基于单片机的智能水族箱控制系统_鱼缸

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

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Abstract

With the improvement of people's material life and appreciating ability,such crafts as aquarium gradually enter houses and public places like hotels and department stores.But as for the aquariums found in the present markets,water temperature testing,water level control,water recycling and food feeding are all manually performed,bringing about a lot of troubles and inconveniences.

This dissertation analyzes and studies the current applications of most aquariums' control devices and makes out a design of multi-functional intelligent control system in aquarium.The control system based on the 89 Series MCU family aquarium control system.The entire system to the STC89C51 MCU as the core chip,combined with the sensor technology, the relay, C language programming technology, set a variety of control functions, including temperature, automatic lighting, automatic water changing, automatic feeding, automatic water circulation and so on, and may need to increase the control parameters, through the selection of different components of cost control. This article from the function design, components selection, hardware circuit design and software design aspects of the control system are described.

Through long time operation test, indicates that the control system is stable and reliable,the operation is simple and convenient, has a variety of energy-saving operation mode. At the same time, the system of flexible design, simple structure, low cost, easy to scale production, can be widely used in families and hotels and other places of installation of ornamental fish.

Keywords automatic control Series MCU aquarium sensor technology

II

目录

摘要 ..................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................. II 第1章绪论 .. (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 国内外研究现状及发展趋势 (2)

1.3 主要研究内容 (3)

1.4 课题研究的步骤 (4)

第2章鱼缸智能控制系统的总体设计 (5)

2.1 概述 (5)

2.2 系统的设计要求 (5)

2.3 系统总体方案与功能 (6)

2.3.1 鱼缸智能控制系统的功能组成与控制参数 (6)

2.3.2 系统的硬件结构框图 (7)

2.4 主要元器件的选取 (8)

2.4.1 单片机的选取 (8)

2.4.2 键盘控制和LCD数码显示驱动芯片的选取 (10)

2.5 语言工具的选取 (11)

2.6 本章小结 (12)

第3章系统的硬件设计 (13)

3.1 硬件总体结构 (13)

3.2 各模块硬件设计 (14)

3.2.1 时钟电路设计 (14)

3.2.2 键盘控制与显示模块设计 (15)

3.2.3 温度控制模块 (16)

3.2.4 其他模块设计 (17)

3.3 继电器控制模块 (18)

3.3.1 继电器的原理 (18)

3.3.2 继电器的选用 (19)

3.4 电路原理图及电路板设计 (19)

3.5 本章小结 (20)

第4章系统的软件设计 (21)

III

4.1 软件设计方法 (21)

4.2 主程序工作流程 (22)

4.2.1 主程序工作流程图 (22)

4.2.2 主程序流程详解 (22)

4.2.3 DS18B20工作流程图 (24)

4.3 时间和温度读取模块 (24)

4.3.1 读取DS1302的时钟 (24)

4.3.2 读取DS18B20的温度 (24)

4.4 键盘控制与显示处理模块 (26)

4.5 E2PROM模块 (28)

4.6 本章小结 (28)

第5章总体设计的调试与展望 (29)

5.1 系统的调试 (29)

5.1.1 系统硬件调试 (29)

5.1.2 系统软件调试 (30)

5.2 创新点与应用范围 (30)

5.2.1 设计总结 (30)

5.2.2 创新点 (31)

5.2.3 应用范围和实施效果 (31)

5.3 展望 (32)

5.4 本章小结 (32)

结论 (33)

致谢 (34)

参考文献 (35)

附录1 (36)

附录2 (40)

附录3 (44)

附录4 (45)

附录5 (46)

附录6 (47)

IV

第1章绪论

1.1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。

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1.2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，

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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。

1.3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：

1．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。

2．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。

3．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。

4．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：1．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。

2．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

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对电路图进行修改，最终调试无误后，再制成印制电路板。

3．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。

4．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。

1.4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

1．总体论证：项目调研，可行性分析选定系统组成方案

2．总体设计：系统功能分配单片机系统的选型

3．硬件开发：元器件的配置，绘制硬件原理图设计印制电路板图，电气检查

4．软件开发：绘制软件功能框图，确定算法系统资源分配，编程，调试

5．联机调试：检查硬件，排除故障装入软件反复调试

6．脱机运行考核：模拟现场运行考核系统的稳定性和可靠性

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第2章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。

2.1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]。

2.2系统的设计要求

系统的总体设计要求如下：

1．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

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式和恒温控制模式等。

2．实时显示温度，当前操作状态及当前系统时间。

3．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。

4．能够随时设置参数的上下限，能够设置系统的日期和时间。

5．能够将系统设置为自动和手动状态，以适应不同的需求。

2.3系统总体方案与功能

2.3.1鱼缸智能控制系统的功能组成与控制参数

1．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]。

2．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。

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