【正文】 ................................................................................................. 23 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 IV 致 謝 ........................................................................................................................................ 23 附 錄 ........................................................................................................................................ 24 附錄 1：現(xiàn)場測試記錄 .......................................................................................................... 24 附錄 2：系統(tǒng)軟件程序 .......................................................................................................... 24 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 隨著現(xiàn)代生活的需求，科技的發(fā)展，人們對家居裝飾投入越多的關(guān)注，是個人品味和地位的象征，而如今的高樓大廈越來越高， 生活在鋼筋水泥構(gòu)造的城市中的人們越來越憧憬和崇尚自然，盡大多數(shù)人不可能居住上親水家園，不能擁有自己的森林、水景，但在家中擺放一個水族箱，就可以將微縮的海洋水景搬回家，可以近間隔的接觸水草、觀賞魚，能夠感受到回歸自然的靈性和樂山樂水的情趣。但是現(xiàn)在的年輕人，天天都要忙于工作和事業(yè)，生活的壓力很大，再遇上一些不順心的事，更是心煩意亂，甚至大動肝火，對身心健康極為不利 。 面對這些水族箱的控制問題市場上也出現(xiàn)了不少的水族箱輔助產(chǎn)品，控制水族箱水溫、水位、排水的設(shè)備，如過濾器、加熱器等改善水環(huán)境的設(shè)備。 因此，本設(shè)計主要以家庭中水族箱的日常養(yǎng)護(hù)為背景，以水族箱中的水位、溫度等的控制為研究對象，對日常養(yǎng)護(hù)過程中的綜合自動化及其應(yīng)用技術(shù)展開研究 ，建立一個智能水族箱檢測和控制系統(tǒng)，來提高水族箱的自動化、智能化。智能水族箱系統(tǒng)產(chǎn)品在國外是一個發(fā)達(dá)的產(chǎn)業(yè)，它在節(jié)能方面有廣泛的應(yīng)用。有關(guān)部門和地方各級政府要對重大節(jié)能技術(shù)開發(fā)、示范和改造項(xiàng)目加大投資力度。 目前水族箱的創(chuàng)新產(chǎn)品，千姿百態(tài)，功能上也是慢慢實(shí)現(xiàn)科技化、智能化、用途多樣化的形式出現(xiàn)在大家眼前，調(diào)查結(jié)果顯示，未來幾年 80、 90 年代的年輕人將成為主要的消費(fèi)群體。智能水族箱，以無需人力、節(jié)能、實(shí)用、創(chuàng)新吸引了眾多年輕人的眼球。這些不容忽視的團(tuán)體，正在成為水族產(chǎn)業(yè)消費(fèi)的主力軍。因此，研制和推廣智能水族箱控制技術(shù)是提高人類生活水平實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的需要。 ，定時給水族箱換水。 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 3 第二章 基于單片機(jī)的電感測試儀的總體方案設(shè)計 本設(shè)計系統(tǒng)的初步設(shè)想是將整個設(shè)計分為水溫測量模塊、水位測量模塊、控制器模塊、執(zhí)行模塊、顯示模塊。 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計整體框圖 軟件設(shè)計部分則通過用 C語言編寫程序來控制整個系統(tǒng)的測量、控制和顯示，從而實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的智能水族箱系統(tǒng)的控制。 方案一：采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。 方案二：利用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器直接把溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在單片機(jī)內(nèi)部通過軟件編寫控制的方式，設(shè)定溫度控制域值，如果水溫低于低的設(shè)定度數(shù)，則自動啟動加熱模塊以保持水溫，而當(dāng)水溫高于高的設(shè)定度數(shù)則停止加熱，同時輸出溫度值到顯示模塊以實(shí)現(xiàn)水溫動態(tài)顯示，該方案相較于前一個系統(tǒng)穩(wěn)定性高，同時能實(shí)現(xiàn)可視化和自動化，讓水溫測量控制工作變得簡單了許多。 的設(shè)計方案 方案一：利用超聲波水位計測量，該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。但是超聲波水位計價格昂貴且此處水位測量精度要求不是特別高。 綜上所述及本設(shè)計的基本情況，故使用 555 電路設(shè)計的水位 檢測電路在這里比較適用。 圖 22 整體設(shè)計框圖 根據(jù)上述的水溫檢測控制的實(shí)現(xiàn)方案和水位檢測方案的選擇，設(shè)定了整個智能水族箱系統(tǒng)的設(shè)計方案。溫度檢測控制電路的功能主要是將被測溫度值送入單片機(jī)進(jìn)行比較；水位檢測電路是檢測水族箱中的水位是否正常；單片機(jī)的主控電路它的作用是通過對檢測到的溫度信號和水位信號進(jìn)行比較并控制加熱器 /水泵這些執(zhí)行器工作；時鐘電路的功能是定時給水族箱進(jìn)行抽放換水；顯示電路的功能主要是實(shí)時的把溫度 和水位結(jié)果顯示在液晶上面。其中水溫傳感器選用 DS18B20 芯片。屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。可以分別在 和 750ms內(nèi)完成 9位和 12位的數(shù)字量，并且從 DS18B20讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20供電，而無需額外電源。同時其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴(kuò)展的 16 位數(shù)字方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS18B20都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。 DS18B20 的性能特點(diǎn)如下： （ 1）適應(yīng)電壓范 圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 （ 3） DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。 （ 5）溫范圍－ 55℃～＋ 125℃，在 10～ +85℃時精度為177。 （ 6）可編程的分辨率為 9～ 12 位，對應(yīng)的可分 辨溫度分別為 ℃、 ℃、 ℃和 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。 （ 8）負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20 的管腳排列如下圖 所示。 圖 32 水溫檢測電路圖 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 溫度控制電路 溫度控制電路如下圖 33所示，采用繼電器來驅(qū)動 PTC加熱棒，由于繼電器能用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。 圖 33 溫度控制 電路圖 水位檢測控制模塊 通過設(shè)計 555 電路來自制水位傳感器，將幾條頭部裸露的導(dǎo)線高度均勻分布的固定起來，通過水位高低使線路導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)水位的檢測并通過繼電器控制充水。 NE555是屬于 555系列的計時 IC的其中的一種型號， 555系列 IC 的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而 555 是一個用途很廣且相當(dāng)普遍的計時 IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 5.靜態(tài)電流最大值 VCC=5V,RL=∞ =6mA VCC=15V,RL=∞ =15mA。其電路圖 如 34所示 圖 34 水位檢測電路圖 水位控制 電路 水位控制電路同樣采用繼電器來控制，當(dāng)水位檢測到低水位需要加水時便會驅(qū)動水泵加水同樣在定時電路檢測到需要換水時便會驅(qū)動水泵進(jìn)行換水，其電路圖如 35所示 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 圖 35 水位控制電路圖 單片機(jī)是一種集成電路芯片 ，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把計算機(jī)的中央處理器 CPU、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能集成在一塊硅片上形成一個功能芯片，概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。 本設(shè)計采用 STC89C52 單片機(jī)作為控制核心，它被廣泛地運(yùn)用在電子產(chǎn)品的設(shè)計中，它是一種低功耗、高性能的 8 位微控制器，其引腳圖如圖 36 所示，其各引腳功能如下介紹： 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 圖 36 STC89C52單片機(jī)引腳圖 VCC:電源。 P0口： P0口是一個 8位漏極開路的雙向 I/O口。對 P0端口寫“ 1”時，引腳用在高阻抗輸入。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在程序校驗(yàn)時，需要外部上 拉電阻。當(dāng)對 P1“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。在 Flash編程和校對時， P1口接收低 8位地址字節(jié)。對 P2端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口就送出 8位地址。在 Flash編程和校驗(yàn)時，P2口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號。對 P3端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉 高，此時可以作為輸入口使用。 P3口也作為 AT89C52特殊功能（第二功能）使用。 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA應(yīng)該接 VCC。 XTAL1：振蕩器返鄉(xiāng)放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 對于單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計是指用最少的元件組成單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，它的最小系統(tǒng)一般包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。其單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 37所示。本設(shè)計的 STC89C52 單片機(jī)當(dāng)引腳 REST的高電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上就會復(fù)位，因此選擇恰當(dāng)?shù)碾娙葜岛碗娮柚悼梢员ＷC可靠的復(fù)位。 電路 聲光報警電路在本設(shè)計中是個輔助添加功能，當(dāng)在低水位時發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光，蜂鳴器報警。其時鐘電路如圖 39 所示。其顯示原理為具體顯示電路如圖 37所示。其顯示電路圖如圖 310 所示。它由若干個 5X7 或者 5X11等 點(diǎn)陣 字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的 作用。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。引腳 5 是： R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 6腳是 E端為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 15腳背光正極， 16腳背光負(fù)極。合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計出一個性能優(yōu)良的單片機(jī)應(yīng)用于系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，必須充分的重視。明確主次序和中斷服務(wù)程序完成的操作及指定各中斷的優(yōu)先級。以提高系統(tǒng)的實(shí)時性和并行性。這種模塊化程序便于設(shè)計和調(diào)試，容易完成可供多個程序共享的優(yōu)點(diǎn)，但各個模塊之間的連接有一定的難度。這種方法比較符合人的日常思維。 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序設(shè)計方法確定后，根據(jù)系統(tǒng)功能定義，可先畫出程序粗框圖，再對粗框圖進(jìn)行擴(kuò)充和具體化，既對存儲器，寄存器，標(biāo)志位等工作單元作具體的分配和說明。程序流程圖設(shè)計出 來后，便可著手編寫程序，單片機(jī)應(yīng)用程序一般采用 Keil C51集成環(huán)境開發(fā)軟件部分， Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 5l 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼．就能體會到 KeilC51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。軟件系統(tǒng)設(shè)計中包括了系統(tǒng)初始化程序，水溫檢測控制系統(tǒng)，水位檢測控制系統(tǒng)，液晶顯示程序。軟件整體設(shè)計工作流程如圖 41 所示。