馮雅莉，郝寧生

基于單片機的全自動智能魚缸清理器系統(tǒng)設計

馮雅莉，郝寧生*

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

全自動智能魚缸清理器系統(tǒng)的設計是采用STC系列單片機中AT89C52、步進電機滑臺、定時系統(tǒng)和控制部分組成的.系統(tǒng)中含有2個步進滑臺，分別代表直角坐標系中的橫縱坐標軸.滑臺的轉軸上有一有轉軸帶動的金屬塊，代表清理器在魚缸清潔軌道上的位置.其中，轉軸是由步進滑臺中的四相步進電機帶動的.定時系統(tǒng)是由定時部分的DS1302芯片、測溫部分18B20芯片和顯示部分的液晶屏LCD1602組成.該系統(tǒng)可以實現(xiàn)人為定時清理魚缸，過濾水體中異物，增氧以及遇故障時人為調整等功能.

AT89C52；步進滑臺；四相步進電機；DS1302；18B20；LCD1602

全自動智能魚缸清理器的清潔軌跡是可以根據(jù)魚缸的形狀進行設計的，除了具備清潔池底的功能外，還有增氧、檢測水體溫度、過濾水體、移動清潔的功能.目前市場上的產品及其系統(tǒng)的設計是基于PLC技術，采用PLC技術來控制直流電機或交流電機，其共同的缺點是不能根據(jù)不同類型的魚缸進行修改清理器的行走軌跡.采用PLC技術是針對特定的軌道設計，程序比較簡單，容易操作，但是運動軌跡變動時，需要改變內部硬件設備才能實現(xiàn)行走軌跡的更改，而且只能訂制，不便投入批量生產.而單片機的片內含可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，可以通過簡單的改變程序實現(xiàn)行走軌跡的變化.本設計采用可改變的滑動軌道，可以根據(jù)不同的魚缸進行重組軌道，從而大大增加了產品適用性和可操作性.

全自動智能魚缸清理器的工作步驟如下：LCD1602顯示時間，水體的溫度，手動設定清理器開始工作的時間，當時間與設定時間一致時，魚缸清理器自動開始工作，清理器工作一個周期后回到原位.本設計要實現(xiàn)的技術要求是：（1）溫度檢測：對水體溫度進行測量并且反應到顯示器上.（2）顯示部分：顯示當前時間、當前水體溫度、定時設置.（3）鍵盤控制：在電動機停止工作的時候可以手動控制電動機的移動.（4）電機軌道：根據(jù)魚缸的規(guī)格形狀設定，確保能夠讓其清理到整個魚缸底面.

圖1 系統(tǒng)設計的方塊圖

圖2DS18B20實物

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)設計的方塊圖及其說明

系統(tǒng)設計的方塊如圖1所示.由AT89C52控制的魚缸清理器系統(tǒng)的設計說明.溫度傳感器18B20把檢測到的溫度轉化成數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機控制LCD顯示出當前的溫度.而顯示部分包括DS1302時鐘芯片，所以可以把當前時間顯示在LCD屏上.接近開關是在魚缸的軌道的四個方位上，當清理器移動到靠近接近開關時，接近開關就可以把信號傳送給單片機，單片機控制步進電機的行走方向.水泵由單片機控制，當系統(tǒng)啟動的時候，單片機I/O口給出高電率水泵部分的繼電器，即可讓繼電器合上常開開關，讓水泵通電即可運作.鍵盤部分是控制電機的運轉方向的，鍵盤的信號通過單片機傳給電機進行控制.

1.2 顯示部分

顯示部分是由LCD1602液晶顯示器，DS1302芯片和輕觸開關組成，主要是起到顯示當前時間和當前水體溫度的作用.輕觸開關主要是用于調節(jié)時間，設定清潔時間.

本設計使用的LCD1602液晶顯示器為5V電壓驅動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口.

1.3控制部分

控制部分是由4個輕觸開關組成.當清理器出現(xiàn)故障時，可手動控制清理器回到原點，重啟機器，則運行將恢復正常.

1.4 溫度檢測部分

溫度檢測部分功能主要是由DS18B20，32 KHz晶振，紐扣電池等元件組成.本設計使用的DS18B20是帶有金屬外殼的，具有防水功能.DS18B20是一種具有體型小、低能耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點的溫度傳感器，可以檢測的溫度范圍是-55℃～125℃，在-10℃～85℃時精確度為±0.5℃.DS18B20的實物如圖2所示.

1.5 電機軌道設計

假設本次設計是基于一個長方體的魚缸，則電機的行走軌跡如圖3所示.接近開關是安裝在軌道的拐彎處的軌道壁上.

圖3 電機行走軌跡

2 系統(tǒng)的電路設計

2.1 最小系統(tǒng)電路原理圖

最小系統(tǒng)的核心就是AT89C52芯片，可以通過Keil C軟件編譯所需的程序，然后生成有效文件.hex，通過燒錄系統(tǒng)直接把程序載入到AT89C52芯片中.

2.2 顯示部分以及時鐘芯片部分電路

圖4 顯示部分電路原理圖

圖5 時鐘芯片部分電路原理圖

顯示部分主要顯示當前時間、溫度和定時設置，其中按鍵S1、S2、S3、S4用來設置時間，功能分別是選擇、增加、減少、取消.系統(tǒng)基本能通過這4個按鍵實現(xiàn)時間的設定.顯示部分電路原理如圖4所示，時鐘芯片部分電路原理如圖5所示.

2.3 電機部分控制電路

光電隔離電路主要是由TLP521，三極管電路等組成，主要用于電動機的供給電控制.當單片機發(fā)出高電平給光電隔離器時，繼電器的常開處會閉合形成回路，則電機與外接電路中的開關電源（24 V）接通.光電隔離的作用是保護最小系統(tǒng)中的89C52，以免因為電路中的電壓不同而受到干擾，甚至損壞單片機.帶有光電隔離的開關電路的步進電機控制電路原理圖如圖6所示.

圖6 帶有光電隔離的開關電路的步進電機控制電路原理圖

圖7 帶步進電機的滑臺組合電路實物

兩個滑臺分別模擬軌道的水平方向和豎直方向，在滑臺上裝有4個接近開關，分別模擬軌道的上、下、左、右4個方位的壁.電機的速度由單片機控制.帶步進電機的滑臺組合電路實物如圖7所示.

3 軟件系統(tǒng)設計

圖8 主程序流程

圖8 溫度檢測程序流圖

圖10 LCD1602液晶顯示模塊程序流程

首先進行所有數(shù)據(jù)的初始化，啟動水泵，LCD顯示當前時間，18B20檢測水溫，反饋給LCD顯示出來；判斷當前時間是否與設定清理時間一致，若一致，開始檢測接近開關數(shù)據(jù)，若靠近步進電機，則步進電機執(zhí)行命令，清理器開始運行.主程序流程如圖8所示.

圖9為溫度檢測的程序控制流程.溫度控制主要是由18B20采集數(shù)據(jù)，然后經過自身對數(shù)據(jù)的處理，轉化為計算機可以識別的編碼傳輸給單片機，單片機傳送給LCD即可實現(xiàn)溫度的可讀性.

圖10為LCD1602液晶顯示模塊程序流程.首先初始化顯示器的數(shù)據(jù)，并且定義時間設置按鍵S1、S2、S3、S4，其功能分別是選擇、增加、減少、取消.單片機必須檢測是否有按下按鍵，按鍵消抖后，若檢測到有按下按鍵，就開始根據(jù)按鍵的次數(shù)來調整數(shù)據(jù)，把BCD碼轉換數(shù)據(jù)，存入單片機寄存器，LCD1602寫出命令，最后顯示出來.

圖11為步進電機運行程序流程，該流程是根據(jù)圖3的軌跡設定的.電機1是指沿Y軸方向上下移動的步進電機，電機2是指沿X軸方向左右移動的步進電機.其中電機1的正轉是指向Y軸的負方向移動的轉向，反之，電機1的反轉是指向Y軸的正方向移動的轉向.電機2的正轉是指向X軸的正方向移動的轉向，反之，電機2的反轉是指向X軸的負方向移動的轉向.接近開關1,2,3,4分別是軌道的上，左，下，右壁.當前時間與設定清理時間一致時，單片機發(fā)送信號給步進電機，電機接收信號后，開始判斷清理器的位置，如果不是在原點，則可以通過鍵盤控制，使其回到原點；若在原點，則是按照程序的設計運行，運行的軌跡按圖3設定.清理器碰到接近開關時，改變自身運行方向，使其可以完成設定軌跡的運動.

圖11 步進電機運行程序

4 結語

該系統(tǒng)的設計能夠實現(xiàn)魚缸底面的清潔的，而且操作比較簡單，只需設定清潔時間即可.當單片機檢測到設定時間與當前時間一致時，清潔器就可以開始運行.清潔器的運行軌跡是根據(jù)魚缸的形狀設定的，若改變魚缸的形狀，可以通過改變單片機程序來改變清潔器軌跡，使其盡最大的可能使其軌道覆蓋整個魚缸.在設計硬件時，引入接近開關，使整個設計的復雜度大大的降低，接近開關模擬魚缸軌道的拐點，單片機可以通過接近開關傳送的信號改變步進電機的相序，從而改變電機的轉動方向.

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Automatic Intelligent Fish Tank Cleaning Device Based on SCM Control Technology

FENG Ya-li,HAO Ning-sheng*
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The cleaning device consists four parts:AT89C52 of STC series,stepper motor slide unit,timing system and the controlling part.The STC contains a memory inside which the data can be repeatedly written and erased as well as a random access memory.There are two slide units in the device,standing for the x-axis and y-axis in rectangular coordinate system respectively.A shaft,powered by the four-phrase steeper motor is placed inside the slide unit.Rotated by the shaft a mental block,it indicates the position of the cleaning device in the fish tank.The timing system combines a chip DS1302 for timing,a chip 18B20 for temperature testing and a LCD screen LCD1602.The device is developed for multi-functions such as cleaning the tank automatically in specific time;removing the impurity in water;adding oxygen to the water and adjusting the position of the stepper motor intelligently when accident occurs.

AT89C52;slide unit;four-phrase steeper motor;DS1302;18B20;LCD1602

TP23

：A

：1007-5348（2015）04-0022-05

（責任編輯：李婉）

2015-02-20

廣東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（1057613-012）.

馮雅莉（1991-），女，廣東廣州人，韶關學院物理與機電工程學院學生；研究方向：自動化控制.*通訊作者.