黃多輝?王漢森

摘 要：隨著人們物質(zhì)生活的改善和欣賞水平的提高，觀賞魚缸之類的工藝產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了家庭、賓館和商場(chǎng)等公共場(chǎng)所。但是，目前市場(chǎng)上觀賞魚缸所需的諸如喂食和換水等操作都需要人為手工進(jìn)行，這給人們很大的不便。通過對(duì)目前市場(chǎng)上水族箱控制設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的分析和研究，本文提出了一種多功能的觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了實(shí)物的制作，實(shí)現(xiàn)了魚缸自動(dòng)投食、自動(dòng)水循環(huán)、自動(dòng)殺菌、水溫檢測(cè)和自動(dòng)照明的多種功能。這些功能既減少了觀賞者喂魚的麻煩，也保證了良好的水質(zhì)和衛(wèi)生狀況。另外，燈光智能控制不僅提高了觀賞質(zhì)量還實(shí)現(xiàn)了魚缸節(jié)能環(huán)保的要求。

關(guān)鍵詞：魚缸；自動(dòng)控制；單片機(jī)；串口通訊

1 引言

據(jù)最新資料顯示：近年來水族產(chǎn)品的日漸豐富，水族市場(chǎng)更加繁榮昌盛，水族行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的年增長率達(dá)到13.8%。其市場(chǎng)空間的拓展速度也預(yù)示著將有更多的投資機(jī)會(huì)點(diǎn)。隨著魚缸產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，巨大的魚缸市場(chǎng)的需求也極大推動(dòng)了國內(nèi)外各種魚缸控制設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的魚缸需經(jīng)常換水和補(bǔ)充氧氣，并常配備水泵和空氣泵，用以清潔水體和補(bǔ)充氧氣。但這些設(shè)備的工作時(shí)間會(huì)因季節(jié)、溫度及飼養(yǎng)魚的多少而不同。每天需要進(jìn)行多次開關(guān)操作，這樣的連續(xù)工作會(huì)縮短設(shè)備的壽命，不利于節(jié)能。

根據(jù)調(diào)查市場(chǎng)上現(xiàn)有的魚缸控制系統(tǒng)都是功能較簡(jiǎn)單的設(shè)備。如燈光照明控制，只能人為的進(jìn)行開關(guān)控制；溫度的控制，采用加熱棒進(jìn)行加熱控制，由于加熱棒本身采用雙金屬片溫控以及手工控制加熱棒的開關(guān)，造成溫控精度較差，很難達(dá)到期待的恒溫效果。因而市場(chǎng)亟需一種新的系統(tǒng)能把這些功能整合在一起，構(gòu)成多功能控制器。這些儀器集溫度、燈光、充氧、報(bào)警等控制功能于一體。功能設(shè)計(jì)上要求性能穩(wěn)定可靠安裝、調(diào)試維護(hù)方便。

因此，根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)的需求，以魚缸中的水溫、溶氧量、光照等的控制為研究對(duì)象，我們開發(fā)了一套集多種功能于一體的控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)解決了人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)魚缸繁雜的維護(hù)問題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的智能魚缸有多種功能，我們用模塊化思路來實(shí)現(xiàn)整體魚缸的設(shè)計(jì)需求，該系統(tǒng)包括主控、按鍵、顯示、溫度、紅外、時(shí)鐘和外設(shè)等七個(gè)模塊。鍵盤模塊用用來設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、投食時(shí)間和系統(tǒng)殺菌過濾時(shí)間；溫度模塊用來測(cè)量當(dāng)前環(huán)境溫度；紅外模塊時(shí)檢測(cè)是否有人體靠近，單片機(jī)通過輸出各種各種信號(hào)來控制外設(shè)模塊作；系統(tǒng)的時(shí)間、溫度和設(shè)置參數(shù)等數(shù)據(jù)則通過液晶模塊顯示出來。圖1給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖。

該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，結(jié)合傳感器技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括自動(dòng)照明、自動(dòng)換水、自動(dòng)喂食、自動(dòng)水循環(huán)等功能，并可根據(jù)需要增加控制參數(shù)，通過選擇不同元器件控制成本。第一部分是以STC89C51為核心的控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種控制參數(shù)的設(shè)置、存儲(chǔ)、顯示和處理。第二部分是輸入輸出部分，用于采集由傳感器傳送過來的各種信號(hào)，并輸出多路信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸相應(yīng)功能的實(shí)時(shí)控制，兩部分之間通過串口進(jìn)行通訊。

3 智能魚缸硬件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為控制核心，該芯片具有在線編程功能，功耗低，能在3.3V的超低壓下工作。時(shí)鐘芯片采用DS1302，它是一款高性能、低功耗、自帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有使用壽命長、精度高和功耗低等特點(diǎn)，同時(shí)具有掉電自動(dòng)保存功能，可以對(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，其工作電壓為2.5V～5.5V。溫度檢測(cè)模塊由DS18B20構(gòu)成，它采用獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)溫范圍在-55～+125℃，工作電壓為3V～5.5V。顯示部分使用1602液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn)，它具有低功耗、壽命長、可靠性高的特點(diǎn)，其工作電壓為5V。人體紅外感應(yīng)模塊采用HC-SR501模塊，該模塊是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，工作電壓在4.2V～20V，具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)、超低功耗和超低電壓工作模式等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

3.2 時(shí)鐘電路模塊的設(shè)計(jì)

圖3是DS1302的引腳排列，其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。X1和X2是振蕩源，外接32.768KHz晶振用來為芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。

3.3 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

DS18B20采用外部電源供電方式，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該部分電路設(shè)計(jì)如圖4。

3.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

1602顯示電路設(shè)計(jì)如圖5所示。將L1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1， E 端和P2.2相連。當(dāng)RS=0時(shí)，對(duì)LCD1602寫入指令；當(dāng)RS=1時(shí)，對(duì)LCD1602寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)R/W端接高電平時(shí)芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，E端為使能信號(hào)端。當(dāng)R/W為高電平，E端也為高電平，RS為低電平時(shí)，液晶顯示屏顯示需要顯示的示數(shù)。

3.5 獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)在正常應(yīng)用過程中可能會(huì)經(jīng)常進(jìn)行鍵操作，因而編程控制方式使CPU經(jīng)常處于工作狀態(tài)。 在進(jìn)行本次設(shè)計(jì)中，只涉及到了切換、加、減和移位4個(gè)功能。如圖6所示。

3.6 紅外模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用HC-SR501模塊，此模塊較為簡(jiǎn)單，它具有三管腳，一接電源一接地中間輸出管腳接單片機(jī)，如圖7所示。

3.7 外設(shè)模塊設(shè)計(jì)

外設(shè)部分為單片機(jī)通過繼電器控制的投食，照明燈，殺菌過濾設(shè)備。本系統(tǒng)采PNP管直接驅(qū)動(dòng)繼電器，如圖8所示。

4 智能魚缸軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電時(shí)進(jìn)行初始化操作，系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)有設(shè)置鍵按下時(shí)進(jìn)入修改時(shí)間模式，在修改時(shí)間模式下設(shè)置時(shí)間完成后再送數(shù)據(jù)到液晶屏顯示；無按鍵按下時(shí)讀取時(shí)間、溫度等數(shù)據(jù)送入液晶屏顯示。

4.1 時(shí)鐘程序流程圖

DS1302開始計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行初始化，當(dāng)有中斷信號(hào)時(shí)，讀取時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)送入液晶屏顯示。這時(shí)若有設(shè)置鍵按下時(shí)，進(jìn)行時(shí)間和相應(yīng)參數(shù)修改，完成后將數(shù)據(jù)送入時(shí)鐘芯片；若沒有按鍵按下，則直接存入EPROM，送入液晶屏顯示。整個(gè)控制流程如圖9。

4.2 溫度程序流程圖

開始進(jìn)入初始化DS18B20，即通過主機(jī)拉低單線產(chǎn)生復(fù)位脈沖然后釋放該線。如果有應(yīng)答脈沖，則發(fā)起ROM命令；當(dāng)成功的執(zhí)行ROM命令后，就使用Convert T命令開始溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換溫度完成后，再初始化DS18B20，觀察是否有應(yīng)答脈沖。若有，就發(fā)起Read Scratchpad（讀取暫存器和CRC字節(jié)）命令，然后同時(shí)讀出第1、2個(gè)字節(jié)，即為溫度的數(shù)據(jù)。整個(gè)控制流程如圖10。

4.3 顯示程序流程圖

顯示程序流程圖如圖11。首先對(duì)1602顯示屏進(jìn)行初始化（初始化大約持續(xù)10ms左右），然后檢查忙信號(hào)，若BF=0，則獲得顯示RAM的地址，寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示；若BF=1，則代表模塊正在進(jìn)行內(nèi)部操作，不接受任何外部指令和數(shù)據(jù)，直到BF=0為止。

5 結(jié)論和展望

本文針對(duì)觀景魚缸在溫度監(jiān)控、自動(dòng)殺菌、自動(dòng)換水等實(shí)際需求，詳盡地分析魚缸中各種環(huán)境參數(shù)對(duì)魚類和水草的影響，從魚缸的日常養(yǎng)護(hù)要求和實(shí)際工作環(huán)境出發(fā)，設(shè)計(jì)了魚缸多功能控制系統(tǒng)并用單片機(jī)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果看，此控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)魚缸水溫按魚類和水草的生長要求進(jìn)行自動(dòng)溫度檢測(cè)顯示，自動(dòng)水循環(huán)控制和自動(dòng)殺菌控制，這對(duì)魚類和水草的生長是至關(guān)重要的。整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化，這不僅節(jié)省了人力物力，還消除人為因素對(duì)魚缸控制的不確定性影響，保證所養(yǎng)殖的魚類和水草的正常生長，提高了效率。

較長時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試表明該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單方便、具有多種節(jié)電工作模式。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，易于規(guī)模化生產(chǎn)，可廣泛用于家庭和賓館等安裝觀賞魚缸的場(chǎng)所。

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