【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)，以防突發(fā)情況的發(fā)生。其中各種參數(shù)的設(shè)定和調(diào)試可根據(jù)天氣和周?chē)h(huán)境的變化做出相應(yīng)的改變，最終的目的是為魚(yú)兒提供一個(gè)良好的生活環(huán)境。 本次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用分塊的模式，主要由控制部分和輸入輸出部分協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)功能。其中，控制部 分主要完成復(fù)位、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示溫度和時(shí)鐘、按鍵以及各種輸入和輸出等；而輸入輸出部分主要完成系統(tǒng)的各種控制參數(shù)的設(shè)定以及與主系統(tǒng)的通信等。結(jié)合上述要點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)安全和自動(dòng)化控制的前提下，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方便、靈活、安全的統(tǒng)一。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 控制要求 針對(duì)魚(yú)缸的自動(dòng)化控制，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要做到以下要求： 1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)缸內(nèi)的環(huán)境參數(shù)：由于魚(yú)缸內(nèi)的各種魚(yú)兒和水草等需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定并且良好的生活環(huán)境，因此要保證魚(yú)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(yú) 兒的良好成長(zhǎng)。 2) 能夠?qū)崟r(shí)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(shí)間。 3) 有報(bào)警系統(tǒng)，即當(dāng)魚(yú)缸內(nèi)的環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)出報(bào)警信號(hào)并做出反應(yīng)動(dòng)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(dòng)和手動(dòng)的模式下自由切換。 控制參數(shù)與性能指標(biāo) 本次設(shè)計(jì)的控制對(duì)象是魚(yú)缸，控制的目的是使其能自動(dòng)調(diào)節(jié)，為魚(yú)類(lèi)提供合適的生活環(huán)境。設(shè)計(jì)的過(guò)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(dòng)檢測(cè)并顯示魚(yú)缸內(nèi)的溫度和氧含量等，并做出及時(shí)的補(bǔ)充，利用碳棒檢測(cè)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(gè)功能完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 溫度 魚(yú)類(lèi)是冷血?jiǎng)游?，也就是說(shuō)它們需要從周邊環(huán)境吸取熱量以供給自身新陳代謝。魚(yú)類(lèi)在水中不斷用鰓過(guò)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(huì)很快消散在水中，體溫也和周?chē)疁叵嗨啤? 魚(yú)類(lèi)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(yú)類(lèi)新陳代謝的重要因素，如果溫度過(guò)高，魚(yú)類(lèi)體內(nèi)的酶將停止工作；如果溫度過(guò)低，魚(yú)類(lèi)體內(nèi)的酶的結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞。此外，如果水溫過(guò)低，熱帶魚(yú)將很可能會(huì)喪失其意識(shí)，魚(yú)類(lèi)體內(nèi)的寄生蟲(chóng)和細(xì)菌會(huì) 伺機(jī)侵害魚(yú)類(lèi)的健康。隨著水溫的升高，氧氣的溶解度會(huì)降低，而魚(yú)類(lèi)恰恰是需要氧氣洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 來(lái)進(jìn)行生存，這樣便可能會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)因缺氧而死去，所以一定要給魚(yú)類(lèi)一個(gè)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(lái)控制加熱器的啟動(dòng)和停止，以提供一個(gè)合適的水溫。 水位 水位檢測(cè)主要是控制魚(yú)缸內(nèi)的水量，通過(guò)水泵將水箱中的水抽到魚(yú)缸中，并應(yīng)用碳棒時(shí)時(shí)檢測(cè)水位，當(dāng)檢測(cè)到水位達(dá)到要求時(shí)，立即通過(guò)單片機(jī)控制水泵停止加水。 光和氧氣 魚(yú)缸中不僅僅只有魚(yú)類(lèi)，同時(shí)還有共同生活的植物。而光是植物健康生長(zhǎng)的必要因素，在適宜 的光照條件下更加有利于植物的生長(zhǎng)，同時(shí)利于魚(yú)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(zhǎng)可以及時(shí)補(bǔ)充魚(yú)缸內(nèi)的氧氣。在自動(dòng)化系統(tǒng)的配合下可以更加方便的控制魚(yú)缸內(nèi)的含氧量，為魚(yú)兒創(chuàng)造了一個(gè)良好的環(huán)境。 設(shè)備造型 I/O點(diǎn)分析 本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化魚(yú)缸是基于單片機(jī)的自動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，需要加入一個(gè)作為輸入的 3*4的鍵盤(pán)，以此來(lái)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(guò)鍵盤(pán)來(lái)手動(dòng)輸入，隨時(shí)的根據(jù)周?chē)h(huán)境的變化來(lái)調(diào)控 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為魚(yú)兒提供更好的生活環(huán)境。 而通過(guò)傳感器作為輸出的實(shí)時(shí)溫度和含氧量一并作為輸出點(diǎn)來(lái)考慮，只需在傳感器與單片機(jī)的基礎(chǔ)上橋接一個(gè) 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(lái)改變或者重新設(shè)置。其中水位的控制是通過(guò)碳棒來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此并不需要作為輸出點(diǎn)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jiǎn)單，但指令不豐富，而且編程復(fù)雜，主要運(yùn)用于簡(jiǎn)單的控制；相對(duì)來(lái)說(shuō) 16 位機(jī)和 32 位機(jī)雖然性能優(yōu)越、集成密度高，但在價(jià)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(jià)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(chǎng)，將會(huì)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(shì)，比如其有豐富的系統(tǒng)資源，特別是其內(nèi)部增加的存儲(chǔ)器 Flash ROM，它可以高速的改寫(xiě)，大大的方便了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。因?yàn)?9C52=80C31+373+2732，而且其價(jià)格低廉，因此，在市場(chǎng)上有相當(dāng)大的應(yīng)用性。 經(jīng)過(guò)綜合考慮，本次論文選用 AT89C52 型的單片機(jī)作為自動(dòng)化魚(yú)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(jià)格合理等特點(diǎn)。 它有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入輸出的端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 2 個(gè)全雙工串行通信口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)讀寫(xiě)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(chǔ)器巧妙的結(jié)合到一起，尤其是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 存儲(chǔ)器的應(yīng)用，有 效的降低了開(kāi)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(chǔ)器，而本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用單片機(jī) C 語(yǔ)言編寫(xiě)，這樣編譯后生成的代碼不僅較為簡(jiǎn)短，而且效率較高，這樣有了多余的程序存儲(chǔ)空間避免了再外部擴(kuò)展，有效的簡(jiǎn)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(dòng)化魚(yú)缸，考慮到方便的操作問(wèn)題，直接選用 220 伏的常用電源，不僅可以方便魚(yú)缸的接線問(wèn)題，還可以省去中間升降壓的麻煩。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10而對(duì)于單片機(jī)的電源選擇則要針對(duì)于所選用的單片機(jī)的類(lèi)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(jì)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(shí)，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(guò)改變輸入到線圈上的電壓來(lái)改變電磁場(chǎng)，進(jìn)而控制電路的開(kāi)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(lèi)：電磁繼電器、固態(tài)繼電器、時(shí)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(hào)、輸入?yún)⒘?、?fù)載情況等。針對(duì)于魚(yú)缸的水中環(huán)境和使用現(xiàn)狀，以及魚(yú)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(lái)作為安全保護(hù)裝置，其具有體積小、 使用壽命 長(zhǎng)、 工作溫度范圍 寬、抗干擾性能 強(qiáng)．無(wú)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(hào)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(kāi)型。 總體方案 本次設(shè)計(jì)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(dòng)供水模塊、自動(dòng)報(bào)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(shí)隨境的改變參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化魚(yú)缸的自動(dòng)控制。 以下是總體硬件結(jié)構(gòu)方案圖： 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11數(shù) 碼 管 顯 示按 鍵時(shí) 鐘輸 出 （ 帶 指 示燈 ）指 示 燈 A T 8 9 C 5 1其 它 參 數(shù) 檢 測(cè)溫 度 檢 測(cè)水 位 高 低 檢 測(cè)數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)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(lái)將 A/D 轉(zhuǎn)換器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而向各種設(shè)備發(fā)出各種控制信號(hào)。 時(shí)鐘控制電路模塊：同步控制系統(tǒng)的相對(duì)時(shí)鐘和絕對(duì)時(shí)鐘，定時(shí)檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)和各項(xiàng)控制器的開(kāi)或關(guān)。 人機(jī)交互按鍵控制模塊：主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的寫(xiě)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(guò) LED 數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示參數(shù)值； 2）通過(guò)鍵盤(pán)寫(xiě)入各種參數(shù)； 3）發(fā)生異常時(shí)能通過(guò) LED管和蜂鳴器報(bào)警。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) /復(fù)位模塊：能 夠存儲(chǔ)各種參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過(guò)程，當(dāng)遇到異常情況時(shí)能夠復(fù)位重啟。 數(shù)碼顯示模塊：能夠?qū)崟r(shí)的顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和時(shí)間、當(dāng)前溫度以及控制過(guò)程中的參數(shù)變化。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12其中輸入輸出控制部分包括： 各種信號(hào)的輸入模塊：能夠?qū)Ⅳ~(yú)缸中檢測(cè)到的各種信號(hào)準(zhǔn)確輸入，如溫度的監(jiān)測(cè)、水位高低的監(jiān)測(cè)以及含氧量的監(jiān)測(cè)等。這個(gè)模塊主要是由傳感器、放大器、多路開(kāi)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(yú)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(hào)；放大器的作用是將系統(tǒng)接收到的一些微小的信號(hào)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(kāi)關(guān)的作用是將接收到的電信號(hào)傳給 A/D 轉(zhuǎn)換器，這樣便可以讓單片機(jī)接收到可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。 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(cè)到的各種參數(shù)信號(hào)，控制相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行工作，各個(gè)子系統(tǒng)既不互相干擾又能協(xié)調(diào)工作，同時(shí)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(hào)并傳輸給相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不合適參數(shù)的調(diào)節(jié)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章內(nèi)容是介紹自動(dòng)化魚(yú)缸控制的硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，主要包括以 下設(shè)計(jì) :主從機(jī)電路模塊、時(shí)鐘電路模塊、鍵盤(pán)控制與顯示模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路模塊等。下文中詳細(xì)的闡述了各電路設(shè)計(jì)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(jì)出了具體的硬件電路。在綜合各個(gè)電路的元件性能的前提下，保證所設(shè)計(jì)的各個(gè)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(dòng)化控制。 硬件的總體結(jié)構(gòu) 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是本次論文的兩個(gè)重要方面，本章主要寫(xiě)該系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要遵循以下幾點(diǎn)原則： （ 1） 硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件電路的設(shè)計(jì)是相輔相成的，軟件電路功能的實(shí)現(xiàn)要靠硬件電路來(lái)執(zhí)行，而硬件電路的實(shí)現(xiàn)要靠軟件電路來(lái)下命令。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能還要占用 CPU 的時(shí)間，所用的時(shí)間要更長(zhǎng)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(jiǎn)化，這樣一來(lái)降低了成本，同時(shí)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(jì)過(guò)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(lái)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(jì)理論，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)所用的芯片越少，那么系統(tǒng)出現(xiàn)故障 的機(jī)會(huì)越少，同時(shí)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(jì)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(jí)和系統(tǒng)擴(kuò)展。由于一開(kāi)始并不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中需要不斷的完善系統(tǒng)和補(bǔ)充功能，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)考慮到在以后的應(yīng)用，也就是說(shuō)應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要做很大變動(dòng)的情況下，盡可能的修改少量的軟件和硬件，甚至在不修改的情洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14況下就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。其中，功能擴(kuò)展對(duì)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(jì)原則，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)的輸入和輸出等單元電路組成。下面就主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。 主從機(jī)的電路設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)魚(yú)缸的自動(dòng)化控制，并達(dá)到方便快捷的目的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能的將各個(gè)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(yú)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(jì)的主控制其作為主機(jī)，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)鐘控制電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) /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(shí)的輸出魚(yú)缸中檢測(cè)到的各種環(huán)境參數(shù)和各路控制信號(hào)。綜合上述情況，在兩個(gè)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(dòng)化控制。 在這三部分電路的設(shè)計(jì)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(dòng)化控制。 以下是作為主從機(jī)電路的電路結(jié)構(gòu)圖：