【文章內(nèi)容簡介】 草等需要一個相對穩(wěn)定并且良好的生活環(huán)境，因此要保證魚缸內(nèi)各種參數(shù)的穩(wěn)定，其中包括含氧量、溫度、光照、水位等。要盡可能的將各種參數(shù)控制或者調(diào)整到合適的范圍，以保證魚 兒的良好成長。 2) 能夠?qū)崟r的顯示溫度、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定以及當(dāng)前工作狀態(tài)和系統(tǒng)時間。 3) 有報警系統(tǒng)，即當(dāng)魚缸內(nèi)的環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定值時，系統(tǒng)能夠及時的發(fā)出報警信號并做出反應(yīng)動作，以保證環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。 4) 為了適應(yīng)不同的需求，系統(tǒng)要能在自動和手動的模式下自由切換。 控制參數(shù)與性能指標(biāo) 本次設(shè)計的控制對象是魚缸，控制的目的是使其能自動調(diào)節(jié)，為魚類提供合適的生活環(huán)境。設(shè)計的過程中要注意水溫、水位、氧含量等參數(shù)。要求該系統(tǒng)能自動檢測并顯示魚缸內(nèi)的溫度和氧含量等，并做出及時的補(bǔ)充，利用碳棒檢測水位的高低，并應(yīng)用單片機(jī) 控制水泵進(jìn)行供水，協(xié)調(diào)工作達(dá)到一個功能完善的自動控制系統(tǒng)。 溫度 魚類是冷血動物，也就是說它們需要從周邊環(huán)境吸取熱量以供給自身新陳代謝。魚類在水中不斷用鰓過濾水，進(jìn)行呼吸，這就導(dǎo)致了它們新陳代謝產(chǎn)生的熱量會很快消散在水中，體溫也和周圍水溫相似。 魚類大多數(shù)喜歡生活在溫度為 ~ 攝氏度的水中。溫度或熱量是影響魚類新陳代謝的重要因素，如果溫度過高，魚類體內(nèi)的酶將停止工作；如果溫度過低，魚類體內(nèi)的酶的結(jié)構(gòu)將會被破壞。此外，如果水溫過低，熱帶魚將很可能會喪失其意識，魚類體內(nèi)的寄生蟲和細(xì)菌會 伺機(jī)侵害魚類的健康。隨著水溫的升高，氧氣的溶解度會降低，而魚類恰恰是需要洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 氧氣來進(jìn)行生存，這樣便可能會導(dǎo)致魚類因缺氧而死去，所以一定要給魚類一個合適的水溫。 綜上所述，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍來控制加熱器的啟動和停止，以提供一個合適的水溫。 水位 水位檢測主要是控制魚缸內(nèi)的水量，通過水泵將水箱中的水抽到魚缸中，并應(yīng)用碳棒時時檢測水位，當(dāng)檢測到水位達(dá)到要求時，立即通過單片機(jī)控制水泵停止加水。 光和氧氣 魚缸中不僅僅只有魚類，同時還有共同生活的植物。而光是植物健康生長的必要因素，在適宜 的光照條件下更加有利于植物的生長，同時利于魚兒的生活。綠色植物是唯一能產(chǎn)生氧氣的植物，植物良好的生長可以及時補(bǔ)充魚缸內(nèi)的氧氣。在自動化系統(tǒng)的配合下可以更加方便的控制魚缸內(nèi)的含氧量，為魚兒創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境。 設(shè)備造型 I/O點(diǎn)分析 本次設(shè)計的自動化魚缸是基于單片機(jī)的自動化應(yīng)用，參考于其中的控制參數(shù)，利用傳感器等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動化控制，需要加入一個作為輸入的3*4 的鍵盤，以此來設(shè)置溫度和含氧量的參數(shù)。其中設(shè)置的溫度標(biāo)準(zhǔn)和氧氣含量等均可以通過鍵盤來手動輸入，隨時的根據(jù)周圍環(huán)境的變化來調(diào)控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為魚兒提供更好的生活環(huán)境。 而通過傳感器作為輸出的實(shí)時溫度和含氧量一并作為輸出點(diǎn)來考慮，只需在傳感器與單片機(jī)的基礎(chǔ)上橋接一個 LED 顯示模塊，就可以方便的顯示所需要控制的參數(shù)，以此來改變或者重新設(shè)置。其中水位的控制是通過碳棒來實(shí)現(xiàn)，因此并不需要作為輸出點(diǎn)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 單片機(jī)的選型 單片機(jī)共可以分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位機(jī)等。其中 1 位機(jī)和 4 位機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但指令不豐富，而且編程復(fù)雜，主要運(yùn)用于簡單的控制；相對來說 16 位機(jī)和 32 位機(jī)雖然性能優(yōu)越、集成密度高，但在價格上比較高，因此得不 到廣泛的應(yīng)用；而 8 位單片機(jī)體積較小、指令多而廣、價格低廉，而且產(chǎn)品的應(yīng)用幾乎占據(jù)了大部分的單片機(jī)市場，將會成為系統(tǒng)控制的主流機(jī)型。 ATMEL、 NXP、 STC 和 SST 等公司生產(chǎn)的高性能 8 位 89C52/S51 單片機(jī)有很多優(yōu)勢，比如其有豐富的系統(tǒng)資源，特別是其內(nèi)部增加的存儲器Flash ROM，它可以高速的改寫，大大的方便了單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用。因?yàn)?89C52=80C31+373+2732，而且其價格低廉，因此，在市場上有相當(dāng)大的應(yīng)用性。 經(jīng)過綜合考慮，本次論文選用 AT89C52 型的單片機(jī)作為自動化魚缸的主控制芯 片， AT89C52 是一種低功耗、低電壓、高性能的 8 位單片機(jī)。它采用了 CMOS 工藝，并具有高密度非易失性，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。片內(nèi)的 Flash ROM 在系統(tǒng)內(nèi)允許改編程序。具有功能強(qiáng)、靈活性高且價格合理等特點(diǎn)。 它有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入輸出的端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個全雙工串行通信口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個讀寫口，既可以按照常規(guī)的方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。另外，它將通用的微處理器和 Flash 存儲器巧妙的結(jié)合到一起，尤其是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器的應(yīng)用，有 效的降低了開發(fā)成本。 所選用的 AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部片內(nèi)資源豐富，有 8K 字節(jié)的閃爍存儲器，而本次系統(tǒng)設(shè)計主要用單片機(jī) C 語言編寫，這樣編譯后生成的代碼不僅較為簡短，而且效率較高，這樣有了多余的程序存儲空間避免了再外部擴(kuò)展，有效的簡化了系統(tǒng)電路和降低了系統(tǒng)成本。 電源的選擇 基于是家庭的自動化魚缸，考慮到方便的操作問題，直接選用 220 伏的常用電源，不僅可以方便魚缸的接線問題，還可以省去中間升降壓的麻洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 煩。而對于單片機(jī)的電源選擇則要針對于所選用的單片機(jī)的類型，結(jié)合其各種參數(shù)，并考慮到中間所加的各種應(yīng) 用模塊。由于本次設(shè)計選用的是89C52 單片機(jī)，所以直接選用 5 伏的直流電源，作為單片機(jī)的電源供給。 繼電器的選擇 繼電器是一種當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。其原理是通過改變輸入到線圈上的電壓來改變電磁場，進(jìn)而控制電路的開和關(guān)。按照工作原理和結(jié)構(gòu)特征，繼電器共分為以下幾類：電磁繼電器、固態(tài)繼電器、時間繼電器、舌簧繼電器、溫度繼電器等。 繼電器的選擇有以下注意事項(xiàng)：使用環(huán)境、輸入信號、輸入?yún)⒘?、?fù)載情況等。針對于魚缸的水中環(huán)境和使用現(xiàn)狀，以及魚缸 的電壓、電流、輸入輸出等情況，選用最常用的光電隔離器來作為安全保護(hù)裝置，其具有體積小、 使用壽命 長、 工作溫度范圍 寬、抗干擾性能 強(qiáng)．無觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)。 綜上所述，本次系統(tǒng)選用型號為 SRS05VDCSL 的繼電器，它的觸點(diǎn)負(fù)載為中功率，觸電形式為常開型。 總體方案 本次設(shè)計主要是以單片機(jī) 89C52 為核心，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用其它的模塊，如溫度顯示模塊、自動供水模塊、自動報警模塊和按鍵輸入模塊等。應(yīng)用傳感器技術(shù)和感應(yīng)系統(tǒng)將其系統(tǒng)完美的結(jié)合到一起，能人性化的調(diào)試和隨時隨境的改變參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化魚缸的自動控制。 以下是總體硬件結(jié)構(gòu)方案圖： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 數(shù) 碼 管 顯 示按 鍵時 鐘輸 出 （ 帶 指 示燈 ）指 示 燈 A T 8 9 C 5 1其 它 參 數(shù) 檢 測溫 度 檢 測水 位 高 低 檢 測數(shù) 據(jù) 存 儲主 控 制 部 分輸 入 輸 出 控 制 部 分 其中主控制部分包括： 中心控制模塊：主要是以單片機(jī)為控制核心，其功能是用來將 A/D 轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而向各種設(shè)備發(fā)出各種控制信號。 時鐘控制電路模塊：同步控制系統(tǒng)的相對時鐘和絕對時鐘，定時檢測各種環(huán)境參數(shù)和各項(xiàng)控制器的開或關(guān)。 人機(jī)交互按鍵控制模塊：主要是用來實(shí)現(xiàn)按鍵的寫入功能以及設(shè)置后相應(yīng)的 LED 的顯示，以便達(dá)到良好的人機(jī)交互功能。 1）通過 LED 數(shù)碼管實(shí)時顯示參數(shù)值； 2）通過鍵盤寫入各種參數(shù)； 3）發(fā)生異常時能通過 LED管和蜂鳴器 報警。 數(shù)據(jù)存儲 /復(fù)位模塊：能夠存儲各種參數(shù)，實(shí)時監(jiān)測并存儲系統(tǒng)的工作過程，當(dāng)遇到異常情況時能夠復(fù)位重啟。 數(shù)碼顯示模塊：能夠?qū)崟r的顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和時間、當(dāng)前溫度以及控制過程中的參數(shù)變化。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 其中輸入輸出控制部分包括： 各種信號的輸入模塊：能夠?qū)Ⅳ~缸中檢測到的各種信號準(zhǔn)確輸入，如溫度的監(jiān)測、水位高低的監(jiān)測以及含氧量的監(jiān)測等。這個模塊主要是由傳感器、放大器、多路開關(guān)以及 A/D 轉(zhuǎn)換器等組成，完成數(shù)據(jù)的采集。其中傳感器的作用是感應(yīng)魚缸內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的的變化，然后將其轉(zhuǎn)化為電信號；放大器的作用是將系統(tǒng)接收到的一些 微小的信號放大，以便于接收系統(tǒng)可以很快的接收并利于下面的執(zhí)行；多路開關(guān)的作用是將接收到的電信號傳給 A/D 轉(zhuǎn)換器，這樣便可以讓單片機(jī)接收到可以識別的數(shù)字信號。 各種子系統(tǒng)的輸出控制模塊：主要由各種輸出控制的設(shè)備組成。根據(jù)系統(tǒng)檢測到的各種參數(shù)信號，控制相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行工作，各個子系統(tǒng)既不互相干擾又能協(xié)調(diào)工作，同時可以顯示各種輸出。作為核心的單片機(jī)將設(shè)定值和采集值進(jìn)行比較，發(fā)出控制信號并傳輸給相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對不合適參數(shù)的調(diào)節(jié)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本章內(nèi)容是介紹自動化魚缸控 制的硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計，主要包括以下設(shè)計 :主從機(jī)電路模塊、時鐘電路模塊、鍵盤控制與顯示模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)存儲電路模塊等。下文中詳細(xì)的闡述了各電路設(shè)計中芯片的選型要求，并根據(jù)其內(nèi)部組成、性能參數(shù)和功能特點(diǎn)等設(shè)計出了具體的硬件電路。在綜合各個電路的元件性能的前提下，保證所設(shè)計的各個電路之間可以協(xié)調(diào)工作，在主系統(tǒng)的控制和調(diào)試下可以達(dá)到方便快捷的效果，實(shí)現(xiàn)硬件部分的高效執(zhí)行性和系統(tǒng)的自動化控制。 硬件的總體結(jié)構(gòu) 硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是本次論文的兩個重要方面，本章主要寫該系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。在設(shè)計過程中， 主要遵循以下幾點(diǎn)原則： （ 1）硬件電路的設(shè)計和軟件電路的設(shè)計是相輔相成的，軟件電路功能的實(shí)現(xiàn)要靠硬件電路來執(zhí)行，而硬件電路的實(shí)現(xiàn)要靠軟件電路來下命令。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能還要占用 CPU 的時間，所用的時間要更長一點(diǎn)。但在另一方面，用軟件電路實(shí)現(xiàn)功能的話，不僅可以使得硬件電路大大簡化，這樣一來降低了成本，同時避免異常情況的發(fā)生，可以提高硬件電路的可靠性。所以在本次系統(tǒng)的設(shè)計過程中，在滿足可行性和系統(tǒng)要求的前提下，盡可能的用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件功能。 （ 2）保證可靠性和抗干擾性。根據(jù)可靠性的設(shè)計理論，在設(shè)計系統(tǒng)時所 用的芯片越少，那么系統(tǒng)出現(xiàn)故障的機(jī)會越少，同時電路板上的地址數(shù)據(jù)總線受到的干擾就越少，所以單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計是在滿足功能要求和可靠的情況下，盡可能的使用少量的芯片和線路，大幅度改善組件數(shù)、電路板空間、抗干擾性、功耗以及系統(tǒng)成本。 （ 3）確保靈活的功能升級和系統(tǒng)擴(kuò)展。由于一開始并不能完全考慮到系統(tǒng)的各個方面，在后續(xù)的設(shè)計中需要不斷的完善系統(tǒng)和補(bǔ)充功能，同時在設(shè)計的過程中應(yīng)考慮到在以后的應(yīng)用，也就是說應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計不需要做很大變動的情況下，盡可能的修改少量的軟件和硬件，甚至在不修改的洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 情況下就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。 其中，功能擴(kuò)展對系統(tǒng)的影響也很大。 按照系統(tǒng)的要求和以上幾點(diǎn)硬件設(shè)計原則，本次系統(tǒng)設(shè)計以單片機(jī)AT89C52 為核心，再結(jié)合傳感器技術(shù)，由溫度控制、數(shù)碼顯示、信號的輸入和輸出等單元電路組成。下面就主要的電路設(shè)計做詳細(xì)的介紹。 主從機(jī)的電路設(shè)計 為了實(shí)現(xiàn)魚缸的自動化控制，并達(dá)到方便快捷的目的，在設(shè)計過程中盡可能的將各個控制部分的放置最大效率化與資源化，即將系統(tǒng)的主控制部分和輸入輸出控制部分的功能板分別放在魚缸的不同位置，這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。而設(shè)計的主控制其作為主機(jī)，設(shè)計的輸入輸出控制 器作為從機(jī)，并將其分別應(yīng)用到所設(shè)計的電路中，即主控制電路和輸入輸出控制電路。 在主控制電路中用 AT89C52 作為主控制芯片，它主要是實(shí)現(xiàn)控制中心、時鐘控制電路模塊、數(shù)據(jù)存儲 /復(fù)位模塊、數(shù)碼顯示模塊以及人機(jī)按鍵控制模塊的相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的完善；而輸入輸出控制電路主要工作是能夠準(zhǔn)確、及時的輸出魚缸中檢測到的各種環(huán)境參數(shù)和各路控制信號。綜合上述情況，在兩個電路能夠正常工作的前提下，再將兩者結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。 在這三部分電路的設(shè)計中，要細(xì)節(jié)考慮其之間的工作模式和特點(diǎn)，綜合其不同的性能和工作狀態(tài) ，減少不必要的消耗和損失，并能夠在此基礎(chǔ)上更加的方便靈活，實(shí)現(xiàn)最終系統(tǒng)所要求的自動化控制。 以下是作為主從機(jī)電路的電路結(jié)構(gòu)圖： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 2 個 數(shù) 碼 管1 2 個 按 鍵時 鐘輸 出 （ 帶 指 示燈 ）指 示 燈 A T 8 9 C 5 2其 它 參 數(shù) 檢 測D S 1 8 B 2 0 溫 度 檢 測水 位 高 低 檢 測2 4 C 0 2 N存 儲主 控 制 部 分輸 入 輸 出 控 制 部 分系 統(tǒng) 硬 件 結(jié) 構(gòu) 框 圖P 1 . 4 ~ P 1 . 6P 3 . 2P 3 . 5P 2 . 0P 2 . 7P 1 . 0 ~ P 1 . 3P 1 . 0P