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        一種基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的智能水族箱設(shè)計(jì)

        2023-12-31 00:00:00高小偉賈先何東泓吳輝謝紅元
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年17期

        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);自動化操作

        中圖分類號:TH122" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " 文章編號: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)的智能水族箱針對喂養(yǎng)魚,給魚缸換水,控制溫度等制造簡單的設(shè)備來解決自動投食、換水、控制溫度等簡單問題。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)立的信號輸入功能和信號輸出功能,結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)儲存電路,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,提供自動管理的可檢測智能水族箱,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,可自動按照所設(shè)置的參數(shù)來進(jìn)行工作,水溫監(jiān)測系統(tǒng)定時(shí)多次采樣數(shù)據(jù),使用多個(gè)MY18E20溫度檢測模塊來確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。利用熱泵對水族箱進(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,檢測范圍在-55~125 ℃,檢測精度約±0.5 ℃,完全符合要求[2]。水位監(jiān)測模塊通過平行的導(dǎo)線線跡就可以測出水位的變化。水溫監(jiān)測系統(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)造適合魚生理活動的環(huán)境。

        2.2" 自動投食裝置的設(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)測魚的攝食行為,實(shí)現(xiàn)對魚的自動投喂。如圖2所示,自動投食設(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)動裝置會帶動儲料箱旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)一周期可投食一定量的魚食。可通過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。通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn):①實(shí)現(xiàn)自動喂食;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)會有燈光報(bào)警提示。

        2.3" 自動換水裝置的設(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)線線跡測量水位高低,TDS傳感器用于檢測水體水質(zhì),測量時(shí)采用交流信號激勵源,可有效防止探頭極化,提高水質(zhì)檢測精度[3]。如圖3所示,自動換水時(shí),魚缸的排水裝置會將魚缸內(nèi)的臟水排出,當(dāng)水位一定低時(shí),此時(shí)會停止排水,以保證魚的基本生存環(huán)境。同時(shí)加水泵啟動,把干凈的水源換入魚缸中,當(dāng)水位一定高時(shí),水位探頭會檢測到水位已達(dá)到適量的高度,就會停止加水,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,針對電機(jī)控制,強(qiáng)干擾場合。STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、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,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)控制的自動供氧、喂食、燈光、溫度的控制、水的循環(huán)、酸堿度監(jiān)測的智能化操作控制系統(tǒng)。保證了對環(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存器當(dāng)中。開始工作后,內(nèi)部的控制器開始對指令進(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" 自動控制和手動控制

        自動控制多種傳感器各司其職地監(jiān)測著魚缸內(nèi)的環(huán)境狀況,將所監(jiān)測的參數(shù)經(jīng)由接口傳輸?shù)搅藘?nèi)核控制模塊,而核心內(nèi)部模塊則針對所傳來的信號做出了適當(dāng)?shù)目刂啤T谑謩娱_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)先級最初化以及這一切的在正常運(yùn)行中,對所有使用單片機(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)測子程序、判別水溫是不是過低或偏高的子程序等,并對每個(gè)魚缸中的感應(yīng)器所傳回的信號加以確定,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,自動操作時(shí)當(dāng)核心的控制功能在對4×4矩陣按鍵的掃描過程中探測到有按鍵需要按下后,控制系統(tǒng)就會自動轉(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控制手段實(shí)現(xiàn)水族箱水位、水過濾、投食和加氧等自動控制,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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