【正文】 據(jù)控制芯片發(fā)出的控制指令完成各路數(shù)據(jù)的采集。顯示模塊主要完成各項參數(shù)的實時顯示。其中控制部分包括：1． 核心控制電路。主要以AT89C51單片機為控制核心，包括晶振，復位電路等。該部分的主要功能是完成對各路數(shù)據(jù)的處理及分析并及時的發(fā)出種控制信號，從而使系統(tǒng)能正常工作。2． LCD顯示電路。該部分的主要功能是人機交互，通過該模塊用戶可以實時的讀取各種控制信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的整個環(huán)境的了解，以達到最好的控制效果。3． 時鐘電路。該部分的主要作用是提供系統(tǒng)時中，方便定時自動的投喂飼料。4． 按鍵控制電路。該部分的主要作用是方便用戶自行設(shè)定的工作環(huán)境參數(shù)，以提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。輸入輸出部分包括 ：1． 輸入模塊。主要包含了溫度檢測模塊和水位高低模塊。溫度模塊采集的數(shù)據(jù)是執(zhí)行魚缸的制冷與升溫操作依據(jù)，其控制命令通過分析采集的數(shù)據(jù)進行判斷處理。水位高低檢測模塊主要是對魚缸的水位進行檢測，通過液位控制器反饋信號給單片機的I/O接口。2． 輸出模塊。主要受控制模塊控制的各相應(yīng)執(zhí)的行機構(gòu)組成。單片機通過將信息的采集值與設(shè)定值進行比較處理，發(fā)出控制信號，傳輸給執(zhí)行機構(gòu)，從而對環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)。本控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用集成的模式，把除了溫度采集模塊以外的各個模塊都集成到一個的盒子中，這樣既能保證系統(tǒng)的安全與美觀，又能縮小系統(tǒng)的體積。放在水中的溫度傳感器由防水的信號線與整個系統(tǒng)相連接，這樣既能實現(xiàn)其與整個系統(tǒng)的隔離，又能事實現(xiàn)溫度信號的實時的、準確的傳遞到控制器中。 主要元器件的選取 系統(tǒng)控制器的選擇在控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)中，控制芯片是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，整個系統(tǒng)的外圍電路都要圍繞著控制芯片展開，同時它還關(guān)系到整個控制軟件的設(shè)計，因此選擇合適的控制芯片的型號很重要。而一般小型控制系統(tǒng)的的控制芯片都選用單片機。如果整個系統(tǒng)的單片機型號選擇得合適,單片機應(yīng)用系統(tǒng)就會即經(jīng)濟又工作可靠。如果選擇得不合適,就會造成經(jīng)濟浪費,或是影響整個單片機應(yīng)用系統(tǒng)。目前，市場上的單片機種類繁多，在進行正式的單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)之前，需要根據(jù)不同單片機的特性，從中作出合理的選擇。在單片機選型時，主要注意以下幾點：1． 仔細調(diào)查市場，盡量選用主流的，貨源充足的單片機型號，這些器件使用的比較廣泛，有許多設(shè)計資料供學習或參考。2． 盡量選擇所需的硬件資源集成在單片機內(nèi)部的型號，例如ADC、DAC、12C、SPI和USB等，這樣便于整個控制系統(tǒng)的軟件管理，減少外部硬件的投入，縮小整體電路板的面積，從而減少總體投資等。3． 對于手持式設(shè)備，移動設(shè)備或者其他需要低功耗的設(shè)備，盡量選擇低電壓，低功耗的單片機型號，這樣可以減少能量消耗，延長設(shè)備的使用壽命。4． 在資金等條件允許的情況下，盡量選擇功能豐富，擴展能力強的單片機，這樣便于以后的功能升級和擴展。而在本系統(tǒng)中，考慮到本系統(tǒng)的控制復雜程度、經(jīng)濟成本、安全等性能要求，美國ATMEL公司的AT89C51單片機為最佳選擇。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。從對整個系統(tǒng)的控制能力上來說，AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口。這些功能基本能滿足本系統(tǒng)的控制要求。從經(jīng)濟角度上來說，C51單片機的價格低廉，能有效的降低整個系統(tǒng)的硬件成本。綜合分析，C51單片機是整個系統(tǒng)控制芯片的不二選擇。 AT89C51單片機的功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復擦寫（1000次）flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM時鐘頻率024MHZ3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 輸入輸出模塊元器件的選取輸入輸出模塊主要包括了溫度檢測模塊、水位檢測模塊、鍵盤控制與顯示模塊、繼電器控制模塊、指示燈與蜂鳴器報警模塊。以上模塊中的繼電器、指示燈與蜂鳴器都比較容易選擇，所以本章主要介紹溫度檢測、水位檢測、鍵盤控制與顯示模塊元器件的選取。1． 溫度檢測模塊芯片的選取目前市面上的溫度傳感器型號多種多樣，不同的型號有不同的功能和使用場合。常用的溫度傳感器芯片有DS18BAD741AD741AD741AD590等等。我們在選型的時候不僅要考慮芯片的精度、穩(wěn)定性，還要考慮經(jīng)濟方面的因素，盡量選取物美價廉的芯片。DALLAS公司生產(chǎn)的溫度傳感器DS18B20具有超低的功耗、超小的體積、強大的抗干擾能力、極高的精度、良好的防水性能，另外它的價格也是在同類產(chǎn)品中比較低廉的，所以它是我們這個系統(tǒng)溫度傳感器的不二選擇。2． 水位檢測模塊的選取目前市場上流通的水位監(jiān)測有很多種，有壓力式水位傳感器、浮球液開關(guān)等等。但是為了降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)檢測的精度，并且滿足系統(tǒng)的是為高度檢測無死區(qū)，本系統(tǒng)采用超聲波水位傳感器。超聲波水位傳感器是采用回聲定位，通過聲波從傳感器發(fā)出碰到水面后在返回到傳感器的時間來測量水位的高度，超聲波液位傳感器有以下特點：（1） ，能滿足幾乎所有的水族箱。（2） 超聲波液位傳感器輸出的電平信號為05V，能夠和單片機很好的吻合。（3） 超聲波液位傳感器輸出的電流小，范圍為4~20mA，易于檢測。（4） 超聲波液位傳感器的探頭材質(zhì)為PVDF，耐酸堿腐蝕，不易損壞。3． 電子時鐘模塊芯片的選取本系統(tǒng)的時鐘芯片采用DS1302。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到3個口線：1）RES（復位），2）I/O（數(shù)據(jù)線），3）SCLK（串行時鐘）。時鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息功率小于1mW。4． 鍵盤控制與顯示模塊元件的選取鍵盤控制和顯示界面是與智能控制器人機交互過程中非常重要的且不可或缺的兩個部分，它是我們了解機器運行狀況的重要渠道。它的選擇對與整個智能控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，它的性能的好壞，直接影響并決定了整個控制系統(tǒng)操作性能的優(yōu)劣。本控制系統(tǒng)采用矩陣鍵盤，它的結(jié)構(gòu)簡單、處理方便，非常適合I/O口較少的單片機。顯示模塊采用LCD模塊，它編程方便、顯示信息量大、價格低廉，非常適合于本系統(tǒng)。 編程軟件與語言工具的選取AT89C51單片機通用的編程語言有C語言和匯編語言。匯編語言是一種采用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是這兩種語言中最接近機器碼的一種語言。相對于C語言，它的指令處理速度較快。但是它的移植性比較差，對于不同的類型的單片機而言，其匯編語言的指令碼可能有較大的差異，因為他們的指令系統(tǒng)是有區(qū)別的。而C語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它集成了多種高級語言的不同特點，并具備匯編語言所具有的功能。另外C語言具有功能強大、豐富的庫函數(shù)，對于數(shù)據(jù)的大量處理和運算來說有獨特的優(yōu)勢，而且它還具有良好的可移植性，可以實現(xiàn)直接對系統(tǒng)硬件的控制。使用起來非常方便。此外，C語言程序還具有模塊化的程序模塊結(jié)構(gòu)，這為軟件開發(fā)中采用模塊化編程提供了有力的保障。與匯編相比，C語言有如下優(yōu)點：1. C語言不需要使用者對51單片機的指令系統(tǒng)的了解，僅要求對51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)有所掌握。至于其寄存器的分配、不同存儲器間的尋址方式及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)均由編譯器管理。與匯編語言相比，這無疑降低了51單片機的使用難度。2. C語言所構(gòu)成的程序簡單、明了，這大大的縮短了編程及程序調(diào)試的時間，從而有效的提高效率。3. 一般的C語言的編譯器提供的庫包含許多的子程序，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。4. C語言程序有強大的可移植性，因為C語言易于采用模塊化編程，能將已編好的模塊化程序可容易的植入新程序。正因為有這些優(yōu)點的支撐，使得C語言得到廣泛的支持與應(yīng)用。所以用C語言進行單片機的系統(tǒng)設(shè)計，已成為當前單片機軟件開發(fā)的一個主流趨勢。綜合以上C語言的各項優(yōu)點，本系統(tǒng)選擇了C語言進行開發(fā)，而且選用Keil軟件作為開發(fā)環(huán)境。Keil軟件是目前最流行的開發(fā)80C51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。 本章小結(jié)本章論述了多功能魚缸智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計要求，介紹了系統(tǒng)總體方案和功能組成，提出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；闡述了主要元器件的選取原則，并對主要芯片做了簡要介紹；最后給出了軟件設(shè)計方案和編程語言的選擇，為下一步具體的軟硬件設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件電路是實現(xiàn)一個系統(tǒng)信號傳遞、電氣動作等功能的具體路徑。因此，硬件的設(shè)計必須合理到位，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)的硬件主要包括八個模塊，分別是：電源模塊、核心控制模塊、按鍵及顯示模塊、水位檢測及水位高度控制模塊、水溫檢測及恒溫控制模塊、自動投食控制模塊、聲光報警模塊、電子時鐘模塊。本章主要介紹各模塊的功能以及其電路的設(shè)計，還有部分芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)和用法，并設(shè)計出具體的硬件電路。 硬件設(shè)計概述本系統(tǒng)是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的。為了保證本系統(tǒng)在性能及各方面穩(wěn)定，且能實現(xiàn)其該有的功能，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計需要遵循硬件設(shè)計規(guī)范的以下要求：1．詳細理解本系統(tǒng)的設(shè)計要求，從要求中整理出電路功能模塊和性能指標要求。2．根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能需求制定總體的設(shè)計方案，對控制器進行選型，控制器的選型包括：性價比高、容易開發(fā)、兼容性高、擴展性好。3． 根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求對外設(shè)功能模塊進行元器件選型，元器件選型應(yīng)遵循的要求是：是使用的普遍性、較高的性價比、較好的可替代性、較低的功耗等原則。4． 保證本系統(tǒng)各模塊資源不相互沖突，在設(shè)計硬件電路前要仔細閱讀系統(tǒng)中所有芯片的數(shù)據(jù)手冊，看他們未使用輸入管腳是否需要做外部處理。5． 較高的可靠性及較強的抗干擾性，根據(jù)可靠性設(shè)計理論，一個系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，那么這個系統(tǒng)的平局無故障也就時間越長，另外所用芯片數(shù)量越少，各種信號線在電路板上所受干擾的可能性也就越少。6． 硬件電路設(shè)計與軟件設(shè)計互補。一些由硬件實現(xiàn)的功能可用軟件來實現(xiàn)，反過來一些由軟件實現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。由系統(tǒng)的硬件設(shè)計規(guī)范要求以及系統(tǒng)功能的實際情況，本系統(tǒng)的控制器采用AT89C51單片機、溫度傳感器采用的是DS18B水位傳感器采用的是超聲波水位傳感器、顯示器采用LCD液晶、時鐘芯片采用DS1302。另外本系統(tǒng)還包含蜂鳴報警器、繼電器等等。 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計系統(tǒng)電源是整個控制系統(tǒng)的能量供應(yīng)，系統(tǒng)的所有模塊都不能離開電源模塊而單獨存在。本系統(tǒng)的電源主要是給控制模塊及傳感器供電，它對電壓、功率的要求都比較低。因此，為了簡化硬件電路、節(jié)省成本，本模塊的供電電源依靠電網(wǎng)得到。本系統(tǒng)的ＡＣ－ＤＣ整流電路采用單相全橋整流。其電路主要由整流二極管組成。在橋式整流電路中，因為電路中加入了二極管組（DDDD4），在交流電變化方向的時候，DD3或者DD4接通，所以交流電在一個周期內(nèi)都可以通過，所以形成了脈動直流電。 單相全橋整流波形由上圖可知經(jīng)過整流電路之后的電壓變成一種含有直流分量和交流分量的混合的脈動電壓。再經(jīng)過電容濾波后，就能得到比較平滑的12V的直流電壓。電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動的直流電變成平穩(wěn)的直流電。由電容兩端的電壓不能突變的特點，可以達到輸出波形趨于平滑的目的。 電容濾波后的波形在電網(wǎng)經(jīng)過整流二極管之前，為了降低整流側(cè)的輸入交流電壓，可在電網(wǎng)與整