畢業(yè)設計論文_多功能水族箱控制系統(tǒng)的設計

1、北華大學畢業(yè)設計（論文）摘要伴隨著人們物質(zhì)生活的改善和對高生活質(zhì)量的追求，水族箱等工藝產(chǎn)品逐漸進入了人們的家庭、酒店、商場等場所。但是，目前市場上的水族箱的水溫控制、液位控制、換水、喂食等一系列操作都需要人工進行。這不僅使過程非常繁瑣，而且還間接的增加了人工成本。本文基于對目前市場上大多數(shù)水族箱功能的分析和研究，提出了一種多功能的智能水族箱控制系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)以STC89C51單片機為核心芯片，結(jié)合各類傳感器技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括水族箱的恒溫控制、液位高度控制、自動定時換水、自動投料喂食等，并且可根據(jù)個人需求設置控制參數(shù)。本文從功能簡述、元器件選擇、硬件電路設計和軟件設計等幾個

2、方面對該控制系統(tǒng)進行闡述。本系統(tǒng)經(jīng)過較長時間的上電運行測試，能夠把各項控制參數(shù)維持在誤差允許的范圍內(nèi)，這表明該系統(tǒng)具有很高的可靠性。另外，該系統(tǒng)還具有操作簡潔方便、參數(shù)實時顯示等特點。同時該系統(tǒng)設計靈活、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于規(guī)?；a(chǎn)，可廣泛用于家庭和酒店等適合水族箱安裝的場所。關(guān)鍵詞：自動控制；AT89C51單片機；水族箱；傳感器技術(shù)AbstractWith the improvement of people's material life and the pursuit of high quality of life, technology products such as a

3、quatic animals gradually entered people's family, hotels, shopping malls and other places. However, currently on the market of aquatic animals box temperature detection, level control, change water, feeding and a series of operation needs to be artificial. This not only makes the process is cumb

4、ersome, but also indirectly increase the labor costs.In this paper, based on the analysis of the function of most aquatic animals box on the market at present and research, put forward a kind of multi-functional intelligent control system of aquatic animals box design. STC89C51 microcontroller as th

5、e core chip, the system combines all kinds of sensor technology, integrating a variety of control functions, including tank thermostatic control, level control, automatic lighting, automatic timing change water, automatic feeding, feeding, etc., and set up control parameters according to individual

6、demand. This paper briefly from the function, components selection, hardware circuit design and software design of the control system is expounded.The system after a long time to electricity to run the test, can hold the control parameters in the range of allowable error, this shows that the system

7、has high reliability. In addition, the system also has the operation simple and convenient, parameters, real-time display, etc. At the same time the system flexible design, simple structure, low cost, easy to large-scale production, can be widely used in household and hotel and places of aquatic ani

8、mals box is suitable for installation.Key Words：automatic control; Series MCU; aquarium; sensor technology- 1 -目錄摘要1引言11 緒論11.1 課題背景與研究目的11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 課題主要研究內(nèi)容21.4 課題研究的步驟32 控制系統(tǒng)總體設計方案52.1 系統(tǒng)設計方案52.1.1 系統(tǒng)的具體功能52.1.2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)52.2 主要元器件的選取72.2.1 系統(tǒng)控制器的選擇72.2.2 輸入輸出模塊元器件的選取82.3 編程軟件與語言工具的選取92.4 本章小結(jié)

9、103 系統(tǒng)硬件設計113.1 硬件設計概述113.2 系統(tǒng)電源模塊設計113.3 控制模塊電路設計133.3.1 AT89C51單片機引腳功能簡介133.3.2 AT89C51單片機外圍電路組成153.3.3 AT89C51單片機最小系統(tǒng)173.4 電子時鐘模塊電路設計173.4.1 DS1302芯片簡介173.4.2 DS1320外部引腳功能及結(jié)構(gòu)電路183.5 按鍵及顯示模塊電路設計193.5.1 液晶顯示模塊電路設計193.5.2 按鍵模塊電路設計203.6 水溫檢測及恒溫控制模塊電路設計213.6.1 DS18B20芯片介紹213.6.2 DS18B20溫度檢測電路223.6.3 水

10、溫加熱控制電路設計223.7 水位檢測及水位高度控制模塊電路設計233.7.1 HR-SR04超聲波模塊及工作原理簡介233.7.2 水位高度控制模塊電路設計243.8 自動投食控制模塊253.9 聲光報警模塊電路設計253.10 本章小結(jié)264 系統(tǒng)的軟件設計274.1 軟件設計概述274.2 主程序工作模塊及流程圖274.3 讀取系統(tǒng)電子時鐘及顯示284.4 按鍵掃描及參數(shù)設置304.5 水位檢測及水位高度控制334.5.1 水位檢測334.5.2 水位高度控制344.6 水溫檢測及恒溫控制模塊354.6.1 水溫檢測354.6.2 恒溫控制364.7 自動投食控制程序模塊374.8 聲光

11、報警的軟件實現(xiàn)384.9 本章小結(jié)385 系統(tǒng)設調(diào)試與展望395.1 系統(tǒng)的調(diào)試395.1.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試395.1.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試405.2 創(chuàng)新點與應用范圍405.2.1 設計總結(jié)405.2.2 創(chuàng)新點405.2.3 應用范圍和實施效果405.3 展望415.4 本章小結(jié)41結(jié)論43附錄A46系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單、型號及單套用量46附錄B47系統(tǒng)仿真原理圖47致 謝48引言隨著人們物質(zhì)生活的改善和欣賞能力的提高，觀賞魚缸之類的工藝產(chǎn)品逐漸進入了家庭和賓館、商場等公共場所。但是，目前市場上的觀賞魚缸的水溫檢測、液位控制、水循環(huán)、喂食等操作都需要人為的手工進行，這就給人們帶來了很大的麻煩和不

12、便。本文通過對目前大多數(shù)水族箱控制設備應用現(xiàn)狀的分析和研究，提出了一種多功能的觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設計方案。該控制系統(tǒng)基于89系列單片機的家庭水族箱控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心芯片，結(jié)合傳感器技術(shù)、繼電器原理、C語言編程等技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括恒溫、自動換水、自動喂食、自動水循環(huán)等，并可根據(jù)需要增加控制參數(shù)，通過選擇不同元器件控制成本。本文從功能設計、元器件選擇、硬件電路設計和軟件設計等幾個方面對該控制系統(tǒng)進行闡述。通過較長時間的運行測試，表明該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便、具有多種節(jié)電工作模式。同時該系統(tǒng)設計靈活、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，易于規(guī)?；a(chǎn)，可廣泛

13、用于家庭和賓館等安裝觀賞水族箱的場所。北華大學畢業(yè)設計（論文）1 緒論1.1 課題背景與研究目的伴隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量與環(huán)境有著更高的要求。因此，五顏六色，美輪美奐的觀賞魚和水族箱開始進入人們的家庭生活和辦公場所。它不但可以給人帶來美感，讓人體會與自然和諧相處的舒適生活，更能讓人們放松自己的心境，提高工作效率。而從最開始的功能單一的一個養(yǎng)動植物的水容器漸漸變成今天形狀繁多、功能復雜的水族箱這一相對完備的生態(tài)系統(tǒng)，這不僅體現(xiàn)的是人們對美的重新認識和對高生活水平的追求，也體現(xiàn)了現(xiàn)代科學技術(shù)的革新和進步。在最開始，水族箱多見于展覽館、海洋公園等的公共場所供大家觀賞，但是隨著生活水平的顯

14、著提高，而且也得益于科技和養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展。水族箱已經(jīng)走進了尋常百姓家。近幾年來，以水草、各種魚類為主的被稱作“水中微縮的魚草園林” 水族箱變得越來越流行，深受人們的喜愛。盡管人們有著這樣美好的生活追求，但是日益加快的生活節(jié)奏、快速上漲的勞動成本、每天繁忙的工作任務都使我們感到無比的疲勞，在這種情況下本來是用來愉悅自己的水族箱卻應為要主人的每天照料而變成了一項使人心煩意亂的勞動負擔。這種不可避免的矛盾，就使智能水族箱控制系統(tǒng)的誕生創(chuàng)造了條件。它能夠自動調(diào)節(jié)各種環(huán)境指標，使水族箱在沒有專人看管的條件下還能在一定的時間內(nèi)保證其內(nèi)部的環(huán)境能夠達到魚類生活的指標，最大限度的減少勞動成本、減輕勞動負擔。

15、盡管現(xiàn)在越來越多的人意識到這個問題，而且市場上也陸續(xù)出現(xiàn)了各種智能水族箱，例如帶水溫控制的水族箱、帶溫度控制的水族箱等等。但是由于很多都是單一控制的水族箱或者功能有限，不能稱為一個控制系統(tǒng)或是滿足客戶多樣化的需求。因此，本文以家庭中魚缸的日常養(yǎng)護為背景，以魚缸中的水位、水溫、溶氧量等的控制為研究對象，對日常養(yǎng)護過程中的綜合自動化及其應用技術(shù)展開研究，這對利用高新技術(shù)改造原有的家庭水族以及傳統(tǒng)規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的自動化發(fā)展具有較大的實際意義和研究價值。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)代的水族箱飼養(yǎng)最先開始于1851年的英國萬國工業(yè)博覽會上。由于各種科學技術(shù)與制造工藝的限制，當時的水族箱無論是結(jié)構(gòu)上還是在

16、功能上都是很簡陋的。由于現(xiàn)代電力技術(shù)的高速發(fā)展，也使得水族箱系統(tǒng)的發(fā)展飛速前進?，F(xiàn)在相同的人工照明、通風、過濾、水溫加熱等一整套控制系統(tǒng)的發(fā)明都成為可以相互協(xié)調(diào)的一個系統(tǒng)。我國水族箱控制系統(tǒng)的起步比較晚。隨著二十世紀八、九十年代中國的改革開放，中國開始融入這個世界，觀賞魚水族箱這個舶來品也開始進入我們的生活中，近年來其快速發(fā)展的狀況使其成為一股新興的經(jīng)濟力量受到經(jīng)濟界及業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。如今是國際水族產(chǎn)品看中國，許多國外大的采購公司都盯準中國這個市場，把長遠的目標放在中國。而在剛開始的飼養(yǎng)過程中，水族設備市場上的魚缸控制系統(tǒng)都是功能比較簡單的設備。如水族箱溫度的控制，人們采用的是加熱棒進行加熱控

17、制，由于加熱棒本身采用雙金屬片溫控以及手工控制加熱棒的啟停，造成溫度控制精度較差，無法進行準確的供熱，對于水溫的恒溫控制造成了難度。再如水族箱的供氧問題，由于水溶解氧的特性決定，水中氧氣的濃度是有限度的，達到水中氧氣一定的程度時，或者魚缸內(nèi)魚量密度不高時，即使是在夏天時節(jié)也沒有必要一直充氧可以采用間隔充氧和換水，否則再進行充氧都是多余的，也必然浪費大量的電力資源。因此電路簡單，能分擔人們不必要的手工的水族箱控制電路系統(tǒng)也隨之而生。水族箱中各種參數(shù)的控制，也產(chǎn)生了相關(guān)的控制設備。如間有自動水溫控制器、自動喂食器、燈火自動控制器等這些設備各自獨立運行，控制相應的箱內(nèi)參數(shù)，所以造成獨立的控制設備配置

18、數(shù)量繁多，不但購買獨立的設備耗費資金多，而且不利于整個系統(tǒng)的操作。這些儀器集溫度、燈光、投食、報警等控制功能于一體。功能設計上追求性能穩(wěn)定可靠安裝、調(diào)試、維護方便。此外，這些控制器不僅可以廣泛應用于家庭觀賞水族箱的養(yǎng)護管理；而且也適用于水族養(yǎng)殖業(yè)，尤其是賓館、飯店、展廳、居家等對水系要求較高的觀賞和經(jīng)濟水生物的養(yǎng)護。因此多功能組合的水族箱電子控制系統(tǒng)的設計是很有必要的。1.3 課題主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)擬以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機為核心控制單元，同時結(jié)合傳感器技術(shù)與檢測技術(shù)，開發(fā)出一套可以用于各種水族箱和各種環(huán)境的集水位高度控制，實時溫度檢測，定時投料喂食等各種功能于一體的

19、智能綜合控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)的特點及功能是：1功能。采用單片機控制，實現(xiàn)水族箱自動換水、自動喂食、冷熱自動恒溫、狀態(tài)顯示等功能。2人機界面。本系統(tǒng)的人機操作界面采用LCD顯示屏、LED指示燈顯示，具有直觀、簡介、易操作等多重特點。用戶可直接從LCD顯示屏讀取系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。3系統(tǒng)操作。本系統(tǒng)通過按鍵來設置各種參數(shù)，用戶可根據(jù)自己的實際需求來設定不同的系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)具有更強大的環(huán)境適應能力。另外用戶也可通過按鍵來時時讀取各種系統(tǒng)信息。按鍵與LCD顯示屏的配合使用使本系統(tǒng)具有簡易的操作性。4系統(tǒng)報警。本系統(tǒng)具有報警功能，當系統(tǒng)的某些參數(shù)超過設定值的限制的時候，系統(tǒng)的核心控制單元會通過LED和蜂鳴

20、器發(fā)出聲光提示，使系統(tǒng)能夠在一個安全可靠的環(huán)境下工作。5生產(chǎn)成本：本系統(tǒng)使用價格低廉的AT89C51單片機為控制核心，其外圍電路采用市面上常見的各種傳感器，具有成本低廉、加工簡單等優(yōu)點，具有很強的可生產(chǎn)性。根據(jù)系統(tǒng)要求和系統(tǒng)功能特點，本課題研究的主要內(nèi)容是:1總體設計方案：首先按照系統(tǒng)的應用場合、控制對象等選擇合理的總體設計設計方案，并在此方案下仔細劃分軟件部分和硬件部分各自應完成的功能。2軟件設計：本部分以C語言為核心，利用模塊化的程序設計方法，把系統(tǒng)的各個功能模塊分離開來，使各個模塊單獨進行設計，最后再把其整理成一個統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)，這使得本軟件系統(tǒng)具有很高的可移植性，使得本控制系統(tǒng)能夠多樣

21、化。3硬件電路設計：由于現(xiàn)在市場上各種集成芯片種類繁多，而且基本功能大體一致，都能滿足我們的設計要求，因此在滿足系統(tǒng)要求的前提下，根據(jù)“性價比最高”原則，選擇既適合于本系統(tǒng)，又運行可靠的芯片和元器件，從而設計出最合理的硬件拓撲結(jié)構(gòu)。4電路繪制：本控制系統(tǒng)采用并用 DXP 電路設計軟件來繪制電路的原理圖及印制電路板。5系統(tǒng)的調(diào)試：當系統(tǒng)的硬件電路及軟件系統(tǒng)都完成后，即可開始系統(tǒng)調(diào)試。在單片機開發(fā)裝置上，用調(diào)試軟件對程序進行調(diào)試，查看系統(tǒng)的軟件漏洞和硬件故障，經(jīng)過不斷地修改，使系統(tǒng)不斷的完善。最后然后把調(diào)好硬件電路和軟件系統(tǒng)結(jié)合成一個統(tǒng)一的整體，是系統(tǒng)能夠獨立的、無故障的、安全的運行。1.4 課題

22、研究的步驟本系統(tǒng)在設計開發(fā)的過程中嚴格遵循科學的研究方法，從課題的選擇、系統(tǒng)功能的定義、器件的選型、原理圖的設計、電路板設計、硬件電路的調(diào)試、軟件程序設計、樣機制作與聯(lián)機調(diào)試、整機運行測試等幾大步驟逐一完成。具體的步驟分析如圖 1.1 所示。圖 1.1 課題研究的步驟2 控制系統(tǒng)總體設計方案本系統(tǒng)以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機為核心控制單元。它的硬件控制部分包括電源模塊、控制模塊、輸入/輸出、顯示模塊四大模塊。其中控制模塊包含了數(shù)據(jù)的存儲，指示電路、按鍵、時鐘電路等。系統(tǒng)的輸入控制模塊包含了溫度檢測、水位高低檢測、繼電器驅(qū)動等等。顯示模塊包含了指示燈及LED顯示屏等。2.1

23、 系統(tǒng)設計方案2.1.1 系統(tǒng)的具體功能1 水族箱水溫的檢測：各種魚類對水溫的要求不同，而且環(huán)境的變化也會引起水溫的巨大變化，這種變化不僅會影響的魚類的活動、進食，還有可能造成它們的免疫力下降等。水族箱里各種魚類和水草生長需要相對穩(wěn)定的且適合的水溫，所以本系統(tǒng)必須控制水的溫度。為了盡可能的保證水溫在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動，使水族箱內(nèi)的溫度參數(shù)可以及時調(diào)整控制，本系統(tǒng)可自行設置溫度上下限，同時預置了恒溫控制模式。2 水位高度控制：在放置狀態(tài)下，水族箱中的水會自動的蒸發(fā)，為了滿足水族箱在沒有人的干預的情況下仍能夠保持自身系統(tǒng)的穩(wěn)定，本系統(tǒng)必須對水位高度加以控制，能夠自動的檢測水位的高低，能夠自動的排水或

24、是補水。3 自動喂食/換水系統(tǒng)：隨著人們的生活水平的提高，生活的節(jié)奏也隨之提高，人們空余的時間也越來越少，因此，魚缸的自動換食自動換水的功能的出現(xiàn)也就存在它的必然性。本系統(tǒng)通過對單片機系統(tǒng)的設定，通過按鍵設置換水投料的時間從而使單片機自動的控制水泵和換食裝備給水族箱換水換食，從而釋放人們的空余時間。4 故障報警：本系統(tǒng)主要是針對水泵斷流、溫度系統(tǒng)故障等各種極端情況發(fā)出警報，以免造成重大損失。2.1.2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)由電源模塊、核心控制模塊、按鍵及顯示模塊、水位檢測及水位高度控制模塊、水溫檢測及恒溫控制模塊、自動投食控制模塊、聲光報警模塊、電子時鐘模塊組成。其核心控制模塊由AT89C5

25、1單片機組成，再配合以DS18B20溫度傳感器、DS1302時鐘芯片、液晶顯示器、繼電器驅(qū)動電路、LED驅(qū)動電路等外圍電路組成一個完整的硬件電路系統(tǒng)。外圍電路與核心控制器的關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖從整體來看，本系統(tǒng)主要包括核心控制電路、電源模塊、輸入/輸出電路以及顯示模塊這四部分組成。其中電源模塊給整個系統(tǒng)供電以維持其正常工作； 核心控制電路完成對各路數(shù)據(jù)的處理及分析，最后再出判斷并發(fā)出控制信號控制各個模塊的工作狀況，指導整個系統(tǒng)各項參數(shù)正常運行。輸入/輸入模塊主要是根據(jù)控制芯片發(fā)出的控制指令完成各路數(shù)據(jù)的采集。顯示模塊主要完成各項參數(shù)的實時顯示。其中控制部分包括：1 核心控

26、制電路。主要以AT89C51單片機為控制核心，包括晶振，復位電路等。該部分的主要功能是完成對各路數(shù)據(jù)的處理及分析并及時的發(fā)出種控制信號，從而使系統(tǒng)能正常工作。2 LCD顯示電路。該部分的主要功能是人機交互，通過該模塊用戶可以實時的讀取各種控制信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的整個環(huán)境的了解，以達到最好的控制效果。3 時鐘電路。該部分的主要作用是提供系統(tǒng)時中，方便定時自動的投喂飼料。4 按鍵控制電路。該部分的主要作用是方便用戶自行設定的工作環(huán)境參數(shù)，以提高系統(tǒng)的環(huán)境適應能力。輸入輸出部分包括 ：1 輸入模塊。主要包含了溫度檢測模塊和水位高低模塊。溫度模塊采集的數(shù)據(jù)是執(zhí)行魚缸的制冷與升溫操作依據(jù)，其控制命令通過分

27、析采集的數(shù)據(jù)進行判斷處理。水位高低檢測模塊主要是對魚缸的水位進行檢測，通過液位控制器反饋信號給單片機的I/O接口。2 輸出模塊。主要受控制模塊控制的各相應執(zhí)的行機構(gòu)組成。單片機通過將信息的采集值與設定值進行比較處理，發(fā)出控制信號，傳輸給執(zhí)行機構(gòu)，從而對環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)。本控制系統(tǒng)的硬件設計采用集成的模式，把除了溫度采集模塊以外的各個模塊都集成到一個的盒子中，這樣既能保證系統(tǒng)的安全與美觀，又能縮小系統(tǒng)的體積。放在水中的溫度傳感器由防水的信號線與整個系統(tǒng)相連接，這樣既能實現(xiàn)其與整個系統(tǒng)的隔離，又能事實現(xiàn)溫度信號的實時的、準確的傳遞到控制器中。2.2 主要元器件的選取2.2.1 系統(tǒng)控制器的選擇在控

28、制系統(tǒng)的設計與開發(fā)中，控制芯片是整個系統(tǒng)設計的核心，整個系統(tǒng)的外圍電路都要圍繞著控制芯片展開，同時它還關(guān)系到整個控制軟件的設計，因此選擇合適的控制芯片的型號很重要。而一般小型控制系統(tǒng)的的控制芯片都選用單片機。如果整個系統(tǒng)的單片機型號選擇得合適,單片機應用系統(tǒng)就會即經(jīng)濟又工作可靠;如果選擇得不合適,就會造成經(jīng)濟浪費,或是影響整個單片機應用系統(tǒng)。目前，市場上的單片機種類繁多，在進行正式的單片機應用系統(tǒng)開發(fā)之前，需要根據(jù)不同單片機的特性，從中作出合理的選擇。在單片機選型時，主要注意以下幾點：1 仔細調(diào)查市場，盡量選用主流的，貨源充足的單片機型號，這些器件使用的比較廣泛，有許多設計資料供學習或參考。2

29、 盡量選擇所需的硬件資源集成在單片機內(nèi)部的型號，例如ADC、DAC、12C、SPI和USB等，這樣便于整個控制系統(tǒng)的軟件管理，減少外部硬件的投入，縮小整體電路板的面積，從而減少總體投資等。3 對于手持式設備，移動設備或者其他需要低功耗的設備，盡量選擇低電壓，低功耗的單片機型號，這樣可以減少能量消耗，延長設備的使用壽命。4 在資金等條件允許的情況下，盡量選擇功能豐富，擴展能力強的單片機，這樣便于以后的功能升級和擴展。而在本系統(tǒng)中，考慮到本系統(tǒng)的控制復雜程度、經(jīng)濟成本、安全等性能要求，美國ATMEL公司的AT89C51單片機為最佳選擇。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMF

30、lash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。從對整個系統(tǒng)的控制能力上來說，AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部R

31、AM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口。這些功能基本能滿足本系統(tǒng)的控制要求。從經(jīng)濟角度上來說，C51單片機的價格低廉，能有效的降低整個系統(tǒng)的硬件成本。綜合分析，C51單片機是整個系統(tǒng)控制芯片的不二選擇。表2.1 AT89C51單片機的功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復擦寫（>1000次）flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM時鐘頻率0-24MHZ3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設置睡眠和喚醒功

32、能2.2.2 輸入輸出模塊元器件的選取輸入輸出模塊主要包括了溫度檢測模塊、水位檢測模塊、鍵盤控制與顯示模塊、繼電器控制模塊、指示燈與蜂鳴器報警模塊。以上模塊中的繼電器、指示燈與蜂鳴器都比較容易選擇，所以本章主要介紹溫度檢測、水位檢測、鍵盤控制與顯示模塊元器件的選取。1 溫度檢測模塊芯片的選取目前市面上的溫度傳感器型號多種多樣，不同的型號有不同的功能和使用場合。常用的溫度傳感器芯片有DS18B20、AD7416、AD7417、AD7418、AD590等等。我們在選型的時候不僅要考慮芯片的精度、穩(wěn)定性，還要考慮經(jīng)濟方面的因素，盡量選取物美價廉的芯片。DALLAS公司生產(chǎn)的溫度傳感器DS18B20具

33、有超低的功耗、超小的體積、強大的抗干擾能力、極高的精度、良好的防水性能，另外它的價格也是在同類產(chǎn)品中比較低廉的，所以它是我們這個系統(tǒng)溫度傳感器的不二選擇。2 水位檢測模塊的選取目前市場上流通的水位監(jiān)測有很多種，有壓力式水位傳感器、浮球液開關(guān)等等。但是為了降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)檢測的精度，并且滿足系統(tǒng)的是為高度檢測無死區(qū)，本系統(tǒng)采用超聲波水位傳感器。超聲波水位傳感器是采用回聲定位，通過聲波從傳感器發(fā)出碰到水面后在返回到傳感器的時間來測量水位的高度，超聲波液位傳感器有以下特點：（1） 超聲波液位傳感器的量程為1.25米，能滿足幾乎所有的水族箱。（2） 超聲波液位傳感器輸出的電平信號為0-5V，能

34、夠和單片機很好的吻合。（3） 超聲波液位傳感器輸出的電流小，范圍為420mA，易于檢測。（4） 超聲波液位傳感器的探頭材質(zhì)為PVDF，耐酸堿腐蝕，不易損壞。3 電子時鐘模塊芯片的選取本系統(tǒng)的時鐘芯片采用DS1302。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到3個口線：1）RES（復位），2

35、）I/O（數(shù)據(jù)線），3）SCLK（串行時鐘）。時鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息功率小于1mW。4 鍵盤控制與顯示模塊元件的選取鍵盤控制和顯示界面是與智能控制器人機交互過程中非常重要的且不可或缺的兩個部分，它是我們了解機器運行狀況的重要渠道。它的選擇對與整個智能控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，它的性能的好壞，直接影響并決定了整個控制系統(tǒng)操作性能的優(yōu)劣。本控制系統(tǒng)采用矩陣鍵盤，它的結(jié)構(gòu)簡單、處理方便，非常適合I/O口較少的單片機。顯示模塊采用LCD模塊，它編程方便、顯示信息量大、價格低廉，非常適合于本系統(tǒng)。2.3 編程軟件與語言

36、工具的選取AT89C51單片機通用的編程語言有C語言和匯編語言。匯編語言是一種采用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是這兩種語言中最接近機器碼的一種語言。相對于C語言，它的指令處理速度較快。但是它的移植性比較差，對于不同的類型的單片機而言，其匯編語言的指令碼可能有較大的差異，因為他們的指令系統(tǒng)是有區(qū)別的。而C語言是一種編譯型程序設計語言，它集成了多種高級語言的不同特點，并具備匯編語言所具有的功能。另外C語言具有功能強大、豐富的庫函數(shù)，對于數(shù)據(jù)的大量處理和運算來說有獨特的優(yōu)勢，而且它還具有良好的可移植性，可以實現(xiàn)直接對系統(tǒng)硬件的控制。使用起來非常方便。此外，C語言程序還具有模塊化的程序模塊結(jié)構(gòu)

37、，這為軟件開發(fā)中采用模塊化編程提供了有力的保障。與匯編相比，C語言有如下優(yōu)點：1. C語言不需要使用者對51單片機的指令系統(tǒng)的了解，僅要求對51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)有所掌握。至于其寄存器的分配、不同存儲器間的尋址方式及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)均由編譯器管理。與匯編語言相比，這無疑降低了51單片機的使用難度。2. C語言所構(gòu)成的程序簡單、明了，這大大的縮短了編程及程序調(diào)試的時間，從而有效的提高效率。3. 一般的C語言的編譯器提供的庫包含許多的子程序，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。4. C語言程序有強大的可移植性，因為C語言易于采用模塊化編程，能將已編好的模塊化程序可容易的植入新程序。正因為有這些優(yōu)點的支撐，使得C

38、語言得到廣泛的支持與應用。所以用C語言進行單片機的系統(tǒng)設計，已成為當前單片機軟件開發(fā)的一個主流趨勢。綜合以上C語言的各項優(yōu)點，本系統(tǒng)選擇了C語言進行開發(fā)，而且選用Keil軟件作為開發(fā)環(huán)境。Keil軟件是目前最流行的開發(fā)80C51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。2.4 本章小結(jié)本章論述了多功能魚缸智能控制系統(tǒng)的總體設計要求，介紹了系統(tǒng)總體方案和功能組成，提出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；闡述了主要元器件的選取原則，并對主要芯片做了簡要介紹；最后給出了軟件設計方案和編程語言的選擇，

39、為下一步具體的軟硬件設計奠定了良好的基礎。3 系統(tǒng)硬件設計硬件電路是實現(xiàn)一個系統(tǒng)信號傳遞、電氣動作等功能的具體路徑。因此，硬件的設計必須合理到位，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)的硬件主要包括八個模塊，分別是：電源模塊、核心控制模塊、按鍵及顯示模塊、水位檢測及水位高度控制模塊、水溫檢測及恒溫控制模塊、自動投食控制模塊、聲光報警模塊、電子時鐘模塊。本章主要介紹各模塊的功能以及其電路的設計，還有部分芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)和用法，并設計出具體的硬件電路。3.1 硬件設計概述本系統(tǒng)是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的。為了保證本系統(tǒng)在性能及各方面穩(wěn)定，且能實現(xiàn)其該有的功能，本系統(tǒng)的硬件設計需要遵循硬件設計規(guī)范的以下

40、要求：1詳細理解本系統(tǒng)的設計要求，從要求中整理出電路功能模塊和性能指標要求。2根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能需求制定總體的設計方案，對控制器進行選型，控制器的選型包括：性價比高、容易開發(fā)、兼容性高、擴展性好。3 根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求對外設功能模塊進行元器件選型，元器件選型應遵循的要求是：是使用的普遍性、較高的性價比、較好的可替代性、較低的功耗等原則。4 保證本系統(tǒng)各模塊資源不相互沖突，在設計硬件電路前要仔細閱讀系統(tǒng)中所有芯片的數(shù)據(jù)手冊，看他們未使用輸入管腳是否需要做外部處理。5 較高的可靠性及較強的抗干擾性，根據(jù)可靠性設計理論，一個系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，那么這個系統(tǒng)的平局無故障也就時間越長，另外所用芯片

41、數(shù)量越少，各種信號線在電路板上所受干擾的可能性也就越少。6 硬件電路設計與軟件設計互補。一些由硬件實現(xiàn)的功能可用軟件來實現(xiàn)，反過來一些由軟件實現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。由系統(tǒng)的硬件設計規(guī)范要求以及系統(tǒng)功能的實際情況，本系統(tǒng)的控制器采用AT89C51單片機、溫度傳感器采用的是DS18B20、水位傳感器采用的是超聲波水位傳感器、顯示器采用LCD液晶、時鐘芯片采用DS1302。另外本系統(tǒng)還包含蜂鳴報警器、繼電器等等。3.2 系統(tǒng)電源模塊設計系統(tǒng)電源是整個控制系統(tǒng)的能量供應，系統(tǒng)的所有模塊都不能離開電源模塊而單獨存在。本系統(tǒng)的電源主要是給控制模塊及傳感器供電，它對電壓、功率的要求都比較低。因此，為了簡

42、化硬件電路、節(jié)省成本，本模塊的供電電源依靠電網(wǎng)得到。本系統(tǒng)的整流電路采用單相全橋整流。其電路主要由整流二極管組成。在橋式整流電路中，因為電路中加入了二極管組（D1、D2、D3、D4），在交流電變化方向的時候，D1、D3或者D2、D4接通，所以交流電在一個周期內(nèi)都可以通過，所以形成了脈動直流電。如圖3.1所示。圖3.1 單相全橋整流波形由上圖可知經(jīng)過整流電路之后的電壓變成一種含有直流分量和交流分量的混合的脈動電壓。再經(jīng)過電容濾波后，就能得到比較平滑的12V的直流電壓。電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動的直流電變成平穩(wěn)的直流電。由電容兩端的電壓不能突變的特點，可以達到輸出波形趨于平滑的目的。經(jīng)

43、濾波后的輸出波形如圖3.2所示。圖3.2 電容濾波后的波形在電網(wǎng)經(jīng)過整流二極管之前，為了降低整流側(cè)的輸入交流電壓，可在電網(wǎng)與整流二極管之間加入一個降壓變壓器。由U=0.9*U2，其中U是整流后輸出的電壓；U2是整流輸入測的交流電壓。可知要使U為12V，則要使U2為14V左右，故采用的降壓變壓器的原邊與副邊的匝數(shù)比為15:1。過以上理論分析，可以得出整個電路的原理圖如圖3.3所示。圖3.3 整流電路原理圖由于本控制系統(tǒng)統(tǒng)的控制器和傳感器的工作電壓都是5V，因此，為了給系統(tǒng)供電，仍需要對12V的直流電壓進行DC-DC變換得到控制器以及各路傳感器所需要的5V電壓。具體DC-DC電路如圖3.4所示。圖

44、3.4 12V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓電路3.3 控制模塊電路設計3.3.1 AT89C51單片機引腳功能簡介本控制系統(tǒng)的核心控制芯片采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機，其管腳定義如圖3.5所示。圖3.5 AT89C51單片機引腳定義圖AT89C51具體引腳介紹如下： 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平使單片機復位。ALE/PROG(Pin30)：

45、地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令6。可編程輸入/輸出引腳（32根）AT89C52單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7。P1口（Pin1Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 。P2口（Pin21Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7。P3口（Pin10Pin17）：8位準雙

46、向I/O口線，名稱為P3.0P3.7。3.3.2 AT89C51單片機外圍電路組成為了使單片機穩(wěn)定可靠的工作，必須給單片機的20以及40管腳提供一個穩(wěn)定的5V電源。本系統(tǒng)的電源模塊已經(jīng)有了穩(wěn)壓器輸出的5V電壓，因此只需要把其與單片機的20與40管腳相連即可。AT89C51單片機沒有內(nèi)部晶振，不能自己產(chǎn)生時鐘信號提供始終基準。所以要使它能夠穩(wěn)定的工作，還得給它接上外部晶振，給單片機提供內(nèi)部的時鐘基準?？紤]到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量不大且對數(shù)據(jù)處理的速度沒有特別的要求，所以本系統(tǒng)采用11.0952MHZ的有源晶振為其提供時鐘信號。其電路如如3.6所示。圖3.6 晶振電路AT89C51單片機有了以上的外圍

47、電路擴展，僅僅是滿足了它工作的條件，但是它與現(xiàn)在流行的PC機之間的通訊仍然無法進行。因為單片機輸出為TTL電平，5V代表高電平，0V代表低電平；但是PC機的串口輸出為232電平，所以單片機與PC機的串口進行通信時需要進行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。其引腳定義如圖3.7所示。圖3.7 MAX232引腳定義圖MAX232的引腳定義及功能為：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。

48、第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從11引腳（T1IN）、10引腳（T2IN）輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從14腳（T1OUT）、7腳（T2OUT）送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從13引腳（R1IN）、8引腳（R2IN）輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從12引腳（R1OUT）、9引腳（R2OUT）輸出。第三部分是供電

49、。15腳GND、16腳VCC（+5v）。MAX232的主要優(yōu)點有：1符合所有的RS-232C技術(shù)標準。2只需要單一 +5V電源供電。3片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-。4功耗低，典型供電電流5mA。5內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器。6高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。綜上所述，其在整個電路中的電氣連接如圖3.8所示。圖3.8 MAX232電路3.3.3 AT89C51單片機最小系統(tǒng)在上面各部分硬件電路的基礎上，AT89C51單片機最小系統(tǒng)已經(jīng)基本成型，其最小系統(tǒng)電路如圖3.9所示。圖3.9 AT89C51單片機最小系統(tǒng)電路原理圖3.4 電子

50、時鐘模塊電路設計時鐘芯片有很多種，如DS1307、DS1302、PCF8485、SB2068等等，本系統(tǒng)采用的是DS1302來完成時鐘電路的設計。3.4.1 DS1302芯片簡介DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到3個口線：1）RES（復位），2）I/O（數(shù)據(jù)線），3）SCLK（串行

51、時鐘）。時鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息功率小于1mW。表3.1 管腳描述X1，X232.768KHz晶振管腳GND地RST復位腳I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳SCLK串行時鐘Vcc1電池供電管腳Vcc2電源供電管腳3.4.2 DS1320外部引腳功能及結(jié)構(gòu)電路圖3.10 DS1302的外部引腳分配各引腳的功能為：Vcc1: 主電源。Vcc2: 備份電源。當Vcc2>Vcc1+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電，當Vcc2< Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電。SCLK: 串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的

52、輸入與輸出。I/O: 三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線。CE: 輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒āS1302外圍電路與單片機的連接如圖3.11所示。圖3.11 DS1302外圍電路3.5 按鍵及顯示模塊電路設計3.5.1 液晶顯示模塊電路設計本控制系統(tǒng)的顯示模塊采用的是LCD12864A-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，它可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。其引腳功能定義如表3.2所示。表3.2

53、LCD12864引腳定義表引腳符號LEVEL功能說明1VSS0V一般接地2VDD+5V接電源（3.0V-5.5V）3V0-對比度（亮度）調(diào)整4CSH/L摸組片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時鐘：上升沿時讀取SID數(shù)15PSBLL:串口方式16RESETH/L復位端，低電平有效19AVDD背光源電壓+5V20KVSS背光源負端0V帶中文字庫的LCD12864A-1每屏可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16×8點陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示

54、。它內(nèi)部提供128×2字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)（DDRAM）。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)的。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫）、HCGROM（ASCII碼字庫）及CGRAM（自定義字形）的內(nèi)容。三種不同字符/字型的選擇編碼范圍為：00000006H（其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個）顯示自定義字型，02H7FH顯示半寬ASCII碼字符，A1A0HF7FFH顯示8192種GB2312中文字庫字形。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H9FH。字符顯示的RAM的地址與32個字符顯示區(qū)域有著一一對應的關(guān)系，其對

55、應關(guān)系如表3.3所示。表3.3 顯示器屏幕對應地址80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH其硬件電路如圖3.12所示。圖3.12 12864外圍電路3.5.2 按鍵模塊電路設計由于本控制系統(tǒng)對的功能較為復雜，需要用戶設定的值較多，而又受限于AT89C51單片機的I/O口數(shù)量的限制，本系統(tǒng)選用較為節(jié)約I/O口的4*4矩陣鍵盤。在矩陣式鍵盤中每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通而是通過一個按鍵加以連接，單片機的整一個8位端口可以構(gòu)成 4*4=16

56、個矩陣式按鍵，相比獨立式按鍵接法多出了一倍，而且線數(shù)越多區(qū)別就越明顯。由此可見，在需要的按鍵數(shù)量比較多時，采用矩陣法來連接鍵盤是非常合理的。其硬件電路圖圖3.13所示。圖3.13 4*4矩陣鍵盤電路3.6 水溫檢測及恒溫控制模塊電路設計水溫檢測電路是水族箱系統(tǒng)最重要的環(huán)境參數(shù)獲得通道。水溫傳感器獲得的水溫數(shù)據(jù)與設定溫度上限和下限的比較，獲得的結(jié)果，將直接用來驅(qū)動繼電器控制加熱器的開與關(guān)，以保持水族箱的溫度穩(wěn)定，必要時還會報警以提醒用戶。本控制系統(tǒng)的水溫傳感器選用DS18B20芯片，水溫加熱模塊采用普通的絕緣加熱棒再配合繼電器即可。3.6.1 DS18B20芯片介紹美國 Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器，現(xiàn)在，新一代的 DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。DS18B20 也支持"一線總線"接口，測量溫度范圍為-55°C+125°C，在-10+85°C 范圍內(nèi)，精度為±0.5°C。DS18B20 的精度較差為±2°C?，F(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式