基于單片機(jī)的智能魚缸設(shè)計(jì)*

楊冬英

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

基于單片機(jī)的智能魚缸設(shè)計(jì)*

楊冬英

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觀賞類魚缸的工藝品已逐漸進(jìn)入了家居環(huán)境、辦公環(huán)境、購物環(huán)境等地點(diǎn)。但是，觀賞類魚缸的水環(huán)境溫度檢測(cè)、換水、投放魚餌等操作都需要手工進(jìn)行操作，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用C語言進(jìn)行編程，結(jié)合直流電機(jī)、溫度傳感器等硬件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚缸的自動(dòng)喂食、自動(dòng)加氧、自動(dòng)換水、自動(dòng)燈光關(guān)啟、自動(dòng)調(diào)溫等智能化控制，該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)給人們的生活帶來了極大的便利。

單片機(jī)；魚缸；智能化控制

家居環(huán)境的布置成為人們?nèi)找骊P(guān)心的事情，一個(gè)生機(jī)勃勃的魚缸不僅可以帶給人們舒適的視覺享受，還能調(diào)節(jié)居室環(huán)境，讓人們的生活環(huán)境更加充滿生機(jī)與活力，讓大自然的美景能夠融入人們的生活?，F(xiàn)在觀賞魚市場(chǎng)上的魚缸自動(dòng)操作部分功能非常分散，常常只能實(shí)現(xiàn)某一個(gè)功能，就像凈化功能、充氧功能、恒溫功能等等，并且大部分都需要人工操作，需要耗費(fèi)大量的精力去照看[1]。功能比較全面的魚缸控制系統(tǒng)在市場(chǎng)上基本還處在空缺，現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的喂食器功能主要是用定時(shí)電路作為控制的核心，只可以喂食一次，如果想要投放餌料都必須要再一次設(shè)置投放時(shí)間，而且這種定時(shí)特別不準(zhǔn)確，往魚缸內(nèi)投放飼料也不能保證每次投放的量是一樣的，同時(shí)每次投放飼料與下次投放飼料的時(shí)間間隔設(shè)置的不是特別符合魚兒的生活習(xí)性，特別容易造成魚飼料的浪費(fèi)，這些都不能滿足魚缸的自動(dòng)控制的功能的要求。如果要同時(shí)安裝多個(gè)功能不同的裝置，就會(huì)使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得十分繁瑣，需要花費(fèi)大量資金，而且組合在一起會(huì)顯的整個(gè)裝置特別亂，也缺少各個(gè)功能彼此間的協(xié)調(diào)性。因此，開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)智能魚缸自動(dòng)控制系統(tǒng)，有很大的必要性。

1 設(shè)計(jì)總體思路

本設(shè)計(jì)使用AT89C52單片機(jī)來當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制中心[2]，與外接裝置組成了微處理器中最小工作系統(tǒng)；通過傳感器檢測(cè)魚缸中的各種參數(shù)，然后經(jīng)過微處理器來調(diào)控。微處理器控制各設(shè)備達(dá)到自動(dòng)增加氧氣含量，自動(dòng)投放餌料，溫度自動(dòng)檢測(cè)，照明功能的目的，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成化程度高，結(jié)構(gòu)輕便，操作便捷。

單片機(jī)具有功能性強(qiáng)、功率消耗小、占用空間少等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的功能模塊主要由5大模塊組成：自動(dòng)加氧模塊、自動(dòng)水循環(huán)模塊、自動(dòng)投放餌料模塊、燈光變換模塊和溫度檢測(cè)模塊。各功能模塊的實(shí)現(xiàn)是由單片機(jī)的最小系統(tǒng)結(jié)合所需要的外圍電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)輸入和輸出功能。最后通過LED顯示屏對(duì)各功能模塊進(jìn)行手動(dòng)或者定時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚缸的集中控制和管理。主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1) 自動(dòng)喂食器能夠投放魚餌；

2) 實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制；

3) 設(shè)置喂食器每天投放魚餌的間隔和次數(shù)；

4) 實(shí)現(xiàn)設(shè)定加氧的時(shí)間及間隔；

5) 可以實(shí)現(xiàn)通過按鈕進(jìn)行換水；

6) 實(shí)現(xiàn)照明功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制芯片[3]，該芯片的存儲(chǔ)空間很大，在線ISP下載程序特別簡(jiǎn)單便捷，特別適合本設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)擁有足夠多的I/O接口。這種型號(hào)的單片機(jī)中含有兩種存儲(chǔ)器，一種是可以重復(fù)擦寫的只讀存儲(chǔ)器(8K bytes)，另一種是隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(256bytes)，AT89C52中自帶中央處理器(CPU，8位)及Flash存儲(chǔ)單元，可以完成靜態(tài)邏輯操作，而且可以利用節(jié)約電量的運(yùn)行模式。例如系統(tǒng)閑置的情況下停止CPU的運(yùn)行，但是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以正常運(yùn)行，串行通信口及中斷系統(tǒng)能夠接著運(yùn)行。

圖1 最小系統(tǒng)電路

2.2 自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)模塊

本設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器[4]，測(cè)量范圍是-55 ℃～+125 ℃，運(yùn)行電壓范圍：3～5 V/DC，這種溫度傳感器在使用的過程中可以直接與單片機(jī)連接，接線簡(jiǎn)單便捷，可以達(dá)到魚缸內(nèi)水的溫度用數(shù)字傳輸。

魚缸內(nèi)水溫保持一定的范圍是魚兒生存的必要條件，若超出范圍就會(huì)導(dǎo)致魚缸內(nèi)的魚兒不能正常生存，甚至死亡。因此溫度檢測(cè)功能是智能魚缸一個(gè)重要的功能模塊。溫度檢測(cè)功能是由程序控制加熱棒的工作，來實(shí)現(xiàn)魚缸的溫度檢測(cè)功能。

本設(shè)計(jì)自動(dòng)控制水溫是通過溫度傳感器DS18B20和加熱棒實(shí)現(xiàn)的[5]。DS18B20重要組成部分是四部分組成：溫度檢測(cè)裝置，只讀內(nèi)存鏡像，溫度報(bào)警除法器，配置寄存器；加熱棒有運(yùn)行和停止兩種狀態(tài)：一種是當(dāng)魚缸內(nèi)的水溫達(dá)不到我們?cè)O(shè)定的魚兒生存環(huán)境最低值的時(shí)候加熱，第二種是停止運(yùn)行。DS18B20與接口的連接方式是通過使用單總線的方式實(shí)現(xiàn)。單總線具有性能穩(wěn)定，價(jià)格適宜，能夠在環(huán)境比較惡劣的情況下使用，使用起來便捷簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量溫度范圍廣，精確程度高。

圖2 溫度調(diào)節(jié)模塊

2.3 自動(dòng)喂食模塊

由于人們的生活節(jié)奏比較快，有時(shí)會(huì)忽略給魚缸內(nèi)的魚兒喂食，或者會(huì)長時(shí)間面臨不在家的情況，此時(shí)自動(dòng)喂食功能就顯的尤為重要，自動(dòng)喂食不僅能解放人們的雙手，還能釋放人們更多的自由時(shí)間。自動(dòng)喂食模塊由主要由程序控制電機(jī)來工作，從而來實(shí)現(xiàn)魚缸的自動(dòng)喂食功能。

本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)[6]，在工作的時(shí)候運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，而且構(gòu)造清晰簡(jiǎn)潔，容易操作，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)功能的目的。自動(dòng)喂食模塊的設(shè)計(jì)采用了定時(shí)喂食，每天固定的時(shí)間進(jìn)行喂食，到了預(yù)期的時(shí)間后，電機(jī)受到控制而轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)喂食器里面的餌料就會(huì)自動(dòng)投放到魚缸。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的功率比較高，然而單片機(jī)的電源工作電源是5 V，本設(shè)計(jì)使用繼電器來控制電機(jī)工作運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)控制電路開關(guān)的效果。

圖3 喂食電機(jī)

2.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用1602LCD顯示屏，它是一種字符型液晶顯示屏，這種顯示屏的工作原理是用35點(diǎn)陣圖形來達(dá)到顯現(xiàn)字符的目的[7]。這種顯示屏不同的顯示容量每一行所能容納的字?jǐn)?shù)是不一樣的，特別靈活，功能性強(qiáng)。LED顯示屏是為了更加直觀地控制魚缸的各個(gè)功能模塊，以及通過按鈕和LED顯示屏對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行定時(shí)操作。

本系統(tǒng)中所有需要顯示的漢字、數(shù)字等都可以在我們選用的1602LCD顯示屏上顯示出來。這個(gè)顯示屏的字符集字庫中有128個(gè)字符，這些字符可以組合出我們所需要的數(shù)字、漢字等。不能串行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)，只能并行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)[8]。

圖4 顯示電路

2.5 DS1302充電計(jì)時(shí)芯片

本設(shè)計(jì)采用DS1302充電計(jì)時(shí)芯片[9]，利用串行接口來實(shí)現(xiàn)和微處理器之間的通訊。芯片內(nèi)部包含的實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供了年月日，時(shí)分秒這類的時(shí)間信息。如果這個(gè)月的天數(shù)少于30 d實(shí)時(shí)時(shí)鐘月末會(huì)自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘的顯示方式可以是12 h制的也可以是24 h制。

圖5 充電計(jì)時(shí)電路

2.6 自動(dòng)加氧、自動(dòng)換水、自動(dòng)燈光關(guān)啟模塊

魚缸內(nèi)的含氧量直接關(guān)乎魚缸內(nèi)魚兒的生命，所以魚缸內(nèi)的含氧量必須達(dá)到一個(gè)最低值來確保魚兒的正常生存。自動(dòng)加氧模塊是重要的也是最基礎(chǔ)的一個(gè)模塊，自動(dòng)加氧模塊是由程序控制氧氣泵的工作，從而來實(shí)現(xiàn)魚缸的自動(dòng)加氧功能。因?yàn)檠鯕夂勘３忠欢ǚ秶秃?，所以加氧裝置需要每隔一段時(shí)間啟動(dòng)一段時(shí)間，這樣才可以保證魚缸內(nèi)的氧氣處于一定范圍。本設(shè)計(jì)中，設(shè)定氧氣泵開兩個(gè)小時(shí)后停兩個(gè)小時(shí)，也可通過按鈕手動(dòng)啟動(dòng)氧氣泵[10]。

一個(gè)魚缸的燈光效果可以為魚缸的觀賞效果增色不少。本設(shè)計(jì)根據(jù)室內(nèi)光線的明暗自動(dòng)開啟燈光效果，當(dāng)室內(nèi)光線比較弱時(shí)，魚缸內(nèi)燈就自動(dòng)開啟，當(dāng)室內(nèi)光線比較亮?xí)r，魚缸內(nèi)燈就自動(dòng)關(guān)閉。

魚兒必須生活在潔凈的水中，如果魚兒生活在不干凈的環(huán)境中，輕則危害魚兒正常生長，重則會(huì)導(dǎo)致魚兒的死亡，所以魚缸內(nèi)的水過一段時(shí)間就需要換一次，本設(shè)計(jì)通過按鈕對(duì)魚缸進(jìn)行換水。

圖6 自動(dòng)喂食、加氧電路

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能魚缸，系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投放餌料，實(shí)現(xiàn)了魚缸內(nèi)的水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)加氧、自動(dòng)換水、自動(dòng)燈光關(guān)啟等功能。整個(gè)設(shè)計(jì)占用空間小，質(zhì)量輕，智能化程度較高，操作簡(jiǎn)單便捷，極大地方便了人們的生活。從程序方面來看，C語言是整個(gè)程序的所有控制中心，編程方法使用模塊化的思想，使每一個(gè)模塊之間都關(guān)聯(lián)較少，這樣彼此之間的影響就會(huì)降低很多，當(dāng)其中一些模塊發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)影響其他模塊的正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)上接口比較多，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展更多的功能。

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DesignofIntelligentFishTankBasedonSingleChipMicrocomputer

Yang Dongying

(BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

With the development of social economy and science and technology, ornamental fish tank crafts have gradually entered the home enviroment, office environment, shopping environment and other locations. However, the detection for aquarium water temperature, water changing, baits putting and other operations need to manually operate and to spend a lot of time and effort. The design in the paper takes the STC89C52 microcontroller as the control core, uses C language for programming, combines with DC motors, temperature sensors and other hardware to achieve the intelligent control of automatic feeding, automatic oxygenation, automatic change of water tank, automatic lighting and closing, automatic temperature adjusting and so on. The realization of the design brings great convenience to people’s life.

singlechip; fishtank; intelligent control

2017-10-16

中北大學(xué)橫向課題委托項(xiàng)目(2016001)

楊冬英(1973- )女，山西靜樂縣人，講師，碩士，主要從事應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器等方面的研究。

1674- 4578(2017)06- 0034- 04

TP368.1;TM925

A