基于單片機的智能魚缸設計基于單片機的智能魚缸設計摘要隨著社會科技與經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用科技改善人們的生活已經(jīng)成為了一種必然的趨勢。智能魚缸作為緩解壓力的裝飾品得到了人們的廣泛青睞，而單片機滲透到我們生活的各個領域，如智能家居、手機電腦、汽車儀表等。因而，基于單片機的智能魚缸設計具有很大的研究意義和實用價值。本設計是針對目前市場智能魚缸尚在起步階段，存在功能不齊全、成本較高的問題。利用STC89C51單片機，結(jié)合傳感器技術和C語言編程技術設計可以自動溫控、自動充氧、自動投食、自動水循環(huán)的低成本智能魚缸。本文主要從硬件設計方面闡述設計的實踐過程與細節(jié)。關鍵詞：單片機；傳感器；智能魚缸DESIGN OF INTELLIGENT FISH TANK BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTWith the rapid development of social science and technology and economy, Using technology to improve peoples lives has become an inevitable trend. Intelligent fish tanks have been widely favored as an ornament for stress relief, and single chip microcomputer has infiltrated all areas of our lives, such as smart homes, mobile phones and computers, and automotive instrumentation. Therefore, the intelligent fish tank design based on single-chip microcomputer has great research significance and practical value.This design is for the current market that the intelligent fish tank is still in its infancy, and it is incomplete function and high cost .Using STC89C51 microcontroller, combined with sensor technology and C language programming technology design can automatically temperature control, automatic water change, automatic feeding, automatic oxygenated low-cost smart tank. This article elaborates the process and details of the design from the hardware design.Key words: single chip microcomputer; transducer; intelligent fish tank目 錄 1 緒論.11.1 課題背景及目的.11.2 國內(nèi)外研究狀況.11.3 課題研究方法.21.4 論文構成及研究內(nèi)容22 技術與原理.32.1 單片機技術32.2 嵌入式系統(tǒng)32.3 傳感器技術33 智能魚缸元器件選用53.1 智能魚缸系統(tǒng)的功能要求53.2 系統(tǒng)結(jié)構.53.3 主要元器件選取63.3.1 主控芯片選用63.3.2 溫度傳感器選用93.3.3 時鐘芯片選用93.3.4 顯示器選用94 系統(tǒng)電路設計.114.1 各模塊電路設計.114.1.1 USB接口電路114.1.2 復位電路114.1.3 DS18B20溫度傳感器電路124.1.4 DS1302時鐘模塊電路124.1.5 驅(qū)動電機電路124.1.6 存儲芯片電路134.1.7 按鍵模塊電路134.1.8 LCD1602顯示模塊電路134.1.9 繼電器電路144.2 系統(tǒng)總體模塊設計144.3 系統(tǒng)的軟件設計165 系統(tǒng)功能測試185.1 系統(tǒng)實物圖185.2 功能測試185.2.1 自動溫控185.2.2 自動投食205.2.3 自動充氧205.2.4 自動水循環(huán)226 總結(jié)22參考文獻22致謝24附錄25附件38附件一：開題報告38附件二：英文譯文及原文441 緒論1.1 課題背景及目的近年以來，隨著我國綜合實力飛速飆升，人們對物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的要求也不斷提升，各式各樣的智能家居不斷問世并得到消費者的喜愛。因而各樣的智能魚缸作為裝飾品和智能家居的合體應景入駐家庭、辦公室、商場等場所。它不僅可以作為裝飾品給我們帶來視覺享受，緩解精神疲勞，而且將中國傳統(tǒng)水文化引入日常生活，極大的豐富了人們的生活。但目前市面上各式魚缸魚龍混雜，格式各異，大多為非智能，需要手動操作實現(xiàn)溫控，換水，充氧，投食等。這將造成諸多不便，浪費使用者的大量時間精力，且影響魚缸的美觀性。但現(xiàn)代社會生活節(jié)奏較快，人們沒有足夠的時間動手照顧魚缸，導致魚缸生物成活率低。因而，現(xiàn)階段智能魚缸具有一定的市場需求。本課題設計的目的為實現(xiàn)魚缸溫控、換水、充氧、投食的一體化和智能化。該設計具有科研和實用兩重價值。 1.2 國內(nèi)外研究狀況就現(xiàn)階段社會現(xiàn)狀來看，魚缸作為家居和裝飾品不僅受到老年人的喜愛，同時得到越來越多年輕人的青睞。魚缸不僅可以做裝飾品，給人們帶來視覺上的享受，減輕壓力，緩解心情，而且靈動的引入了中國傳統(tǒng)水文化，成為了一種藝術與文化，因而被廣泛的使用于家庭、辦公室、商場等場合。但現(xiàn)階段市場上傳統(tǒng)魚缸居多，需要使用者自行配備加熱器，水泵，氧氣泵等，這些設備需要手動操作，浪費使用者的時間精力，因為無法顯示具體參數(shù)，所以使用者無法對含氧量、水溫等進行精準的控制，長時間的充氧或加熱不僅會浪費能源，而且會威脅到魚缸內(nèi)生物的生命，且自行組裝嚴重影響了魚缸的美觀性。我國魚缸控制系統(tǒng)起步較晚，改革開放后隨著人們對生活質(zhì)量的要求進一步提升，利用科技改善傳統(tǒng)生活方式稱為了一種趨勢。消費者對智能魚缸需求不斷增加，這引起了較多廠商的重視，但目前市面上智能魚缸尚處于不完善的狀態(tài)，存在功能不齊全，操作復雜，成本過高等問題。 單片機目前處于一個巔峰時期，單片機系統(tǒng)種類繁多，取得了諸多技術成果且保持著很快的發(fā)展速度，尤其是8位單片機，在我們生活的各個領域都能看到它的影子，如手機電腦、儀器儀表、智能家居等等。單片機發(fā)展階段大概可以概括為：4位機、8位機、16位機、新一代8位機、32位機。4位機早期主要用于收音機、電視、冰箱等家用電器中，但目前，隨著8位機技術的成熟，成本下降，家用電器更多采用8位機以實現(xiàn)模糊控制等新的技術要求。不僅可以降低系統(tǒng)的能耗，而且很大程度上提高了家用電器的自動化水平。16位機常用在需要實時控制、實時處理的系統(tǒng)中，因為16位機運算和反應速度相比4位和8位具有絕對的優(yōu)勢，但它能耗也相對較大，成本比較高。因而，就目前單片機技術的發(fā)展狀況來看，8位單片機將很長一段時間將成為單片機中的佼佼者，因為它綜合了16位機的高性能和4位機的低成本，而單片機將不斷完善，提升性能，縮小體積，減少外圍電路，擴大容量。 1.3 課題研究方法本課題設計主要是利用單片機為主控芯片，結(jié)合嵌入式技術、傳感器技術、C語言編程等技術設計出滿足功能的智能魚缸系統(tǒng)。總體上，我們首先要根據(jù)智能魚缸的使用場合和工作環(huán)境明確我們所設計系統(tǒng)所需的總體功能。其次，我們構思出系統(tǒng)的總體框架，繪出硬件和軟件流程框圖，然后根據(jù)流程圖著手設計。硬件方面考慮到市場現(xiàn)有的芯片、元器件種類繁多，我們需要斟酌選用滿足系統(tǒng)功能且穩(wěn)定實惠的元器件。系統(tǒng)軟件編程我們采用模塊化程序設計，先根據(jù)系統(tǒng)功能要求構思出出程序框圖，再利用C語言對各個模塊進行編程設計。最后利用K.eil uVision4對源程序進行調(diào)試、查錯和修改，最后導入硬件設備，總體運行系統(tǒng)，確保系統(tǒng)滿足功能要求且能穩(wěn)定的運行。1.4 論文構成及研究內(nèi)容本課題的只要內(nèi)容是是設計一個自動溫控、換水、充氧、投食的智能魚缸控制系統(tǒng)，論文主要構成包括：（1）課題的背景及主要研究內(nèi)容；（2）相關基本原理技術；（3）系統(tǒng)的總體、硬件、軟件設計；（4）設計的心得感悟以及參考文獻。2 技術與原理2.1單片機原理及應用單片機是將CPU、I/O口和存儲器集成在一個芯片上的一種集成電路芯片。近年以來單片機技術隨著科技飛速發(fā)展，并在計算機領域開拓出極具潛力的分支。單片機作為各種各樣智能系統(tǒng)的核心控制元件，它的誕生滿足了我國急速增長的工業(yè)需求，現(xiàn)已廣泛的應用在手機電腦、儀器儀表、智能家居各種領域中。單片機的應用系統(tǒng)主要有兩部分，分別是軟.件和硬.件系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)包括單片機擴展的。存。儲器、接口。電路和外圍。設備等。軟件系統(tǒng)只要是各個模塊的應用程序。同理，單片機應用系統(tǒng)的設計主要包括單片機系統(tǒng)設計、應用。軟件設計、系統(tǒng)抗。干擾設計、通道。與接口設計等2。2.2 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)相當于一種特殊的計。算機，是一種“完全嵌入。受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的。專用計算機系統(tǒng)”，因而也被稱為嵌入式計算機系統(tǒng)，但嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行的任務是提前定義好的，且有特定要求，所以說和我們又不同于我們常見的計算機系統(tǒng)，因而嵌入式系統(tǒng)又被定義為用于檢測、控制、和輔助機器的一種設備。嵌入式系統(tǒng)是以應用程序為中心的，基于計算機的，且其軟件和硬件為可調(diào)整的目前被廣泛的應用于功能、成本、穩(wěn)定性、規(guī)格和功耗有嚴格規(guī)定的計算機系統(tǒng)中。嵌入式系統(tǒng)在滿足應用的功能要求、穩(wěn)定的前提下，還有必要盡量減少系統(tǒng)的成本。其制作過程包括軟件和硬件兩個方面。硬件方面要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，規(guī)劃出簡潔明了的框圖，然后通過對比選擇適當元器件，再設計滿足應用需求的接口，最后設計出整體的機械結(jié)構。軟件方面與硬件相似，要根據(jù)功能要求確定需要的操作系統(tǒng)，選擇相匹配且自己擅長的系統(tǒng)編寫軟件。2.3 傳感器技術傳感器是可以感測特定測量并根據(jù)一定規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號的設備或設備的總稱，是目前世界最前沿的科技之一，是實現(xiàn)生活高科技化的重要技術支持之一，它通常被測量為非。電氣物理量，并且輸出。信號通常。是電量。據(jù)了解，傳感器技術、通信技術和計算機技術被稱為信息技術三大支柱，越來越多的國家重視傳感器技術的發(fā)展，其發(fā)展水平逐漸成為一個國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的重要體現(xiàn)。隨著科技的飛速進步，傳感技術作為一個新興技術也如雨后春筍飛速發(fā)展，并且在航天航空、醫(yī)療，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、生活等領域得到廣泛地利用，已經(jīng)成為生活各個領域中隨處可見的一項技術。因為傳感器能提供精確、可靠的參數(shù)，而且感知的精確度遠在人的感官器官之上，并且能通過數(shù)據(jù)很直觀的變現(xiàn)出來，從而為我們的科研工作提供更加精準、直觀的數(shù)據(jù)，更好的應用于其他領域，促進社會科技水平的發(fā)展，所以在日常生活和科學研究中，各式各樣的傳感器被廣泛的使用。總之，傳感器技術作為一種與現(xiàn)代科學。密切相關的。新興學科正得到。迅速的發(fā)展，并且在將會被應用于。越來越多的領域。3 智能魚缸元器件選用3.1 智能魚缸系統(tǒng)功能要求該智能魚缸系統(tǒng)的設計是以日常生活中魚缸的養(yǎng)護為背景，根據(jù)當前市場上的需求， 智能魚缸系統(tǒng)需要自動實現(xiàn)自動溫控、換水、充氧、投食等功能。系統(tǒng)需要穩(wěn)定運行盡可能避免發(fā)生故障，且需要盡可能的降低成本，具有實用價值。系統(tǒng)需要對魚缸內(nèi)部環(huán)境進行檢測，并保持環(huán)境參數(shù)保持在適宜魚類生存的范圍內(nèi)。首先是溫度，根據(jù)了解，魚類的適宜的生存環(huán)境一般都在2228，當溫度傳感器檢測到水溫低于22時，系統(tǒng)啟動加熱器加熱，當溫度達到28時系統(tǒng)停止加熱，使溫度在適宜魚類生存的范圍內(nèi)波動。其次是充氧，目前生活中人們無法對充氧做到很好的把控，長時間不充氧容易導致魚類缺氧死亡，而一直開啟氧泵無疑是對資源的浪費，因而，利用定時控制氧泵開關，保證水中的一定的溶氧量將一定程度上解決上述問題。魚類的投食頻率一般是12小時或者24小時，最佳時間一般在中午這個時間段，因而可以利用系統(tǒng)的時鐘模塊定時控制投食器。水循環(huán)主要是為了除去水中的雜質(zhì)，改良水質(zhì)，可以利用利用系統(tǒng)定時模塊定時開關水泵，將水通過活性炭海綿等過濾完成凈化，為魚類提供適宜生存的環(huán)境。3.2 系統(tǒng)結(jié)構查閱相關資料可知，魚類生存的環(huán)境要素包含很多，如光照、水的溫度、營養(yǎng)物、雜質(zhì)含量、溶氧量、PH等等。在此設計中，我們主要考慮到魚類生存的四大環(huán)境要素：水溫、水溶氧量、水雜質(zhì)含量、營養(yǎng)物。而各個要素對應的系統(tǒng)處理功能如下表所示。表3-1系統(tǒng)控制參數(shù)項目環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)處理1水溫溫度傳感器處理并由加熱器控制（自動加熱）2水溶氧量定時啟動氧泵充氧（自動充氧）3水雜質(zhì)含量定時啟動水泵水循環(huán)（自動水循環(huán)）4營養(yǎng)物定時啟動投食器（自動投食）本設計的智能魚缸控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動加熱、自動水循環(huán)、自動充氧、自動投食四個功能，選用STC89C52單片機作為系統(tǒng)核心芯片，控制溫控模塊、時鐘模塊和其他一些模塊。溫度控制模塊中DS18B20溫度傳感器負責采集溫度參數(shù)傳送至主控芯片，利用繼電器控制加熱器以實現(xiàn)恒溫。時鐘模塊通過繼電器控制氧泵、水泵的開關，實現(xiàn)定時充氧、定時水循環(huán)。而自動投食功能利用時鐘模塊控制步進電機來模擬。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構框圖3.3 主要元器件選用元器件的選用，主要以滿足系統(tǒng)功能要求、穩(wěn)定簡便和實惠為原則。以下是各個元器件的具體選用情況。3.3.1 主控芯片選用主控芯片采用STC8。9C52單片機，具有功耗低、價格便宜、性能高、編程。簡單、可以不用IS。P下載器，直接用串口下載程序的優(yōu)點，適合初學者練習。STC89C52雖然使用傳統(tǒng)的MCS-。51內(nèi)核，但具備傳統(tǒng)51單片機不具備的功能4。下面簡單介紹下STC89C52引腳和功能，其引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 STC89C52引腳圖STC89C52單片機有P0、P。1、P2、P3四組8位的?？删幊蘄/O口，每個口有8。根引腳，共32根。有2根主電源引腳，分別是VCC(40引腳)和GND(20引腳)。外接晶振引腳也有2根，分別是XTAL1(19引腳)和XTAL2(18引腳)。控制引腳有4根，分別是RET/VPP（9引腳）、ALE/PROG(30引腳)、PSEN(29引腳)、EA/VPP(31引腳)，其各個引腳具體介紹如下4：（1）VCC（40引腳）：電源電壓。（2）GND（20引腳）：接地。（3）RET/VPP（9引腳）：重置輸入。當振蕩。器工作時，RST。引腳在兩個以上的。機器周期內(nèi)出。現(xiàn)。高電平，將會導致微。控制器復位4。（4）ALE/PROG（30引腳）：當訪問外部程序存儲。器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈。沖用于鎖存。地址的低8字節(jié)。一般來說，AL。E仍然以時鐘振蕩頻。率的1/。6輸出一個固定的脈沖信號，所以它可以從外。部輸出時鐘或用于定。時目的。應該注意的是，只要訪問外。部數(shù)據(jù)存儲器，AL。E脈沖就會。被跳過。在F。LASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入。編程脈沖（P。ROG）。如有必要，可以通過在特殊功能寄存器（SFR）區(qū)域的8。EH位置設置D。0位來禁。止ALE操作4。（5）PSEN（29引腳）：外部程序存儲器選通信號。在通過外部程序存儲器取指令期間，兩個PS。EN在每個。機器周期內(nèi)都有效。但是，訪問外部數(shù)。據(jù)存儲器時，這兩次有。效的PS。EN信號不會出現(xiàn)4。（6）EA/VPP（31引腳）：對于外部訪問，EA必須保持低電平（接地），CP。U才能訪問外。部程序存儲器。應該注意的是，如果編程加。密位LB1，E。A狀態(tài)將在復位期間內(nèi)。部鎖存。如果EA為高電平（。連接VCC），則CPU執(zhí)行內(nèi)部程。序存儲器指令。當編程FLASH存儲器時，該引腳增加了+12。V編程以允許電源VP。P。當然，這必須是該器件使用12。V編程電壓VPP4。（7）XTAL1（19引腳）：反向振蕩放。大器的輸入及內(nèi)部時。鐘工作電路的輸入4。（8）XTAL2（18引腳）：來自反向振。蕩器的輸出4。（9）P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TT。L邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收。指令字節(jié);在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻4。（10）P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引。腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流4。此外，P1.0和P1.2分別作定時器。/計數(shù)器2的外。部計數(shù)輸入和時器。/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入，具體如表3-2所示。表3-2 P1.0和P1.1引腳復用功能引腳號功能特性P1.0T2（定時器、計數(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器、計數(shù)器2捕獲、重裝出發(fā)和方向控制）（11）P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2。端口寫“。1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流4。（12）P3口：P3口是一個具有內(nèi)。部上拉電。阻的8位雙向I/O 口，P3輸出緩沖。器能。驅(qū)動4個TT。L邏輯電平。對P3端口寫“。1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引。腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。P3口也作為STC8。9C52第二功能使用，如下表所示。在flash編程。和校驗時，P3口也接收一些控制信號4。P3口其他一些復用功能如表3-3。表3-3 P3口引腳復用功能引腳號復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）3.3.2 溫度傳感器選用溫度傳感器采用DS18B20芯片，DS18B20芯片具有成本低、體積小、封裝。形式多樣的諸多優(yōu)點，封裝后可以在空間較小的工作場合發(fā)揮很好的作用，適用于各種系統(tǒng)測溫。而且精準度。高達0.0626，具有出色的抗。干擾能力，采用3線制與單片機相連，使用非常方便。其測溫范圍較大，為-55。到125，可用于鍋爐測溫、農(nóng)業(yè)溫棚測溫、智能儀器內(nèi)部測溫等對溫度精確度要求非常嚴格的場合。3.3.3 時鐘芯片選用時鐘電路采用DS1302芯片，DS1302具有高性能、低能耗、接口。簡單、使用方便且成本較低的諸多優(yōu)點，且可以采用備用電源，在系統(tǒng)掉電的情況下為時鐘芯片供電，防止數(shù)據(jù)的丟失。它不僅可以計時普通的秒、分、時、天、周、月、年，而且具有閏年補償?shù)裙δ?，并且其工作能耗非常低，備用的紐扣電池有一年多的有效期。因為在單片機系統(tǒng)中，有較多的功能、應用、設置需要耗費單片機的硬件資源，所以在單片機系統(tǒng)中使用時鐘芯片DS1302能很好降低主控芯片的資源占用。3.3.4 顯示器選用顯示界面在用戶和系統(tǒng)進行交互過程中起到非常重要的作用，是系統(tǒng)和用戶之間進行信息交流的主要窗口，因而顯示器的選擇對系統(tǒng)和用戶體驗來說都十分重要。它可以顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)，將系統(tǒng)的內(nèi)部信息以人類可以直觀理解的形式表現(xiàn)出來，并且用戶可以通過按鍵操作設定系統(tǒng)中的各項參數(shù)，實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交流。本設計中顯示器采用LCD1602，是一款適用于顯示字母、數(shù)字、符號的顯示器。其優(yōu)點是顯字清晰，價格低，且其字符發(fā)生存儲器存儲有160個不同的點陣字符圖形，且其字符和代碼都一一對應，能夠同時顯示32個字符，是一種性價比非常高的點陣型液晶模塊，在使用時按照代碼編寫程序并按一定的時序驅(qū)動就可以實現(xiàn)功能4。4 智能魚缸電路設計4.1各模塊電路設計4.1.1 USB接口電路單片機系統(tǒng)的工作電壓環(huán)境為5V左右，USB接口模塊也就是系統(tǒng)的電源接口，主要作用是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。其電路圖如圖4.1所示。其中，J1是電源總開關，C2、C13、C14為電解電容，C1、C12、C15為無極性電容，這些電容的主要功能是穩(wěn)定凈化輸入電源，保證外圍電路的穩(wěn)定運行。圖4.1 USB接口電路圖4.1.2 復位電路復位電路的作用是將電路恢復到初始狀態(tài)，和計算器的歸零鍵相似。目前單片機系統(tǒng)復位方式主要有兩種：手動按鈕復位和上電復位，其電路圖如圖4.2所示，由簡單的電容和電阻組合而成，接到單片機的第9個引腳。圖4.2 復位電路電路圖4.1.3 DS18B20溫度傳感器電路DS18B20溫度傳感器的主要作用是檢測魚缸的具體溫度數(shù)值，并將數(shù)字信號的溫度變化值轉(zhuǎn)化為電信號傳送給單片機識別，與單片機的P10引腳相連。其電路圖如圖4.3所示。圖4.3 DS18B20電路圖4.1.4 DS1302時鐘模塊電路DS1302模塊是控制魚缸換水、投食、充氧的相對時鐘，其對時間處理的同時還可以為系統(tǒng)提供其他擴展的功能，比如鬧鐘提醒，事件定時，備忘等。時鐘芯片與單片機的P11、P12、P13接口相連。其電路圖如圖4.4所示，其中，Y2為晶振，BT1為備用電池，當主系統(tǒng)斷電后，備用電池繼續(xù)供電給時鐘模塊，保證其正常運行，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失。圖4.4 DS1302電路圖4.1.5 驅(qū)動電機電路用步進電機模擬投食，其電路圖如圖4.5所示。圖4.5 驅(qū)動電機電路 4.1.6 存儲芯片電路存儲電路用于存儲一些設置的數(shù)據(jù)，其電路圖4.6所示。 圖4.6 存儲芯片電路4.1.7 按鍵模塊電路按鍵模塊為系統(tǒng)提供四個設置按鍵，依次接到單片機的P34、P35、P36、P37接口，通過按鍵可以調(diào)整系統(tǒng)設置，如溫度上下限、充氧時間、投食時間、水循環(huán)時間。其電路圖如圖4.7所示。圖4.7 按鍵模塊電路4.1.8 LCD1602顯示模塊電路LCD1602顯示模塊為系統(tǒng)的顯示窗口，用于顯示系統(tǒng)的一些參數(shù)，如溫度、時間等。其電路圖如圖4.8所示，其中，R1為滑動變阻器，用于調(diào)節(jié)液晶對比度。圖4.8 顯示模塊電路4.1.9 繼電器電路由于單片機的工作電壓一般在5V左右，但是系統(tǒng)所要用到的加熱器、氧泵、水泵工作電壓要求較高，無法由單片機模塊供電正常工作，所以這個時候需要一個利用單片機系統(tǒng)小電流來控制加熱器、氧泵、水泵大電流的開關，也就是繼電器。繼電器是最重要的控制元件之一，簡單來說就是一個無源開關，可以實現(xiàn)自動隔離，因而被廣泛應用在工業(yè)的多種大功率儀器控制中。本設計中，繼電器模塊一共三個，依次用于控制加熱，水循環(huán)，充氧。其中控制加熱繼電器電路圖如圖4.9所示，其他兩個繼電器電路圖與之完全相同。圖4.9 繼電器電路4.2 系統(tǒng)總體電路圖完成各個模塊的電路接機后，將各個模塊之間按照一定的引腳進行連線，得到系統(tǒng)的原理圖，如圖4.10所示。圖4.10 系統(tǒng)原理圖在完成系統(tǒng)的原理圖后，將各個模塊電路圖導入PCB圖中，然后根據(jù)電路走向調(diào)整布局、完成連線、優(yōu)化布線、最后開始制作。系統(tǒng)的PCB圖如圖4.11所示。圖4.11 系統(tǒng)PCB圖在打印PCB電路圖，得到電路板并鍍錫、打孔、焊接元器件得到完整的實體電路板之后，也標志著智能魚缸控制系統(tǒng)的硬件部分完成了。4.3 系統(tǒng)軟件設計模塊化程序設計是現(xiàn)在最常見的軟件設計方式之一，就是自上而下逐步將軟件部分按照系統(tǒng)的功能要求劃分為幾個相互獨立的小模塊，然后對各個小模塊單獨進行編程設計。但各個模塊之間必須根據(jù)系統(tǒng)的需求互相關聯(lián)，相輔相成完成系統(tǒng)的功能要求，因為單個小的模塊相對功能更單一、結(jié)構更清晰，所以這樣很大程度上減輕了軟件設計的工作量，使得設計思路更加清晰，更加便捷、更加快速。且模塊化程序設計的各個模塊程序可以應用到其他系統(tǒng)中，如常見的時鐘模塊、溫度控制模塊等。并且其程序更方便修改和擴展，方便后期的完善，所以受到大部分開發(fā)者的喜愛。在本設計中，利用模塊化程序設計將系統(tǒng)的軟件部分共分為8個小模塊，分別是：測溫（18B20）、存儲（24c02）、顯示（1602）、延遲（delay）、時間控制（ds1302）、按鍵（key）、主控程序(main)和設置（set）。如圖4.12所示。圖4.12 程序模塊圖在完成系統(tǒng)的程序設計后，利用開發(fā)工具運行、調(diào)試、查錯，確定沒有錯誤后將源程序烤寫到先前完成的硬件設備中，總體的系統(tǒng)設計到此也基本完成了。5 系統(tǒng)功能測試5.1系統(tǒng)實物圖將各個硬件部分組裝后得到最終實物圖，具體如圖5.1所示。圖5.1 系統(tǒng)實物圖其中，1是USB電源接口，為系統(tǒng)提供5V的電源。2是按鈕控制開關，是系統(tǒng)的主開關。3是LCD1602顯示器，用于顯示相關數(shù)據(jù)。4是DS1302時鐘芯片。5是24C02存儲芯片。6是四個控制按鍵，用于設置系統(tǒng)參數(shù)。7是DS18B20溫度傳感器，與用于采集實時溫度值。8、9、10依次是控制加熱、充氧、水循環(huán)的三個繼電器。11為用于模擬投食的步進電機。12為步進電機電源輸入接口。5.2功能測試5.2.1自動溫控理論上，為了創(chuàng)造魚類適宜生存的環(huán)境，系統(tǒng)溫度的上下限應該設為22到28，但為了我們的演示方便，我們通過按鍵將系統(tǒng)的溫度上下限調(diào)整為29到31，因為當時室溫為28.6，低于下限溫度29，所以繼電器1亮燈，模擬接通加熱器。具體如圖5.2所示。圖5.2 溫控演示圖1我們在演示中用手握住溫度傳感器來模擬加熱器工作水溫上升，溫度上升超過上限值31時，繼電器1燈滅，表示模擬加熱器斷電，加熱結(jié)束，如圖5.3所示。加熱結(jié)束后溫度逐漸降低，直至溫度再次低于下限溫度值時，繼電器再次通電，啟動加熱，以維持魚缸溫度在一定范圍內(nèi)波動。圖5.3 溫控演示圖25.2.2自動投食根據(jù)系統(tǒng)的需求，投食頻率大致為24小時一次，通過定時開啟投食器來實現(xiàn)。但為了方便演示，我們通過按鍵將Feed Time設置為系統(tǒng)時間的下一分鐘，當系統(tǒng)時間達到設定時間，步進電機轉(zhuǎn)動，用于模擬投食。具體如圖5.4所示。圖5.4 投食演示圖5.2.3自動充氧自動充氧與投食相似，我們可以設置固定的時間，為了演示方便，我們也可以設置在系統(tǒng)時間的下一分鐘，當系統(tǒng)時間達到設定時間后，繼電器2亮燈開啟，進行模擬充氧。具體如圖5.5所示。5.2.4自動水循環(huán)水循環(huán)同樣利用定時來實現(xiàn)，水循環(huán)只需要隔一定時間循環(huán)一次即可，為了演示方便，我們設定水循環(huán)周期為2分鐘30秒，因此系統(tǒng)每隔2分30秒將啟動繼電器2，模擬啟動氧泵進行充氧。具體如圖5.6所示。這就是系統(tǒng)所有的功能演示。通過演示可以看出，設計的系統(tǒng)符合我們的功能要求，可以實現(xiàn)自動溫控、自動投食、自動充氧、自動水循環(huán)四個核心功能，可以為魚類提供適宜的生存環(huán)境，是一個合格的智能魚缸系統(tǒng)。圖5.5 充氧演示圖圖5.6 水循環(huán)演示圖6 總結(jié)本課題設計的智能魚缸系統(tǒng)以現(xiàn)代市場需求現(xiàn)狀為背景，利用單片機、嵌入式、傳感器、C語言編程等技術設計出可以實現(xiàn)自動控制溫度、自動水循環(huán)、自動充氧和自動喂食的智能魚缸系統(tǒng)，以滿足市場的需求。該系統(tǒng)具有便于操作、性能穩(wěn)定、成本較低、便于大量生產(chǎn)等優(yōu)點，可作為裝飾品廣泛應用于家庭、辦公室、商場等的場所。在設計智能魚缸系統(tǒng)的過程中，不僅用到了專業(yè)所學的單片機、嵌入式、C語言編程等技術，而且用到了諸多專業(yè)以外的知識，如傳感器技術、繼電器等。硬件部分在綜合考慮其穩(wěn)定性、便利性、成本的情況下選擇了滿足設計要求的元器件。軟件部分使用了模塊化程序設計，各個模塊之間互相獨立工作，同時統(tǒng)一受主控單片機控制，各個模塊互相協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使得系統(tǒng)更加簡潔、穩(wěn)定、可靠。但眾所周知，魚缸是一個小的生態(tài)系統(tǒng)，其包含了大量的元素，如溫度、PH、光照、溶氧量、營養(yǎng)成分含量，雜質(zhì)含量等等。這些元素構成了一個相當復雜、多變的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也就是魚類適宜的生存環(huán)境。而以我目前所學，無法綜合考慮諸多因素，并實現(xiàn)精確的智能調(diào)控，因而該設計還存在諸多需要改進的地方，希望諸位老師能提出寶貴的意見，以不斷完善智能魚缸系統(tǒng)。在此次畢業(yè)設計過程中，我不僅僅將大學四年所學的理論知識運用到生活中，而且通過自學掌握了一些以前沒有接觸過的知識，比如傳感器技術。在設計過程中，我遇到了許多問題，如電路圖的繪制，硬件的組裝，以及編程等，在自學和請教老師解決問題的過程中，我加深了對專業(yè)知識的理解，同時操作能力、綜合實力得到了很大的提升，但由于目前我的專業(yè)水平有限，所以設計中還存在較多的漏洞，各方面都有待完善和改進，希望各位老師能給我寶貴的建議，以讓設計系統(tǒng)功能更加完善。參考文獻1李開春.小小水族箱裝著大世界N.寵物世界,1998:10-20 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源程序代碼#include"reg52.h"#include "delay.h"#include "typedef.h"#include "1602.h"#include "key.h"#include "set.h"#include "18b20.h"#include "24c02.h"#include "ds1302.h"uchar PageNum=0; /0顯示溫濕度 1顯示溫度和報警數(shù)值2顯示濕度和報警數(shù)值float Temp_Data=0;uchar AlarmTemp=32,20; /高低溫度unsigned char FeedTime3=0; /喂食時間unsigned char O2Time3=0; /充氧氣時間unsigned char LoopTime3=0; /水循環(huán)時間sbit RELAY1 = P22; /加水繼電器sbit RELAY2 = P21; /加熱繼電器sbit RELAY3 = P20; /放水繼電器sbit ENA=P32;sbit ENB=P33; void TimerInit(void);void GetTemp(void);void PageInit(void);void PageDisplay(void);void DataLoad(void); /數(shù)據(jù)加載void TempInit(void); /void HeatControl(void); /加熱自動控制 void Timer1_Init(void);/50毫秒11.0592MHzvoid IncO2Control(void);void FeedControl(void);void LoopControl(void);unsigned char FeedSecond=0;unsigned char O2Second=0;unsigned int LoopSecond=0;unsigned char CountTime3=0; /水循環(huán)時間計時void main(void) Delay_1ms(100); LCD_Init(); TimerInit(); PageInit(); DataLoad(); TempInit(); Timer1_Init(); while(1) GetTemp(); DS1302_Read(); FeedControl(); HeatControl(); IncO2Control(); PageDisplay(); LoopControl(); Delay_1ms(50); void Timer0_Serve(void) interrupt 1 TH0 = (65535-20000)/256; /20MS定時 TL0 = (65535-20000)%256; LCD_Refresh(); /LCD刷新 KEY_Scan();void Timer1_Serve(void) interrupt 3 /50ms定時static unsigned char T50MS=0;TL1 = 0x00;/設置定時初值TH1 = 0x4C;/設置定時初值T50MS+;if(T50MS>=20) T50MS=0; CountTime2+; if(CountTime2>=60) CountTime2=0;CountTime1+;if(CountTime1>=60) CountTime1=0; CountTime0+; if(CountTime0>23) CountTime0=0; if(FeedSecond>0) FeedSecond-; if(O2Second>0) O2Second-;if(LoopSecond>0) LoopSecond-;void HeatControl(void) /加熱控制 /*-低于下限開始加熱-*/if(Temp_Data<AlarmTemp1) RELAY1=0;/*-高于上限停止加熱-*/ if(Temp_Data>AlarmTemp0) RELAY1=1; void TimerInit(void)TMOD &= 0xF0;TMOD |= 0X01; /T1工作在定時模式，T0 工作在8位自動重載計數(shù)TL0 = (65535-20000) % 256; /T0工作在定時模式 50ms定時 TH0 = (65535-20000)/ 256;ET0 = 1;TR0 = 1;EA = 1;void PageDisplay(void) /*-*/ if(KeyVal='E') KeyVal=0;PageNum+;if(PageNum>4) PageNum=0; PageInit(); /*-*/ switch(PageNum) /*-*/ case 0: /顯示和設置實時時間 LCD_DisplayDate(0,Date); LCD_DisplayTime(16,Time);if(KeyVal='S') KeyVal = 0; SetRTC(); break; /*-*/ case 1:/顯示實時溫度和上下限值 TempDisplay(5,Temp_Data); DisplayU8(18,AlarmTemp0);/ DisplayU8(26,AlarmTemp1);/ if(KeyVal='S') KeyVal=0; SetTempHigLow(AlarmTemp); WrToROM(AlarmTemp,5,2); /溫度存儲地址0 break;/*-*/case 2: LCD_DisplayTime(16,FeedTime);if(KeyVal='S') KeyVal=0; SetClockTime(FeedTime); WrToROM(FeedTime,20,3); break;/*-*/ case 3: LCD_DisplayTime(16,O2Time);if(KeyVal='S') KeyVal=0; SetClockTime(O2Time); WrToROM(O2Time,25,3); break; /*-*/ case 4: LCD_DisplayTime(16,LoopTime);if(KeyVal='S') KeyVal=0; SetClockTime(LoopTime); WrToROM(LoopTime,30,3); break; default: PageNum=0; PageInit(); break; /*-*/void IncO2Control(void)if(1=CompareClock(O2Time,Time) O2Second=60;if(O2Second>0) RELAY2=0;else RELAY2=1;void FeedControl(void)if(1=CompareClock(FeedTime,Time) FeedSecond=10;if(FeedSecond>0) ENA=0; ENB=1;