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基于单片机的鱼缸控制器设计学位论文

基于单片机的鱼缸控制器设计

摘要

本文是基于单片机的鱼缸控制器的设计，目前市场上有各种各样的观赏类的鱼缸，进入了不同的应用场合，如家庭、宾馆和商场等等，但现有的鱼缸一般需要人为的操作，比如水温的检测、水循环、鱼儿喂食和液位控制等，给人们带来了很大的不便。

本论文就是基于这一现状，分析和研究目前大多数的鱼缸的控制设备和现状，提出了一种新型的基于单片机控制的自动化鱼缸控制器，该控制器是以单片机为核心，再结合传感器技术，可以实现多种功能，包括温度控制、水位检测、氧含量控制、灯光照明等，真正做到了自动化控制。

整个控制系统分为两部分，一是以单片机AT89C52为核心，主要是实现对各种控制参数的设置、显示、处理和存储等。

二是输入输出部分，主要是采集系统所要求的各种参数和检测信号，并将核心芯片传输的信号进行执行，设计出硬件电路和软件电路，综合实现鱼缸控制的集中管理。

通过对所设计的系统进行较长时间的运行和测试，结果表明所设计的系统可以实现要求，并且其具有系统运行稳定可靠、操作简单、设计灵活、成本低廉和结构简单等特点，可以广泛的应用于家庭类的观赏性鱼缸。

关键字：

单片机，自动化，鱼缸，控制系统

TheDesignerofMCU-basedtank

ABSTRACT

Thisarticleisbaseddesignautomationaquarium,thereareavarietyofornamentalfishtankonthemarkettoday,intothedifferentapplications,suchashome,hotelandshoppingandsoon,buttheexistingtanksgenerallyrequirehumanoperation,suchaswatertemperaturedetection,watercycle,fishfeedingandlevelcontrol,tobringalotofinconvenience.Thispaperisbasedonthissituation,analysisandresearchequipmentandthecurrentstatusofcontrolofmostofthefishtank,weproposeanewtankbasedautomationmicroprocessorcontrolled,thesystemiscore,combinedwithsensortechnology,setmultipletechnologiesandcontrolfunctionsinone,includingthermostat,automaticfeeding,automaticwaterchange,automaticlighting,theperfectautomatedcontrol.Thewholecontrolsystemisdividedintotwoparts,oneistheAT89C52asthecore,itistoachieveavarietyofcontrolparameterssetting,display,processing,andstorage.Second,theinputandoutputsection,mainlyavarietyofparametersanddetectsignalacquisitionsystemrequires,andwillbeexecuted,hardwaredesignschematicssignaltransmissioncorechipandsoftwaredesign,integratedcentralizedmanagementcontroltank.

Basedonthedesignofthesystemforalongtimetorunandtestresultsshowthattheproposedsystemcanachieverequirementsandhavingthesystemisstableandreliable,simpleoperation,designflexibility,lowcostandsimplestructure,etc.,canbewidelyusedinthefamilyclassofornamentalfishtank.

KEYWORDS:

MCU,automation,fishtank,controlsystem

目　录

前　言

本次课题主要是完成基于单片机的鱼缸控制器的设计，针对于目前市场上的鱼缸情况，其在很大程度上都需要人为的操作，而本次论文的主要工作及目的，便是通过将单片机与传感器技术相结合，将人们从操作上解放出来，实现鱼缸的自动化控制，使得其控制更加稳定、灵活和方便。

该设计要求控制器能实现鱼缸的自动调温、自动换水以及自动除垢等功能。

随着国民经济的发展，人们的生活水平有了很大的提高，相应的对生活质量有了明显的要求，而休闲水族产业的出现在很大程度上提高了人们对自然和享受的追求，目前水族业的蓬勃发展也恰恰说明了这一点，但目前市场上的鱼缸还有所欠缺，其正处在初步发展的阶段，不能达到大众的需求。

本次论文针对于这一现状，提出了将单片机与鱼缸相结合的想法，并应用传感器技术，实现硬件和软件的统一，使其共同协调工作，实现传统鱼缸所不能实现的自动控制。

解决人们因为时间原因不能及时养护鱼缸的困难，使得系统可以在设定参数后能够自行的运作，减少人为的操作。

本次设计是先针对于目前鱼缸市场的现状，提出新型的控制方案，确定设计的主要目的和要实现的要求，明确设计对象中的各个控制参数，并阐述所应用的技术的原理。

在设计过程中，主要将工作分为两部分，一是硬件的选用和设计，主要是针对于设计所需要的各种设备和性能的要求，选择并设计出可靠和稳定的硬件电路；二是软件的设计，此过程主要是程序的设计和编写，在设计好硬件电路的前提下，将编写好的程序写入芯片中，有主控制系统下达命令并使得硬件部分快速准确的执行。

此外，由于在硬件和软件设计的过程中会出现各种问题，并且最终的执行结果可能会出现偏差，这些主要是由于在系统工作过程中会出现信号的干扰，导致系统误动作，所以要有一定的抗干扰设计，保证系统在发出信号、接收信号以及执行动作的时候不会出错，能够准确的实现系统所要求的功能。

第1章概述

1.1研究的意义

1.1.1自动化鱼缸

自动化鱼缸利用先进的技术，真正做到了节能、环保和方便实用，是养鱼者最好最方便的选择。

它改变了原有的很多手工上的操作，比如自己换水、氧气含量的控制、水质不好等问题，而应用自动化鱼缸可以很好的解决这些问题，为鱼儿提供了一个良好的环境，并且大大地提高了养鱼爱好者的乐趣。

再也不用人为的进行换水，当外出时也不用担心鱼儿无人照料，并且系统设计的安全措施也能有效的降低异常情况的发生等等。

真正做到了自动化的控制，在时间上解放了人类，为养鱼爱好者节省了很多时间，省去了很多不必要的麻烦。

全自动鱼缸有各式各样的款式和不同的型号，可根据不同场合选用最合适最实用的鱼缸。

自动化鱼缸节能环保，方便控制，解决了一系列的问题，如换水难、水中矿物质缺乏以及耗时照料等。

系统控制会自动进行定时，然后根据鱼缸中水量的情况进行加水和排水的，保证鱼缸中水量的适度。

并且能自动清除鱼的粪便和水中的杂质，免除了使用清洗过滤棉给鱼儿带来的伤害和对水质的污染。

这样一来，不仅使得鱼缸的使用变得更加方便，而且美化了环境，使得养鱼成为赏心悦目的事，人们不用在其上花费太多的时间和劳力，在很大程度上将人们解放出来，真正实现了休闲的自动化控制。

1.1.2自动化鱼缸应用情况及意义

随着我国经济的发展，人民的生活水平得到了很大的改善，人们的生活品位相应的也越来越高，与之相关的休闲、养生类等行业有了日渐蓬勃的发展之势。

工作和生活在城市里的人或多或少都承受着各方面压力，心里都渴望着回归大自然的宁静与和谐。

这样一来，一个生机盎然、苍翠欲滴的鱼草水族箱便有了很大的作用，它不但能美化居室的环境，使得人们近距离的接触到大自然，更能使人得到绿色和充满活力的能量，每天欣赏大自然绿色美景的同时，在心理上得到很大的满足和平静。

在这种需求下，水族行业便得到了其发展的优势。

鱼缸又被大家称水族箱，它起源于英国，到现在已经有了超过150年的历史。

在鱼缸市场发展早期的时候，水族箱的作用多用于展览，主要是在酒店和展览会等大众化的场所的观赏。

但如今随着生活水平的提高，而且科技的加入使得水族业得到了快速和良好的发展。

水族箱更是逐渐成为了普通家庭的室内装饰。

现如今，以水草和金鱼为主的鱼缸被称作“水中微缩的鱼草园林”，是人们在休闲上的普遍选择，但人们由于工作繁忙或者不是专业养护，导致没有很好的结果，最后的结局大多是水草的枯萎和鱼儿的死亡。

针对这一现状，市场上也陆续出现了各种自动化控制的鱼缸，可以完成水温控制、保证氧含量、自动排水以及自动照明等。

通过对目前大多数水族箱控制设备应用现状的分析和研究，提出了一种集多中功能于一体的自动化鱼缸控制器，该控制系统是以单片机为控制中心，将其与传感器技术相结合，最终可以集多种功能于一体，实现自动调温、自动喂食、自动照明、自动换水和自动除垢等功能。

1.2现状

1.2.1功能分类

不同场合的自动化鱼缸要具有不同的功能及特点，总体说来，要具有以下基本的要求：

温度控制、光照充足、水位控制、自动喂食、水质监测等，同时还具有节能环保的特点。

但是在应用到不同场合时，便需要其有相应的功能，如矿厂、公司、水族馆、观赏池、展览会、酒店、家庭等。

工矿场合要有良好的除噪效果，系统反应要更加灵敏，并且要具有净化空气的效果；养殖户一类必须要方便管理和处理突发状况；其它水族馆和观赏池等等一定要在满足基本条件下做到美观、赏心悦目，最好带有音乐及灯光效果。

1.2.2单片机的应用

单片机又被大家称为单片微控制器,它不仅仅只是完成某一个逻辑功能,它一个芯片本身便实现了大部分的集成功能。

有人形象的称单片机就是一台微型的计算机。

它拥有体积小、质量轻和价格低廉等特点，大大的方便了大家的学习、应用和开发。

同时，通过学习单片机，我们可以更好的了解计算机的原理与结构。

单片机内部和电脑有一些功能相似的模块，比如同样有CPU、内存、并行总线以及和硬盘作用相同的存储器件，但不同的是，单片机的这些器件的性能相对与电脑来说要弱很多，不过价钱同时也低很多，一般不会超过10元，所以可以用它来做一些控制电器的工作。

它是一种控制计算机，并且其工作是在线式实时的，所谓的在线式就是现场控制，这就要求其有较强的抗干扰能力和比较低的成本，这也是它和离线式计算机的最大区别。

单片机主要是靠程序来控制硬件实现各种功能的，而且要求其要具有可修改性。

其通过不同的程序来实现相应的不同的功能，尤其是针对于一些特殊功能，往往要耗费大量的人力和时间，有些甚至难以实现。

一个相对来说比较简单的功能要是用美国50年代开发的74系列或者60年代的CD4000系列可以实现的话，那么它的电路一定是很大的PCB板！

但如果要应用美国70年代成功投放市场的新型单片机，便会有很大的差别！

因为你通过单片机编写的程序就可以实现其可靠性、高智能以及高效率。

1.2.3控制系统及特点

控制系统以单片机AT89C52为控制核心，结合传感器技术，集多种控制功能于一体，包括温度控制、灯光照明、水位监测、氧含量控制等。

整个系统分为四大部分：

第一部分是以单片机AT89C52为核心的温度控制部分；第二部分是以单片机和扬声器SPEAKER为主的功能模块；第三部分是以LED为主的灯光模块；第四部分是自动/手动换水，自动/手动喂食等功能。

该控制系统具有运行稳定可靠、操作简单方便等优点。

同时该系统具有结构简单、设计灵活以及成本低廉等特点，并且易于规模化的生产，可广泛用于家庭和宾馆等。

1.3论文的主要工作

1.3.1设计任务

本文主要针对自动化鱼缸的设计，在单片机的基础上，结合传感器技术，设计出自动化控制的集成电路，集多种功能于一体，实现鱼缸的自动化控制。

本次设计主要由输入输出和控制部分组成，输入输出部分主要完成系统各种参数的监测、设定以及调试等；控制部分主要完成复位、数据的存储、显示时钟和温度、按键以及各种输入输出的指示等。

1.3.2设计方案

（1）总体设计

首先对该系统原理进行分析，明白最终运行的结果要求和指示，结合设备造型，查阅资料，确定采用合适的控制系统，提交总体的设计方案。

（2）硬件设计

分别设计数据采集电路，控制电路，通讯电路等，并使其集成显示、运行，应用CAD软件画出电气控制原理图。

（3）软件设计

主要是对程序的编写，各个子程序模块要做到系统的结合，并应用到单片机的集成显示。

（4）通信联调

第2章控制方案

2.1自动化鱼缸的控制原理分析

2.1.1应用方向

对于不同的场合，其鱼缸要求也不尽相同。

本次设计的自动化鱼缸主要是应用于家庭观赏类鱼缸，在功能和美观上相比于大型高档类鱼缸稍有欠缺，但在应用和操作方面会尽量达到市场要求，在很大长度上减少了人为操作。

设计系统可以检测鱼缸中含氧量、温度、水垢等，并做出相应的反应，还有水位探测功能，应用碳棒及时的探测水位并补充水量。

另外应用的自动化系统可以时时的显示鱼缸的所有数据，并且带有报警系统，真正的做到了方便快捷。

2.1.2控制原理

本次论文设计是基于单片机的自动化控制，将单片机应用到鱼缸系统中，使其达到自动化控制，更为快捷方便的控制。

在单片机的基础上扩展一些接口，用来进行数模转换、数字显示、键盘写入和输出控制等，并加入相关的应用软件，组成完整的单片机系统。

针对于单片机的性能高、灵活性强的特点，将其应用到鱼缸的控制中，结合传感器和感应器技术等实现其自动化的控制。

在实现其自动化控制中，共分为以下几个控制方向：

温度、水位、含氧量等，并且还要带有紧急情况的报警系统，以防突发情况的发生。

其中各种参数的设定和调试可根据天气和周围环境的变化做出相应的改变，最终的目的是为鱼儿提供一个良好的生活环境。

本次系统的结构采用分块的模式，主要由控制部分和输入输出部分协调完成系统功能。

其中，控制部分主要完成复位、数据的存储、显示温度和时钟、按键以及各种输入和输出等；而输入输出部分主要完成系统的各种控制参数的设定以及与主系统的通信等。

结合上述要点，在实现安全和自动化控制的前提下，争取实现系统方便、灵活、安全的统一。

2.1.3控制要求

针对鱼缸的自动化控制，本次设计的系统要做到以下要求：

1）实时监测鱼缸内的环境参数：

由于鱼缸内的各种鱼儿和水草等需要一个相对稳定并且良好的生活环境，因此要保证鱼缸内各种参数的稳定，其中包括含氧量、温度、光照、水位等。

要尽可能的将各种参数控制或者调整到合适的范围，以保证鱼儿的良好成长。

2）能够实时的显示温度、系统参数的设定以及当前工作状态和系统时间。

3）有报警系统，即当鱼缸内的环境参数超过设定值时，系统能够及时的发出报警信号并做出反应动作，以保证环境参数的稳定。

4）为了适应不同的需求，系统要能在自动和手动的模式下自由切换。

2.2控制参数与性能指标

本次设计的控制对象是鱼缸，控制的目的是使其能自动调节，为鱼类提供合适的生活环境。

设计的过程中要注意水温、水位、氧含量等参数。

要求该系统能自动检测并显示鱼缸内的温度和氧含量等，并做出及时的补充，利用碳棒检测水位的高低，并应用单片机控制水泵进行供水，协调工作达到一个功能完善的自动控制系统。

2.2.1温度

鱼类是冷血动物，也就是说它们需要从周边环境吸取热量以供给自身新陈代谢。

鱼类在水中不断用鳃过滤水，进行呼吸，这就导致了它们新陈代谢产生的热量会很快消散在水中，体温也和周围水温相似。

鱼类大多数喜欢生活在温度为25.5~28.8摄氏度的水中。

温度或热量是影响鱼类新陈代谢的重要因素，如果温度过高，鱼类体内的酶将停止工作；如果温度过低，鱼类体内的酶的结构将会被破坏。

此外，如果水温过低，热带鱼将很可能会丧失其意识，鱼类体内的寄生虫和细菌会伺机侵害鱼类的健康。

随着水温的升高，氧气的溶解度会降低，而鱼类恰恰是需要氧气来进行生存，这样便可能会导致鱼类因缺氧而死去，所以一定要给鱼类一个合适的水温。

综上所述，可根据系统设定的温度范围来控制加热器的启动和停止，以提供一个合适的水温。

2.2.2水位

水位检测主要是控制鱼缸内的水量，通过水泵将水箱中的水抽到鱼缸中，并应用碳棒时时检测水位，当检测到水位达到要求时，立即通过单片机控制水泵停止加水。

2.2.3光和氧气

鱼缸中不仅仅只有鱼类，同时还有共同生活的植物。

而光是植物健康生长的必要因素，在适宜的光照条件下更加有利于植物的生长，同时利于鱼儿的生活。

绿色植物是唯一能产生氧气的植物，植物良好的生长可以及时补充鱼缸内的氧气。

在自动化系统的配合下可以更加方便的控制鱼缸内的含氧量，为鱼儿创造了一个良好的环境。

2.3设备造型

2.3.1I/O点分析

本次设计的自动化鱼缸是基于单片机的自动化应用，参考于其中的控制参数，利用传感器等技术来实现自动化控制，需要加入一个作为输入的3*4的键盘，以此来设置温度和含氧量的参数。

其中设置的温度标准和氧气含量等均可以通过键盘来手动输入，随时的根据周围环境的变化来调控参数标准，为鱼儿提供更好的生活环境。

而通过传感器作为输出的实时温度和含氧量一并作为输出点来考虑，只需在传感器与单片机的基础上桥接一个LED显示模块，就可以方便的显示所需要控制的参数，以此来改变或者重新设置。

其中水位的控制是通过碳棒来实现，因此并不需要作为输出点。

2.3.2单片机的选型

单片机共可以分为1位、4位、8位、16位、32位机等。

其中1位机和4位机成本低、结构简单，但指令不丰富，而且编程复杂，主要运用于简单的控制；相对来说16位机和32位机虽然性能优越、集成密度高，但在价格上比较高，因此得不到广泛的应用；而8位单片机体积较小、指令多而广、价格低廉，而且产品的应用几乎占据了大部分的单片机市场，将会成为系统控制的主流机型。

ATMEL、NXP、STC和SST等公司生产的高性能8位89C52/S51单片机有很多优势，比如其有丰富的系统资源，特别是其内部增加的存储器FlashROM，它可以高速的改写，大大的方便了单片机的开发及应用。

因为89C52=80C31+373+2732，而且其价格低廉，因此，在市场上有相当大的应用性。

经过综合考虑，本次论文选用AT89C52型的单片机作为自动化鱼缸的主控制芯片，AT89C52是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。

它采用了CMOS工艺，并具有高密度非易失性，而且其输出引脚和指令系统都有较强的稳定性。

片内的FlashROM在系统内允许改编程序。

具有功能强、灵活性高且价格合理等特点。

它有40个引脚，32个外部双向输入输出的端口，同时内含2个外中断口，2个全双工串行通信口，3个16位可编程定时计数器，2个读写口，既可以按照常规的方法进行编程，也可以在线编程。

另外，它将通用的微处理器和Flash存储器巧妙的结合到一起，尤其是可反复擦写的Flash存储器的应用，有效的降低了开发成本。

所选用的AT89C52单片机内部片内资源丰富，有8K字节的闪烁存储器，而本次系统设计主要用单片机C语言编写，这样编译后生成的代码不仅较为简短，而且效率较高，这样有了多余的程序存储空间避免了再外部扩展，有效的简化了系统电路和降低了系统成本。

2.3.3电源的选择

基于是家庭的自动化鱼缸，考虑到方便的操作问题，直接选用220伏的常用电源，不仅可以方便鱼缸的接线问题，还可以省去中间升降压的麻烦。

而对于单片机的电源选择则要针对于所选用的单片机的类型，结合其各种参数，并考虑到中间所加的各种应用模块。

由于本次设计选用的是89C52单片机，所以直接选用5伏的直流电源，作为单片机的电源供给。

2.3.4继电器的选择

继电器是一种当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。

其原理是通过改变输入到线圈上的电压来改变电磁场，进而控制电路的开和关。

按照工作原理和结构特征，继电器共分为以下几类：

电磁继电器、固态继电器、时间继电器、舌簧继电器、温度继电器等。

继电器的选择有以下注意事项：

使用环境、输入信号、输入参量、负载情况等。

针对于鱼缸的水中环境和使用现状，以及鱼缸的电压、电流、输入输出等情况，选用最常用的光电隔离器来作为安全保护装置，其具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强．无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点。

综上所述，本次系统选用型号为SRS-05VDC-SL的继电器，它的触点负载为中功率，触电形式为常开型。

2.4总体方案

本次设计主要是以单片机89C52为核心，在此基础上应用其它的模块，如温度显示模块、自动供水模块、自动报警模块和按键输入模块等。

应用传感器技术和感应系统将其系统完美的结合到一起，能人性化的调试和随时随境的改变参数的设定，实现现代化鱼缸的自动控制。

以下是总体硬件结构方案图：

系统硬件结构框图

其中主控制部分包括：

中心控制模块：

主要是以单片机为控制核心，其功能是用来将A/D转换器送来的数字信号进行处理，从而向各种设备发出各种控制信号。

时钟控制电路模块：

同步控制系统的相对时钟和绝对时钟，定时检测各种环境参数和各项控制器的开或关。

人机交互按键控制模块：

主要是用来实现按键的写入功能以及设置后相应的LED的显示，以便达到良好的人机交互功能。

1）通过LED数码管实时显示参数值；2）通过键盘写入各种参数；3）发生异常时能通过LED管和蜂鸣器报警。

数据存储/复位模块：

能够存储各种参数，实时监测并存储系统的工作过程，当遇到异常情况时能够复位重启。

数码显示模块：

能够实时的显示系统的工作状态和时间、当前温度以及控制过程中的参数变化。

其中输入输出控制部分包括：

各种信号的输入模块：

能够将鱼缸中检测到的各种信号准确输入，如温度的监测、水位高低的监测以及含氧量的监测等。

这个模块主要是由传感器、放大器、多路开关以及A/D转换器等组成，完成数据的采集。

其中传感器的作用是感应鱼缸内各种环境参数的的变化，然后将其转化为电信号；放大器的作用是将系统接收到的一些微小的信号放大，以便于接收系统可以很快的接收并利于下面的执行；多路开关的作用是将接收到的电信号传给A/D转换器，这样便可以让单片机接收到可以识别的数字信号。

各种子系统的输出控制模块：

主要由各种输出控制的设备组成。

根据系统检测到的各种参数信号，控制相应的子系统进行工作，各个子系统既不互相干扰又能协调工作，同时可以显示各种输出。

作为核心的单片机将设定值和采集值进行比较，发出控制信号并传输给相应的设备，实现对不合适参数的调节。

第3章系统硬件设计

本章内容是介绍自动化鱼缸控制的硬件结构和设计，主要包括以下设计:

主从机电路模块、时钟电路模块、键盘控制与显示模块、温度控制模块、数据存储电路模块等。

下文中详细的阐述了各电路设计中芯片的选型要求，并根据其内部组成、性能参数和功能特点等设计出了具体的硬件电路。

在综合各个电路的元件性能的前提下，保证所设计的各个电路之间可以协调工作，在主系统的控制和