武夷學(xué)院機電工程學(xué)院 王明發(fā) 邵海龍 陳 偉 賴富東
當(dāng)下越來越多的人開始在家中和辦公場所布置水族箱,但是大部分人卻沒有養(yǎng)殖經(jīng)驗或者疏于管理,導(dǎo)致水族生物的死亡。為了提高大眾的養(yǎng)殖樂趣和解決水生物存活率等問題,智能化控制被應(yīng)用在水族箱設(shè)計中。但是當(dāng)前市場上的水族箱內(nèi)部設(shè)備并非全部的智能化、各控制部分相互獨立工作,維護管理工作量大,而且造成資源的浪費?;诖耍瑥南到y(tǒng)集成開發(fā)的角度,進(jìn)行智能水族箱操作系統(tǒng)設(shè)計,形成一套基于STC12C5A60S2單片機控制的氧氣檢測、自動投食、燈光、溫度控制、水循環(huán)、酸堿度監(jiān)測的智能化操作系統(tǒng);該系統(tǒng)制造成本低、智能程度較高、可遠(yuǎn)程控制、便于管理等優(yōu)勢,可廣泛安裝于家庭、賓館、高級寫字樓等場所。
智能水族箱控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為主控制芯片,外圍電路由溫度傳感器、藍(lán)牙通訊模塊、時鐘控制電路模塊、燈光控制模塊、供氧模塊、喂食模塊、水循環(huán)模塊、酸堿度檢測模塊、手機端控制界面等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
智能水族箱控制系統(tǒng)的硬件共由九部分組成,分別為主控單元、溫度采集電路、投食模塊、供氧模塊、酸堿度檢測與水循環(huán)、無線通信電路、電源電路模塊、時鐘控制電路、燈光控制模塊和液晶顯示模塊。
該系統(tǒng)主控采用單時鐘周期的STC12C5A60S2單片機完成, 該款單片機比普通51單片機運行速度快8-12倍,具有多路AD轉(zhuǎn)換器,I/O口具有四種狀態(tài)選擇,從而增加了端口的使用方案。便于后面的外設(shè)掛接。
圖1 智能水族箱控制系統(tǒng)框圖
溫度采集選擇DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器,該傳感器單一數(shù)據(jù)總線,其與單片機的I/O口連接,實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的通訊。采集溫度時,僅需通過單片機讀取I/O口的輸入數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化,即可得到實時溫度,實現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測。當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時,啟動加熱棒對水進(jìn)行升溫操作;當(dāng)溫度超過上限時,啟動換水電機,進(jìn)行換水操作。
水族箱投食設(shè)計兼顧自動與手動兩種方式。用戶在家時可通過手動投食方式增加養(yǎng)殖樂趣。其中投食模塊中的儲物盒、投食裝置采用3D打印技術(shù)自行設(shè)計完成,自動投食裝置利用直流電機進(jìn)行控制。當(dāng)用戶繁忙或外出無閑暇時間進(jìn)行喂養(yǎng)時,可設(shè)置自動喂食時間(三檔的功能:即時投喂、12小時投喂、24小時投喂),根據(jù)水族箱的魚類數(shù)量,可以改變投食口的大小,進(jìn)而控制單次投食的量,使魚類正常生長和發(fā)育。該模塊實物圖如附件圖2所示。
氧氣為水族箱的生機來源,該養(yǎng)殖箱系統(tǒng)供氧采用低壓(12v)供氧電機完成,用戶可通過氣閥開關(guān)量的大小調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣氣量大小,利用遠(yuǎn)程APP、定時、手動三種方式完成氧氣泵的開停。從而保證水族箱溶解氧的濃度,為魚兒的正常生長提供必需的氧氣。
水族箱酸堿度檢測,主要完成養(yǎng)殖箱水PH值檢測、采集模塊檢測水質(zhì)的酸堿度,利用ADC0809將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到實時水質(zhì)酸堿度,當(dāng)水質(zhì)酸堿度超出設(shè)定范圍時,系統(tǒng)發(fā)出警告信號同時向手機APP發(fā)送相關(guān)信息,以便養(yǎng)殖者時時了解水族箱相關(guān)信息。同時控制系統(tǒng)自動打開水泵,對魚缸進(jìn)行換水,使水族箱的酸堿度保持在合適的范圍內(nèi)。考慮到水族箱不能一次對全部原態(tài)水的換水而保證魚兒無法適應(yīng)水族箱環(huán)境的突變,引發(fā)魚兒的死亡。當(dāng)完成換水水族箱水容量1/3水位后,如果PH值還是無法達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的情況,系統(tǒng)不會繼續(xù)換水,而是延時6個小時后繼續(xù)水PH值的調(diào)節(jié)。這樣保證不會因為大量換水,從而造成魚兒的死亡。
本設(shè)計中采用HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊,負(fù)責(zé)單片機與手機之間的數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)手機端對水族箱各項數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和操作,為用戶的操作和監(jiān)管提供了便利。
本系統(tǒng)采用12V/5V直流電源供電,12v為外置電源輸入,為驅(qū)動、電機提供所需電壓,利用穩(wěn)壓電路將12v電壓轉(zhuǎn)為5v,為電路供電。該電壓在人體安全電壓范圍內(nèi),具有較大的安全性,同時使系統(tǒng)功率不會過高,節(jié)約能源消耗。
該系統(tǒng)采用DS1302時鐘控制模塊負(fù)責(zé)提供水族箱的時鐘參數(shù),該時鐘與現(xiàn)實時間吻合,為系統(tǒng)的定時自動操作、喂食時間、充氧時間和換水時間等提供了一個參照,并且,在有需要時,可設(shè)定鬧鐘提醒,利于水族箱監(jiān)管。
燈光控制模塊由日常照明燈帶、裝飾燈帶及紅外傳感器構(gòu)成,日常照明燈帶的特定波長燈光有利于水草光合作用,增加水族箱的含氧量,同時,紅外傳感器智能檢測水族箱附近是否有人,若有則觸發(fā)裝飾燈帶的工作,使水族箱更具觀賞性同時更大程度節(jié)約能源。
為了養(yǎng)殖者能夠時時清楚了解水族箱的水環(huán)境參數(shù),系統(tǒng)設(shè)計了液晶顯示模塊,該顯示系統(tǒng)利用LCD1602完成。
系統(tǒng)軟件基于標(biāo)準(zhǔn)C語言完成程序設(shè)計,系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)控制流程圖
該智能水族箱控制系統(tǒng),以STC12C5A60S2單片機為主控,現(xiàn)場利用溫度傳感器技術(shù)、酸堿度傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)以及無線通信技術(shù)等實現(xiàn)對水族箱的實時監(jiān)管、遠(yuǎn)程控制及定時自動控制功能。同時又兼顧手動操作,符合水族箱養(yǎng)殖實際??v觀該控制系統(tǒng),本系統(tǒng)擁有一體化、設(shè)計靈活、設(shè)計成本低、可手機端遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢,從監(jiān)測運行效果看,該智能養(yǎng)殖箱有著廣泛的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。
附圖:
附圖1 水族箱整體效果圖
附圖2 投食模塊組裝圖