【正文】 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件設(shè)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。 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(jī)和食盒構(gòu)成。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。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。所以本控制系統(tǒng)的加熱棒并不是一直啟動的，只有當(dāng)單片機(jī)發(fā)出特定的控制信號后才能啟動加熱棒。 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。C 范圍內(nèi)，精度為177。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(jī)進(jìn)行通信。2．只需要單一 +5V電源供電。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道?？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。PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，～。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。本系統(tǒng)的ＡＣ－ＤＣ整流電路采用單相全橋整流。5． 較高的可靠性及較強(qiáng)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。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。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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。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。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(jī)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(jī)器運行狀況的重要渠道。（3） 超聲波液位傳感器輸出的電流小，范圍為4~20mA，易于檢測。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。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中。2． 盡量選擇所需的硬件資源集成在單片機(jī)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。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。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。其中控制部分包括：1． 核心控制電路。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間。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。4．電路繪制：本控制系統(tǒng)采用并用 DXP 電路設(shè)計軟件來繪制電路的原理圖及印制電路板。另外用戶也可通過按鍵來時時讀取各種系統(tǒng)信息。 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)。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，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(jìn)行充氧都是多余的，也必然浪費大量的電力資源。由于各種科學(xué)技術(shù)與制造工藝的限制，當(dāng)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。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。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。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。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)。我國水族箱控制系統(tǒng)的起步比較晚。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)備各自獨立運行，控制相應(yīng)的箱內(nèi)參數(shù)，所以造成獨立的控制設(shè)備配置數(shù)量繁多，不但購買獨立的設(shè)備耗費資金多，而且不利于整個系統(tǒng)的操作。2．人機(jī)界面。本系統(tǒng)具有報警功能，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。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。 系統(tǒng)設(shè)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(jìn)食，還有可能造成它們的免疫力下降等。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)。2． LCD顯示電路。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(jìn)行判斷處理。而一般小型控制系統(tǒng)的的控制芯片都選用單片機(jī)。而在本系統(tǒng)中，考慮到本系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)成本、安全等性能要求，美國ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為最佳選擇。這些功能基本能滿足本系統(tǒng)的控制要求。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(qiáng)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。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(jī)進(jìn)行通信。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)。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。所以用C語言進(jìn)行單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計，已成為當(dāng)前單片機(jī)軟件開發(fā)的一個主流趨勢。 硬件設(shè)計概述本系統(tǒng)是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的。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(jī)、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。 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。 整流電路原理圖由于本控制系統(tǒng)統(tǒng)的控制器和傳感器的工作電壓都是5V，因此，為了給系統(tǒng)供電，仍需要對12V的直流電壓進(jìn)行DCDC變換得到控制器以及各路傳感器所需要的5V電壓。P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，～。本系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。5．內(nèi)部集成2個RS232C驅(qū)動器。時鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá)31個字節(jié)的字符組方式通信。該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒āＷ址@示RAM在液晶模塊中的地址80H～9FH。本控制系統(tǒng)的水溫傳感器選用DS18B20芯片，水溫加熱模塊采用普通的絕緣加熱棒再配合繼電器即可。DS18B20 的精度較差為177。 水溫加熱控制電路設(shè)計水族箱的恒溫控制是水族箱的一個發(fā)展趨勢，它除了保證魚能夠生活在適合的溫度中，還常用于治療病魚或為一些魚類提供較高水溫以促其繁殖。超聲波是指頻率高于20khz的機(jī)械波。而且，它的感應(yīng)的角度不大于15176。 投食系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 聲光報警模塊電路設(shè)計本系統(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，以免造成重大損失。模塊化設(shè)計的優(yōu)點是邏輯與物理設(shè)計分開，開發(fā)過程中形成一套規(guī)范化的文檔，便于后期的修改和維護(hù)。DS1302與單片機(jī)之間通信采用的是同步穿行的方式進(jìn)行通信，只需要三個接口線：RES 復(fù)位端口線；I/O端口數(shù)據(jù)線；SCLK串行時鐘線。DS13022讀寫寄存器及時序說明：DS1302是SPI總線驅(qū)動方式。同樣，在緊跟8位的控制字指令后的下一個SCLK脈沖的下降沿，讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。 　　本系統(tǒng)采用行掃描法來確定按鍵按下的具體位置。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。Void keyscan(){If(key==0){ Delayms(10)。 超聲波模塊程序流程圖 水位高度控制本控制系統(tǒng)采用繼電器來驅(qū)動抽水水泵或是電磁閥來控制水位高度。3．計算實際溫度值。用戶可以根據(jù)實際情況自行設(shè)定投食持續(xù)時間。 //開定時器0中斷TR0=1。統(tǒng)蜂鳴器的發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)生的。這不僅減少了人力物力，還能消除人為因素對水族箱控制過程的影響，保證所養(yǎng)殖的魚類和水草的正常生長，明顯提高了效率。電源的故障包括：電壓值不符和設(shè)計要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。 創(chuàng)新點本課題設(shè)計開發(fā)的多功能魚缸智能控制器是適用于家庭、水族館等觀賞型魚類養(yǎng)殖場所的一種新型智能化控制器，在國內(nèi)水族箱控制器產(chǎn)品中技術(shù)新穎，其創(chuàng)新點有：1． 微電腦智能控制的水族箱。產(chǎn)品的實際運行情況：通過長時間的實際測試運行，表明本系統(tǒng)智能控制功能基本符合設(shè)計要求，控制效果良好，穩(wěn)定可靠，有較強(qiáng)的實用性。3． 由于觀賞魚類的生存環(huán)境各不相同，應(yīng)加入數(shù)據(jù)庫的元素在里面，通過查詢數(shù)據(jù)庫中魚類的生存環(huán)境自動設(shè)置水族箱中的各種參數(shù)。整套控制系統(tǒng)的軟件部分和硬件設(shè)計部分設(shè)計合理，C語言編程的單片機(jī)軟件程序是模塊化的程序設(shè)計，模塊與模塊之間相互獨立，有很高的可靠性，硬件設(shè)計成本低廉。在研究與開發(fā)前，看本研究的各種資料，了解它的發(fā)展方向和歷史，是觸發(fā)設(shè)計靈感的重要源泉，也是在研究與開發(fā)中解決問題的重要依據(jù)。[15] 張國熊. 測控電路[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.[16] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.[17] 侯媛彬等. 凌陽單片機(jī)原理及其畢業(yè)設(shè)計精選[M]. 科學(xué)出版社，2006.[18] 李建忠. 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.[19] 霍孟友等. 單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[20] [J]. 儀表技術(shù)，2004[21] 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.[22] 高海生，楊文煥. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)大全[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.[23] Vizimuller. 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