張偉昊

（鄭州市第二中學(xué)，河南鄭州，450000）

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，生活中的各種器具都帶上了智能、全自動的標(biāo)簽，例如智能家居、全自動洗衣機(jī)等，這些都為人們的生活提供了極大地便利，漸漸地人們也開始依賴這些器件，并且期待功能更加強(qiáng)大的器件發(fā)揮作用。如今很多家庭里邊都有魚缸進(jìn)行裝飾，各種觀賞魚對于水的溫度等環(huán)境信息都很敏感，但顯然并不是每個人都能準(zhǔn)確的掌握這些信息，并且人為的進(jìn)行換水以及調(diào)節(jié)水溫這些操作也略顯復(fù)雜。而本設(shè)計就是在這樣的背景之下產(chǎn)生的。

智能魚缸要完成的工作主要包括水溫的自動調(diào)節(jié)以及自動換水，針對這些工作，本設(shè)計要解決的問題主要有以下幾個方面：①水溫的檢測問題；②水溫的調(diào)節(jié)問題；③水位的檢測問題；④自動換水的實現(xiàn)問題。

1 總體設(shè)計

智能魚缸涉及自動控制的領(lǐng)域，一切工作都要在無人的情況下按照預(yù)先的設(shè)計準(zhǔn)確的進(jìn)行下去。目前，關(guān)于自動控制的實現(xiàn)方面，只要有單片機(jī)以及PLC兩類設(shè)計方案，PLC多用于生產(chǎn)車間，在體積、成本以及能耗等方面并不具備優(yōu)勢，所以本設(shè)計采用單片機(jī)控制的方法。本設(shè)計的目標(biāo)是自動的調(diào)節(jié)水溫到適合魚的范圍，要解決的問題主要有溫度的檢測與調(diào)節(jié)以及自動的完成換水的工作，為此本設(shè)計設(shè)置了中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)。其中中央控制系統(tǒng)由單片機(jī)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)信息的接收與轉(zhuǎn)化以及命令的發(fā)布的工作。傳感器系統(tǒng)包含溫度傳感器以及液位傳感器，其主要工作為監(jiān)測環(huán)境信息并將該信息傳遞給中央控制系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)包括加熱棒以及水泵，其要完成的任務(wù)為水溫的調(diào)節(jié)以及自動換水的工作。本設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本設(shè)計中單片機(jī)的型號為STC89C52，溫度傳感器的型號為DS18B20，對于液位的檢測，本設(shè)計利用兩個紅外傳感器代替液位傳感器對液位的上限以及下線進(jìn)行監(jiān)視。由于單片機(jī)的輸出功率很小，難以直接啟動加熱棒，因此本設(shè)計中利用繼電器作為二者之間命令傳輸?shù)臉蛄?。本設(shè)計中的抽水泵電機(jī)為伺服電機(jī)。本設(shè)計的原理圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

單片機(jī)：單片機(jī)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，自其誕生之日起就受到了廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到了社會的方方面面。單片機(jī)經(jīng)過這近50年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。本設(shè)計利用的為STC89C52，該種單片機(jī)屬于51系列單片機(jī)，其在功耗、操作操作方面優(yōu)勢明顯，很適合初學(xué)者。

溫度傳感器：溫度傳感器用于測量溫度并將該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞，其測量溫度的主要原理為金屬的電阻值隨著溫度的變化而變化，并且其對應(yīng)關(guān)系為一對一的關(guān)系，并且其有兩種變化類型，一種是電阻隨著溫度的升高而變大，另外一種正好相反。本設(shè)計中采用的為DS18B20。其主要性能如下：

接線方式：單口接線；

測量范圍：-55～+125℃；

工作電源：3.0～5.5V/DC；

分辨率：0.0625℃。

紅外傳感器：由于本設(shè)計的特點，本設(shè)計中的液位傳感器由兩個紅外傳感器代替，分別監(jiān)測液位的上限和下限。本設(shè)計中的紅外傳感器的作用有點類似于行程開關(guān)。紅外傳感器是由紅外線作為介質(zhì)的測量系統(tǒng)。本設(shè)計采用反射式紅外傳感器，型號為E18-D80NK，其具體的性能指標(biāo)如下：

感應(yīng)距離：80cm可調(diào)；

輸入電壓：5VDC；

圖2 系統(tǒng)原理圖

檢測物體：透明或不透明體；

輸出：低電平；

標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：太陽光10000LX以下、白熾燈3000LX以下。

繼電器：繼電器是連接小電流控制電路與大電流執(zhí)行電路之間的橋梁。本設(shè)計利用的是電磁繼電器。一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。在線圈的兩端加上電壓，就會產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵在電磁力吸引下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動觸點吸合。當(dāng)線圈斷電時，電磁力消失，觸點被釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。本設(shè)計利用的是Risym 1路 5V繼電器模塊，由于其已經(jīng)將三極管集成在一起，故只需要單片機(jī)對其輸入高低電平就可實現(xiàn)吸合的控制。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計要實現(xiàn)的目標(biāo)是水溫的自動調(diào)節(jié)以及自動換水，具體的實施為：

（1）定時的進(jìn)行換水工作。

（2）檢測水溫，當(dāng)水溫高于設(shè)定值時，進(jìn)行換水工作進(jìn)行降溫。當(dāng)水溫過低時，啟動加熱棒進(jìn)行升溫，直到水溫達(dá)到設(shè)定值為止。

對于換水工作的完成，主要利用單片機(jī)內(nèi)部的計時器進(jìn)行計時，當(dāng)時間到達(dá)設(shè)定時間時，抽水電機(jī)啟動，水位減低，直到紅外傳感器1檢測到水位下降到設(shè)定值時，抽水電機(jī)停止工作。此時放水電機(jī)工作，水位上漲，直到紅外傳感器2檢測到水位上升到設(shè)定值時，放水電機(jī)停止工作。

圖3 程序流程圖

本設(shè)計利用DS18B20檢測水溫，當(dāng)水溫過高時，啟動換水工作，直到水溫正常。當(dāng)水溫過低時，單片機(jī)命令繼電器吸合，進(jìn)而控制加熱棒電路開啟進(jìn)行加熱，直到水溫達(dá)到預(yù)定值。

本設(shè)計的流程圖如圖3所示。其中的水溫調(diào)節(jié)模式的流程圖如圖4所示。

圖4 水溫調(diào)節(jié)模式流程圖

4 總結(jié)

該設(shè)計是目前智能家居的一個具體的體現(xiàn)，在日常生活中的可適用范圍非常廣泛。該設(shè)計也是自動控制的一個具體的案例，本設(shè)計的思想在自動控制領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛，是一個成功的設(shè)計。