毕业设计论文 多功能水族箱控制系统的设计.docx

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毕业设计论文多功能水族箱控制系统的设计

摘　　要

伴随着人们物质生活的改善和对高生活质量的追求，水族箱等工艺产品逐渐进入了人们的家庭、酒店、商场等场所。

但是，目前市场上的水族箱的水温控制、液位控制、换水、喂食等一系列操作都需要人工进行。

这不仅使过程非常繁琐，而且还间接的增加了人工成本。

本文基于对目前市场上大多数水族箱功能的分析和研究，提出了一种多功能的智能水族箱控制系统的设计方案。

该系统以STC89C51单片机为核心芯片，结合各类传感器技术，集多种控制功能于一体，包括水族箱的恒温控制、液位高度控制、自动定时换水、自动投料喂食等，并且可根据个人需求设置控制参数。

本文从功能简述、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。

本系统经过较长时间的上电运行测试，能够把各项控制参数维持在误差允许的范围内，这表明该系统具有很高的可靠性。

另外，该系统还具有操作简洁方便、参数实时显示等特点。

同时该系统设计灵活、结构简单、成本低廉、易于规模化生产，可广泛用于家庭和酒店等适合水族箱安装的场所。

关键词：

自动控制；AT89C51单片机；水族箱；传感器技术

Abstract

Withtheimprovementofpeople'smateriallifeandthepursuitofhighqualityoflife,technologyproductssuchasaquaticanimalsgraduallyenteredpeople'sfamily,hotels,shoppingmallsandotherplaces.However,currentlyonthemarketofaquaticanimalsboxtemperaturedetection,levelcontrol,changewater,feedingandaseriesofoperationneedstobeartificial.Thisnotonlymakestheprocessiscumbersome,butalsoindirectlyincreasethelaborcosts.

Inthispaper,basedontheanalysisofthefunctionofmostaquaticanimalsboxonthemarketatpresentandresearch,putforwardakindofmulti-functionalintelligentcontrolsystemofaquaticanimalsboxdesign.STC89C51microcontrollerasthecorechip,thesystemcombinesallkindsofsensortechnology,integratingavarietyofcontrolfunctions,includingtankthermostaticcontrol,levelcontrol,automaticlighting,automatictimingchangewater,automaticfeeding,feeding,etc.,andsetupcontrolparametersaccordingtoindividualdemand.Thispaperbrieflyfromthefunction,componentsselection,hardwarecircuitdesignandsoftwaredesignofthecontrolsystemisexpounded.

Thesystemafteralongtimetoelectricitytorunthetest,canholdthecontrolparametersintherangeofallowableerror,thisshowsthatthesystemhashighreliability.Inaddition,thesystemalsohastheoperationsimpleandconvenient,parameters,real-timedisplay,etc.Atthesametimethesystemflexibledesign,simplestructure,lowcost,easytolarge-scaleproduction,canbewidelyusedinhouseholdandhotelandplacesofaquaticanimalsboxissuitableforinstallation.

KeyWords：

automaticcontrol;SeriesMCU;aquarium;sensortechnology

目　　录

引　　言

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AT89C51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水族箱的场所。

1绪论

1.1课题背景与研究目的

伴随着生活水平的提高，人们对生活质量与环境有着更高的要求。

因此，五颜六色，美轮美奂的观赏鱼和水族箱开始进入人们的家庭生活和办公场所。

它不但可以给人带来美感，让人体会与自然和谐相处的舒适生活，更能让人们放松自己的心境，提高工作效率。

而从最开始的功能单一的一个养动植物的水容器渐渐变成今天形状繁多、功能复杂的水族箱这一相对完备的生态系统，这不仅体现的是人们对美的重新认识和对高生活水平的追求，也体现了现代科学技术的革新和进步。

在最开始，水族箱多见于展览馆、海洋公园等的公共场所供大家观赏，但是随着生活水平的显著提高，而且也得益于科技和养殖业的飞速发展。

水族箱已经走进了寻常百姓家。

近几年来，以水草、各种鱼类为主的被称作“水中微缩的鱼草园林”水族箱变得越来越流行，深受人们的喜爱。

尽管人们有着这样美好的生活追求，但是日益加快的生活节奏、快速上涨的劳动成本、每天繁忙的工作任务都使我们感到无比的疲劳，在这种情况下本来是用来愉悦自己的水族箱却应为要主人的每天照料而变成了一项使人心烦意乱的劳动负担。

这种不可避免的矛盾，就使智能水族箱控制系统的诞生创造了条件。

它能够自动调节各种环境指标，使水族箱在没有专人看管的条件下还能在一定的时间内保证其内部的环境能够达到鱼类生活的指标，最大限度的减少劳动成本、减轻劳动负担。

尽管现在越来越多的人意识到这个问题，而且市场上也陆续出现了各种智能水族箱，例如带水温控制的水族箱、带温度控制的水族箱等等。

但是由于很多都是单一控制的水族箱或者功能有限，不能称为一个控制系统或是满足客户多样化的需求。

因此，本文以家庭中鱼缸的日常养护为背景，以鱼缸中的水位、水温、溶氧量等的控制为研究对象，对日常养护过程中的综合自动化及其应用技术展开研究，这对利用高新技术改造原有的家庭水族以及传统规模化水产养殖产业的自动化发展具有较大的实际意义和研究价值。

1.2国内外研究现状

现代的水族箱饲养最先开始于1851年的英国万国工业博览会上。

由于各种科学技术与制造工艺的限制，当时的水族箱无论是结构上还是在功能上都是很简陋的。

由于现代电力技术的高速发展，也使得水族箱系统的发展飞速前进。

现在相同的人工照明、通风、过滤、水温加热等一整套控制系统的发明都成为可以相互协调的一个系统。

我国水族箱控制系统的起步比较晚。

随着二十世纪八、九十年代中国的改革开放，中国开始融入这个世界，观赏鱼水族箱这个舶来品也开始进入我们的生活中，近年来其快速发展的状况使其成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注。

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。

而在刚开始的饲养过程中，水族设备市场上的鱼缸控制系统都是功能比较简单的设备。

如水族箱温度的控制，人们采用的是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，造成温度控制精度较差，无法进行准确的供热，对于水温的恒温控制造成了难度。

再如水族箱的供氧问题，由于水溶解氧的特性决定，水中氧气的浓度是有限度的，达到水中氧气一定的程度时，或者鱼缸内鱼量密度不高时，即使是在夏天时节也没有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，也必然浪费大量的电力资源。

因此电路简单，能分担人们不必要的手工的水族箱控制电路系统也随之而生。

水族箱中各种参数的控制，也产生了相关的控制设备。

如间有自动水温控制器、自动喂食器、灯火自动控制器等这些设备各自独立运行，控制相应的箱内参数，所以造成独立的控制设备配置数量繁多，不但购买独立的设备耗费资金多，而且不利于整个系统的操作。

这些仪器集温度、灯光、投食、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水族箱的养护管理；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。

因此多功能组合的水族箱电子控制系统的设计是很有必要的。

1.3课题主要研究内容

本系统拟以ATMEL公司生产的AT89C51单片机为核心控制单元，同时结合传感器技术与检测技术，开发出一套可以用于各种水族箱和各种环境的集水位高度控制，实时温度检测，定时投料喂食等各种功能于一体的智能综合控制系统。

本控制系统的特点及功能是：

1．功能。

采用单片机控制，实现水族箱自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、状态显示等功能。

2．人机界面。

本系统的人机操作界面采用LCD显示屏、LED指示灯显示，具有直观、简介、易操作等多重特点。

用户可直接从LCD显示屏读取系统的实时数据。

3．系统操作。

本系统通过按键来设置各种参数，用户可根据自己的实际需求来设定不同的系统参数，使系统具有更强大的环境适应能力。

另外用户也可通过按键来时时读取各种系统信息。

按键与LCD显示屏的配合使用使本系统具有简易的操作性。

4．系统报警。

本系统具有报警功能，当系统的某些参数超过设定值的限制的时候，系统的核心控制单元会通过LED和蜂鸣器发出声光提示，使系统能够在一个安全可靠的环境下工作。

5．生产成本：

本系统使用价格低廉的AT89C51单片机为控制核心，其外围电路采用市面上常见的各种传感器，具有成本低廉、加工简单等优点，具有很强的可生产性。

根据系统要求和系统功能特点，本课题研究的主要内容是:

1．总体设计方案：

首先按照系统的应用场合、控制对象等选择合理的总体设计设计方案，并在此方案下仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能。

2．软件设计：

本部分以C语言为核心，利用模块化的程序设计方法，把系统的各个功能模块分离开来，使各个模块单独进行设计，最后再把其整理成一个统一的软件系统，这使得本软件系统具有很高的可移植性，使得本控制系统能够多样化。

3．硬件电路设计：

由于现在市场上各种集成芯片种类繁多，而且基本功能大体一致，都能满足我们的设计要求，因此在满足系统要求的前提下，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，从而设计出最合理的硬件拓扑结构。

4．电路绘制：

本控制系统采用并用DXP电路设计软件来绘制电路的原理图及印制电路板。

5．系统的调试：

当系统的硬件电路及软件系统都完成后，即可开始系统调试。

在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查看系统的软件漏洞和硬件故障，经过不断地修改，使系统不断的完善。

最后然后把调好硬件电路和软件系统结合成一个统一的整体，是系统能够独立的、无故障的、安全的运行。

1.4课题研究的步骤

本系统在设计开发的过程中严格遵循科学的研究方法，从课题的选择、系统功能的定义、器件的选型、原理图的设计、电路板设计、硬件电路的调试、软件程序设计、样机制作与联机调试、整机运行测试等几大步骤逐一完成。

具体的步骤分析如图1.1所示。

图1.1课题研究的步骤

2控制系统总体设计方案

本系统以ATMEL公司生产的AT89C51单片机为核心控制单元。

它的硬件控制部分包括电源模块、控制模块、输入/输出、显示模块四大模块。

其中控制模块包含了数据的存储，指示电路、按键、时钟电路等。

系统的输入控制模块包含了温度检测、水位高低检测、继电器驱动等等。

显示模块包含了指示灯及LED显示屏等。

2.1系统设计方案

2.1.1系统的具体功能

1．水族箱水温的检测：

各种鱼类对水温的要求不同，而且环境的变化也会引起水温的巨大变化，这种变化不仅会影响的鱼类的活动、进食，还有可能造成它们的免疫力下降等。

水族箱里各种鱼类和水草生长需要相对稳定的且适合的水温，所以本系统必须控制水的温度。

为了尽可能的保证水温在稳定的范围内波动，使水族箱内的温度参数可以及时调整控制，本系统可自行设置温度上下限，同时预置了恒温控制模式。

2．水位高度控制：

在放置状态下，水族箱中的水会自动的蒸发，为了满足水族箱在没有人的干预的情况下仍能够保持自身系统的稳定，本系统必须对水位高度加以控制，能够自动的检测水位的高低，能够自动的排水或是补水。

3．自动喂食/换水系统：

随着人们的生活水平的提高，生活的节奏也随之提高，人们空余的时间也越来越少，因此，鱼缸的自动换食自动换水的功能的出现也就存在它的必然性。

本系统通过对单片机系统的设定，通过按键设置换水投料的时间从而使单片机自动的控制水泵和换食装备给水族箱换水换食，从而释放人们的空余时间。

4．故障报警：

本系统主要是针对水泵断流、温度系统故障等各种极端情况发出警报，以免造成重大损失。

2.1.2系统总体硬件结构

本系统由电源模块、核心控制模块、按键及显示模块、水位检测及水位高度控制模块、水温检测及恒温控制模块、自动投食控制模块、声光报警模块、电子时钟模块组成。

其核心控制模块由AT89C51单片机组成，再配合以DS18B20温度传感器、DS1302时钟芯片、液晶显示器、继电器驱动电路、LED驱动电路等外围电路组成一个完整的硬件电路系统。

外围电路与核心控制器的关系如图2.1所示。

图2.1系统结构框图

从整体来看，本系统主要包括核心控制电路、电源模块、输入/输出电路以及显示模块这四部分组成。

其中电源模块给整个系统供电以维持其正常工作；核心控制电路完成对各路数据的处理及分析，最后再出判断并发出控制信号控制各个模块的工作状况，指导整个系统各项参数正常运行。

输入/输入模块主要是根据控制芯片发出的控制指令完成各路数据的采集。

显示模块主要完成各项参数的实时显示。

其中控制部分包括：

1．核心控制电路。

主要以AT89C51单片机为控制核心，包括晶振，复位电路等。

该部分的主要功能是完成对各路数据的处理及分析并及时的发出种控制信号，从而使系统能正常工作。

2．LCD显示电路。

该部分的主要功能是人机交互，通过该模块用户可以实时的读取各种控制信息，实现对系统的整个环境的了解，以达到最好的控制效果。

3．时钟电路。

该部分的主要作用是提供系统时中，方便定时自动的投喂饲料。

4．按键控制电路。

该部分的主要作用是方便用户自行设定的工作环境参数，以提高系统的环境适应能力。

输入输出部分包括：

1．输入模块。

主要包含了温度检测模块和水位高低模块。

温度模块采集的数据是执行鱼缸的制冷与升温操作依据，其控制命令通过分析采集的数据进行判断处理。

水位高低检测模块主要是对鱼缸的水位进行检测，通过液位控制器反馈信号给单片机的I/O接口。

2．输出模块。

主要受控制模块控制的各相应执的行机构组成。

单片机通过将信息的采集值与设定值进行比较处理，发出控制信号，传输给执行机构，从而对环境参数进行调节。

本控制系统的硬件设计采用集成的模式，把除了温度采集模块以外的各个模块都集成到一个的盒子中，这样既能保证系统的安全与美观，又能缩小系统的体积。

放在水中的温度传感器由防水的信号线与整个系统相连接，这样既能实现其与整个系统的隔离，又能事实现温度信号的实时的、准确的传递到控制器中。

2.2主要元器件的选取

2.2.1系统控制器的选择

在控制系统的设计与开发中，控制芯片是整个系统设计的核心，整个系统的外围电路都要围绕着控制芯片展开，同时它还关系到整个控制软件的设计，因此选择合适的控制芯片的型号很重要。

而一般小型控制系统的的控制芯片都选用单片机。

如果整个系统的单片机型号选择得合适,单片机应用系统就会即经济又工作可靠;如果选择得不合适,就会造成经济浪费,或是影响整个单片机应用系统。

目前，市场上的单片机种类繁多，在进行正式的单片机应用系统开发之前，需要根据不同单片机的特性，从中作出合理的选择。

在单片机选型时，主要注意以下几点：

1．仔细调查市场，尽量选用主流的，货源充足的单片机型号，这些器件使用的比较广泛，有许多设计资料供学习或参考。

2．尽量选择所需的硬件资源集成在单片机内部的型号，例如ADC、DAC、12C、SPI和USB等，这样便于整个控制系统的软件管理，减少外部硬件的投入，缩小整体电路板的面积，从而减少总体投资等。

3．对于手持式设备，移动设备或者其他需要低功耗的设备，尽量选择低电压，低功耗的单片机型号，这样可以减少能量消耗，延长设备的使用寿命。

4．在资金等条件允许的情况下，尽量选择功能丰富，扩展能力强的单片机，这样便于以后的功能升级和扩展。

而在本系统中，考虑到本系统的控制复杂程度、经济成本、安全等性能要求，美国ATMEL公司的AT89C51单片机为最佳选择。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

从对整个系统的控制能力上来说，AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。

这些功能基本能满足本系统的控制要求。

从经济角度上来说，C51单片机的价格低廉，能有效的降低整个系统的硬件成本。

综合分析，C51单片机是整个系统控制芯片的不二选择。

表2.1AT89C51单片机的功能特性

兼容MCS51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）flashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

时钟频率0-24MHZ

3个16位可编程定时/计数器中断

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

2.2.2输入输出模块元器件的选取

输入输出模块主要包括了温度检测模块、水位检测模块、键盘控制与显示模块、继电器控制模块、指示灯与蜂鸣器报警模块。

以上模块中的继电器、指示灯与蜂鸣器都比较容易选择，所以本章主要介绍温度检测、水位检测、键盘控制与显示模块元器件的选取。

1．温度检测模块芯片的选取

目前市面上的温度传感器型号多种多样，不同的型号有不同的功能和使用场合。

常用的温度传感器芯片有DS18B20、AD7416、AD7417、AD7418、AD590等等。

我们在选型的时候不仅要考虑芯片的精度、稳定性，还要考虑经济方面的因素，尽量选取物美价廉的芯片。

DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20具有超低的功耗、超小的体积、强大的抗干扰能力、极高的精度、良好的防水性能，另外它的价格也是在同类产品中比较低廉的，所以它是我们这个系统温度传感器的不二选择。

2．水位检测模块的选取

目前市场上流通的水位监测有很多种，有压力式水位传感器、浮球液开关等等。

但是为了降低系统的成本、提高系统检测的精度，并且满足系统的是为高度检测无死区，本系统采用超声波水位传感器。

超声波水位传感器是采用回声定位，通过声波从传感器发出碰到水面后在返回到传感器的时间来测量水位的高度，超声波液位传感器有以下特点：

（1）超声波液位传感器的量程为1.25米，能满足几乎所有的水族箱。

（2）超声波液位传感器输出的电平信号为0-5V，能够和单片机很好的吻合。

（3）超声波液位传感器输出的电流小，范围为4~20mA，易于检测。

（4）超声波液位传感器的探头材质为PVDF，耐酸碱腐蚀，不易损坏。

3．电子时钟模块芯片的选取

本系统的时钟芯片采用DS1302。

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。

实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。

DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到3个口线：

1）RES（复位），2）I/O（数据线），3）SCLK（串行时钟）。

时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。

DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息功率小于1mW。

4．键盘控制与显示模块元件的选取

键盘控制和显示界面是与智能控制器人机交互过程中非常重要的且不可或缺的两个部分，它是我们了解机器运行状况的重要渠道。

它的选择对与整个智能控制系统的性能至关重要，它的性能的好坏，直接影响并决定了整个控制系统操作性能的优劣。

本控制系统采用矩阵键盘，它的结构简单、处理方便，非常适合I/O口较少的单片机。

显示模块采用LCD模块，它编程方便、显示信息量大、价格低廉，非常适合于本系统。

2.3编程软件与语言工具的选取

AT89C51单片机通用的编程语言有C语言和汇编语言。

汇编语言是一种采用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是这两种语言中最接近机器码的一种语言。

相对于C语言，它的指令处理速度较快。

但是它的移植性比较差，对于不同的类型的单片机而言，其汇编语言的指令码可能有较大的差异，因为他们的指令系统是有区别的。

而C语言是一种编译型程序设计语言，它集成了多种高级语言的不同特点，并具备汇编语言所具有的功能。

另外C语言具有功能强大、丰富的库函数，对于数据的大量处理和运算来说有独特