樊東燕，楊 森

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院，山西 太原 030031)

家用水域定時(shí)自動(dòng)增氧喂料控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

樊東燕，楊 森

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院，山西 太原 030031)

本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)保的家用水域定時(shí)自動(dòng)增氧喂料控制器，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)家用水族箱的智能管理，提升生活情趣。系統(tǒng)基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，具有調(diào)節(jié)顯示時(shí)間、設(shè)置定時(shí)增氧和喂料等功能，同時(shí)符合低功耗、高效能的環(huán)保理念，可廣泛用于各種魚(yú)缸、水族箱等水域養(yǎng)殖環(huán)境。

增氧喂料控制器；單片機(jī)；STC89C52；DS1302

隨著人們生活水平的不斷提升，人們對(duì)精神生活的追求也越來(lái)越高，往往會(huì)在家中或辦公室放置魚(yú)缸或水族箱，以改善室內(nèi)環(huán)境，釋放壓力，調(diào)節(jié)情緒，提高生活品味。但是魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)是需要一定的條件的：魚(yú)缸里面的氧氣含量不夠魚(yú)群正常生活時(shí)，就會(huì)影響到魚(yú)類(lèi)的生活和生長(zhǎng)情況；當(dāng)人們由于各種情況無(wú)法定時(shí)定量投放飼料時(shí)，就會(huì)有將魚(yú)苗餓死或撐死的情況發(fā)生。而目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的魚(yú)缸增氧機(jī)，只具有一個(gè)增氧系統(tǒng)，且不能設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)，基于此筆者設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的環(huán)保節(jié)能的家用水域定時(shí)自動(dòng)增氧喂料控制器，便于對(duì)魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行管控，提高喂養(yǎng)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家用水族箱的智能管理，使其能夠設(shè)置定時(shí)增氧和喂料，水域定時(shí)自動(dòng)增氧喂料控制器系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)及外圍電路模塊、時(shí)鐘電路模塊、繼電器控制電路模塊、蜂鳴器控制電路模塊、LCD顯示屏模塊、按鍵控制模塊和電源模塊等七部分組成，如圖1所示[1]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框架示意圖

加電后單片機(jī)系統(tǒng)持續(xù)不斷地與時(shí)鐘電路進(jìn)行交互通信，通過(guò)請(qǐng)求時(shí)鐘電路模塊的回復(fù)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)的時(shí)間控制；經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)的處理后輸出到顯示模塊，將時(shí)間數(shù)據(jù)顯示在屏幕上；同時(shí)獨(dú)立按鍵操作模塊通過(guò)按鍵與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器和蜂鳴器，使系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作：當(dāng)滿(mǎn)足所設(shè)置的時(shí)間時(shí)，繼電器和蜂鳴器在通電后開(kāi)啟，系統(tǒng)處于自動(dòng)增氧和自動(dòng)喂料的工作狀態(tài)；否則，顯示模塊只顯示當(dāng)前時(shí)間。

2 關(guān)鍵部件及其主要參數(shù)

2.1 單片機(jī)選型及參數(shù)

單片機(jī)系統(tǒng)是水域定時(shí)自動(dòng)增氧喂料控制器的核心模塊，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、傳輸和控制。由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)大多是從芯片內(nèi)部傳送處理，所以其運(yùn)行速度和抗干擾能力的性能都很強(qiáng)，是開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)小型智能設(shè)備的首選[2]。

本設(shè)計(jì)基于設(shè)備的體積、重量、耗電、功能以及價(jià)格等因素的考量，選擇了宏晶科技的STC89C52單片機(jī)。STC89C52的指令代碼和傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容，其周期可以在12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期間任意選擇，STC89C52的工作電壓為3.3 V～5.5 V，工作頻率范圍為0～40 MHz，共有3個(gè)16位的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器[3]。

2.2 時(shí)鐘芯片選型及參數(shù)

時(shí)鐘電路模塊本設(shè)計(jì)選擇的是美國(guó)DALLAS公司的DS1302時(shí)鐘芯片。DS1302是一種低功耗，高性能、性?xún)r(jià)比較高的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式，附加了31個(gè)字節(jié)靜態(tài)的RAM，采用CPU與SPI三線(xiàn)接進(jìn)行同步通信，并且采用突發(fā)的方式一次性可傳送多個(gè)字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘還可提供年、月、日、周日、時(shí)、分和秒，并且具有閏年補(bǔ)償?shù)墓δ堋９ぷ麟妷悍秶鸀?.5 V～5.5 V。并且采用了雙電源供電的方式(主電源和備用電源)，還可以設(shè)置備用電源的充電的方式，并且提供了對(duì)備用電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力，提高電源的使用壽命[4]。DS1302用于專(zhuān)用的時(shí)間計(jì)算芯片，通過(guò)控制字可以設(shè)定和讀取內(nèi)部的時(shí)間，而不是簡(jiǎn)單的提高秒脈沖，因此得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 LCD顯示模塊選型及參數(shù)

在本設(shè)計(jì)中用到的液晶屏為L(zhǎng)CD1602。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，其特點(diǎn)是微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中[5]。

LCD1602總共有兩行16個(gè)字符的位置可供顯示，其工作電壓為5 V，顯示對(duì)比度可調(diào)節(jié)，內(nèi)含復(fù)位電路，可提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。同時(shí)LCD1602有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM，內(nèi)建有192個(gè)5×7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM，8個(gè)可由用戶(hù)自定義的5×7的字符發(fā)生器CGRAM[6]。

需要注意的是單片機(jī)在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，必須嚴(yán)格按照LCD1602的讀寫(xiě)時(shí)序來(lái)操作，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新和顯示。單片機(jī)分別控制LCD1602的RS、RW、E端，再進(jìn)行DB0～DB7的數(shù)據(jù)操作。

3 軟件設(shè)計(jì)及其流程

全自動(dòng)增氧喂料控制器的主程序流程圖如圖2所示。單片機(jī)編程主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)DS1302時(shí)鐘芯片的操作、對(duì)LCD1602顯示屏模塊的操作、對(duì)外部按鍵掃描的使用。

圖2 全自動(dòng)增氧喂料系統(tǒng)主程序流程圖

單片機(jī)通過(guò)時(shí)序操作，處理DS1302傳來(lái)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)一些轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，最后將通過(guò)STC89C52單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送到液晶屏模塊并將其顯示出來(lái)[7]。先初始化，然后一直更新數(shù)據(jù)，直到有按鍵按下的時(shí)候，程序會(huì)自己判斷出按鍵按下接口，然后通過(guò)指令分別操作相應(yīng)的功能。在對(duì)液晶屏進(jìn)行操作的時(shí)候，必須按照標(biāo)準(zhǔn)的步驟來(lái)操作，例如：當(dāng)按下選擇鍵的時(shí)候，程序可以選擇設(shè)置當(dāng)年當(dāng)月的日期和時(shí)間，也就是實(shí)時(shí)時(shí)間，也可以選擇設(shè)置開(kāi)關(guān)鎖開(kāi)啟時(shí)間；當(dāng)按下“DOWN”和“UP”外部按鍵的時(shí)候，則是選擇設(shè)置各個(gè)參數(shù)的數(shù)值的大小。當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)間大于開(kāi)始時(shí)間并且小于結(jié)束時(shí)間時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器和繼電器提示[8]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過(guò)以上的設(shè)計(jì)和分析，再將硬件電路設(shè)計(jì)好及軟件的編譯完成后，開(kāi)始進(jìn)行仿真測(cè)試。

首先對(duì)軟件編譯，編譯鏈接成功之后，生成二進(jìn)制HEX文件。程序檢測(cè)無(wú)誤后，在Proteus軟件中將各個(gè)模塊連接，進(jìn)行仿真測(cè)試[9]；仿真測(cè)試成功之后，將編寫(xiě)的軟件燒錄到單片機(jī)的內(nèi)存中，這樣系統(tǒng)上電時(shí)軟、硬件配合才能順暢運(yùn)行。

在完成對(duì)程序的調(diào)試及燒錄之后，還需要對(duì)其進(jìn)行演示，把開(kāi)發(fā)板與電腦連上，設(shè)置好對(duì)應(yīng)的接口，完成供電及下載[10]。同時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)有沒(méi)有短路、虛焊和各個(gè)端口的電壓，在確定各參數(shù)顯示正常，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能后，系統(tǒng)調(diào)試完成。

5 結(jié)論

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的家用水域定時(shí)自動(dòng)增氧喂料控制器，采用單片機(jī)為控制芯片，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)顯示時(shí)間、設(shè)置定時(shí)增氧和喂料等功能。而且系統(tǒng)體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便，兼具造價(jià)低、安全性、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的使用、推廣價(jià)值。

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The Design and Improvement of Water Automatic Oxygen Increasing and Timing Feeding Controller

Fan Dongyan, Yang Sen

(InformationFaculty,BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

The goal of this paper is to propose a green home waters oxygen increasing timing automatic feeding controller. The purpose is to realize the intelligent management on home aquatic animal’s box and increase the interesting of life. The design is based on single chip microcomputer. It has the functions such as time adjusting and display, and setting the timer oxygen increasing and timing feeding. It also conforms to the environmental protection concept of low power consumption and high efficiency. The controller can be widely used in a variety of fish tank, aquarium and other water environment.

oxygen increasing and feeding controller; single chip microcomputer, STC89C52; DS1302

2016-11-25

樊東燕(1965- )，女，山西原平人，教授，研究方向：信號(hào)與信息處理。

1674- 4578(2016)06- 0036- 02

TP272

A