【正文】 的軟件設計 軟件設計概述本系統(tǒng)的程序主要有六個模塊，分別是：電子時鐘模塊、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。 報警電路當水族箱的溫度或是水位高度等參數(shù)到達極限值時，單片機的控制I/O口會發(fā)出高電平，從而使蜂鳴器和LED燈發(fā)出聲光提示。 抽水水泵示意圖 自動投食控制模塊本系統(tǒng)的自動投食模塊的電路主要由伺服電機和食盒構(gòu)成。 超聲波模塊電路 水位高度控制模塊電路設計當系統(tǒng)的水位高度傳感器檢測到的水位高度低于設定值時，給水水泵開始工作，向水族箱中給水。一個控制口發(fā)出一個10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出?？梢詼p少了很大部分可能存在的角度干擾問題。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。所以本控制系統(tǒng)的加熱棒并不是一直啟動的，只有當單片機發(fā)出特定的控制信號后才能啟動加熱棒。在本控制系統(tǒng)中，所有的控制信號都是數(shù)字信號，但是本控制系統(tǒng)采用的加熱器是普通的電加熱棒。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20溫度檢測電路 DS18B20電路圖DS18B20芯片有三個引腳。2176。C 范圍內(nèi)，精度為177。 DS18B20芯片介紹美國 Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 一線總線接口的溫度傳感器，現(xiàn)在，新一代的 DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。由此可見，在需要的按鍵數(shù)量比較多時，采用矩陣法來連接鍵盤是非常合理的。字符顯示的RAM的地址與32個字符顯示區(qū)域有著一一對應的關(guān)系。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)的。SCLK: 串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出。DS1302工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息功率小于1mW。 DS1302芯片簡介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。6．高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。2．只需要單一 +5V電源供電。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從11引腳（T1IN）、10引腳（T2IN）輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從14腳（T1OUT）、7腳（T2OUT）送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS232數(shù)據(jù)從13引腳（R1IN）、8引腳（R2IN）輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從12引腳（R1OUT）、9引腳（R2OUT）輸出。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電?？紤]到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量不大且對數(shù)據(jù)處理的速度沒有特別的要求。 AT89C51單片機外圍電路組成為了使單片機穩(wěn)定可靠的工作，必須給單片機的20以及40管腳提供一個穩(wěn)定的5V電源。PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，～。 12V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓電路 控制模塊電路設計 AT89C51單片機引腳功能簡介本控制系統(tǒng)的核心控制芯片采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機。由U=*U2，其中U是整流后輸出的電壓；U2是整流輸入測的交流電壓。再經(jīng)過電容濾波后，就能得到比較平滑的12V的直流電壓。本系統(tǒng)的ＡＣ－ＤＣ整流電路采用單相全橋整流。另外本系統(tǒng)還包含蜂鳴報警器、繼電器等等。5． 較高的可靠性及較強的抗干擾性，根據(jù)可靠性設計理論，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。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)的硬件設計需要遵循硬件設計規(guī)范的以下要求：1．詳細理解本系統(tǒng)的設計要求，從要求中整理出電路功能模塊和性能指標要求。因此，硬件的設計必須合理到位，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。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。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。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。而C語言是一種編譯型程序設計語言，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。 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。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。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。（3） 超聲波液位傳感器輸出的電流小，范圍為4~20mA，易于檢測。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。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。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。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中。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。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。如果整個系統(tǒng)的單片機型號選擇得合適,單片機應用系統(tǒng)就會即經(jīng)濟又工作可靠。本控制系統(tǒng)的硬件設計采用集成的模式，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。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。該部分的主要作用是方便用戶自行設定的工作環(huán)境參數(shù)，以提高系統(tǒng)的環(huán)境適應能力。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。其中控制部分包括：1． 核心控制電路。 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。本系統(tǒng)通過對單片機系統(tǒng)的設定，通過按鍵設置換水投料的時間從而使單片機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間。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。其中控制模塊包含了數(shù)據(jù)的存儲，指示電路、按鍵、時鐘電路等。 課題研究的步驟本系統(tǒng)在設計開發(fā)的過程中嚴格遵循科學的研究方法，從課題的選擇、系統(tǒng)功能的定義、器件的選型、原理圖的設計、電路板設計、硬件電路的調(diào)試、軟件程序設計、樣機制作與聯(lián)機調(diào)試、整機運行測試等幾大步驟逐一完成。4．電路繪制：本控制系統(tǒng)采用并用 DXP 電路設計軟件來繪制電路的原理圖及印制電路板。5．生產(chǎn)成本：本系統(tǒng)使用價格低廉的AT89C51單片機為控制核心，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，具有很強的可生產(chǎn)性。另外用戶也可通過按鍵來時時讀取各種系統(tǒng)信息。本系統(tǒng)的人機操作界面采用LCD顯示屏、LED指示燈顯示，具有直觀、簡介、易操作等多重特點。 課題主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)擬以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機為核心控制單元，同時結(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，實時溫度檢測，定時投料喂食等各種功能于一體的智能綜合控制系統(tǒng)。這些儀器集溫度、燈光、投食、報警等控制功能于一體。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，達到水中氧氣一定的程度時，或者魚缸內(nèi)魚量密度不高時，即使是在夏天時節(jié)也沒有必要一直充氧可以采用間隔充氧和換水，否則再進行充氧都是多余的，也必然浪費大量的電力資源。隨著二十世紀八、九十年代中國的改革開放，中國開始融入這個世界，觀賞魚水族箱這個舶來品也開始進入我們的生活中，近年來其快速發(fā)展的狀況使其成為一股新興的經(jīng)濟力量受到經(jīng)濟界及業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。由于各種科學技術(shù)與制造工藝的限制，當時的水族箱無論是結(jié)構(gòu)上還是在功能上都是很簡陋的。盡管現(xiàn)在越來越多的人意識到這個問題，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。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。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。通過較長時間的運行測試，表明該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便、具有多種節(jié)電工作模式。本文通過對目前大多數(shù)水族箱控制設備應用現(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)的設計方案。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行，這就給人們帶來了很大的麻煩和不便。本文從功能設計、元器件選擇、硬件電路設計和軟件設計等幾個方面對該控制系統(tǒng)進行闡述。因此，五顏六色，美輪美奐的觀賞魚和水族箱開始進入人們的家庭生活和辦公場所。水族箱已經(jīng)走進了尋常百姓家。它能夠自動調(diào)節(jié)各種環(huán)境指標，使水族箱在沒有專人看管的條件下還能在一定的時間內(nèi)保證其內(nèi)部的環(huán)境能夠達到魚類生活的指標，最大限度的減少勞動成本、減輕勞動負擔。 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。我國水族箱控制系統(tǒng)的起步比較晚。如水族箱溫度的控制，人們采用的是加熱棒進行加熱控制，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，無法進行準確的供熱，對于水溫的恒溫控制造成了難度。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備各自獨立運行，控制相應的箱內(nèi)參數(shù)，所以造成獨立的控制設備配置數(shù)量繁多，不但購買獨立的設備耗費資金多，而且不利于整個系統(tǒng)的操作。因此多功能組合的水族箱電子控制系統(tǒng)的設計是很有必要的。2．人機界面。本系統(tǒng)通過按鍵來設置各種參數(shù)，用戶可根據(jù)自己的實際需求來設定不同的系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)具有更強大的環(huán)境適應能力。本系統(tǒng)具有報警功能，當系統(tǒng)的某些參數(shù)超過設定值的限制的時候，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)能夠在一個安全可靠的環(huán)境下工作。3．硬件電路設計：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，都能滿足我們的設計要求，因此在滿足系統(tǒng)要求的前提下，根據(jù)“性價比最高”原則，選擇既適合于本系統(tǒng)，又運行可靠的芯片和元器件，從而設計出最合理的硬件拓撲結(jié)構(gòu)。最后然后把調(diào)好硬件電路和軟件系統(tǒng)結(jié)合成一個統(tǒng)一的整體，是系統(tǒng)能夠獨立的、無故障的、安全的運行。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。 系統(tǒng)設計方案 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、進食，還有可能造成它們的免疫力下降等。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。其核心控制模塊由AT89C51單片機組成，再配合以DS18B20溫度傳感器、DS1302時鐘芯片、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完整的硬件電路系統(tǒng)。顯示模塊主要完成各項參數(shù)的實時顯示。2． LCD顯示電路。4． 按鍵控制電路。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。單片機通過將信息的采集值與設定值進行比較處理，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)。而一般小型控制系統(tǒng)的的控制芯片都選用單片機。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