水族箱智能控制器Word文档下载推荐.docx
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SchoolofAutomation
NanjingInstituteofTechnology
June,2016
摘要
随着社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，观赏类的产品受到人们的青睐，因此智能水族箱深受消费者欢迎。
在一些公共场合，观赏类水族箱起到了美化环境、提升档次的作用。
本课题设计了水族箱智能控制器。
根据一些常见的水族箱的问题，设计了一种以STC89C52RC为核心的单片机控制系统，通过结合传感器让水温，水位，充氧等实现智能化控制。
其中实现的主要功能是：
温度控制部分是结合DS18B20传感器，对温度进行实时检测，温度过低则升温，过高则降温；
水位控制部分通超声波传感器，对水深检测，水位低了则加水；
并通过红外线遥控器进行充氧的开断控制以及参数的设置；
LCD1602对实时参数的显示，以及操作步骤的显示。
并且分别对此系统的温度显示与控制模块，控制充氧模块，水位显示与控制模块等进行硬件电路的设计，以及软件方面的设计，从而进行结合调试形成一个完整的智能化控制系统。
经过一段时间对该设备的调试与运行，实验的结果显示该设备性能稳定，操作方便，实用性教强，由于其结构控制简单，成本较低，所以可以普及，并且适用于大多数水族箱场所。
关键词：
水族箱；
单片机；
智能化
ABSTRACT
Withthedevelopmentofsociety,people'
squalityoflifebecomeincreasinglydemanding,ornamentalproductsbypeopleofallages,sointelligentaquariumwelcomedbyconsumers.Insomepublicplaces,ornamentalaquariumplayedalandscapingtoimprovethegradeoftherole.Thistopicisdesignedaquariumintelligentcontroller.
AccordingtosomecommonaquariumproblemswithSTC89C52RCdesignedamicrocontrollerasthecorecontrolsystem,throughacombinationofsensorletswatertemperature,waterlevel,oxygenationandotherintelligentcontrol.Themainfunctionofwhichistoachieve:
thetemperaturesensorDS18B20controlsectionisacombinationofreal-timedetectiontemperature,theheatingtemperatureistoolow,toohighcooling;
waterlevelcontrolsectionthroughanultrasonicsensortodetectwaterdepth,waterlevelislow,addwater;
andviainfraredremotecontroloxygenationofbreakingandsettingcontrolparameters;
LCD1602displayofreal-timeparameters,andtheprocedureisdisplayed.Andrespectivelyofthissystemtemperaturedisplayandcontrolmodule,thecontrolmoduleoxygenation,hardwarecircuitdesignleveldisplayandcontrolmodule,andsoftwaredesignstobecombinedtoformacompletedebuggingintelligentcontrolsystem.
Afteraperiodofcommissioningandoperationoftheequipment,theexperimentalresultsshowthattheequipmentstableperformance,easyoperation,practicalteachingisstrong,duetoitscontrolstructureissimple,lowcost,soitcanbeuniversalandapplicabletomostplacesaquarium.
Keywords:
Aquarium;
Microcontroller;
Intelligent
第一章绪论1
1.1选题背景1
1.2研究与发展现状1
1.3主要研究内容2
第二章总体方案设计4
2.1设计要求4
2.2总体方案与功能4
2.2.1硬件结构框图4
2.2.2功能组成与控制参数5
2.3主要元器件的选取5
2.3.1单片机的选取5
2.3.2温度传感器的选取7
2.3.3液晶显示屏的选取7
2.3.4超声波传感器选取8
2.3.5红外线模块的选取8
第三章硬件设计9
3.1硬件总体设计思路9
3.2主控制电路设计9
3.3水温控制电路设计11
3.4水位控制电路设计12
3.5充氧控制电路设计13
3.6状态显示电路设计14
3.7按键设置电路设计14
3.8红外线电路设计15
3.9原理图及电路板设计16
第四章软件设计18
4.1软件设计方法18
4.2主控制模块18
4.3液晶显示模块21
4.4温度控制显示模块21
4.5水位控制与显示模块22
4.6红外线遥控设置模块22
4.7充氧设置与显示模块23
第五章设计调试中遇到的问题25
5.1水温控制与显示模块问题25
5.2水位控制与显示模块问题26
5.3按键控制和设置模块问题30
5.4显示与优化30
第六章结论31
6.1论文总结31
6.2展望32
致34
参考文献35
附录A：
硬件设计原理图与PCB图37
附录B：
软件程序清单39
第一章绪论
1.1选题背景
随着时代的进步，技术的更新，人们对自然环境的追求也慢慢开始有了变化，水族箱不仅仅局限于是一个供金鱼水草等动植物生存的水容器，而且还是一个小型的生态系统，可以把它当做一个自然域的缩影[1]。
如今水族进入了一个蓬勃发展的阶段，水族箱慢慢的进入了越来越多的场合当中，诸如办公室[1]，展览区，家庭等各种场合，已然变成了一种社会化的趋势。
然而随着水族箱的普及，一些问题开始慢慢暴露出来，尤其是体现在上班族照看的场合当中，由于缺乏相应的专业知识以及技巧，一些水族箱会出现没人喂食，水长期没换，水中氧气不足，水位不够，水温过高或者偏低等问题。
这样往往会导致水族箱生态系统的破坏以及水族生物的死亡等诸多后果。
如今，市面上大部分水族箱的智能功能较单一，一般只能实现一个到两个功能的智能化控制，并不能真正起到生态系统智能化的作用，甚至因为某些原因滞后可能加速水族箱生态系统的衰败。
这些因素导致了部分人想利用水族箱进行放松、减压的目的难以达到，使得观赏的价值大打折扣甚至望而却步，因此诸类问题的集中，往往抑制了水族产业的发展。
1.2研究与发展现状
由于经济的高速发展，百姓的生活水平的提高，人们不再仅仅满足于物质层面的温饱问题，开始了对文化等精神层次的更高追求。
因此更多文化、精神等高层次物品引来了人们的关注，得到了一个飞速的发展。
人们对身边的住宿环境，工作环境也开始有了新的追求。
在这种形式下，观赏性建筑，和物品，休闲养生类等迎来了一个发展的黄金时机，得到了一个井喷式的发展。
当然，隶属于观赏性物品的水族行业，也同样得到了一个高速发展的黄金时机。
这种好的形式下，一些投资商也瞄准这块市场，因为它带来的巨大经济效益，使得人们不得不对其投入更多关注[2]。
根据当前的调查表明，目前水族行业的产业规模每年以15.6%的速率增长，并且每年在此产业的消费已经达到了300多亿元。
并且其中各类水族箱的份额就占到了接近三分之一，尤其是各种壁挂式的水族箱经历了一个爆发型的增长到一个迅速下滑的极端，然而按照现在发展的趋势，水族箱的增长又会重新回到一个稳定发展的状态，但是由于基数的庞大，所以仍是一个相当可观的行业。
由于市场上对这块的重视，不少新型含有高科技含量的水族箱被研究出来，也为未来水族箱的发展带来了一个好的期望。
由于中国市场的庞大，所以诸多国外行业也盯着中国水族行业。
目前，全国各大生活质量较高的城市：
譬如北上广等一线城市，越来越多的开发商把壁挂水族作为一个亮点，来吸引顾客们的注意，从而达到更好的营销楼盘的目的。
由此可见将来大部分消费者家中都会有水族身影的日子也不会太遥远了。
诸多因素促使了水族行业的高速稳定发展。
目前市面上存在着各种各样的水族箱，虽然水族箱的产品有很多，但是功能大多比较单一，仅仅体现在外观和造型上，所以基本能解决的问题大都不多。
传统的水族箱大多是不智能的，仅仅配备了充氧泵和抽水泵，用以更换水源和提供水族足够的氧气。
由于这些产品大多是由人控制开关数，所以会由于水族数量的多少而一天进行多次的开启和关闭操作。
由于设备的经常性开关，会对设备造成巨大的损耗，这样不仅会减短设备的使用时间，还会大量的浪费资源。
因此市面上开始出现了各种单一的智能控制系统，形如智能水位循环控制，智能水温控制，智能照明控制，智能喂食控制等等各种单一的控制系统设备。
但是往往一个生态系统需要多个系统的配合，所以要是一个水族箱上增加多个单一的控制设备，成本会比较高，水族箱整体承受的负担也比较大，所占空间相对较多看起来比较凌乱复杂。
所以不少水族箱厂家开始争相研发多功能智能水族箱，但是由于其功能较齐全，系统性比较完整等因素，所以造价以及售价上会比较高。
针对以上诸多因素，本次课题主要依据市面上流转的各种水族箱所存在的一些问题以及一些功能上的缺陷，设计制作了一种基于STC89C52单片机实现智能控制的系统，此系统能够实现的功能主要是对水温的自动检测与显示、对水温的恒温控制、水位的深度检测与显示并控制水位的高度以及充氧等诸多功能的智能控制设备。
此设备制作价格相对实惠，功能较齐全、实用性比较强、操作简单等，因此可以广泛适用于多种水族场合。
1.3主要研究内容
本课题是基于STC89C52RC单片机的智能控制器，实现对水温，水位等环境参数智能检测、控制和显示等功能。
此控制器主要实现的是通过结合传感器的监测数据对水位，温度等参数对水位高低和水温的温度控制，以及充氧实现开关控制，使水位和温度保持在一个系统设定的范围之内，超出范围实现报警，并实现升温和加水等功能操作，并且控制充氧从而完成对整个水族箱的水质的自动监测和智能控制。
此系统不仅大大减轻了人们的负担，减少了资源的浪费而且形成了一个小型的循环系统，使得这个微型的生态系统可以更好的保存，维持下去。
本系统通过LCD1602液晶显示屏，进行对水位和水温等参数的实时显示，利用DS18B20传感器进行水温的检测；
以及超声波传感器，进行对水位深度的检测，从而可以更好地了解目前的水位和水温的状况[3]。
本系统还增加了红外线遥控设置，通过遥控器进行远程控制温度设置，从而使得使用更加方便。
根据上文所提到的智能系统的一些要求和将要实现的功能，本课题初步设计了方案，将设计主要分为两大部分：
硬件设计部分和软件设计部分。
硬件设计分别对应温度显示，温度检测，温度控制，水位检测，水位控制，控制充氧，红外线遥控设置几大模块。
相应的在软件方面也是针对这几大模块在Kiel环境下编写程序。
然后进行软件和硬件的联合，调试，并进行对系统的差错和修改，然后把完成的程序下载到开发板中，进行最后的脱机运行，检查核实是否能够实现所需的以上所有功能。
第二章总体方案设计
2.1设计要求
课题设计要求如下：
（1）能够实现对水族箱中的温度进行实时检测，并且把温度控制的范围在：
17℃-27℃。
（2）通过万能遥控器输入来进行对水族箱预期温度的设置。
（3）利用超声波传感器，通过距离差来判断水位的高低，从而通过水深高度的值来将水位划分高、低档。
（4）利用LCD1602液晶显示器进行对水温的温度值和设定值进行显示，并且按键输入超出温度范围的时候会做出相应的指令，表示温度超出范围。
以及对水位高度的显示。
（5）基于STC89C52RC单片机，结合红外线遥控设置，对充氧模块实现远程开关控制。
2.2总体方案与功能
2.2.1硬件结构框图
水族箱智能控制器是基于STC89C52RC单片机，该控制器利用DS18B20温度传感器对水温的温度值进行自动检测，把温度参数传送给单片机，与通过红外线远程控制设定温度数值相比较，并且对实时温度值在LCD1602液晶显示屏上刷新显示，比较判断之后如果温度不够时，液晶显示屏上会显示“it'
sheatingnow”状态，并且系统会通过单片机发出指令，对加热器进行控制，从而达到设定温度的效果[4]。
水位检测模块通过超声波传感器进行对水位的测量判断传出数据到单片机中，与系统设定的水位高、低档值相比较，单片机进行指令的发放，从而控制水泵的工作状态来控制水位的高度。
通过万能遥控器按键进行充氧设置。
硬件的总体结构设计框图如下图2.1所示。
氧气的控制设置
图2.1总体结构框图
2.2.2功能组成与控制参数
结合目前市场上现有的各种水族箱，了解这些水族箱的功能并分析其中的优缺点，从而完成本课题研究。
本课题研究水族箱智能控制器主要分为以下几个部分：
主机控制部分、水温控制部分、水位控制部分、充氧控制部分、状态显示部分、红外线设置部分，这些共同组成了一个功能完善的多功能智能水族箱控制器。
课题研究设计的智能控制器的控制对象是水族箱，智能控制器的主要目的是自动地控制相关参数，从而为水族箱中的鱼类提供最合适的水质和生活环境[5]。
在设计时需要注意的相关控制参数有：
水温、水位的高低、水中的溶氧量[6]等。
下表2-1显示该控制器对各项控制参数的处理[7]。
表2-1控制参数
项目
控制参数
相应处理措施
1
水温
根据设定的温度范围控制加热器的启动或停止
2
水位
根据水位高低控制进水泵的启动与停止
3
水溶氧量
根据所需时间要求定时控制氧气泵的启动与停止
2.3主要元器件的选取
2.3.1单片机的选取
本课题我们引用的是由STC公司最新推出的性价比相对比较高的STC89系列单片机。
STC89系列单片机的性能STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品[8]。
它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容[9]。
STC89C52RC单片机具有8K的可编程Flash存储器，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口[10]。
另外STC89C52RC可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式[11]。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作[12]。
其引脚图如图2.2所示。
图2.2STC89C52RC单片机引脚图
利用的相关STC89C52RC单片机的部分重要参数如下：
•增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
•工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。
•通用I/O口（32个），复位后为：
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
•共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2。
•外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
2.3.2温度传感器的选取
Dallas半导体公司的DS18B20支持“一总线”接口[13]，温度测量范围为-55℃～+125℃，可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±
0.5℃[14]。
设值计数器，所设的值是对应于-55℃，如果在周期结束前，计数器到达0，那么温度寄存器的值就会增加，这表明所测得的温度是大于-55℃的[14]。
这个时候计数器复位，而复位值是由补偿感温振荡器抛物线特性的斜坡式累加器电路来确定的，然后又开始计数，一直计数到0[14]。
在给定温度下必须知道计数器的值和每一度的计数值，这样才能获得所需要的分辨力，对此计算的结果，DS18B20内部可提供0.5℃的分辨力[15]。
DS18B20是可以采用两种方式供电的，一种是电源供电方式，此时，DS18B20的1号引脚接地，2号引脚作为信号线，3号引脚接电源。
而另一种是寄生电源的供电方式，这时候的单片机端口是接单线总线的，因此要使用MOSFET管上拉总线，从而保证在DS18B20的时钟周期内能够提供足够的电流[16]。
此外，DS18B20通过每个期间内的唯一序列号，允许在一条总线上连接多个设备，并且准确无误的控制任何一个设备。
2.3.3液晶显示屏的选取
随着科学技术的发展，液晶显示器的价格也逐步降低。
液晶显示器一般可按显示方式分为字符式、点阵式、段式等，它既可进行黑白显示，也可以进行彩色显示，还能调节亮度。
它按驱动方式可分为静态驱动、单纯矩阵驱动、主动矩阵驱动三种[17]。
当用LCD显示字符时，则找到对应显示的RAM区的8字节，让每字节的不同位为“1”，使它在LCD点亮；
而其它的则为“0”，而它在液晶显示屏上就不亮，这样就显示成字符了[17]。
在这之后开始设立光标，然后再将对应的代码传送到LCD就能显示字符。
LCD是采用显示图形的方式来显示汉字的[18]，而每个汉字分为左右两半各占16B。
所以，首先要将汉字的点阵码从单片机传送到LCD内[19]，然后根据LCD上的行列号和每一行的列数，找出显示RAM区相对应的地址，设立一个光标，再把汉字的第一字节传输给LCD，接着使光标的位置加上1，再送第二个字、第三个字节、……，当32B的汉字的代码内容在LCD上显示完毕时，那么就可以在LCD上看到一个完整的汉字了[19]。
2.3.4超声波传感器选取
水族箱利用超声波传感器进行的水位检测的工作原理是：
超声波传感器在40HZ的频率下工作，基于超声波发射器发出的脉冲信号，利用超声波在空气中传播遇到水族箱的水面之后，声波返回，超声波接受器接受返回信号，从而计算在空中和遇到水面之后传回的传播的时间从而计算出传播距离。
将超声波传感器在水族箱中的摆放位置和水族箱底部的距离减去传播距离，得到的就是水族箱的水深深度值，通过LCD液晶显示屏进行实时刷新传送数值，从而可以更好地知道水位的深度值。
其中超声波传感器的计算公式如下：
T式中：
V为超声波在空气中传播速度；
T为环境温度。
式中：
S为被测距离；
t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；
t1为超声回波接收时刻；
t0为超声脉冲发射时刻。
选用超声波传感器的优点有：
首先传回的数值是一个精确值，不是普通的水位传感器的模糊概念值，其次超声波传感器没有机械传动部件，也不需要直接接触水面，不用担心电磁干扰，不会被水面触碰氧化等，具有很高的稳定性，可靠性，使用期限较长。
另一个因素是超声波传感器的响应时间比较短可以进行实时检测。
2.3.5红外线模块的选取
在本系统中我们采用红外一体化接收头HS0038。
HS0038的主要材料是黑色环氧树脂，因此不受到日光、荧光灯等光源的干扰，并且其内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高[20]。
在使用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m[21]。
它接收红外信号频率为38kHz,周期约26us，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号[22]。
其三个管脚分别是接地、接＋5V电源、以及解调信号输出端[23]。
红外接收电路一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别TTL
信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用[24]。
第3章硬件设计
3.1硬件总体设计思路
本次课设的硬件部分分为了六个大的子系统模块：
主控制电路设计、水温控制电路设计、水位控制电路设计、充氧控制电路设计、按键设置电路设计、红外线电路设计。
这六大子系统共同构成了水族箱智能控制器的硬件电路设计。
3.2主控制电路设计
主系统是基于STC89C52单片机设计的控制系统，其硬系统的结构成分主要分为以下几个板块：
（1）温度检测和控制部分：
温度传感器的输出信号由I/O口传出，经处理传送到单片机的P2.2口，单片机处理判断之后从P2.4发出高、低电平，来控制温度控制电路从而控制加热器的制热或者停止。
（2）水位控制和检测部分：
超声波传感器通过P2.0和P2.1两个端口接入单片机，传入信号，然后单片机通过P1.0-P1.3信号口，通过ULN2003芯片放大信号从而控制抽水泵的开断状态。
（3）控制部分的设置：
系统可以通过红外线设置部分进行对通过红外线感应器传出信号到P3.2口，单片机进行信号处理从而控制温度的设置。
（4）充氧控制部分的设计：
单片机通过P3.2口与充氧控制电路相连接，从而控制氧气泵的开断状态，达到控制充氧的目的。
主系统控制电路图如图3.1所示。
图3.1主系统控制电路图
（5）晶振电路：
晶振电路由两个电容和晶振片构成，形成了稳定的自激振荡器。
电容通常选择30PF，对震荡频率有微调的作用，晶振的频率为11.0592MHZ。
由于晶振的频率对单片机的时钟频率产生决定性因素，因此晶振所提供的时钟频率越高，就会使得单片机的运行速率越快，所以是单片机的“心脏”。
晶振电路的产生的振荡脉冲都是通过一个2分频的触发器而成
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