自動(dòng)化控制水族箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈高峰，郝巍魏，王曉倩，任恒陽(yáng)，于禾苗，梁麗華

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北保定 071001

自動(dòng)化控制水族箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈高峰，郝巍魏，王曉倩，任恒陽(yáng)，于禾苗，梁麗華

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北保定 071001

隨著市場(chǎng)上各式各樣水族箱的出現(xiàn)，功能也在不斷地提高完善。但是，經(jīng)過(guò)不斷地創(chuàng)新和改造，仍然避免不了水族箱自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)。結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的電子技術(shù)，創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的水族箱自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分解決了在控制水溫、時(shí)間測(cè)定、照明系統(tǒng)，定時(shí)投料等方面的問(wèn)題，并且可以將信息及時(shí)回饋到顯示液晶屏上，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。過(guò)濾系統(tǒng)是水族箱保證水質(zhì)穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，選取合適的過(guò)濾方式以及優(yōu)良的濾材就需要對(duì)其有全面充分的認(rèn)識(shí)，根據(jù)水族箱內(nèi)水質(zhì)的變化合理安排過(guò)濾的流程，實(shí)現(xiàn)水族箱自動(dòng)化控制的最終目的。

水族箱；自動(dòng)控制；單片機(jī)；過(guò)濾系統(tǒng)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)為主芯片，實(shí)現(xiàn)了水族箱的自動(dòng)化控制，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的切換。在水溫控制中使用溫度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并控制加熱器保持水溫恒定。投料模塊利用單片機(jī)控制伺服舵機(jī)精確控制投料量。系統(tǒng)的核心控制采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和各模塊的協(xié)調(diào)配合。利用液晶顯示水溫，時(shí)間，菜單，設(shè)置選項(xiàng)等。在水循環(huán)控制中利用定時(shí)器精確的控制環(huán)氧泵來(lái)凈化水質(zhì)，增加水的溶氧量，系統(tǒng)采用時(shí)鐘芯片對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。主控制板的硬件主要包括，溫度控制模塊、時(shí)鐘模塊、投料模塊、循環(huán)氧泵控制模塊、光照控制模塊[1]。見圖1。

圖1 水族箱內(nèi)部總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度模塊

溫度模塊是由溫度傳感器和加熱棒組成。溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)供處理器處理，通過(guò)單片機(jī)對(duì)溫度傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而控制加熱器工作，保持水族箱溫度恒定。在水族箱內(nèi)將加熱棒斜放或者平放在靠近缸底的位置，這樣散熱效果更好，因?yàn)樗訜岷髸?huì)上升。垂直放置的加熱棒，棒下部產(chǎn)生的熱水與棒上部的溫差相對(duì)較小，熱傳導(dǎo)就會(huì)慢些，這無(wú)疑降低了加熱的效率，延長(zhǎng)了加熱時(shí)間，浪費(fèi)了能源。并且溫控裝置在加熱棒上端，會(huì)導(dǎo)致加熱棒提前停止加熱。

2.2 投料模塊

投料模塊是對(duì)精確度要求較高的部分。本水族箱采用伺服電機(jī)控制投料面的開閉。伺服電機(jī)能比較準(zhǔn)確的控制輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，對(duì)于投料量能精確控制。投料艙根據(jù)輸入的命令，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量投喂。投料艙設(shè)置在水族箱頂部，根據(jù)魚的生活習(xí)性。魚喜歡吃漂浮在水中的事物，這樣設(shè)置有利于魚類進(jìn)食。

2.3 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊設(shè)置與單片機(jī)上，可提供時(shí)鐘、日歷、定時(shí)鬧鐘等功能，采用雙重供電模式，當(dāng)斷電時(shí)，由備用電源臨時(shí)供電。

2.4 過(guò)濾模塊

在水族箱底部，設(shè)置一個(gè)百葉窗。平時(shí)百葉窗開啟，魚的殘餌糞便通過(guò)百葉窗漏到下方收集區(qū)，當(dāng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，關(guān)閉百葉窗，過(guò)濾系統(tǒng)啟動(dòng)，將收集區(qū)的殘餌糞便吸入過(guò)濾系統(tǒng)清除。收集區(qū)設(shè)置成傾斜樣式，將入水口設(shè)在斜坡頂部，對(duì)斜坡沖刷，有利于殘餌糞便的收集。過(guò)濾模塊可通過(guò)設(shè)置單片機(jī)定時(shí)定長(zhǎng)供斷電，來(lái)實(shí)現(xiàn)定期對(duì)水族箱的清理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清理效果。

2.5 環(huán)氧泵模塊

環(huán)氧泵設(shè)置在水族箱底部，氧氣可以自下而上充滿整個(gè)缸體。環(huán)氧泵也可設(shè)置供氧時(shí)間供養(yǎng)量，根據(jù)不同的魚類，設(shè)置不用的供養(yǎng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水中含氧量的多少。

2.6 光照控制模塊

光照強(qiáng)度對(duì)于魚兒生存的適宜性具有明顯作用，有些品種的魚更適合生存在光照時(shí)間較長(zhǎng)的地方，因此，對(duì)于不同品種的魚水族箱要采取不同的控制處理措施。系統(tǒng)通過(guò)光敏電阻來(lái)控制高亮LED，光線變暗的時(shí)候進(jìn)行自動(dòng)開啟光照系統(tǒng)對(duì)水族箱照明。燈光的效果給水族箱也增添了一抹靚色。

3 過(guò)濾模塊具體設(shè)計(jì)

3.1 過(guò)濾裝置的順序

一般情況無(wú)論是何種位置的過(guò)濾器，其按水流方向?yàn)V材的設(shè)置順序大致相同。水流通過(guò)進(jìn)水口由水泵將水流帶到過(guò)濾裝置中，首先是物理過(guò)濾，水流通過(guò)兩層的粗濾棉，去除掉水中的部分固體雜質(zhì)；其次是化學(xué)過(guò)濾，水流通過(guò)軟水樹脂、草泥丸等將部分可溶性雜質(zhì)進(jìn)一步去除；最后是生物過(guò)濾，水流通過(guò)玻璃環(huán)等濾材，通過(guò)消化細(xì)菌的硝化作用除去其中的有毒性的雜質(zhì)。通過(guò)三次過(guò)濾水質(zhì)基本達(dá)到一個(gè)較好的效果，最終水流通過(guò)水泵再回到出水口完成一次過(guò)濾循環(huán)。

需要注意的是生物過(guò)濾中的硝化細(xì)菌為好氧細(xì)菌，在缺氧的狀態(tài)下，會(huì)迅速死亡，甚至造成生物過(guò)濾系統(tǒng)的崩潰[2]。另外，反硝化細(xì)菌在無(wú)氧的情況下，還會(huì)釋放出硫化氫；化學(xué)過(guò)濾中的大部分濾材，如軟水樹脂、草泥丸等，在使用的時(shí)候，要配合相應(yīng)的檢測(cè)儀器，才能更好地控制水質(zhì)，不至于調(diào)節(jié)過(guò)度。

3.2 濾材的選取

過(guò)濾過(guò)程中需要的過(guò)濾材料叫做濾材。這種材料種類各異，在水處理中的效果也各有不同。

過(guò)濾棉是放在過(guò)濾系統(tǒng)的最前面，并保證足夠厚度。當(dāng)水流通過(guò)濾材的時(shí)候可以濾掉水中直徑較大的固體顆粒物，將水中的雜質(zhì)吸附，同時(shí)通過(guò)水流運(yùn)動(dòng)，加大水中溶氧量，防止硝化細(xì)菌缺氧死亡。濾材一般為人工合成材料，不易腐爛，比較耐用，當(dāng)污垢在其中積存過(guò)多時(shí)，清洗后仍可繼續(xù)使用，但需要定期更換，建議至少每周清洗兩次。

生化球是人工制作的塑料球，是人工生物濾材。它具有交錯(cuò)的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，氧氣交換時(shí)對(duì)流效果好，能提供最大的生化表面積，有利于硝化細(xì)菌的繁衍、生長(zhǎng)。但因?yàn)榉旁谒飼?huì)漂浮起來(lái)，不適合用在沉水型過(guò)濾器。最好的辦法是將它放在高于水族箱的過(guò)濾器內(nèi)，并且讓水流均勻的從它們表面流過(guò)，這種辦法被稱為滴流過(guò)濾器。但由于其所占的面積比較大，也不太美觀，目前已很少有人使用。

離子交換樹脂物理和化學(xué)性質(zhì)都極其穩(wěn)定，它不僅能夠有效降低pH，還能夠迅速的進(jìn)行陽(yáng)離子交換作用。目前，已在眾多行業(yè)應(yīng)用，當(dāng)然，它也常用于水族箱養(yǎng)水的材料，使水質(zhì)的硬度與PH更適合種植水草。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用了溫度傳感器，光敏傳感器等設(shè)備，以單片機(jī)為控制中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚類生活環(huán)境的溫度，光照，投料，供養(yǎng)的自動(dòng)化控制，操作簡(jiǎn)單，具有普遍試用性，應(yīng)用范圍廣。選擇合適的濾材，達(dá)到充分過(guò)濾，做好水族箱中的水處理工作，才能為水族箱生物提供一個(gè)穩(wěn)定、潔凈的生存環(huán)境，給家庭生活創(chuàng)造一個(gè)輕松愉悅的休息氛圍。

[1]王永和.水族箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].科技博覽，2011，38：184-185.

[2]占家智，羊茜.淡水觀賞魚飼養(yǎng)金典[M].福建科學(xué)技術(shù)出版社，2011：35-36.

表3 信號(hào)組合

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

將該系統(tǒng)同一試驗(yàn)軌道上運(yùn)行，系統(tǒng)受強(qiáng)光、軌旁樹木花草、戶外高溫、不規(guī)則的風(fēng)、振動(dòng)、防護(hù)柵欄、彎道等干擾小，能保證無(wú)誤動(dòng)作，且其測(cè)量距離誤差為±25mm，滿足高架單軌觀光車的要求。

雨霧情況下，在能見度50m時(shí)，能有效識(shí)別并準(zhǔn)確動(dòng)作。

3 結(jié)論

高架單軌觀光車的防撞存在難點(diǎn)，主要是由其運(yùn)行環(huán)境因素造成的，傳統(tǒng)的防撞方式在一般工業(yè)環(huán)境中均可以有效地進(jìn)行防撞，器件應(yīng)用跟環(huán)境的匹配極其重要。

通過(guò)試驗(yàn)研究，機(jī)器視覺在高架單軌觀光車防撞系統(tǒng)中具有優(yōu)越性，尤其是在前后車更換時(shí)，無(wú)需調(diào)整高度，均能有效地識(shí)別前車特定標(biāo)識(shí)物，即本公司的logo。同時(shí)具有準(zhǔn)確性，可以準(zhǔn)確排除其他的干擾物，即保證車輛運(yùn)行的安全距離同時(shí)也能防止誤動(dòng)作。繼電器輸出采用常閉信號(hào)，且組合輸出，有效避免了因器件、線路故障而帶來(lái)影響。準(zhǔn)確、可靠的高架單軌觀光車防撞系統(tǒng)為旅客安全、無(wú)恐慌的觀光旅程提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]段峰，王耀南，雷曉峰，等.機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].自動(dòng)化博覽，2002，19（3）；59-62．

[2]馬志溪．電氣工程設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

TP3

A

1674-6708（2015）148-0120-02