【正文】 足系統(tǒng)的是為高度檢測(cè)無(wú)死區(qū)，本系統(tǒng)采用超聲波水位傳感器。綜合分析，C51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)控制芯片的不二選擇。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。如果選擇得不合適,就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),或是影響整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。2． 輸出模塊。3． 時(shí)鐘電路。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(duì)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(hào)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。為了盡可能的保證水溫在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，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。具體的步驟分析如圖 所示。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(chǎng)合、控制對(duì)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。用戶可直接從LCD顯示屏讀取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。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。如今是國(guó)際水族產(chǎn)品看中國(guó)，許多國(guó)外大的采購(gòu)公司都盯準(zhǔn)中國(guó)這個(gè)市場(chǎng)，把長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)放在中國(guó)。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。而從最開始的功能單一的一個(gè)養(yǎng)動(dòng)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(duì)完備的生態(tài)系統(tǒng)，這不僅體現(xiàn)的是人們對(duì)美的重新認(rèn)識(shí)和對(duì)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。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(yǔ)言編程等技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括恒溫、自動(dòng)換水、自動(dòng)喂食、自動(dòng)水循環(huán)等，并可根據(jù)需要增加控制參數(shù)，通過(guò)選擇不同元器件控制成本。在最開始，水族箱多見(jiàn)于展覽館、海洋公園等的公共場(chǎng)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。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(duì)象，對(duì)日常養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的綜合自動(dòng)化及其應(yīng)用技術(shù)展開研究，這對(duì)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(dòng)化發(fā)展具有較大的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。而在剛開始的飼養(yǎng)過(guò)程中，水族設(shè)備市場(chǎng)上的魚缸控制系統(tǒng)都是功能比較簡(jiǎn)單的設(shè)備。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(duì)水系要求較高的觀賞和經(jīng)濟(jì)水生物的養(yǎng)護(hù)。3．系統(tǒng)操作。2．軟件設(shè)計(jì)：本部分以C語(yǔ)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(lái)，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。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。2． 水位高度控制：在放置狀態(tài)下，水族箱中的水會(huì)自動(dòng)的蒸發(fā)，為了滿足水族箱在沒(méi)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(duì)水位高度加以控制，能夠自動(dòng)的檢測(cè)水位的高低，能夠自動(dòng)的排水或是補(bǔ)水。輸入/輸入模塊主要是根據(jù)控制芯片發(fā)出的控制指令完成各路數(shù)據(jù)的采集。該部分的主要作用是提供系統(tǒng)時(shí)中，方便定時(shí)自動(dòng)的投喂飼料。主要受控制模塊控制的各相應(yīng)執(zhí)的行機(jī)構(gòu)組成。目前，市場(chǎng)上的單片機(jī)種類繁多，在進(jìn)行正式的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)之前，需要根據(jù)不同單片機(jī)的特性，從中作出合理的選擇。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。 AT89C51單片機(jī)的功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫（1000次）flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM時(shí)鐘頻率024MHZ3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)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(cè)模塊、水位檢測(cè)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(bào)警模塊。超聲波水位傳感器是采用回聲定位，通過(guò)聲波從傳感器發(fā)出碰到水面后在返回到傳感器的時(shí)間來(lái)測(cè)量水位的高度，超聲波液位傳感器有以下特點(diǎn)：（1） ，能滿足幾乎所有的水族箱。時(shí)鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。相對(duì)于C語(yǔ)言，它的指令處理速度較快。與匯編語(yǔ)言相比，這無(wú)疑降低了51單片機(jī)的使用難度。 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(jì)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(duì)主要芯片做了簡(jiǎn)要介紹；最后給出了軟件設(shè)計(jì)方案和編程語(yǔ)言的選擇，為下一步具體的軟硬件設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。3． 根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)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(jià)比、較好的可替代性、較低的功耗等原則。本系統(tǒng)的電源主要是給控制模塊及傳感器供電，它對(duì)電壓、功率的要求都比較低。由電容兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)，可以達(dá)到輸出波形趨于平滑的目的。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令[6]。AT89C51單片機(jī)沒(méi)有內(nèi)部晶振，不能自己產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)提供始終基準(zhǔn)。由6腳和4只電容構(gòu)成。15腳GND、16腳VCC（+5v）。 MAX232電路 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)在上面各部分硬件電路的基礎(chǔ)上，AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)已經(jīng)基本成型。Vcc2: 備份電源。 LCD12864引腳定義表引腳符號(hào)LEVEL功能說(shuō)明1VSS0V一般接地2VDD+5V接電源（）3V0對(duì)比度（亮度）調(diào)整4CSH/L摸組片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時(shí)鐘：上升沿時(shí)讀取SID數(shù)15PSBLL:串口方式16RESETH/L復(fù)位端，低電平有效19AVDD背光源電壓+5V20KVSS背光源負(fù)端0V帶中文字庫(kù)的LCD12864A1每屏可顯示4行8列共32個(gè)1616點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)168點(diǎn)陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。 12864外圍電路 按鍵模塊電路設(shè)計(jì)由于本控制系統(tǒng)對(duì)的功能較為復(fù)雜，需要用戶設(shè)定的值較多，而又受限于AT89C51單片機(jī)的I/O口數(shù)量的限制，本系統(tǒng)選用較為節(jié)約I/O口的4*4矩陣鍵盤。C～+125176?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。在正常情況下，水族箱的水溫是和室溫相同的。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。HRSR04超聲波集成模塊采用的是I/O觸發(fā)測(cè)距，給至少10 us的高電平信號(hào)。器驅(qū)動(dòng)電路與上一節(jié)中的加熱棒的驅(qū)動(dòng)電路相同。在本章里主要從器件的選型、經(jīng)濟(jì)成本、還有原理圖設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)分析等多個(gè)方面闡述了這六個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)方案。 讀取系統(tǒng)電子時(shí)鐘及顯示液晶顯示器上顯示的時(shí)間是由時(shí)鐘芯片DS1302提供的，該芯片通過(guò)簡(jiǎn)單的串行口與單片機(jī)進(jìn)行通信。3. 用單片機(jī)將DS1302的寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出，用液晶將其顯示出來(lái)。位6：如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了4*4鍵盤。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個(gè)按鍵之中。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為340 m/s，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為：S=340t/2=170t因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器周期T的計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則：T＝12/fosc=t=NT＝N（s）S＝170NT＝170N（m）在程序中按式S＝170NT＝170N。當(dāng)水位傳感器采集到的水位高度高于設(shè)定時(shí)，水族箱中的水泵開始工作并抽水來(lái)降低水族箱中的水位高度，使水族箱中的水位高度維持在一個(gè)恒定值。如果測(cè)得的溫度大于0，；如果溫度小于0。到達(dá)投食時(shí)間){TMOD=0x01。 num++。 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要是溫度采集、時(shí)鐘讀取、鍵盤的控制、蜂鳴器及液晶顯示等。1． 錯(cuò)線、開路、短路：由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的錯(cuò)線、開路、短路等故障。 創(chuàng)新點(diǎn)與應(yīng)用范圍 設(shè)計(jì)總結(jié)1． 本系統(tǒng)綜合利用傳感器技術(shù)，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，開發(fā)了一套對(duì)水里的環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)潔實(shí)用的自動(dòng)控制系統(tǒng)。4． 能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投食功能。 展望雖然本課題達(dá)到了最初的目的，為水族箱中魚類和水草的生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控提供了實(shí)用的控制系統(tǒng)，但是由于時(shí)間短、學(xué)科上和本人水平的限制，系統(tǒng)研制中還有很多考慮不周的地方。若要將本系統(tǒng)產(chǎn)品化，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和調(diào)試。如需要更準(zhǔn)確的含氧量數(shù)據(jù)，可以在擴(kuò)展排針上接溶氧量傳感器電路；這些擴(kuò)展排針接口還可以增加水中含氮量傳感器電路，使水中的環(huán)境參數(shù)控制更精確。[7] 馬忠梅:《單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》 [M], 北京航空航天大學(xué)出版社1997年版 ，第568頁(yè)。另外，在校圖書館查找資料的時(shí)候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。 [10] 談世哲:《電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型范例》[M],電子工業(yè)出版社2008年版，1344頁(yè)。通過(guò)本控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)，本人學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)一個(gè)電子產(chǎn)品的一般過(guò)程，包括原理圖的設(shè)計(jì)、修改、網(wǎng)路報(bào)表的生成、元器件報(bào)告的輸出、原理圖導(dǎo)入PCB圖、PCB圖元件的布局、覆銅板的腐蝕等等。 本章小結(jié)通過(guò)這次設(shè)計(jì)，本人學(xué)到很多寶貴的東西，學(xué)會(huì)了課題研究的一般過(guò)程，學(xué)會(huì)了如何解決實(shí)踐中遇到的難題，將所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)際相結(jié)合起來(lái)，在一定程度上提高自己的動(dòng)手能力和問(wèn)題解決能力。若有市場(chǎng)需求，可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入此項(xiàng)功能。產(chǎn)品的應(yīng)用范圍：只要適用于家庭、水族館、辦公室等觀賞型水族類養(yǎng)殖場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)智能化管理，不僅可以減少人為不確定因素對(duì)水族箱造成的不良結(jié)果，而且系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)設(shè)多種節(jié)能工作模式，方便使用者選擇。3． 系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編程，程序結(jié)構(gòu)清晰，鍵盤操作和LCD液晶顯示界面非常友好，操作者在使用該系統(tǒng)時(shí)輕松方便。2． 元器件損壞：由于對(duì)元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過(guò)程中操作不當(dāng)致使器件損壞。而且具有開放性的特點(diǎn)，容易移植、修改和擴(kuò)展。例如想讓投食時(shí)間持續(xù)一秒鐘，則只需要把num設(shè)置成50即可。 TL0=(6553650000)%256。 DS18B20溫度讀取流程圖 恒溫控制本控制系統(tǒng)在恒溫控制的過(guò)程中會(huì)把溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的溫度值進(jìn)行對(duì)比，到實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差達(dá)到一定的值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟加熱棒給水加熱，當(dāng)水溫回到誤差范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加熱系統(tǒng)從而使水族箱中的水溫穩(wěn)持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。從DS18B20中讀取溫度的過(guò)程是：首先獲取DS18B20中的溫度值，該溫度值為BCD碼形式，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換，以十進(jìn)制形式輸出溫度值，且此時(shí)輸出的溫度值含有兩位小數(shù)，但輸出時(shí)沒(méi)有小數(shù)點(diǎn)，輸出的溫度值是實(shí)際溫度的一百倍。根據(jù)前面的對(duì)超聲接收電路的分析，在超聲波集成模塊接收到超聲波回波信號(hào)后，使系統(tǒng)中斷，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理程序。 按鍵檢測(cè)流程圖編寫單片機(jī)的鍵盤檢測(cè)程序時(shí)，一般在檢測(cè)按下時(shí)需要加入去抖延時(shí)，檢測(cè)松手就不用加去抖延時(shí)。判斷被按下按鍵的位置在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。在沒(méi)有外部信號(hào)時(shí)，51單片機(jī)的輸入口默認(rèn)為是高電平。位0（最低有效位）：如為0，表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作。2. 為了配合器件時(shí)序，用延時(shí)來(lái)降低單片機(jī)的速度。對(duì)于一天的記錄有12小時(shí)制和24小時(shí)制兩種模式。