育而生了水族箱控制系统。通过研究它，使它能够自动的调节水族箱里的水温和水里的含氧量，从而营造出适合观赏鱼健康生存的环境。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，功能不统一，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、溶氧量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。调研分析现代的水族箱饲养始于1851年的英国万国工业博览会上。原始的水族箱只是有框架的水族箱，很简陋，水族箱的加热也只是底部为金属板的简单加热。现代电力技术使水族箱系统科技不断地发展，现在相同的人工照明、通风、过滤、水温加热等一整套控制系统的发明都成为可以相互协调的一个系统。水族箱应可长期存活，并仿照天然栖息环境。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。再如水族箱的供氧问题，由于水溶解氧的特性决定，水中氧气的浓度是有限度的，达到水中氧气一定的程度时，或者鱼缸内鱼量密度不高时，即使是在夏天时节也没有必要一直充氧可以采用间隔充氧和换水，否则再进行充氧都是多余的，也必然浪费大量的电力资源。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。三、关键技术与解决方案本控制系统的难点在于：温度检测电路、水位检测电路的安装与调试、再有就是自动喂食系统的设计。除DS18B20与液位变送器以外的其他所有电子器件放在鱼缸外面。解决水下控制电子器件的问题。四、系统完成的功能本研究设计的控制系统主要特点是：（1）采用单片机控制设计，实现水族箱自动测温、自动测水位、自动加热、自动充氧等功能。（2）人机操作界面采用LED\LCD指示显示；操作简单、方便，极具人性化特点。温度和水位的检测及控制通过单片机来实现。用温度传感器采集当前温度，屏幕上显示当前温度值，通过键盘可设置温度上限及温度下限，并保存到存储器中。温度低于下限时，系统通过继电器控制外设给鱼缸加温。温度高于上限时，系统通过继电器控制外设给鱼缸降温。自动喂食系统通过舵机控制开关，调节食盒的高度控制食物的多少。其中自动贮水、放水与喂食属扩展功能，争取把此系统做到最理想的功能与状态。五、系统模块设计1.系统硬件设计框图与元器件选择智能水族箱控制系统的硬件选用MCS—51系列89C51作为主控中心。为实现对系统的处理，将温度传感器、液位变送器采集得到的值，与通过键盘设置的上限及下限值进行比较，系统根据比较结果进行相应的控制操作。并且选用8279芯片实现键/显的功能，将结果送到LCD显示。硬件框图见图1所示：温度传感器加热温度传感器加热按键抽水降温打氧显示8279喂食8051液位变送器贮水LCD显示图1智能水族箱控制系统硬件框图在考虑性能/价格比的前提下,在本次设计中我选择最容易实现产品的指标的几种仿真器件如下：（1）主机：一台奔腾DPC机，伟福仿真器；（2）主控芯片：MCS-51系列中的89C52芯片；（3）温度传感器：用数字温度传感器DS18B20组成一个温度检测电路；（4）液位变送器：用FLOWLINEAV16组成水位检测电路；（5）编辑键/显：一片8279芯片；LCD1602显示屏；多个按键；（6）报警器：1个蜂鸣报警器；（7）加热器、氧泵与自己设计的喂食器等。2.系统软件功能模块设计图利用层次图来表示系统中各模块之间的关系。层次方框图是用树形结构的一系列多层次的矩形框描绘数据的层次结构。树形结构的顶层是一个单独的矩形框，它代表完整的数据结构，下面的各层矩形框代表各个数据的子集，最底层的各个矩形框代表组成这个数据的实际数据元素（不能再分割的元素）。随着结构的精细化，层次方框图对数据结构也描绘得越来越详细，这种模式非常适合于需求分析阶段的需要。从对顶层信息的分类开始，沿着图中每条路径反复细化，直到确定了数据结构的全部细节为止。本系统一共分为屏幕显示、键盘输入设置、数据采集、温度控制、水位控制和氧泵控制、屏幕显示、报警控制七大模块，每个模块之间虽然在表面上是相互独立的，但是在对数据库的访问上是紧密相连的。每个模块的功能都是按照在调研中搜集的资料进行编排制作的图2是系统的功能模图。智能水族箱控制系统氧泵控制模块智能水族箱控制系统氧泵控制模块报警控制模块键盘设置模块屏幕显示模块水位控制模块贮水放水数据采集模块温度水位加热降温温度控制模块自动喂食模块六、进度安排本课题的进度安排如表1所示。表1进度安排表序号名称周数起止时间备注1需求分析1周2011.09.12~2011.09.182方案论证1周2011.09.19~2011.9.253硬件设计2周2011.09.26~2011.10.094软件编码与调试3周2011.10.10~2011.10.305总体联调3周2011.10.31~2011.11.206撰写论文3周2011.11.21~2011.12.11七、设备保障已经具备下列设备保障毕业设计的顺利开展：软件条件：arduino-0022；Protel99SE；protues；VW6000；硬件条件：电脑一台；示波器；万用表；焊接工具等。参考文献1李开春．小小水族箱装着大世界[N]．宠物世界，1998：10-202毛谦敏．单片机原理及应用系统设计[M]．北京：国防工业出版社，2005：083字符液晶1602[EB/OL]．百度百科．(2010-12-27)[2011-09-12]4温度传感器DS18B20．百度百科．(2010-12-25)．[2011-09-13]5周美娟,肖来胜.单片机技术及系统设计[M].北京：清华大学出版社，20076葛华.多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].南京：东南大学机械工程学院2010.57戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2008.18浮球液位开关[EB/OL].百度百科.(2009-12-26)[2011-05-20]摘要随着人们物质生活的改善和欣赏能力的提高，观赏鱼缸之类的工艺产品逐渐进入了家庭和宾馆、商场等公共场所。但是，目前市场上的观赏鱼缸的水温检测、液位控制、水循环、喂食等操作都需要人为的手工进行，这就给人们带来了很大的麻烦和不便。本文通过对目前大多数水族箱控制设备应用现状的分析和研究，提出了一种多功能的观赏鱼缸智能控制系统的设计方案。该控制系统基于89系列单片机的家庭水族箱控制系统。整套系统以STC89C51单片机为核心芯片，结合传感器技术、继电器原理、C语言编程等技术，集多种控制功能于一体，包括恒温、自动照明、自动换水、自动喂食、自动水循环等，并可根据需要增加控制参数，通过选择不同元器件控制成本。本文从功能设计、元器件选择、硬件电路设计和软件设计等几个方面对该控制系统进行阐述。通过较长时间的运行测试，表明该控制系统运行稳定可靠、操作简单方便、具有多种节电工作模式。同时该系统设计灵活、结构简单、成本低廉，易于规模化生产，可广泛用于家庭和宾馆等安装观赏鱼缸的场所。关键词自动控制；单片机；水族箱；传感器技术

AbstractWiththeimprovementofpeople'smateriallifeandappreciatingability,suchcraftsasaquariumgraduallyenterhousesandpublicplaceslikehotelsanddepartmentstores.Butasfortheaquariumsfoundinthepresentmarkets,watertemperaturetesting,waterlevelcontrol,waterrecyclingandfoodfeedingareallmanuallyperformed,bringingaboutalotoftroublesandinconveniences.Thisdissertationanalyzesandstudiesthecurrentapplicationsofmostaquariums'controldevicesandmakesoutadesignofmulti-functionalintelligentcontrolsysteminaquarium.Thecontrolsystembasedonthe89SeriesMCUfamilyaquariumcontrolsystem.TheentiresystemtotheSTC89C51MCUasthecorechip,combinedwiththesensortechnology,therelay,Clanguageprogrammingtechnology,setavarietyofcontrolfunctions,includingtemperature,automaticlighting,automaticwaterchanging,automaticfeeding,automaticwatercirculationandsoon,andmayneedtoincreasethecontrolparameters,throughtheselectionofdifferentcomponentsofcostcontrol.Thisarticlefromthefunctiondesign,componentsselection,hardwarecircuitdesignandsoftwaredesignaspectsofthecontrolsystemaredescribed.Throughlongtimeoperationtest,indicatesthatthecontrolsystemisstableandreliable,theoperationissimpleandconvenient,hasavarietyofenergy-savingoperationmode.Atthesametime,thesystemofflexibledesign,simplestructure,lowcost,easytoscaleproduction,canbewidelyusedinfamiliesandhotelsandotherplacesofinstallationofornamentalfish.KeywordsautomaticcontrolSeriesMCUaquariumsensortechnology

目录TOC\o"1-3"\h\u10332摘要 I13618Abstract II25742第1章绪论 155741.1选题背景 172061.2国内外研究现状及发展趋势 25411.3主要研究内容 3203211.4课题研究的步骤 427341第2章鱼缸智能控制系统的总体设计 541072.1概述 5143212.2系统的设计要求 590402.3系统总体方案与功能 6207192.3.1鱼缸智能控制系统的功能组成与控制参数 6281752.3.2系统的硬件结构框图 713202.4主要元器件的选取 849002.4.1单片机的选取 8213192.4.2键盘控制和LCD数码显示驱动芯片的选取 10268252.5语言工具的选取 11107422.6本章小结 125897第3章系统的硬件设计 13237893.1硬件总体结构 13181973.2各模块硬件设计 14275413.2.1时钟电路设计 14209573.2.2键盘控制与显示模块设计 15280563.2.3温度控制模块 1643203.2.4其他模块设计 17238263.3继电器控制模块 18189603.3.1继电器的原理 18295113.3.2继电器的选用 19143943.4电路原理图及电路板设计 19133213.5本章小结 2031576第4章系统的软件设计 21258964.1软件设计方法 21227014.2主程序工作流程 22232164.2.1主程序工作流程图 22124544.2.2主程序流程详解 2214654.2.3DS18B20工作流程图 242054.3时间和温度读取模块 24253664.3.1读取DS1302的时钟 24149364.3.2读取DS18B20的温度 2441414.4键盘控制与显示处理模块 26148654.5E2PROM模块 28163014.6本章小结 2821680第5章总体设计的调试与展望 29217775.1系统的调试 29171215.1.1系统硬件调试 29258635.1.2系统软件调试 30211255.2创新点与应用范围 3026075.2.1设计总结 30120165.2.2创新点 31145575.2.3应用范围和实施效果 31246325.3展望 32209155.4本章小结 3225036结论 3329269致谢 3429418参考文献 3515500附录1 366068附录2 4020356附录3 4414316附录4 4519477附录5 4628841附录6 47绪论选题背景随着我国经济的发展和人民生活水平的大幅度提高，人们的消费观念变化很大，消费档次与水平都在提高，人们的生活品味越来越高，环境的个性化、环保化也越来越受到人们的重视，与之相关的休闲、居家装饰等行业相应的日显蓬勃发展趋势。人们开始渴望那大自然的宁静与和谐，而一个生机盎然、苍翠欲滴的鱼草水族箱不但可以给人带来无比宽松舒适的美感，更能调节居住环境，让人们感受那久违的大自然，让大自然的美景在自己的身边长存[1]。水族行业正是在这种需求下应运而生的。“鱼缸”又称为“水族箱”，“水族箱”一词起源于英国，沿用至今已超过了150年。当时的定义仅仅是一个养动植物的水容器，而随着科技水平的不断进步，以及人们养殖观赏鱼和种植水草的水平的不断提高，水族箱不仅被认为是一个养动植物的容器，而且被认为是自然城的一个缩影，是一相对完备的生态系统。在早期，水族箱多用于展览馆、公园等大众化的场所供大家观赏，随着生活水平的提高，科技和水族养殖业的快速发展。水族箱已成为普通家庭的室内装饰。近年来，这种以水草、金鱼为主的水族箱被称作“水中微缩的鱼草园林”，深受人们的喜爱，但由于人们缺乏养护的技艺或者是由于时间原因不能及时进行养护，往往“好景不长”，最后的结局多是“草桔鱼忘”。在家居环境或是休闲娱乐场所都有各种各样的鱼缸，而保持一个适宜鱼类生活的环境是一件非常耗精力的工作。针对鱼类生活环境的净化和改善的设备有很多，目前市场上常用的鱼缸控制系统有：水温控制、充氧控制、过滤控制等相关系统。但是由于产品繁多，功能不统一，而且大多是非智能化的、单一的恒温控制、充氧或照明系统。如果仅仅是把多个单独的设备组成一套多功能的鱼缸控制系统，需要投入的费用较大，同时多个单一器件机械化的组装之后，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，根据当前市场的需求，以鱼缸中的水温、溶氧量、光照等的控制为研究对象，形成一套集多个功能为一体的控制系统。该设计不仅解决了人们在日常生活中对鱼缸的维护问题，还对利用高薪技术改造原有的普通家居的发展有一定的实际意义和研究价值。国内外研究现状及发展趋势随着经济水平的突飞猛进，装饰业的日趋兴起，人们对生活、家居品味的追求愈加重视，体现在经济形态中就是与之相关的休闲、居家装饰等行业日趋蓬勃发展之势。居住、工作环境的生动化、温馨化也越来越和人的精神、情操、新的生活观念紧密地联系在一起。休闲水族行业也正是在人类的这种需求下应运而生，并且近年来其快速发展之状况使其已经成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注，据最新资料显示：水族产品的日渐丰富，水族市场更加繁荣昌盛，水族行业产业规模的年增长率达到13.8%，仅北京就由传统的几个小市场，发展成8个大规模的市场。其市场空间的拓展速度也昭示着将有更多的投资机会点在这种新的经济形势下诞生。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[2]。随着鱼缸产业迅猛发展，巨大的鱼缸市场的需求也极大推动了国内外各种鱼缸控制设备的研发和生产。传统的鱼缸需经常换水和补充氧气，常配备两种设备：水泵和空气泵，用以清洁水体和补充氧气。但这些设备的工作时间会因季节、温度及饲养鱼的多少而不同。每天需要进行多次开停操作，这样的连续工作，会缩短设备的寿命，更不利于节能。在观赏鱼饲养过程中的实践表明：市场上现有的鱼缸控制系统都是功能较简单的设备。如灯光照明控制，只能人为的进行开关控制，光照时间短了就不能很好的满足鱼缸中鱼类，特别是水草的光照需求；时间长了超过水草光照需求，不仅不利于水草生长，而且还造成电力资源的浪费。如温度的控制，采用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，造成温控精度较差，很难达到恒温效果。鱼缸的充氧，由于水溶解氧的特性决定，当水中溶解的氧气达到一定程度，或者鱼缸内鱼的密度不是太大，即使是在夏天也不必要一直充氧，可以采用间隔充氧和换水，否则再进行充氧都是多余的，也必然是浪费大量的电力资源[3]。因此，一些电路简单，能可靠工作和“自动间歇”的控制器也随之产生。扩展到鱼缸内其他参数的控制，市场上陆续出现了与鱼缸相关的控制设备。如鱼缸间歇充氧定时器、鱼缸自动恒温器、鱼缸灯光自动控制器等。由于这些设备的均各自独立工作，独立控制相应的环境参数，所以一个鱼缸中需配置几个独立的控制设备；而这些独立控制设备的价格一般都在100~200元，如果配齐整套控制设备，价格大概在1000~1500之间；因此，多功能型的鱼缸控制器的开发也受到了很多厂商的关注，陆续出现了多种为水族行业优化制作的多功能控制器，这些仪器集温度、灯光、充氧、报警等控制功能于一体。功能设计上追求性能稳定可靠安装、调试、维护方便。此外，这些控制器不仅可以广泛应用于家庭观赏鱼缸的养护管理；而且也适用于水族养殖业，尤其是宾馆、饭店、展厅、居家等对水系要求较高的观赏和经济水生物的养护。主要研究内容本课题拟议ATMEL公司生产的AT89C52单片机为核心，同时结合传感器技术，设计一套适合各类水族箱的水位高度、水温度、水中氧气浓度、灯光和鱼饵为主要控制对象的水族箱智能控制系统。本课题的主要任务是研制一套单片机系统，并使这套单片机系统可实现对水族产品进行智能控制和管理。整套系统能够完成鱼缸水质及环境参数的自动测量和智能控制。本课题研究设计的控制系统主要特点是：采用单片机控制设计，实现水族箱节电模式、自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、自动照明、状态显示。大大提高智能化控制的能力，不仅降低了资源耗费，同时也降低了人力的付出。人机操作界面采用数码、LED指示显示；操作设置实现多级菜单显示的方法。操作简单、方便，极具人性化特点。设计上下位机通讯端口，通过RS-485总线实现远程数据采集、显示和控制管理。产品整体设计具有技术的通用性，贴近实际的应用，易于推广和大规模生产。根据系统要求和拟完成的功能特点，本课题研究的主要内容有：总体设计：首先按照系统的应用场合，工作环境，控制对象等确定合理的设计方案，权衡利弊，仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能，形成系统的研究模型。硬件设计：由于现在市场上各种芯片种类繁多，而且不断在推陈出新，因此必须按照系统要求，根据“性价比最高”原则，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，进而设计出最合理的硬件电路，通过实验随时对电路图进行修改，最终调试无误后，再制成印制电路板。软件设计：利用模块化的程序设计方法，把系统应用程序按照整体功能划分为若干相对独立的程序模块，绘出程序流程图，各个模块单独进行设计，利用单片机C语言编程。系统的调试与运行。在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查错和修改，然后把调好的程序联成一个完整的系统程序，再进行联机调试，在线仿真，最后组装样机，脱机运行，通过试运行对系统进行检测，以验证系统的功能。课题研究的步骤在设计开发过程中，严格遵循科学的研究方法，从课题的选择、系统功能规划、电路原理图设计、电路板设计、软件控制流程设计、软件程序设计以及样机制作调试，整机运行测试等几大步骤逐一完成。具体的步骤分析如下所示[4]。课题的分析

鱼缸智能控制系统的总体设计本系统的硬件由输入输出部分和控制部分组成。输入输出部分主要完成数据的采集、输入和输出控制、串口通信等；控制部分主要完成系统参数和控制参数的设定、数据存储/看门狗/复位、时钟电路、LCD显示和按键处理以及各路输入和输出指示等。概述单片微型计算机简称单片机，又称微控制器或嵌入式控制器。它将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU，ROM，RAM，并行I/O口，定时计数器，中断控制，时钟系统及总线等。它是工业控制和智能化控制系统中应用最多的一种模式。这种模式的最大特点是设计者可根据自己的实际需要开发，设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，成本更低。其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于模拟/数字转换的A/D，D/A接口，用于人机对话的键盘处理接口，LED和LCD接口，用于输出控制的电机接口等。然后再开发一些应用软件就可组成完整的单片机系统。单片机有着体积小，功耗低，功能强，性能价格比高，易于推广应用等显著特点，在自动化装置，智能化仪器仪表，过程控制和家用电器等许多领域获得了广泛的应用。从国内开发应用单片机的情况来看，自80年代初起步以来，以INTEL公司的MCS-48系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，取得了一定的应用成果。80年代中期以来，随着性能更强，速度更快的MCS-51系列的加入，单片机得到了更为迅速的推广和广泛的应用。目前，尽管16位和32位已为人们熟悉和了解，但在我国目前和今后一段时间内，8位单片机仍是实际应用中的主导品种[5]。系统的设计要求系统的总体设计要求如下：鱼缸环境参数检测范围：由于鱼缸里各种鱼类和水草生长需要相对稳定的环境参数，这些环境参数包括：水位，照明，水温等。为了尽可能的保证环境参数在稳定的范围内波动，使鱼缸内的各种环境参数可以及时调整控制，本系统可预置温度上限为35°C，同时预置了水循环、充氧模式，照明模式和恒温控制模式等。实时显示温度，当前操作状态及当前系统时间。当鱼缸里环境参数超过所设定的上下限时，能够发出声光报警信号，同时启动相应的执行机构动作，以完成对应环境参数的改变。能够随时设置参数的上下限，能够设置系统的日期和时间。能够将系统设置为自动和手动状态，以适应不同的需求。系统总体方案与功能鱼缸智能控制系统的功能组成与控制参数系统功能组成该系统的开发是在充分了解并分析目前各类鱼缸控制器的前提下进行的，整个系统共分为以下几个功能子系统：即自动加热、自动/定时充氧系统、水位控制系统、自动水循环系统、自动照明系统。这些子系统都有各自的信号检测输入以及控制输出功能，并结合系统的时钟电路、数据存储电路/看门狗/复位电路以及各子系统的功能参数的设置与LCD显示电路，共同集成为一套功能完善的智能控制系统[6][7][8]。系统控制参数该系统的控制对象为鱼缸，控制的目的是能使系统自动调节，以提供水族最适宜的水质及生活环境。设计时需要注意的水质及环境参数有：水的温度，水的溶氧量，水位的高低，环境灯光，鱼的饵料等参数。下表2-1显示该控制系统对各项参数的处理。表2-1系统控制参数项目控制参数相应的处理措施1水温根据系统设定的温度范围控制加热器的启动、停止2水位根据水位高低与时间控制水泵的启动、停止3灯光根据系统设定时间定时控制灯的开启与熄灭4水溶氧量根据系统时间定时进行启动、停止依据同一设计原理和方法，针对其他的环境要求，还可以进行不同环境参数的控制，以达到统一的设计，提高扩展能力。系统的硬件结构框图本系统以单片机为核心CPU，组成一个可以放置在鱼缸外独立运行，实现各路水质及环境检测信号的输入及各路控制信号的输出，从总体上讲，该系统硬件设计共包括两大部分：控制部分和输入输出部分，如图2-1所示。控制部分输入输出部分控制部分输入输出部分LCD显示按键时钟数据存储看门狗温度检测水位高低检测其他参数检测AT89C52图2-1系统硬件结构图其中控制部分包括：中心控制模块。主要以单片机为核心，包括晶振，复位电路，扩展存贮器等。该模块的主要功能是将A/D转换器送来的数字信号进行运算处理，从而发出各种控制信号。人机交互按键控制模块：实现系统各项功能的按键设置以及设置过程中的LCD显示控制，以达到良好的人机交互功能。1）通过LCD1602显示参数值。2）通过键盘设定参数上下限。3）通过LCD1602和蜂鸣器产生超限声光报警。时钟控制电路模块：实现系统绝对时钟和相对时钟的同步控制，是定时进行环境参数检测和各项控制器件启、停操作的关键。数码显示模块：显示当前工作状态（用各种编号表示当前的温度、工作模式、日期时间等），以及参数设置过程中的相应控制显示。数据存储/看门狗/复位模块：实现关键参数的存储，系统工作过程的监测以及异常情况的复位重启。其中输入输出部分包括：各路检测信号的输入模块：实现水族箱中各种检测传感器的信号输入，如温度检测、水位高低检测；该模块完成数据采集功能，主要由传感器，放大器，多路开关，A/D转换器等组成。传感器用来感应鱼缸环境参数的变化，并把非电量的变化为电信号。多路开关的作用是分时的选通某一路信号，将模拟电信号传输给A/D转换器，从而将模拟信号转化为单片机可以识别的数字信号。各子系统的控制输出模块：根据检测到的各路信号分别控制相应的子系统进行工作，且各子系统的工作互不干扰，同时带相应的输出指示灯显示。该模块主要由光电隔离和各参数相应的执行机构组成。单片机通过将采集值进行比较处理，发出控制信号，传输给执行机构，从而对环境参数进行调节。其中执行机构是由双向可控硅进行控制，输出光电隔离与驱动部分完成弱电信号到强电信号的隔离与放大。主要元器件的选取单片机的选取单片机按照其基本操作处理的位数可分为：1位机、4位机、8位机、16位机、32位机等。其中1位机和4位机结构简单，成本很低，但指令不丰富，且编程复杂，可用于简单的校制；16位机和32位单片机集成度高，性能优越，但是其价格目前比较贵，从而限制了广泛的应用；而8位单片机小巧灵活，指令丰富，性价比极高的优势使其产品占领目前整个单片机市场的60%以上份额，可以说8位单片机将在今后一段时间内仍是工业检测控制的主流机型。现在世界上比较著名的单片机生产厂家有美国INTEL公司，MOTOROLA公司，TI公司，MAXIM公司，NS公司，ATMEL公司等[9][10]。近年来，随着美国ATMEL公司的AT89系列单片机的推出和单片机C语言的广泛应用，MCS-51单片机有了进一步的活力.AT89系列以MCS-51为内核，兼容了MCS-51的硬件和软件，其主要优点在于：片内的程序存贮器采用闪烁存贮技术，具有电可擦除，电可编程，且编程和擦除时间短（4K字节存贮器编程约3秒，擦除时间10ms），并可反复编程，数据不易挥发，而且加密功能也大大增加了，能有效的防止用户程序被复制。时钟频率的提高使运算速度也加快了。产品中的20脚封装形式的机种，使其体积更小，更具应用灵活性，可方便的应用于家电产品及小型仪器仪表。AT89系列单片机主要产品类型和特点如下表2-2。表2-2AT89XX系列芯片单片机型号/存贮容量和类型RAM16为定时器个数中断源个数最高晶振频率/MHZ封装引脚个数AT89C51/4KEEPROM128252440AT89C52/8KEEPROM256382440AT89C1051/1KEEPROM128252420AT89C2051/2KEEPROM128252420经综合考虑，本系统决定选用美国ATMEL公司生产的AT89C52型单片机作为主控制器芯片，这种机型是该公司近几年推出的机型，其市场价仅几元/片左右，性价比极高，所以一经推出就得到了广大用户的青睐。AT89C52芯片介绍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单片机可为开发者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。其主要功能特性兼容MCS51指令系统8k可反复擦写（>1000次）flashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM时钟频率0-24MHZ3个16位可编程定时/计数器中断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由于AT89C52单片机内部片内资源丰富，有8K字节的闪烁存贮器，而本系统下位机程序主要用单片机C语言编写，编译后生成的代码较为简短，效率较高，8K字节的程序控件足够使用，且多余的程序存贮空间可作为将来扩展系统使用，故选此机型可以不必在外部再扩展程序存贮器，这样可以简化系统电路，减少系统成本。键盘控制和LCD数码显示驱动芯片的选取键盘控制和显示处理时与智能控制器交互过程中非常重要的两个部分，它的选择对整个智能控制系统至关重要，它的性能的好坏，直接影响了整个控制系统的操作性能的优劣。本控制系统共设计了5个按键进行键盘控制，采用1602液晶屏进行显示，综合了各种因素。1602液晶屏简介字符型液晶是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可分1行16个字、2行16个字、2行20个字等。最常用的是2行16个字。第1脚：VSS为电源地，接GND。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：液晶显示偏压信号第4脚：数据/命令选择端（H/L）第5脚：读/写选择端（H/L）第6脚：E为使能信号，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。第7~14脚：D0~D7为8位双向数据线第15脚：BLA背光电源正极（接+5V）第16脚：BLK背光电源负极（接GND）1602液晶模块的内部控制器共有11条指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。说明1为高电平，0为低电平）1602液晶模块的设置初始化设置表2-3显示模式设置指令码功能00111000设置16×2显示，5×7点阵表2-4显示开/关及光标设置指令码功能00001DCBD=1,开显示；D=0，关显示C=1,显示光标；C=0,不显示光标B=1,光标闪烁；B=0,光标不闪烁000001NS数据控制控制器内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们来访问内部的全部80字节RAM。表2-5数据指针设置指令码功能80H+地址码(0~27H,40H~67H)设置数据地址指针读数据输入：RS=H,RW=H,E=H;输出：D0~D7=数据写数据输入：RS=H,RW=L,D0~D7=数据，E=高脉冲；输出：无表2-6其他设置指令码功能01H显示清屏：1.数据指针清零2.所有显示清零02H显示回车：数据指针清零语言工具的选取常用的51编程语言有二种，一种是汇编语言，一种是C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性德代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用C语言的开发周期常要小于汇编语言很多，而随着单片机开发技术的不断发展，目前已有越来越多的人从普遍使用汇编语言过渡到逐渐使用高级语言进行开发，其中C语言为主，而且市场上机种常见的单片机均有其C语言开发环境。综合以上C语言的优点，本系统选择了C语言进行开发，而且选用Keil软件开发环境，Keil软件是目前最流行开发80C51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。本章小结本章论述了多功能鱼缸智能控制系统的总体设计要求，介绍了系统总体方案和功能组成，提出了系统的硬件结构框图；阐述了主要元器件的选取原则，并对主要芯片做了简要介绍；最后给出了软件设计方案和编程语言的选择。

系统的硬件设计本章详细介绍多功能鱼缸智能控制器的硬件结构和设计。主要包括数据存储/看门狗/复位电路模块设计、时钟电路模块设计、系统电源模块设计、键盘控制与显示模块设计、温度控制模块设计、输出控制电路模块设计以及电路原理图与电路板设计等。详细阐明各电路设计中芯片的选型，芯片的内部组成、性能参数和功能特点，并设计出具体的硬件电路，下面就各部分主要电路做介绍。硬件总体结构硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。本章主要论述该系统的硬件电路设计。本系统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发：硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，系统升级简化等优点，还可降低成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。可靠性及抗干扰设计，根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平局无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路，系统选用的DS18B20数字温度传感器也基于这方面的考虑。本系统大都采用了功能先进的DIP器件，因此从组件数、电路板空间、功耗、抗干扰及系统成本上都得以大幅度改善。灵活的功能升级及系统扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级；并且，在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。功能扩展时系统应在原设计不需做很大变动的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指针。根据系统要求及上面几个硬件设计原则，确定系统硬件原理图。系统以单片机STC89C52DIP为中央处理单元，由感温原件、水位传感器、LCD液晶显示、蜂鸣器报警、1302时钟电路组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。各模块硬件设计时钟电路设计本系统采用DS1302芯片完成系统绝对时钟和相对时钟电路的设计。DS1302芯片介绍[11][12]DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到3个口线：1）RES（复位），2）I/O（数据线），3）SCLK（串行时钟）。时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息功率小于1mW。管脚描述X1，X2 →32.768KHz晶振管脚GND →地RST →复位脚I/O →数据输入/输出引脚SCLK →串行时钟Vcc1 →电池供电管脚Vcc2 →电源供电管脚图3-11302时钟电路图时钟电路系统设计该时钟电路，主要用于鱼缸智能控制系统主机的时钟显示，时钟晶振采用32.768KHz，提供3.6V的备用电池，一旦外部电源中断，系统由该备用电池保证时钟正常运行。时钟电路图如图3-1所示。作为控制鱼缸各种操作的相对时钟，用来实现换水，打氧的时间控制。同时，也可作为系统扩展其他功能时使用，如闹钟提醒，事件定时，信息备忘，并为事件查询提供时钟。键盘控制与显示模块设计该电路中采用了LCD1602与普通的按钮组成。该键盘控制与显示电路包含了复位电路、晶振电路、LCD显示电路和按键控制电路四大部分。很好的实现了各功能参数的设置。图3-2键盘控制、显示电路与复位电路图温度控制模块DS18B20芯片介绍DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器[13]，具有3引脚T0-92小体积封装形式；温度测量范围为-55°C~+125°C，可编程为9位~12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625°C，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20内部结构如图3-3所示图3-3DS18B20内部结构主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列是：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接电源输入。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64为ROM的循环冗余效验码（CRC=X8+X5+X4+1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。温度检测电路芯片DS18B20的引脚2与单片机P1.7口连接。使用外部5V电源供电，为保证在有效的DS18B20时钟周期内，提供足够的电流，需要接4.7K上拉电阻。电路图如图3-4所示。图3-4温度检测电路图其他模块设计蜂鸣器模块设计蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。图3-5蜂鸣器电路设计水位检测模块设计本设计检测水位的方法是通过一种液位控制器放在水中通过霍尔开关来控制单片机的I/O接口。如果水位高于快关则I/O口与5V电源导通，可以控制水泵的开关来控制水位。如图3-6。图3-6测装液位控制器在鱼缸中放入两个液位控制器，其中的一个放在鱼缸的顶端（养鱼需要的水位置）设为A，另一个则放在鱼缸的底端（不要低于鱼自身的高度即可）设为B，当A与B都导通的时候代表水位是正常的，不需要贮水与放水，可以通过时间或者按钮的设置对放水泵进行开启，当液位低于A时继续放水，如果液位低于B时停止向外放水，此刻开始用另外一个水泵把干净的新水加入到鱼缸中，这时水位不断抬高，当A与B同时导通时代表水以加满，此时换水的整个过程完毕。继电器控制模块每当需要放水或注入新水的时候都需要开启水泵，需要加热的时候需要通过开启加热棒，由于水泵或者加热棒的功率都很高，单片机供给的电压是不够的，这时候就要用到继电器了[14]。继电器的原理继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的。继电器的选用本设计选用的为HK4100F-DC5V-SHG继电器。它有6个引脚，其中2、5脚为线圈。1、6脚为公共端。3、4脚一个常开一个常闭。如图3-7所示。图3-7继电器引脚图本设计所用到的水泵、加热器、贮氧器都是通过继电器的吸和来控制的，所以说继电器对本设计有着很重要的意义。继电器的电路图如图3-8所示。图3-8继电器电路设计电路原理图及电路板设计本控制系统的电路原理图和电路板设计，是使用EAGLE进行设计和实现的。自上世纪九十年代初以来，源于CadSoft公司的EAGLE软件一直畅销欧美，在EDA工具行业占有很大比例的市场份额，曾被德国一家著名电子杂志五次评选为“年度最佳产品奖”，为了让更多的EDA工具使用者了解到更好的PCB设计和原理图设计工具，EAGLE现正式进军中国市场，深圳市英蓓特信息技术有限公司作为EAGLE软件亚洲地区第一家也是唯一一家代理商，主要负责该软件的市场推广和销售工作。EAGLE是一款非常易于使用而且功能非常强大的PCB和原理图设计工具，EAGLE这个名字所表达的意思就是EasilyApplicableGraphicalLayoutEditor(容易适用的图形布局编辑器)。本系统电路板设计为双面板，提高系统的抗干扰能力，增强传感器电路的机械强度，延长元器件的使用寿命，方便布线，又方便送厂家加工。电路板实物图见附录。本章小结本章介绍了鱼缸控制器硬件系统的设计方案，从器件选型、经济成本、原理图设计、结构分析、功能实现等多个方面阐述硬件各部分的结构原理，包括微处理器单元、数字测温单元、实时时钟单元、输入输出控制单元等。至此，本章完成了硬件部分的设计，把这些接口电路组合起来就得到总得设计电路图。

系统的软件设计软件设计是鱼缸智能控制系统设计的主要内容和重点，应该根据系统功能要求，以系统硬件电路为基础进行系统的软件设计。为了使设计出来的软件功能明确，阅读、调试方便，健壮性、可靠性好，一般采用结构化的程序设计方法。结构化的程序设计包括三方面的工作：自顶向下的设计、模块化编程和结构化编程。除此之外，有时还需要加强软件抗干扰设计，以提高程序的可靠性。单片机系统程序采用单片机C编程语言进行开发的，整个单片机系统的程序共分为六个模块，即主程序模块、时钟模块、温度采集模块、屏幕显示模块、蜂鸣器与延时模块、E2PROM模块每个模块都具有一定的功能，其中有的模块还包含一些子模块，即相互独立又相互联系，低级模块可以被高级模块调用。软件设计方法在介绍具体软件实现之前，先来介绍一下系统软件的设计方法：模块化设计。模块化设计就是把软件按照规定的原则划分为一个个较小的、相对独立但又相关的模块。分解、信息隐藏和模块独立性，是实现模块化设计的重要指导思想。分解是人们处理复杂问题常用的方法，对问题求解的大量实验表明，将一个复杂的问题分解为几个较小的问题，能够减小解题所需要的总工作量。但在一个软件系统的内部，各组成模块之间是相互关联的。模块划分的数量越多，各模块之间的联系也就越多。模块本身的复杂度和工作量虽然随模块的变小而减小，模块的接口工作量却随着模块数的增加而增大。每个软件都存在一个最小成本区，把模块数控制在这个范围内，可以使总的开发工作量保持最小。模块独立性概括了把软件划分为模块时要遵守的准则，也是判断模块构造是否合理的标准。坚持模块的独立性，一般认为是获得良好设计的关键。独立性可以从两个方面来度量，即模块本身的内聚和模块之间的耦合。前者指模块内部各个成分之间的联系，所以也称块内联系或模块强度；后者指一个模块与其它模块之间的联系，所以又称为块间联系。模块的独立性愈高，则块内联系越强，块间联系越弱。在开发软件的同时，还要注意软件开发中文档的建立。在软件开发过程中，总是产生和使用大量的信息。软件文档在产品的开发过程中起着重要的作用。文档提高了软件开发过程的能见度。把开发过程中发生的事件以某种可阅读的形式记录在文档中，还可提高开发效率。软件文档的编制，使得开发人员对各个阶段的工作都进行周密思考、全盘权衡、减少返工，可在开发早期发现错误和不一致性，便于及时加以纠正，并且便于协调以后的软件升级、使用和维护。本系统是以上述的软件设计思想为指导，采用KeilC51集成开发环境开发软件部分，KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。主程序工作流程系统软件主程序是检测鱼缸内各种环境参数，从而进行鱼缸智能控制的主监控程序，按照软件模块化设计的原则，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来实现；再将这些子程序有机地整合在一起，从而实现温度、水位、氧气等参数的采集功能。这样的设计，一方面可以理清设计者的思路，再者，模块化的设计，可以方便编写与调试程序。主程序工作流程图系统监控主程序的工作流程图见图4-1所示，监控主程序主要完成以下工作：主程序流程详解对系统进行初始化在监控程序中，首先对系统进行初始化编程。硬件方面包括51系统的初始化、软件方面有一些标志位的赋值，定义按钮、继电器与液位开关的I/O口，读取E2PROM，对1602与1302的初始化，蜂鸣器拉高等。开始初始化设置开始初始化设置检测水位开关屏幕显示时间检测温度显示标准温度监控温度上限监控设置按钮图4-1系统主程序流程图监控水位开关在程序中设置了两个开关对应两个液位开关，设上面的开关为A下面的开关为B，当A与B都导通的时候代表水位是正常的，不需要贮水与放水，可以通过时间或者按钮的设置对放水泵进行开启，当液位低于A时继续放水，如果液位低于B时停止向外放水，此刻开始用另外一个水泵把干净的新水加入到鱼缸中，这时水位不断抬高，当A与B同时导通时代表水以加满，此时换水的整个过程完毕。时间显示将1602屏幕显示写成函数，直接调用，主程序每循环一遍清屏一次，通过函数的嵌套调用再次调用1302读取时间，读取回来的值统统显示在屏幕上。检测温度通过调用DS18B20来读取温度，将读回来的值同样利用函数的嵌套调用显示在屏幕上，将设置好的标准温度存贮在E2PROM里，同样显示在屏幕上，通过E2PROM存储的标准温度与当前检测回来的温度做比较，利用比较后的结果对加热器进行开关控制。监控设置按钮主程序不断的监控设置按钮的开关，可以通过监控按钮来设置时间、标准温度、换水时间与打氧时间。一旦有按键动作，首先调用时间设置函数，利用递归的方式分别对1302的时间与日期进行设置，其次再调用设置标准温度函数，调整观赏鱼需要的温度值后将值写入E2PROM，最后调用换水时间与打氧时间函数，同样将设置好的时间写入E2PROM，当前的时间与E2PROM存储的时间相等后执行工作。DS18B20工作流程图DS18B20工作流程图如下，写DS18B20指令字节的流程图如图4-2所示。时间和温度读取模块本系统最为关键的两个控制参数为时间和鱼缸温度，在前一章中已经介绍了实时时钟电路DS1302芯片和DS18B20单线数字温度传感器的作用，所以下面简单介绍系统实现对DS1302的时钟读取和对DS18B20的温度读取。读取DS1302的时钟从DS1302中读取时钟的过程是：依次从DS1302的相应存储位置读取年、星期、月、日、时、分、秒，而且这些值以BCD码形式被读取，在其他程序调用时，必须进行转换。主要读取函数如下：时钟芯片初始化读取时间修改写入时间读取DS18B20的温度从DS18B20中读取温度的过程是：首先获取DS18B20中的温度值，该温度值为BCD码形式，然后通过转换，以十进制形式输出温度值，且此时输出的温度值含有两位小数，但输出时没有小数点，输出的温度值是实际温度的一百倍。它的步骤如下：初始化函数读取温度传感器的温度计算实际温度值YNYN移15us字节图4-2写DS18B20指令字节的流程图如果测得的温度大于0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625才能得到实际温度。键盘控制与显示处理模块该模块是整个鱼缸智能控制系统非常重要的人机交互接口，主要实现整个控制系统的各种功能参数设置，提供了一个良好的人机交互界面，实现各种工作状态的改变和各种控制参数的设置。系统共有1个LCD1602液晶显示器与5个按键，其中有4个按键为上、下、左、右，最后一个为确认键，分别用于进入/推出与调整参数设置以及参数值的增减。设置功能里面都设置了各参数数值的设置范围，如表4-1所示。表4-1各参数值设置范围参数名称温度水泵气泵照明日期时分时分时分年月日时分值范围0~302359235923599912312359其中设置时间的函数比较具有代表意义如下：E2PROM模块本系统中设置各个参数的值都离不开E2PROM的，因为本系统采用的是STC89C52型单片机，自带4KE2PROM只需要在程序中对E2PROM调用即可，调用的步骤如下。擦除指定的扇区写一字节读一字节其中的擦除扇区，没有字节擦除，只有扇区擦除。如果要改变扇区中的某个字节，保留其它字节内容不变，必须先把其它字节读出来保存，然后擦除整个扇区，再把改动的字节内容和保存的其它字节内容写入扇区。所以最好把数据放在不同的扇区中。扇区读写的时间短，擦除的时间比较长，要注意扇区擦除函数的调用位置，比如最好不要放在定时中断中。本章小结综合本系统软件的设计，有如下几个特点：采用模块化的程序设计方法，使整个程序结构清晰，并具有开放性的特点，易于移植、修改和扩展。系统采用单片机C语言软件开发，C语言在功能上、结构性、可读性上有明显的优势。而且使用KeilC51软件开发环境，该开发环境提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。重点介绍了采样值的处理、工作状态的处理以及如何实现按时间段循环控制实时任务的设计技术。

总体设计的调试与展望本课题针对观景鱼缸在自动恒温控制、自动充氧、自动换水、自动照明等实际需求，做出了有效的研究和探索，详尽地分析鱼缸中各种环境参数对鱼类和水草的影响，从鱼缸的日常养护要求和实际工作环境背景出发，对鱼缸多功能控制系统的实现提出了详细的设计方案，从实际运行结果可以看出，此控制方案能够实现鱼缸水温按鱼类和水草的生长要求进行自动恒温控制，自动进/排水，自动充氧控制和自动灯光照明控制，这对鱼类和水草的生长是至关重要的。整个方案实现简单，性能可靠，能够代替目前的半自动化水温加热、换水和照明的过程，实现控制系统的全自动化。这不仅减少了人力物力，还能消除人为因素对鱼缸控制过程的影响，保证所养殖的鱼类和水草的正常生长，明显提高了效率。系统的调试将所有器件焊置PCB板上，便可进入系统的调试，其主要任务是排除系统的硬件故障，并完善其硬件结构，试运行所设计的程序，排除程序错误，优化程序结构，使系统达到期望的功能，进而固化软件，使其产品化。系统硬件调试控制系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除系统的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地进行连接，进行综合测试。错线、开路、短路：由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的错线、开路、短路等故障。解决方法：在画原理图时仔细检查、校正即可解决。元器件损坏：由于对元器件使用要求的不熟悉及制作调试过程中操作不当致使器件损坏。解决方法：在设计过程中要明确各元器件的工作条件，严格按照制作要求进行操作，损坏的元器件要及时更换，以免损坏其他元件或影响电路功能的实现。电源故障：设计中存在电源故障，即上电后将造成元器件损坏、无法正常供电，电路不能正常工作。电源的故障包括：电压值不符和设计要求，电源引出线和插座不对应，各档电源之间的短路，变压器功率不足，内阻大，负载能力差等。解决方法：电源必须单独调试好以后才能加到系统的各个部件中，本设计中就出现电源故将经过多次对电源的调换才使其正常工作。系统软件调试设计软件部分出现这种错误的现象：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，这是由于程序转移到意外之处活在某处死循环所造成的。解决方法：这类错误的原因是程序中转移地址计算错误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等。在采用实时多任务操作系统时，错误可能在操作系统中，没有完成正确的任务调度操作，也可能在高优先级任务程序中，该任务不释放处理器，使CPU在该任务中死循环。通过对错误程序的修改使其实现预期的功能。不响应中断错误的原因有：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；或者对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器和扩展的I/O口编程有错误，造成中断没有被激活；或者某一中断服务程序不是以RETI指令作为返回主程序的指令，CPU虽已返回到主程序但内部中断状态寄存器没有被清除，从而不响应中断；或由于外部中断源的硬件故障使外部中断请求无效。解决方法：修改中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置。创新点与应用范围设计总结本系统综合利用传感器技术，自动检测技术和微机控制技术，开发了一套对水里的环境因子进行监控的设计，简洁实用的自动控制系统。系统软硬件设计合理，其中单片机软件采用模块化的程序设计方法，各模块相互独立，提高了系统的可靠性和可扩展性，整个系统具有较高的性价比。系统软件采用C语言编程，程序结构清晰，键盘操作和LCD液晶显示界面非常友好，操作者在使用该系统时轻松方便。系统功能独立，配置合理，其中单片机部分可独立运行。经模拟运行验证，系统具有相应速度快，操作简便，工作可靠等特点。创新点本课题设计开发的多功能鱼缸智能控制器是适用于家庭、水族馆等观赏型水族类养殖场所的一种新型智能化控制器，在国内水族箱控制器产品中技术新颖，其创新点有：微电脑智能控制的鱼缸（水族箱）；具有多种节电工作模式；恒温设计；灯光照明时间可以自由设定启动与停止时间；具有高低水位检测，自动换水；具有多重水循环与水质过滤。应用范围和实施效果从前面的叙述中可以看出，论文所涉及到的多功能鱼缸智能控制器，是适用于家庭、水族馆、办公室等观赏型水族类养殖场所实现智能化管理的产品，该产品能大大减少人为不确定因素对水族箱造成的不良结果，而且开发成功的产品设计新颖，技术先进，功能强大，操作方便。产品的应用范围：只要适用于家庭、水族馆、办公室等观赏型水族类养殖场所实现智能化管理，不仅可以减少人为不确定因素对水族箱造成的不良结果，而且系统内部预设多种节能工作模式，方便使用者选择。产品的实施效果：采用智能控制水族箱替代普通水族箱，可以节约人工管理的繁琐，从被动的管理转化为宏观的控制，同时可在人员不在的情况下，根据预设的工作模式自动控制充氧泵、循环水泵和照明等设备的启动和停止，达到节能效果。对于大型水族馆，可以节约大量人力；对于普通家庭，可以提高普通家庭居家养鱼的科学性。产品的实际运行情况：通过长时间的实际测试运行，表明本系统智能控制功能基本符合设计要求，控制效果良好，稳定可靠，有较强的实用性。本套系统的研制对后续水族箱智能控制系统的研究在理论和实践上都有较高的参考价值。它还有一个突出的优点，成本比较低廉、有较高的性价比，适合我国国情，因此也具有较高的生产使用价值。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提供了实用的控制系统，但是由于时间短、学科上和本人水平的限制，系统研制中还有很多考虑不周的地方。由于观赏鱼类的生存环境各不相同，应加入数据库的元素在里面，通过查询数据库中鱼类的生存环境自动设置鱼缸中的各种参数。由于鱼缸生态环境是一个非常复杂的多变量、非线性系统，影响鱼类和水草生存环境因素很多，又有关联的耦合现象，而本系统的控制输出仅为简单的开关量信号，这是显然不能满足高精度的控制要求，应引入模糊算法，专家系统等技术以进一步提高系统的智能决策水平。本设计还预留了一些可扩展的功能，希望以后还可以探索海水缸的领域，探索PH值等一些传感器的应用。若要将本系统产品化，还需要对系统进行进一步的改进和调试。相信经过不懈的努力，在较短的时间内，一定会使之成为一个非常适合与规模化生产的产品。本章小结通过这次设计，本人学到很多宝贵的东西，学会了课题研究的一般过程，学会了如何解决实践中遇到的难题，将所学的理论知识和实际相结合起来，在一定程度上提高自己的动手能力和问题解决能力。在这次论文设计的过程中，由于时间关系和本人水平的限制，文中也难免存在着一些不妥和疏漏之处，在此敬请各位专家批评指正。

结论本设计围绕着水族箱控制系统在温度探测和控制、水温的加热、定时充氧、定时换水等需求，提出了详细的设计方案，从控制方案实际运行来看，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，消除因饲主的忽视对控制过程的影响。整套控制系统的软件部分和硬件设计部分设计合理，C语言编程的单片机软件程序是模块化的程序设计，模块与模块之间相互独立，有很高的可靠性，硬件设计成本低廉。在制作过程中运用传感器技术、继电器控制技术、单片机原理，系统软件部分采用C语言编程，程序结构清晰，按键的操作和液晶显示的界面很友好，操作者在使用该系统时轻松方便。在系统设计中还充分考虑了系统的扩展问题，为此单片机特意留下了扩展排针焊孔。如需要更准确的含氧量数据，可以在扩展排针上接溶氧量传感器电路；这些扩展排针接口还可以增加水中含氮量传感器电路，使水中的环境参数控制更精确。这些都对以后系统功能的扩展留下空间。通过本控制系统的研究与开发，本人学会了设计一个电子产品的一般过程，包括原理图的设计、修改、网路报表的生成、元器件报告的输出、原理图导入PCB图、PCB图元件的布局、覆铜板的腐蚀等等。学会了在遇到不懂的时候，懂得去自学，将自学所得的理论知识运用到设计中去，考验了本人动手能力和问题解决的能力。最重要的是体会到查找资料在研究与设计中的重要性。在研究与开发前，看本研究的各种资料，了解它的发展方向和历史，是触发设计灵感的重要源泉，也是在研究与开发中解决问题的重要依据。

致谢值此论文完成之际，谨向我的导师高洪志老师致以最诚挚的敬意和由衷的感谢。从课题的选定、资料的准备、研究直到论文的修改润色等各个环节都得到了高老师的细心指导。高老师渊博的学识、严谨认真的治学态度、实事求是的工作作风、朴实真诚的为人态度和孜孜以求的钻研精神，使我受益匪浅。感谢毕津滔老师对我的指导，在课题选择、方案制定给予了我无私的指导，由于他对水族箱的了解，给了我不少专业性的帮助。感谢我的家人和朋友，正是由于他们默默无闻的奉献和一贯的支持和鼓励，才使我有信心和毅力完成设计和论文的工作。最后，再次向所有给予我支持、帮助和鼓励的老师、同学和朋友，以及在百忙中评阅论文和参加答辩的专家和评审老师一并表示最诚挚的谢意，祝他们健康、快乐。

参考文献李开春．小小水族箱装着大世界．宠物世界，2008：1张海萍．小小水族箱装着大市场．市场报，2002：1朱欣．水族箱养殖热带观赏鱼常识．科学养鱼，2006：39毛谦敏．单片机原理及应用系统设计．国防工业出版社，2005：159-163孙育才．MCS-51系列单片微型计算机及其应用．南京：东南大学出版社，2003：1-3彭国平，邓洪波，梁振权．水族箱自动控制装置的设