摘" 要：隨著生活水平的提高，養(yǎng)魚也成了豐富人們精神層面的一種方式。于是智能水族箱多功能化應(yīng)運(yùn)而生。因此，優(yōu)化出多種優(yōu)秀的水魚行業(yè)相關(guān)控制器，通過大量數(shù)據(jù)分析處理，基于單片機(jī)控制的這些儀器集溫度控制、充氧、照明、換水、過濾、消毒及報(bào)警等功能于一身，不僅僅要求在可以平穩(wěn)操作各種設(shè)備的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，也從性能上要求安全、準(zhǔn)確和方便。

關(guān)鍵詞：智能水族箱；多功能；數(shù)據(jù)分析；單片機(jī)；自動(dòng)化操作

中圖分類號(hào)：TH122" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0058-03

Abstract： With the improvement of living standards， fish farming has also become a way to enrich people's spiritual level. As a result， the multi-functionality of smart aquariums came into being. Therefore， a variety of excellent controllers related to the aquatic fish industry are optimized. Through a large number of data analysis and processing， these instruments based on single-chip microcomputer control integrate the functions of temperature control， oxygenation， lighting， water exchange， filtration， disinfection， alarm and so on. This is supposed to help realize automatic operation by smoothly operating a variety of equipment and pose requirements of safety， accuracy and convenience in terms of the performance.

Keywords： smart aquarium; multi-function; data analysis; single chip microcomputer; automatic operation

隨著水族制品的蓬勃發(fā)展，龐大的水族箱市場(chǎng)的需求也大大促進(jìn)了國內(nèi)各類水族箱相關(guān)裝置的開發(fā)與制造。設(shè)計(jì)的智能水族箱針對(duì)喂養(yǎng)魚，給魚缸換水，控制溫度等制造簡(jiǎn)單的設(shè)備來解決自動(dòng)投食、換水、控制溫度等簡(jiǎn)單問題。運(yùn)用新型單片機(jī)控制系統(tǒng)，大量數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)造一款較為完善的智能水族箱，為豐富人們精神生活的同時(shí)提供便利。

1" 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合調(diào)研分析出市面上常見的類似產(chǎn)品的不足之處，總結(jié)其所存在的共同缺陷；從外形、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、空間上進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，針對(duì)智能水族箱解決問題不全面的不足進(jìn)行產(chǎn)品研制、開發(fā)、設(shè)計(jì)和制造。

系統(tǒng)總控模塊下分有子模塊，其基于系統(tǒng)總控模塊工作，有溫度控制模塊、水位控制過濾塊、定時(shí)增氧模塊和自動(dòng)定時(shí)喂食模塊等。這些子模塊系統(tǒng)均受單片機(jī)的控制，有獨(dú)立的信號(hào)輸入功能和信號(hào)輸出功能，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路，運(yùn)算電路，復(fù)位電路及數(shù)碼管顯示電路共同集成為系統(tǒng)總控模塊。智能水族箱的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2" 硬件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)作用于水族箱，其目的是為了實(shí)現(xiàn)水族箱的智能化系統(tǒng)控制，提供自動(dòng)管理的可檢測(cè)智能水族箱，設(shè)計(jì)時(shí)有多個(gè)涉及的參數(shù)。各個(gè)參數(shù)及其相應(yīng)的處理機(jī)制見表1。

2.1" 水溫、水位控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在使用過程中設(shè)置定時(shí)的投食與換水，可自動(dòng)按照所設(shè)置的參數(shù)來進(jìn)行工作，水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定時(shí)多次采樣數(shù)據(jù)，使用多個(gè)MY18E20溫度檢測(cè)模塊來確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。利用熱泵對(duì)水族箱進(jìn)行加熱，熱泵在工作時(shí)同時(shí)存在冷端和熱端，在用熱端對(duì)水族箱中的水加熱的同時(shí)，利用冷端進(jìn)行制冷和降低房間溫度[1]。溫度傳感器可以選用防水的DS18B20型，其器件是一種數(shù)字式集成型溫度傳感器，檢測(cè)范圍在-55～125 ℃，檢測(cè)精度約±0.5 ℃，完全符合要求[2]。水位監(jiān)測(cè)模塊通過平行的導(dǎo)線線跡就可以測(cè)出水位的變化。水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地解決了因溫度差異所帶來的的細(xì)菌滋生問題，同時(shí)也改善了水質(zhì)，創(chuàng)造適合魚生理活動(dòng)的環(huán)境。

2.2" 自動(dòng)投食裝置的設(shè)計(jì)

通過光學(xué)傳感器、濃度其他傳感器來收集、分析及處理傳出來的信息，監(jiān)測(cè)魚的攝食行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的自動(dòng)投喂。如圖2所示，自動(dòng)投食設(shè)備可提前設(shè)置每次投食的時(shí)間周期和投食量，經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)帶動(dòng)儲(chǔ)料箱旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周期可投食一定量的魚食?？赏ㄟ^每周期投食量的控制裝置，設(shè)定每周期的投食量，精準(zhǔn)的控制魚的每一次美味，以保證魚的健康成長(zhǎng)。通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)：①實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂食；②可以選擇高低檔位進(jìn)行魚料的投喂；③定時(shí)間歇性投放；④當(dāng)剩余的魚料不足或不多時(shí)會(huì)有燈光報(bào)警提示。

2.3" 自動(dòng)換水裝置的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過采集箱體內(nèi)部水位高度和水體渾濁度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水和水循環(huán)，Water Sensor水位傳感器通過一系列暴露的平行導(dǎo)線線跡測(cè)量水位高低，TDS傳感器用于檢測(cè)水體水質(zhì)，測(cè)量時(shí)采用交流信號(hào)激勵(lì)源，可有效防止探頭極化，提高水質(zhì)檢測(cè)精度[3]。如圖3所示，自動(dòng)換水時(shí)，魚缸的排水裝置會(huì)將魚缸內(nèi)的臟水排出，當(dāng)水位一定低時(shí)，此時(shí)會(huì)停止排水，以保證魚的基本生存環(huán)境。同時(shí)加水泵啟動(dòng)，把干凈的水源換入魚缸中，當(dāng)水位一定高時(shí)，水位探頭會(huì)檢測(cè)到水位已達(dá)到適量的高度，就會(huì)停止加水，避免水的溢出。

2.4" 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2系列單片機(jī)是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗和片內(nèi)R/C振蕩器及外部晶體振蕩電路等模塊。相比普通的STC89C52而言，具有下載速度更快、容量更大、I/O接口更多的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還不需要外部晶振[4]。以STC12C5A60S2單片機(jī)為主要控制系統(tǒng)，結(jié)合各種傳感器技術(shù)，集合多種控制功能，形成一套由單片機(jī)控制的自動(dòng)供氧、喂食、燈光、溫度的控制、水的循環(huán)、酸堿度監(jiān)測(cè)的智能化操作控制系統(tǒng)。保證了對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得水族箱系統(tǒng)可以穩(wěn)定、高效、智能化運(yùn)行?；贏ndroid和WiFi無線通信技術(shù)的智能水族箱監(jiān)控系統(tǒng)，時(shí)刻采集現(xiàn)場(chǎng)水族箱環(huán)境參數(shù)，再由通信系統(tǒng)設(shè)備傳輸至Android用戶端顯示?？刂蒲b置包括微控制器、兩路繼電器、在線編程接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、接口擴(kuò)展模塊、異步串口、I2C接口；單片機(jī)分別與兩路繼電器、在線編程接口、接口擴(kuò)展模塊、傳送帶電機(jī)電連接，兩路繼電器分別與抽水泵電機(jī)、 濾槽電機(jī)連接，接口擴(kuò)展模塊分別與異步串口、A/D轉(zhuǎn)換接口、I2C接口電連接[5]。由單片機(jī)將所需要的運(yùn)算指令編寫好之后放入儲(chǔ)存器當(dāng)中。開始工作后，內(nèi)部的控制器開始對(duì)指令進(jìn)行分析并進(jìn)行一系列的邏輯運(yùn)算。

3" 軟件設(shè)計(jì)

主程序是對(duì)水族箱內(nèi)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并加以監(jiān)控，進(jìn)而完成對(duì)水泵、加熱器、投食器和增氧機(jī)等部件的控制來維持水族箱內(nèi)環(huán)境的平衡，具體流程如圖4所示。

3.1" 自動(dòng)控制和手動(dòng)控制

自動(dòng)控制多種傳感器各司其職地監(jiān)測(cè)著魚缸內(nèi)的環(huán)境狀況，將所監(jiān)測(cè)的參數(shù)經(jīng)由接口傳輸?shù)搅藘?nèi)核控制模塊，而核心內(nèi)部模塊則針對(duì)所傳來的信號(hào)做出了適當(dāng)?shù)目刂啤Ｔ谑謩?dòng)開關(guān)打開后，此時(shí)在核心控制器模塊中開啟了板層控制驅(qū)動(dòng)程式的最初化，時(shí)鐘控制使用功率狀態(tài)，定時(shí)器的最初化等動(dòng)作?？刂茊卧诮拥街噶詈?，將單片機(jī)轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)，并繼續(xù)執(zhí)行main函數(shù)。在main函數(shù)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能的初始化操作，在這里還包含了數(shù)據(jù)最初化和中斷優(yōu)先級(jí)最初化以及這一切的在正常運(yùn)行中，對(duì)所有使用單片機(jī)功能的最初化，main函數(shù)將調(diào)出每個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)所必須的子程序，例如水溫監(jiān)測(cè)子程序、判別水溫是不是過低或偏高的子程序等，并對(duì)每個(gè)魚缸中的感應(yīng)器所傳回的信號(hào)加以確定，經(jīng)過確定后回到相應(yīng)的返回值，然后再按照返回值的差異讓中心控制模塊執(zhí)行不一樣的運(yùn)算，自動(dòng)操作時(shí)當(dāng)核心的控制功能在對(duì)4×4矩陣按鍵的掃描過程中探測(cè)到有按鍵需要按下后，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為手工操作。通過使用外置的矩陣按鈕，來設(shè)定魚缸內(nèi)所要求的水溫最高溫度和水溫最低溫度、手動(dòng)調(diào)整喂食間隙、換氧機(jī)的開啟、溫度最低閾值和最大閾值、自來水泵的開啟等功能，以優(yōu)先級(jí)為最高。

4" 結(jié)束語

本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)控制系統(tǒng)，大量使用傳感器模塊與優(yōu)質(zhì)可靠的程序設(shè)計(jì)及算法，運(yùn)用多種傳感器及檢測(cè)控制手段實(shí)現(xiàn)水族箱水位、水過濾、投食和加氧等自動(dòng)控制，運(yùn)用各種傳感器技術(shù)，建立了一個(gè)采用單片機(jī)控制技術(shù)來自動(dòng)供氧、喂食、溫度和水循環(huán)等的智能水族箱，如圖5所示。

參考文獻(xiàn)：

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