【正文】 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）多功能水族箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目　　錄摘　　要 1引　　言 11 緒論 1 課題背景與研究目的 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 課題主要研究內(nèi)容 2 課題研究的步驟 32 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5 系統(tǒng)的具體功能 5 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu) 5 主要元器件的選取 7 系統(tǒng)控制器的選擇 7 輸入輸出模塊元器件的選取 8 編程軟件與語言工具的選取 9 本章小結(jié) 103 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 硬件設(shè)計(jì)概述 11 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì) 11 控制模塊電路設(shè)計(jì) 13 AT89C51單片機(jī)引腳功能簡介 13 AT89C51單片機(jī)外圍電路組成 15 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 17 電子時(shí)鐘模塊電路設(shè)計(jì) 17 DS1302芯片簡介 17 DS1320外部引腳功能及結(jié)構(gòu)電路 18 按鍵及顯示模塊電路設(shè)計(jì) 19 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 19 按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 20 水溫檢測及恒溫控制模塊電路設(shè)計(jì) 21 DS18B20芯片介紹 21 DS18B20溫度檢測電路 22 水溫加熱控制電路設(shè)計(jì) 22 水位檢測及水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì) 23 HRSR04超聲波模塊及工作原理簡介 23 水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì) 24 自動投食控制模塊 25 聲光報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 25 本章小結(jié) 264 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 27 軟件設(shè)計(jì)概述 27 主程序工作模塊及流程圖 27 讀取系統(tǒng)電子時(shí)鐘及顯示 28 按鍵掃描及參數(shù)設(shè)置 30 水位檢測及水位高度控制 33 水位檢測 33 水位高度控制 34 水溫檢測及恒溫控制模塊 35 水溫檢測 35 恒溫控制 36 自動投食控制程序模塊 37 聲光報(bào)警的軟件實(shí)現(xiàn) 38 本章小結(jié) 385 系統(tǒng)設(shè)調(diào)試與展望 39 系統(tǒng)的調(diào)試 39 系統(tǒng)硬件調(diào)試 39 系統(tǒng)軟件調(diào)試 40 創(chuàng)新點(diǎn)與應(yīng)用范圍 40 設(shè)計(jì)總結(jié) 40 創(chuàng)新點(diǎn) 40 應(yīng)用范圍和實(shí)施效果 40 展望 41 本章小結(jié) 41結(jié)論 43附錄A 46系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單、型號及單套用量 46附錄B 47系統(tǒng)仿真原理圖 47致 謝 48 1 引　　言隨著人們物質(zhì)生活的改善和欣賞能力的提高，觀賞魚缸之類的工藝產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了家庭和賓館、商場等公共場所。但是，目前市場上的觀賞魚缸的水溫檢測、液位控制、水循環(huán)、喂食等操作都需要人為的手工進(jìn)行，這就給人們帶來了很大的麻煩和不便。本文通過對目前大多數(shù)水族箱控制設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的分析和研究，提出了一種多功能的觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)基于89系列單片機(jī)的家庭水族箱控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心芯片，結(jié)合傳感器技術(shù)、繼電器原理、C語言編程等技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括恒溫、自動換水、自動喂食、自動水循環(huán)等，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。本文從功能設(shè)計(jì)、元器件選擇、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對該控制系統(tǒng)進(jìn)行闡述。通過較長時(shí)間的運(yùn)行測試，表明該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便、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)簡單、成本低廉，易于規(guī)?；a(chǎn)，可廣泛用于家庭和賓館等安裝觀賞水族箱的場所。北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論 課題背景與研究目的伴隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量與環(huán)境有著更高的要求。因此，五顏六色，美輪美奐的觀賞魚和水族箱開始進(jìn)入人們的家庭生活和辦公場所。它不但可以給人帶來美感，讓人體會與自然和諧相處的舒適生活，更能讓人們放松自己的心境，提高工作效率。而從最開始的功能單一的一個(gè)養(yǎng)動植物的水容器漸漸變成今天形狀繁多、功能復(fù)雜的水族箱這一相對完備的生態(tài)系統(tǒng)，這不僅體現(xiàn)的是人們對美的重新認(rèn)識和對高生活水平的追求，也體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的革新和進(jìn)步。在最開始，水族箱多見于展覽館、海洋公園等的公共場所供大家觀賞，但是隨著生活水平的顯著提高，而且也得益于科技和養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展。水族箱已經(jīng)走進(jìn)了尋常百姓家。近幾年來，以水草、各種魚類為主的被稱作“水中微縮的魚草園林” 水族箱變得越來越流行，深受人們的喜愛。盡管人們有著這樣美好的生活追求，但是日益加快的生活節(jié)奏、快速上漲的勞動成本、每天繁忙的工作任務(wù)都使我們感到無比的疲勞，在這種情況下本來是用來愉悅自己的水族箱卻應(yīng)為要主人的每天照料而變成了一項(xiàng)使人心煩意亂的勞動負(fù)擔(dān)。這種不可避免的矛盾，就使智能水族箱控制系統(tǒng)的誕生創(chuàng)造了條件。它能夠自動調(diào)節(jié)各種環(huán)境指標(biāo)，使水族箱在沒有專人看管的條件下還能在一定的時(shí)間內(nèi)保證其內(nèi)部的環(huán)境能夠達(dá)到魚類生活的指標(biāo)，最大限度的減少勞動成本、減輕勞動負(fù)擔(dān)。盡管現(xiàn)在越來越多的人意識到這個(gè)問題，而且市場上也陸續(xù)出現(xiàn)了各種智能水族箱，例如帶水溫控制的水族箱、帶溫度控制的水族箱等等。但是由于很多都是單一控制的水族箱或者功能有限，不能稱為一個(gè)控制系統(tǒng)或是滿足客戶多樣化的需求。因此，本文以家庭中魚缸的日常養(yǎng)護(hù)為背景，以魚缸中的水位、水溫、溶氧量等的控制為研究對象，對日常養(yǎng)護(hù)過程中的綜合自動化及其應(yīng)用技術(shù)展開研究，這對利用高新技術(shù)改造原有的家庭水族以及傳統(tǒng)規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的自動化發(fā)展具有較大的實(shí)際意義和研究價(jià)值。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)代的水族箱飼養(yǎng)最先開始于1851年的英國萬國工業(yè)博覽會上。由于各種科學(xué)技術(shù)與制造工藝的限制，當(dāng)時(shí)的水族箱無論是結(jié)構(gòu)上還是在功能上都是很簡陋的。由于現(xiàn)代電力技術(shù)的高速發(fā)展，也使得水族箱系統(tǒng)的發(fā)展飛速前進(jìn)?，F(xiàn)在相同的人工照明、通風(fēng)、過濾、水溫加熱等一整套控制系統(tǒng)的發(fā)明都成為可以相互協(xié)調(diào)的一個(gè)系統(tǒng)。我國水族箱控制系統(tǒng)的起步比較晚。隨著二十世紀(jì)八、九十年代中國的改革開放，中國開始融入這個(gè)世界，觀賞魚水族箱這個(gè)舶來品也開始進(jìn)入我們的生活中，近年來其快速發(fā)展的狀況使其成為一股新興的經(jīng)濟(jì)力量受到經(jīng)濟(jì)界及業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。如今是國際水族產(chǎn)品看中國，許多國外大的采購公司都盯準(zhǔn)中國這個(gè)市場，把長遠(yuǎn)的目標(biāo)放在中國。而在剛開始的飼養(yǎng)過程中，水族設(shè)備市場上的魚缸控制系統(tǒng)都是功能比較簡單的設(shè)備。如水族箱溫度的控制，人們采用的是加熱棒進(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啟停，造成溫度控制精度較差，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的供熱，對于水溫的恒溫控制造成了難度。再如水族箱的供氧問題，由于水溶解氧的特性決定，水中氧氣的濃度是有限度的，達(dá)到水中氧氣一定的程度時(shí)，或者魚缸內(nèi)魚量密度不高時(shí)，即使是在夏天時(shí)節(jié)也沒有必要一直充氧可以采用間隔充氧和換水，否則再進(jìn)行充氧都是多余的，也必然浪費(fèi)大量的電力資源。因此電路簡單，能分擔(dān)人們不必要的手工的水族箱控制電路系統(tǒng)也隨之而生。水族箱中各種參數(shù)的控制，也產(chǎn)生了相關(guān)的控制設(shè)備。如間有自動水溫控制器、自動喂食器、燈火自動控制器等這些設(shè)備各自獨(dú)立運(yùn)行，控制相應(yīng)的箱內(nèi)參數(shù)，所以造成獨(dú)立的控制設(shè)備配置數(shù)量繁多，不但購買獨(dú)立的設(shè)備耗費(fèi)資金多，而且不利于整個(gè)系統(tǒng)的操作。這些儀器集溫度、燈光、投食、報(bào)警等控制功能于一體。功能設(shè)計(jì)上追求性能穩(wěn)定可靠安裝、調(diào)試、維護(hù)方便。此外，這些控制器不僅可以廣泛應(yīng)用于家庭觀賞水族箱的養(yǎng)護(hù)管理；而且也適用于水族養(yǎng)殖業(yè)，尤其是賓館、飯店、展廳、居家等對水系要求較高的觀賞和經(jīng)濟(jì)水生物的養(yǎng)護(hù)。因此多功能組合的水族箱電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有必要的。 課題主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)擬以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)為核心控制單元，同時(shí)結(jié)合傳感器技術(shù)與檢測技術(shù)，開發(fā)出一套可以用于各種水族箱和各種環(huán)境的集水位高度控制，實(shí)時(shí)溫度檢測，定時(shí)投料喂食等各種功能于一體的智能綜合控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能是：1．功能。采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)水族箱自動換水、自動喂食、冷熱自動恒溫、狀態(tài)顯示等功能。2．人機(jī)界面。本系統(tǒng)的人機(jī)操作界面采用LCD顯示屏、LED指示燈顯示，具有直觀、簡介、易操作等多重特點(diǎn)。用戶可直接從LCD顯示屏讀取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。3．系統(tǒng)操作。本系統(tǒng)通過按鍵來設(shè)置各種參數(shù)，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需求來設(shè)定不同的系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。另外用戶也可通過按鍵來時(shí)時(shí)讀取各種系統(tǒng)信息。按鍵與LCD顯示屏的配合使用使本系統(tǒng)具有簡易的操作性。4．系統(tǒng)報(bào)警。本系統(tǒng)具有報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)的某些參數(shù)超過設(shè)定值的限制的時(shí)候，系統(tǒng)的核心控制單元會通過LED和蜂鳴器發(fā)出聲光提示，使系統(tǒng)能夠在一個(gè)安全可靠的環(huán)境下工作。5．生產(chǎn)成本：本系統(tǒng)使用價(jià)格低廉的AT89C51單片機(jī)為控制核心，其外圍電路采用市面上常見的各種傳感器，具有成本低廉、加工簡單等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的可生產(chǎn)性。根據(jù)系統(tǒng)要求和系統(tǒng)功能特點(diǎn)，本課題研究的主要內(nèi)容是:1．總體設(shè)計(jì)方案：首先按照系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對象等選擇合理的總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案，并在此方案下仔細(xì)劃分軟件部分和硬件部分各自應(yīng)完成的功能。2．軟件設(shè)計(jì)：本部分以C語言為核心，利用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊分離開來，使各個(gè)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再把其整理成一個(gè)統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)，這使得本軟件系統(tǒng)具有很高的可移植性，使得本控制系統(tǒng)能夠多樣化。3．硬件電路設(shè)計(jì)：由于現(xiàn)在市場上各種集成芯片種類繁多，而且基本功能大體一致，都能滿足我們的設(shè)計(jì)要求，因此在滿足系統(tǒng)要求的前提下，根據(jù)“性價(jià)比最高”原則，選擇既適合于本系統(tǒng)，又運(yùn)行可靠的芯片和元器件，從而設(shè)計(jì)出最合理的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4．電路繪制：本控制系統(tǒng)采用并用 DXP 電路設(shè)計(jì)軟件來繪制電路的原理圖及印制電路板。5．系統(tǒng)的調(diào)試：當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路及軟件系統(tǒng)都完成后，即可開始系統(tǒng)調(diào)試。在單片機(jī)開發(fā)裝置上，用調(diào)試軟件對程序進(jìn)行調(diào)試，查看系統(tǒng)的軟件漏洞和硬件故障，經(jīng)過不斷地修改，使系統(tǒng)不斷的完善。最后然后把調(diào)好硬件電路和軟件系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，是系統(tǒng)能夠獨(dú)立的、無故障的、安全的運(yùn)行。 課題研究的步驟本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中嚴(yán)格遵循科學(xué)的研究方法，從課題的選擇、系統(tǒng)功能的定義、器件的選型、原理圖的設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、硬件電路的調(diào)試、軟件程序設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作與聯(lián)機(jī)調(diào)試、整機(jī)運(yùn)行測試等幾大步驟逐一完成。具體的步驟分析如圖 所示。圖 課題研究的步驟2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)為核心控制單元。它的硬件控制部分包括電源模塊、控制模塊、輸入/輸出、顯示模塊四大模塊。其中控制模塊包含了數(shù)據(jù)的存儲，指示電路、按鍵、時(shí)鐘電路等。系統(tǒng)的輸入控制模塊包含了溫度檢測、水位高低檢測、繼電器驅(qū)動等等。顯示模塊包含了指示燈及LED顯示屏等。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的具體功能1． 水族箱水溫的檢測：各種魚類對水溫的要求不同，而且環(huán)境的變化也會引起水溫的巨大變化，這種變化不僅會影響的魚類的活動、進(jìn)食，還有可能造成它們的免疫力下降等。水族箱里各種魚類和水草生長需要相對穩(wěn)定的且適合的水溫，所以本系統(tǒng)必須控制水的溫度。為了盡可能的保證水溫在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動，使水族箱內(nèi)的溫度參數(shù)可以及時(shí)調(diào)整控制，本系統(tǒng)可自行設(shè)置溫度上下限，同時(shí)預(yù)置了恒溫控制模式。2． 水位高度控制：在放置狀態(tài)下，水族箱中的水會自動的蒸發(fā)，為了滿足水族箱在沒有人的干預(yù)的情況下仍能夠保持自身系統(tǒng)的穩(wěn)定，本系統(tǒng)必須對水位高度加以控制，能夠自動的檢測水位的高低，能夠自動的排水或是補(bǔ)水。3． 自動喂食/換水系統(tǒng)：隨著人們的生活水平的提高，生活的節(jié)奏也隨之提高，人們空余的時(shí)間也越來越少，因此，魚缸的自動換食自動換水的功能的出現(xiàn)也就存在它的必然性。本系統(tǒng)通過對單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)定，通過按鍵設(shè)置換水投料的時(shí)間從而使單片機(jī)自動的控制水泵和換食裝備給水族箱換水換食，從而釋放人們的空余時(shí)間。4． 故障報(bào)警：本系統(tǒng)主要是針對水泵斷流、溫度系統(tǒng)故障等各種極端情況發(fā)出警報(bào)，以免造成重大損失。 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)由電源模塊、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(bào)警模塊、電子時(shí)鐘模塊組成。其核心控制模塊由AT89C51單片機(jī)組成，再配合以DS18B20溫度傳感器、DS1302時(shí)鐘芯片、液晶顯示器、繼電器驅(qū)動電路、LED驅(qū)動電路等外圍電路組成一個(gè)完整的硬件電路系統(tǒng)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖從整體來看，本系統(tǒng)主要包括核心控制電路、電源模塊、輸入/輸出電路以及顯示模塊這四部分組成。其中電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電以維持其正常工作； 核心控制電路完成對各路數(shù)據(jù)的處理及分析，最后再出判斷并發(fā)出控制信號控制各個(gè)模塊的工作狀況，指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常運(yùn)行。輸入/輸入模塊主要是根