賈高峰，郝巍魏，王曉倩，任恒陽，于禾苗，梁麗華

河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北保定 071001

自動化控制水族箱的設計與實現(xiàn)

賈高峰，郝巍魏，王曉倩，任恒陽，于禾苗，梁麗華

河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北保定 071001

隨著市場上各式各樣水族箱的出現(xiàn)，功能也在不斷地提高完善。但是，經(jīng)過不斷地創(chuàng)新和改造，仍然避免不了水族箱自動化程度低的缺點。結合當今先進的電子技術，創(chuàng)新型的設計了一個基于單片機的水族箱自動控制系統(tǒng)，充分解決了在控制水溫、時間測定、照明系統(tǒng)，定時投料等方面的問題，并且可以將信息及時回饋到顯示液晶屏上，便于對數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整。過濾系統(tǒng)是水族箱保證水質(zhì)穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)，選取合適的過濾方式以及優(yōu)良的濾材就需要對其有全面充分的認識，根據(jù)水族箱內(nèi)水質(zhì)的變化合理安排過濾的流程，實現(xiàn)水族箱自動化控制的最終目的。

水族箱；自動控制；單片機；過濾系統(tǒng)

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用單片機為主芯片，實現(xiàn)了水族箱的自動化控制，通過按鍵實現(xiàn)人機交互界面的切換。在水溫控制中使用溫度傳感器對水溫進行實時檢測，并控制加熱器保持水溫恒定。投料模塊利用單片機控制伺服舵機精確控制投料量。系統(tǒng)的核心控制采用單片機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和各模塊的協(xié)調(diào)配合。利用液晶顯示水溫，時間，菜單，設置選項等。在水循環(huán)控制中利用定時器精確的控制環(huán)氧泵來凈化水質(zhì)，增加水的溶氧量，系統(tǒng)采用時鐘芯片對時間進行實時更新。主控制板的硬件主要包括，溫度控制模塊、時鐘模塊、投料模塊、循環(huán)氧泵控制模塊、光照控制模塊[1]。見圖1。

圖1 水族箱內(nèi)部總體設計圖

2 系統(tǒng)功能模塊設計

2.1 溫度模塊

溫度模塊是由溫度傳感器和加熱棒組成。溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供處理器處理，通過單片機對溫度傳感器對數(shù)據(jù)進行處理，進而控制加熱器工作，保持水族箱溫度恒定。在水族箱內(nèi)將加熱棒斜放或者平放在靠近缸底的位置，這樣散熱效果更好，因為水加熱后會上升。垂直放置的加熱棒，棒下部產(chǎn)生的熱水與棒上部的溫差相對較小，熱傳導就會慢些，這無疑降低了加熱的效率，延長了加熱時間，浪費了能源。并且溫控裝置在加熱棒上端，會導致加熱棒提前停止加熱。

2.2 投料模塊

投料模塊是對精確度要求較高的部分。本水族箱采用伺服電機控制投料面的開閉。伺服電機能比較準確的控制輸出的轉(zhuǎn)動角度，對于投料量能精確控制。投料艙根據(jù)輸入的命令，利用單片機實現(xiàn)定時定量投喂。投料艙設置在水族箱頂部，根據(jù)魚的生活習性。魚喜歡吃漂浮在水中的事物，這樣設置有利于魚類進食。

2.3 時鐘模塊

時鐘模塊設置與單片機上，可提供時鐘、日歷、定時鬧鐘等功能，采用雙重供電模式，當斷電時，由備用電源臨時供電。

2.4 過濾模塊

在水族箱底部，設置一個百葉窗。平時百葉窗開啟，魚的殘餌糞便通過百葉窗漏到下方收集區(qū)，當經(jīng)過一定時間后，關閉百葉窗，過濾系統(tǒng)啟動，將收集區(qū)的殘餌糞便吸入過濾系統(tǒng)清除。收集區(qū)設置成傾斜樣式，將入水口設在斜坡頂部，對斜坡沖刷，有利于殘餌糞便的收集。過濾模塊可通過設置單片機定時定長供斷電，來實現(xiàn)定期對水族箱的清理，實現(xiàn)自動化清理效果。

2.5 環(huán)氧泵模塊

環(huán)氧泵設置在水族箱底部，氧氣可以自下而上充滿整個缸體。環(huán)氧泵也可設置供氧時間供養(yǎng)量，根據(jù)不同的魚類，設置不用的供養(yǎng)時間，實現(xiàn)水中含氧量的多少。

2.6 光照控制模塊

光照強度對于魚兒生存的適宜性具有明顯作用，有些品種的魚更適合生存在光照時間較長的地方，因此，對于不同品種的魚水族箱要采取不同的控制處理措施。系統(tǒng)通過光敏電阻來控制高亮LED，光線變暗的時候進行自動開啟光照系統(tǒng)對水族箱照明。燈光的效果給水族箱也增添了一抹靚色。

3 過濾模塊具體設計

3.1 過濾裝置的順序

一般情況無論是何種位置的過濾器，其按水流方向濾材的設置順序大致相同。水流通過進水口由水泵將水流帶到過濾裝置中，首先是物理過濾，水流通過兩層的粗濾棉，去除掉水中的部分固體雜質(zhì)；其次是化學過濾，水流通過軟水樹脂、草泥丸等將部分可溶性雜質(zhì)進一步去除；最后是生物過濾，水流通過玻璃環(huán)等濾材，通過消化細菌的硝化作用除去其中的有毒性的雜質(zhì)。通過三次過濾水質(zhì)基本達到一個較好的效果，最終水流通過水泵再回到出水口完成一次過濾循環(huán)。

需要注意的是生物過濾中的硝化細菌為好氧細菌，在缺氧的狀態(tài)下，會迅速死亡，甚至造成生物過濾系統(tǒng)的崩潰[2]。另外，反硝化細菌在無氧的情況下，還會釋放出硫化氫；化學過濾中的大部分濾材，如軟水樹脂、草泥丸等，在使用的時候，要配合相應的檢測儀器，才能更好地控制水質(zhì)，不至于調(diào)節(jié)過度。

3.2 濾材的選取

過濾過程中需要的過濾材料叫做濾材。這種材料種類各異，在水處理中的效果也各有不同。

過濾棉是放在過濾系統(tǒng)的最前面，并保證足夠厚度。當水流通過濾材的時候可以濾掉水中直徑較大的固體顆粒物，將水中的雜質(zhì)吸附，同時通過水流運動，加大水中溶氧量，防止硝化細菌缺氧死亡。濾材一般為人工合成材料，不易腐爛，比較耐用，當污垢在其中積存過多時，清洗后仍可繼續(xù)使用，但需要定期更換，建議至少每周清洗兩次。

生化球是人工制作的塑料球，是人工生物濾材。它具有交錯的網(wǎng)孔結構，氧氣交換時對流效果好，能提供最大的生化表面積，有利于硝化細菌的繁衍、生長。但因為放在水里會漂浮起來，不適合用在沉水型過濾器。最好的辦法是將它放在高于水族箱的過濾器內(nèi)，并且讓水流均勻的從它們表面流過，這種辦法被稱為滴流過濾器。但由于其所占的面積比較大，也不太美觀，目前已很少有人使用。

離子交換樹脂物理和化學性質(zhì)都極其穩(wěn)定，它不僅能夠有效降低pH，還能夠迅速的進行陽離子交換作用。目前，已在眾多行業(yè)應用，當然，它也常用于水族箱養(yǎng)水的材料，使水質(zhì)的硬度與PH更適合種植水草。

4 結論

本設計綜合應用了溫度傳感器，光敏傳感器等設備，以單片機為控制中心，實現(xiàn)了對魚類生活環(huán)境的溫度，光照，投料，供養(yǎng)的自動化控制，操作簡單，具有普遍試用性，應用范圍廣。選擇合適的濾材，達到充分過濾，做好水族箱中的水處理工作，才能為水族箱生物提供一個穩(wěn)定、潔凈的生存環(huán)境，給家庭生活創(chuàng)造一個輕松愉悅的休息氛圍。

[1]王永和.水族箱自動控制系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].科技博覽，2011，38：184-185.

[2]占家智，羊茜.淡水觀賞魚飼養(yǎng)金典[M].福建科學技術出版社，2011：35-36.

表3 信號組合

2.2 試驗結果

將該系統(tǒng)同一試驗軌道上運行，系統(tǒng)受強光、軌旁樹木花草、戶外高溫、不規(guī)則的風、振動、防護柵欄、彎道等干擾小，能保證無誤動作，且其測量距離誤差為±25mm，滿足高架單軌觀光車的要求。

雨霧情況下，在能見度50m時，能有效識別并準確動作。

3 結論

高架單軌觀光車的防撞存在難點，主要是由其運行環(huán)境因素造成的，傳統(tǒng)的防撞方式在一般工業(yè)環(huán)境中均可以有效地進行防撞，器件應用跟環(huán)境的匹配極其重要。

通過試驗研究，機器視覺在高架單軌觀光車防撞系統(tǒng)中具有優(yōu)越性，尤其是在前后車更換時，無需調(diào)整高度，均能有效地識別前車特定標識物，即本公司的logo。同時具有準確性，可以準確排除其他的干擾物，即保證車輛運行的安全距離同時也能防止誤動作。繼電器輸出采用常閉信號，且組合輸出，有效避免了因器件、線路故障而帶來影響。準確、可靠的高架單軌觀光車防撞系統(tǒng)為旅客安全、無恐慌的觀光旅程提供了保障。

參考文獻

[1]段峰，王耀南，雷曉峰，等.機器視覺技術及其應用綜述[J].自動化博覽，2002，19（3）；59-62．

[2]馬志溪．電氣工程設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002．

TP3

A

1674-6708（2015）148-0120-02