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多功能水族箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(參考版)

2025-06-21 12:53本頁(yè)面
  

【正文】 由于我的學(xué)術(shù)水平有限,所寫論文難免有不足之處,懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正! 48 。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。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。 附錄A系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單、型號(hào)及單套用量元件名稱型號(hào)單套用量單片機(jī)AT89C51(最小系統(tǒng))1溫度傳感器DS18B201水位傳感器HRSR041時(shí)鐘芯片DS13021300W絕緣電加熱棒1水泵SP3001繼電器JRC19F2附錄B系統(tǒng)仿真原理圖 致 謝歷時(shí)將近兩個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫完,在論文的寫作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙,都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。[12] 葛偉亮:《自動(dòng)控制元件》[M],北京理工大學(xué)出版社2007年版,5190頁(yè)。 [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)。[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)。 參 考 文 獻(xiàn)[1] 沙占友 . 智能化集成溫度傳感器原理及應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2002. 5287.[2] 江曉安 . 數(shù)字電路[M]. 西安科技大學(xué)出版社,2006. 90103.[3] 周樹南、張伯頤 . 電路與電子學(xué)基礎(chǔ)[M]. 科學(xué)出版社, 2006. 172235.[5] 馮建華.《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)》 [M],人民郵電出版社2004年版,第3366頁(yè)。最重要的是體會(huì)到查找資料在研究與設(shè)計(jì)中的重要性。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。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。在制作過(guò)程中運(yùn)用傳感器技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、單片機(jī)原理,系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言編程,程序結(jié)構(gòu)清晰,按鍵的操作和液晶顯示的界面很友好,操作者在使用該系統(tǒng)時(shí)輕松方便。 結(jié)論本設(shè)計(jì)圍繞著水族箱控制系統(tǒng)在溫度探測(cè)和控制、水溫的加熱、定時(shí)投食、定時(shí)換水等需求,提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案,從控制方案實(shí)際運(yùn)行來(lái)看,此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水族箱的智能化控制,可以克服目前水族箱市場(chǎng)上各種設(shè)備獨(dú)立工作和需要手動(dòng)帶來(lái)的不便,并且成本低廉、性能可靠,消除因飼主的忽視對(duì)控制過(guò)程的影響。 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。4. 由于水族箱生態(tài)環(huán)境是一個(gè)非常復(fù)雜的多變量、非線性系統(tǒng),影響魚類和水草生存環(huán)境因素很多,又有關(guān)聯(lián)的耦合現(xiàn)象,而本系統(tǒng)的控制輸出僅為簡(jiǎn)單的開關(guān)量信號(hào),這是顯然不能滿足高精度的控制要求,應(yīng)引入模糊算法,專家系統(tǒng)等技術(shù)以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能決策水平。針對(duì)一些對(duì)水質(zhì)要求較高的魚類,可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上升級(jí)控制芯片以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換水的全自動(dòng)化過(guò)程。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。 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。本套系統(tǒng)的研制對(duì)后續(xù)水族箱智能控制系統(tǒng)的研究在理論和實(shí)踐上都有較高的參考價(jià)值。對(duì)于大型水族館,可以節(jié)約大量人力;對(duì)于普通家庭,可以提高普通家庭居家養(yǎng)魚的科學(xué)性。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。4. 能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投食功能。2. 能實(shí)現(xiàn)溫度控制。5. 經(jīng)模擬運(yùn)行驗(yàn)證,系統(tǒng)具有相應(yīng)速度快,操作簡(jiǎn)便,工作可靠等特點(diǎn)。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。 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)。解決方法:電源必須單獨(dú)調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個(gè)部件中,本設(shè)計(jì)中就出現(xiàn)電源故將經(jīng)過(guò)多次對(duì)電源的調(diào)換才使其正常工作。3. 電源故障:設(shè)計(jì)中存在電源故障,即上電后將造成元器件損壞、無(wú)法正常供電,電路不能正常工作。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。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。 系統(tǒng)的調(diào)試將所有器件焊置PCB板上,便可進(jìn)入系統(tǒng)的調(diào)試,其主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件故障,并完善其硬件結(jié)構(gòu),試運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序,排除程序錯(cuò)誤,優(yōu)化程序結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)達(dá)到期望的功能,進(jìn)而固化軟件,使其產(chǎn)品化。整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,性能可靠,能夠代替目前的半自動(dòng)化水溫加熱等水族箱,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的全自動(dòng)化。而且具有開放性的特點(diǎn),容易移植、修改和擴(kuò)展。 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。所以蜂鳴器要發(fā)出聲音需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)。 聲光報(bào)警的軟件實(shí)現(xiàn)本系控制系統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)采用的蜂鳴器和LED燈。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。 num++。 //啟動(dòng)定時(shí)器0//給固定頻率的周期信號(hào)使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90度}定時(shí)器中斷程序如下:void timer0() interrupt 1{ TH0=(6553650000)/256。 //開總中斷ET0=1。 TL0=(6553650000)%256。到達(dá)投食時(shí)間){TMOD=0x01。定時(shí)器基本初始化程序如下:if(投食模式開啟amp。為了不使食物投遞的過(guò)多,本系統(tǒng)采用定時(shí)器來(lái)控制伺服電機(jī)控制信號(hào)持續(xù)的時(shí)間。 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)。如果測(cè)得的溫度大于0,;如果溫度小于0。DS18B20的溫度操作是使用16位。2.讀取溫度傳感器的溫度。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。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。當(dāng)系統(tǒng)的水位高度傳感器檢測(cè)到的水位高度低于設(shè)定值時(shí),給水系統(tǒng)開始工作,向水族箱中給水。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。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。If(key == 0){//執(zhí)行相應(yīng)的功能代碼;}}} 水位檢測(cè)及水位高度控制 水位檢測(cè)本控制系統(tǒng)水位檢測(cè)采用超聲波水位傳感器。檢測(cè)按鍵的程序如下。 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)。這樣,就能得到具體被按下的按鍵的位置了。在確定某根行線位置為低電平后,再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。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。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。行掃描法又稱為逐行(或列)掃描查詢法,是一種最常用的按鍵識(shí)別方法,介紹過(guò)程如下。一旦有鍵按下,則輸入線就會(huì)被拉低,這樣,通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。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。本系統(tǒng)采用了4*4鍵盤。 讀寫時(shí)序圖。在控制字指令輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí),數(shù)據(jù)被寫入DS1302,數(shù)據(jù)輸入從最低位(0位)開始。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。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)。它不僅要向寄存器寫入控制字,還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。4. 讀取字節(jié)之前,要講I/O設(shè)置為輸入口,讀取完后,再改回輸出口。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。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)。 DS1302引腳圖DS1302的操作過(guò)程是:1. 將各數(shù)據(jù)寫入DS1302的寄存器,用來(lái)設(shè)置當(dāng)前的時(shí)間和格式。芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)方式有兩種,一種是二進(jìn)制數(shù)表示,令一種是BCD碼表示。對(duì)于一天的記錄有12小時(shí)制和24小時(shí)制兩種模式。 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。 主程序工作模塊及流程圖 主程序模塊流程圖,首先是對(duì)系統(tǒng)的預(yù)處理設(shè)置,比如設(shè)置換水時(shí)間、換食時(shí)間、設(shè)定溫度范圍、設(shè)定水位高度等。通過(guò)Keil軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具,對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編譯調(diào)試。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)概述本系統(tǒng)的程序主要有六個(gè)模塊,分別是:電子時(shí)鐘模塊、按鍵及顯示模塊、水位檢測(cè)及水位高度控制模塊、水溫檢測(cè)及恒溫控制模塊、自動(dòng)投食控制模塊、聲光報(bào)警模塊。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。 報(bào)警電路當(dāng)水族箱的溫度或是水位高度等參數(shù)到達(dá)極限值時(shí),單片機(jī)的控制I/O口會(huì)發(fā)出高電平,從而使蜂鳴器和LED燈發(fā)出聲光提示。的具體實(shí)現(xiàn)功能將在后面軟件部分做詳細(xì)闡述。 抽水水泵示意圖 自動(dòng)投食控制模塊本系統(tǒng)的自動(dòng)投食模塊的電路主要由伺服電機(jī)和食盒構(gòu)成。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。 超聲波模塊電路 水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)的水位高度傳感器檢測(cè)到的水位高度低于設(shè)定值時(shí),給水水泵開始工作,向水族箱中給水。這樣不斷的循環(huán)周期測(cè),就可以在不停地移動(dòng)的過(guò)程中測(cè)量距離值了。一個(gè)控制口發(fā)出一個(gè)10us以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出。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)。可以減少了很大部分可能存在的角度干擾問(wèn)題。HRSR04型超聲波集成模塊的工作電壓為5 V,而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于2 mA的,工作時(shí)候可以比較穩(wěn)定。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s),即為:s=340t/2,這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。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)。為了以超聲波作為檢測(cè)手段,必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 水位檢測(cè)及水位高度控制模塊
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