毕业设计论文设计 _多功能水族箱控制系统的设计

word摘要伴随着人们物质生活的改善和对高生活质量的追求，水族箱等工艺产品逐渐进入了人们的家庭、酒店、商场等场所。但是，目前市场上的水族箱的水温控制、液位控制、换水、喂食等一系列操作都需要人工进展。这不仅使过程非常繁琐，而且还间接的增加了人工本钱。本文基于对目前市场上大多数水族箱功能的分析和研究，提出了一种多功能的智能水族箱控制系统的设计方案。该系统以STC89C51单片机为核心芯片，结合各类传感器技术，集多种控制功能于一体，包括水族箱的恒温控制、液位高度控制、自动定时换水、自动投料喂食等，并且可根据个人需求设置控制参数。本文从功能简述、元器件选择、硬件电路设计和软件设计等几个方面对该控制系统进展阐述。本系统经过较长时间的上电运行测试，能够把各项控制参数维持在误差允许的围，这明确该系统具有很高的可靠性。另外，该系统还具有操作简洁方便、参数实时显示等特点。同时该系统设计灵活、结构简单、本钱低廉、易于规模化生产，可广泛用于家庭和酒店等适合水族箱安装的场所。关键词：自动控制；AT89C51单片机；水族箱；传感器技术AbstractWith the improvement of peoples material life and the pursuit of high quality of life, technology products such as aquatic animals gradually entered peoples 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 cumbersome, 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 the core chip, the system bines 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 demand. This paper briefly from the function, ponents 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 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 animals box is suitable for installation.Key Words：automatic control; Series MCU; aquarium; sensor technology43 / 50目录摘要1引言11 绪论1 课题背景与研究目的1 国外研究现状1 课题主要研究容2 课题研究的步骤32 控制系统总体设计方案5 系统设计方案5 系统的具体功能5 系统总体硬件结构5 主要元器件的选取7 系统控制器的选择7 输入输出模块元器件的选取8 编程软件与语言工具的选取9 本章小结103 系统硬件设计11 硬件设计概述11 系统电源模块设计11 控制模块电路设计133.3.1 AT89C51单片机引脚功能简介133.3.2 AT89C51单片机外围电路组成153.3.3 AT89C51单片机最小系统17 电子时钟模块电路设计173.4.1 DS1302芯片简介173.4.2 DS1320外部引脚功能与结构电路18 按键与显示模块电路设计19 液晶显示模块电路设计19 按键模块电路设计20 水温检测与恒温控制模块电路设计213.6.1 DS18B20芯片介绍213.6.2 DS18B20温度检测电路22 水温加热控制电路设计22 水位检测与水位高度控制模块电路设计233.7.1 HR-SR04超声波模块与工作原理简介23 水位高度控制模块电路设计24 自动投食控制模块25 声光报警模块电路设计25 本章小结264 系统的软件设计27 软件设计概述27 主程序工作模块与流程图27 读取系统电子时钟与显示28 按键扫描与参数设置30 水位检测与水位高度控制33 水位检测33 水位高度控制34 水温检测与恒温控制模块35 水温检测35 恒温控制36 自动投食控制程序模块37 声光报警的软件实现38 本章小结385 系统设调试与展望39 系统的调试39 系统硬件调试39 系统软件调试40 创新点与应用围40 设计总结40 创新点40 应用围和实施效果40 展望41 本章小结41结论43附录A46系统关键元器件清单、型号与单套用量46附录B47系统仿真原理图47致谢48引言随着人们物质生活的改善和欣赏能力的提高，观赏鱼缸之类的工艺产品逐渐进入了家庭和宾馆、商场等公共场所。但是，目前市场上的观赏鱼缸的水温检测、液位控制、水循环、喂食等操作都需要人为的手工进展，这就给人们带来了很大的麻烦和不便。本文通过对目前大多数水族箱控制设备应用现状的分析和研究，提出了一种多功能的观赏鱼缸智能控制系统的设计方案。该控制系统基于89系列单片机的家庭水族箱控制系统。整套系统以AT89C51单片机为核心芯片，结合传感器技术、继电器原理、C语言编程等技术，集多种控制功能于一体，包括恒温、自动换水、自动喂食、自动水循环等，并可根据需要增加控制参数，通过选择不同元器件控制本钱。本文从功能设计、元器件选择、硬件电路设计和软件设计等几个方面对该控制系统进展阐述。通过较长时间的运行测试，明确该控制系统运行稳定可靠、操作简单方便、具有多种节电工作模式。同时该系统设计灵活、结构简单、本钱低廉，易于规模化生产，可广泛用于家庭和宾馆等安装观赏水族箱的场所。1 绪论1.1 课题背景与研究目的伴随着生活水平的提高，人们对生活质量与环境有着更高的要求。因此，五颜六色，美轮美奂的观赏鱼和水族箱开始进入人们的家庭生活和办公场所。它不但可以给人带来美感，让人体会与自然和谐相处的舒适生活，更能让人们放松自己的心境，提高工作效率。而从最开始的功能单一的一个养动植物的水容器渐渐变成今天形状繁多、功能复杂的水族箱这一相对完备的生态系统，这不仅表现的是人们对美的重新认识和对高生活水平的追求，也表现了现代科学技术的革新和进步。在最开始，水族箱多见于展览馆、海洋公园等的公共场所供大家观赏，但是随着生活水平的显著提高，而且也得益于科技和养殖业的飞速开展。水族箱已经走进了寻常百姓家。近几年来，以水草、各种鱼类为主的被称作“水中微缩的鱼草园林 水族箱变得越来越流行，深受人们的喜爱。尽管人们有着这样美好的生活追求，但是日益加快的生活节奏、快速上涨的劳动本钱、每天繁忙的工作任务都使我们感到无比的疲劳，在这种情况下本来是用来愉悦自己的水族箱却应为要主人的每天照料而变成了一项使人心烦意乱的劳动负担。这种不可防止的矛盾，就使智能水族箱控制系统的诞生创造了条件。它能够自动调节各种环境指标，使水族箱在没有专人看管的条件下还能在一定的时间保证其部的环境能够达到鱼类生活的指标，最大限度的减少劳动本钱、减轻劳动负担。尽管现在越来越多的人意识到这个问题，而且市场上也陆续出现了各种智能水族箱，例如带水温控制的水族箱、带温度控制的水族箱等等。但是由于很多都是单一控制的水族箱或者功能有限，不能称为一个控制系统或是满足客户多样化的需求。因此，本文以家庭中鱼缸的日常养护为背景，以鱼缸中的水位、水温、溶氧量等的控制为研究对象，对日常养护过程中的综合自动化与其应用技术展开研究，这对利用高新技术改造原有的家庭水族以与传统规模化水产养殖产业的自动化开展具有较大的实际意义和研究价值。1.2 国外研究现状现代的水族箱饲养最先开始于1851年的英国万国工业博览会上。由于各种科学技术与制造工艺的限制，当时的水族箱无论是结构上还是在功能上都是很简陋的。由于现代电力技术的高速开展，也使得水族箱系统的开展飞速前进。现在一样的人工照明、通风、过滤、水温加热等一整套控制系统的发明都成为可以相互协调的一个系统。我国水族箱控制系统的起步比拟晚。随着二十世纪八、九十年代中国的改革开放，中国开始融入这个世界，观赏鱼水族箱这个舶来品也开始进入我们的生活中，近年来其快速开展的状况使其成为一股新兴的经济力量受到经济界与业人士的关注。如今是国际水族产品看中国，许多国外大的采购公司都盯准中国这个市场，把长远的目标放在中国。而在刚开始的饲养过程中，水族设备市场上的鱼缸控制系统都是功能比拟简单的设备。如水族箱温度的控制，人们采用的是加热棒进展加热控制，由于加热棒本身采用双金属片温控以与手工控制加热棒的启停，造成温度控制精度较差，无法进展准确的供热，对于水温的恒温控制造成了难度。再如水族箱的供氧问题，由于水溶解氧的特性决定，水中氧气的浓度是有限度的，达到水中氧气一定的程度时，或者鱼缸鱼量密度不高时，即使是在夏天时节也没有必要一直充氧可以采用间隔充氧和换水，否如此再进展充氧都是多余的，也必然浪费大量的电力资源。因此电路简单，能分担人们不必要的手工的水族箱控制电路系统也随之而生。水族箱中各种参数的控制，也产生了相关的控制设备。如间有自动水温控制器、自动喂食器、灯火自动控制器等这些设备各自独立运行，控制相应的箱参数，所以造成独立的控制设备配置数量繁多，不但购置独立的设备消耗资金多，而且不利于整个系统的操作。这些仪器集温度、灯光、投食、报警等控制功能于一体。功能设计上追求性能稳定可靠安装、调试、维护方便。此外，这些控制器不仅可以广泛应用于家庭观赏水族箱的养护管理；而且也适用于水族养殖业，尤其是宾馆、饭店、展厅、居家等对水系要求较高的观赏和经济水生物的养护。因此多功能组合的水族箱电子控制系统的设计是很有必要的。1.3 课题主要研究容本系统拟以 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机为核心控制单元，同时结合传感器技术与检测技术，开发出一套可以用于各种水族箱和各种环境的集水位高度控制，实时温度检测，定时投料喂食等各种功能于一体的智能综合控制系统。本控制系统的特点与功能是：1功能。采用单片机控制，实现水族箱自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、状态显示等功能。2人机界面。本系统的人机操作界面采用LCD显示屏、LED指示灯显示，具有直观、简介、易操作等多重特点。用户可直接从LCD显示屏读取系统的实时数据。3系统操作。本系统通过按键来设置各种参数，用户可根据自己的实际需求来设定不同的系统参数，使系统具有更强大的环境适应能力。另外用户也可通过按键来时时读取各种系统信息。按键与LCD显示屏的配合使用使本系统具有简易的操作性。4系统报警。本系统具有报警功能，当系统的某些参数超过设定值的限制的时候，系统的核心控制单元会通过LED和蜂鸣器发出声光提示，使系统能够在一个安全可靠的环境下工作。5生产本钱：本系统使用价格低廉的AT89C51单片机为控制核心，其外围电路采用市面上常见的各种传感器，具有本钱低廉、加工简单等优点，具有很强的可生产性。根据系统要求和系统功能特点，本课题研究的主要容是:1总体设计方案：首先按照系统的应用场合、控制对象等选择合理的总体设计设计方案，并在此方案下仔细划分软件局部和硬件局部各自应完成的功能。2软件设计：本局部以C语言为核心，利用模块化的程序设计方法，把系统的各个功能模块别离开来，使各个模块单独进展设计，最后再把其整理成一个统一的软件系统，这使得本软件系统具有很高的可移植性，使得本控制系统能够多样化。3硬件电路设计：由于现在市场上各种集成芯片种类繁多，而且根本功能大体一致，都能满足我们的设计要求，因此在满足系统要求的前提下，根据“性价比最高原如此，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，从而设计出最合理的硬件拓扑结构。4电路绘制：本控制系统采用并用 DXP 电路设计软件来绘制电路的原理图与印制电路板。5系统的调试：当系统的硬件电路与软件系统都完成后，即可开始系统调试。在单片机开发装置上，用调试软件对程序进展调试，查看系统的软件漏洞和硬件故障，经过不断地修改，使系统不断的完善。最后然后把调好硬件电路和软件系统结合成一个统一的整体，是系统能够独立的、无故障的、安全的运行。1.4 课题研究的步骤本系统在设计开发的过程中严格遵循科学的研究方法，从课题的选择、系统功能的定义、器件的选型、原理图的设计、电路板设计、硬件电路的调试、软件程序设计、样机制作与联机调试、整机运行测试等几大步骤逐一完成。具体的步骤分析如图所示。图 课题研究的步骤2 控制系统总体设计方案本系统以ATMEL 公司生产的AT89C51 单片机为核心控制单元。它的硬件控制局部包括电源模块、控制模块、输入/输出、显示模块四大模块。其中控制模块包含了数据的存储，指示电路、按键、时钟电路等。系统的输入控制模块包含了温度检测、水位上下检测、继电器驱动等等。显示模块包含了指示灯与LED显示屏等。2.1 系统设计方案2.1.1 系统的具体功能1 水族箱水温的检测：各种鱼类对水温的要求不同，而且环境的变化也会引起水温的巨大变化，这种变化不仅会影响的鱼类的活动、进食，还有可能造成它们的免疫力下降等。水族箱里各种鱼类和水草生长需要相对稳定的且适合的水温，所以本系统必须控制水的温度。为了尽可能的保证水温在稳定的围波动，使水族箱的温度参数可以与时调整控制，本系统可自行设置温度上下限，同时预置了恒温控制模式。2 水位高度控制：在放置状态下，水族箱中的水会自动的蒸发，为了满足水族箱在没有人的干预的情况下仍能够保持自身系统的稳定，本系统必须对水位高度加以控制，能够自动的检测水位的上下，能够自动的排水或是补水。3 自动喂食/换水系统：随着人们的生活水平的提高，生活的节奏也随之提高，人们空余的时间也越来越少，因此，鱼缸的自动换食自动换水的功能的出现也就存在它的必然性。本系统通过对单片机系统的设定，通过按键设置换水投料的时间从而使单片机自动的控制水泵和换食装备给水族箱换水换食，从而释放人们的空余时间。4 故障报警：本系统主要是针对水泵断流、温度系统故障等各种极端情况发出警报，以免造成重大损失。2.1.2 系统总体硬件结构本系统由电源模块、核心控制模块、按键与显示模块、水位检测与水位高度控制模块、水温检测与恒温控制模块、自动投食控制模块、声光报警模块、电子时钟模块组成。其核心控制模块由AT89C51单片机组成，再配合以DS18B20温度传感器、DS1302时钟芯片、液晶显示器、继电器驱动电路、LED驱动电路等外围电路组成一个完整的硬件电路系统。外围电路与核心控制器的关系如下列图。图系统结构框图从整体来看，本系统主要包括核心控制电路、电源模块、输入/输出电路以与显示模块这四局部组成。其中电源模块给整个系统供电以维持其正常工作；核心控制电路完成对各路数据的处理与分析，最后再出判断并发出控制信号控制各个模块的工作状况，指导整个系统各项参数正常运行。输入/输入模块主要是根据控制芯片发出的控制指令完成各路数据的采集。显示模块主要完成各项参数的实时显示。其中控制局部包括：1 核心控制电路。主要以AT89C51单片机为控制核心，包括晶振，复位电路等。该局部的主要功能是完成对各路数据的处理与分析并与时的发出种控制信号，从而使系统能正常工作。2 LCD显示电路。该局部的主要功能是人机交互，通过该模块用户可以实时的读取各种控制信息，实现对系统的整个环境的了解，以达到最好的控制效果。3 时钟电路。该局部的主要作用是提供系统时中，方便定时自动的投喂饲料。4 按键控制电路。该局部的主要作用是方便用户自行设定的工作环境参数，以提高系统的环境适应能力。输入输出局部包括：1 输入模块。主要包含了温度检测模块和水位上下模块。温度模块采集的数据是执行鱼缸的制冷与升温操作依据，其控制命令通过分析采集的数据进展判断处理。水位上下检测模块主要是对鱼缸的水位进展检测，通过液位控制器反应信号给单片机的I/O接口。2 输出模块。主要受控制模块控制的各相应执的行机构组成。单片机通过将信息的采集值与设定值进展比拟处理，发出控制信号，传输给执行机构，从而对环境参数进展调节。本控制系统的硬件设计采用集成的模式，把除了温度采集模块以外的各个模块都集成到一个的盒子中，这样既能保证系统的安全与美观，又能缩小系统的体积。放在水中的温度传感器由防水的信号线与整个系统相连接，这样既能实现其与整个系统的隔离，又能事实现温度信号的实时的、准确的传递到控制器中。2.2 主要元器件的选取2.2.1 系统控制器的选择在控制系统的设计与开发中，控制芯片是整个系统设计的核心，整个系统的外围电路都要围绕着控制芯片展开，同时它还关系到整个控制软件的设计，因此选择适宜的控制芯片的型号很重要。而一般小型控制系统的的控制芯片都选用单片机。如果整个系统的单片机型号选择得适宜,单片机应用系统就会即经济又工作可靠;如果选择得不适宜,就会造成经济浪费,或是影响整个单片机应用系统。目前，市场上的单片机种类繁多，在进展正式的单片机应用系统开发之前，需要根据不同单片机的特性，从中作出合理的选择。在单片机选型时，主要注意以下几点：1 仔细调查市场，尽量选用主流的，货源充足的单片机型号，这些器件使用的比拟广泛，有许多设计资料供学习或参考。2 尽量选择所需的硬件资源集成在单片机部的型号，例如ADC、DAC、12C、SPI和USB等，这样便于整个控制系统的软件管理，减少外部硬件的投入，缩小整体电路板的面积，从而减少总体投资等。3 对于手持式设备，移动设备或者其他需要低功耗的设备，尽量选择低电压，低功耗的单片机型号，这样可以减少能量消耗，延长设备的使用寿命。4 在资金等条件允许的情况下，尽量选择功能丰富，扩展能力强的单片机，这样便于以后的功能升级和扩展。而在本系统中，考虑到本系统的控制复杂程度、经济本钱、安全等性能要求，美国ATMEL公司的AT89C51单片机为最优选择。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。从对整个系统的控制能力上来说，AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash 闪速存储器，128字节部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。这些功能根本能满足本系统的控制要求。从经济角度上来说，C51单片机的价格低廉，能有效的降低整个系统的硬件本钱。综合分析，C51单片机是整个系统控制芯片的不二选择。表AT89C51单片机的功能特性兼容MCS51指令系统8k可反复擦写1000次flash ROM32个双向I/O口256x8bit部RAM时钟频率0-24MHZ3个16位可编程定时/计数器中断2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能2.2.2 输入输出模块元器件的选取输入输出模块主要包括了温度检测模块、水位检测模块、键盘控制与显示模块、继电器控制模块、指示灯与蜂鸣器报警模块。以上模块中的继电器、指示灯与蜂鸣器都比拟容易选择，所以本章主要介绍温度检测、水位检测、键盘控制与显示模块元器件的选取。1 温度检测模块芯片的选取目前市面上的温度传感器型号多种多样，不同的型号有不同的功能和使用场合。常用的温度传感器芯片有DS18B20、AD7416、AD7417、AD7418、AD590等等。我们在选型的时候不仅要考虑芯片的精度、稳定性，还要考虑经济方面的因素，尽量选取物美价廉的芯片。DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20具有超低的功耗、超小的体积、强大的抗干扰能力、极高的精度、良好的防水性能，另外它的价格也是在同类产品中比拟低廉的，所以它是我们这个系统温度传感器的不二选择。2 水位检测模块的选取目前市场上流通的水位监测有很多种，有压力式水位传感器、浮球液开关等等。但是为了降低系统的本钱、提高系统检测的精度，并且满足系统的是为高度检测无死区，本系统采用超声波水位传感器。超声波水位传感器是采用回声定位，通过声波从传感器发出碰到水面后在返回到传感器的时间来测量水位的高度，超声波液位传感器有以下特点：（1） 超声波液位传感器的量程为，能满足几乎所有的水族箱。（2） 超声波液位传感器输出的电平信号为0-5V，能够和单片机很好的吻合。（3） 超声波液位传感器输出的电流小，围为420mA，易于检测。（4） 超声波液位传感器的探头材质为PVDF，耐酸碱腐蚀，不易损坏。3 电子时钟模块芯片的选取本系统的时钟芯片采用DS1302。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进展通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进展通信，仅需用到3个口线：1RES复位，2I/O数据线，3SCLK串行时钟。时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息功率小于1mW。4 键盘控制与显示模块元件的选取键盘控制和显示界面是与智能控制器人机交互过程中非常重要的且不可或缺的两个局部，它是我们了解机器运行状况的重要渠道。它的选择对与整个智能控制系统的性能至关重要，它的性能的好坏，直接影响并决定了整个控制系统操作性能的优劣。本控制系统采用矩阵键盘，它的结构简单、处理方便，非常适合I/O口较少的单片机。显示模块采用LCD模块，它编程方便、显示信息量大、价格低廉，非常适合于本系统。2.3 编程软件与语言工具的选取AT89C51单片机通用的编程语言有C语言和汇编语言。汇编语言是一种采用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是这两种语言中最接近机器码的一种语言。相对于C语言，它的指令处理速度较快。但是它的移植性比拟差，对于不同的类型的单片机而言，其汇编语言的指令码可能有较大的差异，因为他们的指令系统是有区别的。而C语言是一种编译型程序设计语言，它集成了多种高级语言的不同特点，并具备汇编语言所具有的功能。另外C语言具有功能强大、丰富的库函数，对于数据的大量处理和运算来说有独特的优势，而且它还具有良好的可移植性，可以实现直接对系统硬件的控制。使用起来非常方便。此外，C语言程序还具有模块化的程序模块结构，这为软件开发中采用模块化编程提供了有力的保障。与汇编相比，C语言有如下优点：1. C语言不需要使用者对51单片机的指令系统的了解，仅要求对51单片机的存储器结构有所掌握。至于其存放器的分配、不同存储器间的寻址方式与数据类型等细节均由编译器管理。与汇编语言相比，这无疑降低了51单片机的使用难度。2. C语言所构成的程序简单、明了，这大大的缩短了编程与程序调试的时间，从而有效的提高效率。3. 一般的C语言的编译器提供的库包含许多的子程序，具有强大的数据处理能力。4. C语言程序有强大的可移植性，因为C语言易于采用模块化编程，能将已编好的模块化程序可容易的植入新程序。正因为有这些优点的支撑，使得C语言得到广泛的支持与应用。所以用C语言进展单片机的系统设计，已成为当前单片机软件开发的一个主流趋势。综合以上C语言的各项优点，本系统选择了C语言进展开发，而且选用Keil软件作为开发环境。Keil软件是目前最流行的开发80C51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些局部组合在一起。2.4 本章小结本章论述了多功能鱼缸智能控制系统的总体设计要求，介绍了系统总体方案和功能组成，提出了系统的硬件结构框图；阐述了主要元器件的选取原如此，并对主要芯片做了简要介绍；最后给出了软件设计方案和编程语言的选择，为下一步具体的软硬件设计奠定了良好的根底。3 系统硬件设计硬件电路是实现一个系统信号传递、电气动作等功能的具体路径。因此，硬件的设计必须合理到位，才能实现系统的功能。本系统的硬件主要包括八个模块，分别是：电源模块、核心控制模块、按键与显示模块、水位检测与水位高度控制模块、水温检测与恒温控制模块、自动投食控制模块、声光报警模块、电子时钟模块。本章主要介绍各模块的功能以与其电路的设计，还有局部芯片的部结构以与性能参数和用法，并设计出具体的硬件电路。3.1 硬件设计概述本系统是由硬件和软件共同实现的。为了保证本系统在性能与各方面稳定，且能实现其该有的功能，本系统的硬件设计需要遵循硬件设计规的以下要求：1详细理解本系统的设计要求，从要求中整理出电路功能模块和性能指标要求。2根据系统的功能和性能需求制定总体的设计方案，对控制器进展选型，控制器的选型包括：性价比高、容易开发、兼容性高、扩展性好。3 根据本系统的功能需求对外设功能模块进展元器件选型，元器件选型应遵循的要：是使用的普遍性、较高的性价比、较好的可替代性、较低的功耗等原如此。4 保证本系统各模块资源不相互冲突，在设计硬件电路前要仔细阅读系统中所有芯片的数据手册，看他们未使用输入管脚是否需要做外部处理。5 较高的可靠性与较强的抗干扰性，根据可靠性设计理论，一个系统所用芯片数量越少，那么这个系统的平局无故障也就时间越长，另外所用芯片数量越少，各种信号线在电路板上所受干扰的可能性也就越少。6 硬件电路设计与软件设计互补。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。由系统的硬件设计规要求以与系统功能的实际情况，本系统的控制器采用AT89C51单片机、温度传感器采用的是DS18B20、水位传感器采用的是超声波水位传感器、显示器采用LCD液晶、时钟芯片采用DS1302。另外本系统还包含蜂鸣报警器、继电器等等。3.2 系统电源模块设计系统电源是整个控制系统的能量供给，系统的所有模块都不能离开电源模块而单独存在。本系统的电源主要是给控制模块与传感器供电，它对电压、功率的要求都比拟低。因此，为了简化硬件电路、节省本钱，本模块的供电电源依靠电网得到。本系统的整流电路采用单相全桥整流。其电路主要由整流二极管组成。所示。图单相全桥整流波形由上图可知经过整流电路之后的电压变成一种含有直流分量和交流分量的混合的脉动电压。再经过电容滤波后，就能得到比拟平滑的12V的直流电压。电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。由电容两端的电压不能突变的特点，可以达到输出波形趋于平滑的目的。经滤波后的输出波形如图3.2所示。 电容滤波后的波形在电网经过整流二极管之前，为了降低整流侧的输入交流电压，可在电网与整流二极管之间参加一个降压变压器。由U=0.9*U2，其中U是整流后输出的电压；U2是整流输入测的交流电压。可知要使U为12V，如此要使U2为14V左右，故采用的降压变压器的原边与副边的匝数比为15:1。过以上理论分析，可以得出整个电路的原理图如图3.3所示。图3.3 整流电路原理图由于本控制系统统的控制器和传感器的工作电压都是5V，因此，为了给系统供电，仍需要对12V的直流电压进展DC-DC变换得到控制器以与各路传感器所需要的5V电压。具体DC-DC电路如图3.4所示。图12V转5V稳压电路3.3 控制模块电路设计3.3.1 AT89C51单片机引脚功能简介本控制系统的核心控制芯片采用美国ATMEL公司生产的AT89C。图3.5 AT89C51单片机引脚定义图AT89C51具体引脚介绍如下： 主电源引脚2根VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚2根XTAL1(Pin19)：片振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片振荡电路的输出端控制引脚4根RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平如此从部程序存储器读指令6。可编程输入/输出引脚32根AT89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位8根引脚，共32根。PO口Pin39Pin32：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7。P1口Pin1Pin8：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 。P2口Pin21Pin28：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7。P3口Pin10Pin17：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。3.3.2 AT89C51单片机外围电路组成为了使单片机稳定可靠的工作，必须给单片机的20以与40管脚提供一个稳定的5V电源。本系统的电源模块已经有了稳压器输出的5V电压，因此只需要把其与单片机的20与40管脚相连即可。AT89C51单片机没有部晶振，不能自己产生时钟信号提供始终基准。所以要使它能够稳定的工作，还得给它接上外部晶振，给单片机提供部的时钟基准。考虑到本系统的数据处理量不大且对数据处理的速度没有特别的要求，所以本系统采用11.0952MHZ的有源晶振为其提供时钟信号。其电路如如所示。图 晶振电路AT89C51单片机有了以上的外围电路扩展，仅仅是满足了它工作的条件，但是它与现在流行的PC机之间的通讯仍然无法进展。因为单片机输出为TTL电平，5V代表高电平，0V代表低电平；但是PC机的串口输出为232电平，所以单片机与PC机的串口进展通信时需要进展电平转换。本系统的电平转换芯片采用MAX232。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。其引脚定义如下列图。图3.7 MAX232引脚定义图MAX232的引脚定义与功能为：第一局部是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二局部是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚R1IN、12脚R1OUT、11脚T1IN、14脚T1OUT为第一数据通道。8脚R2IN、9脚R2OUT、10脚T2IN、7脚T2OUT为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚T1IN、10引脚T2IN输入转换成RS-232数据从14脚T1OUT、7脚T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚R1IN、8引脚R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚R1OUT、9引脚R2OUT输出。第三局部是供电。15脚GND、16脚VCC+5v。MAX232的主要优点有：1符合所有的RS-232C技术标准。2只需要单一 +5V电源供电。3片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。4功耗低，典型供电电流5mA。5部集成2个RS-232C驱动器。6高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。综上所述，其在整个电路中的电气连接如下列图。图 MAX232电路3.3.3 AT89C51单片机最小系统在上面各局部硬件电路的根底上，AT89C51单片机最小系统已经根本成型，其最小系统所示。图3.9 AT89C51单片机最小系统电路原理图3.4 电子时钟模块电路设计时钟芯片有很多种，如DS1307、DS1302、PCF8485、SB2068等等，本系统采用的是DS1302来完成时钟电路的设计。3.4.1 DS1302芯片简介DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进展通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进展通信，仅需用到3个口线：1RES复位，2I/O数据线，3SCLK串行时钟。时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息功率小于1mW。表3.1管脚描述X1，X2GND地RST复位脚I/O数据输入/输出引脚SCLK串行时钟Vcc1电池供电管脚Vcc2电源供电管脚3.4.2 DS1320外部引脚功能与结构电路图3.10 DS1302的外部引脚分配各引脚的功能为：Vcc1:主电源。Vcc2:备份电源。当时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2 Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。SCLK: 串行时钟，输入，控制数据的输入与输出。I/O: 三线接口时的双向数据线。CE: 输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位存放器的控制逻辑；其次，CE提供完毕单字节或多字节数据传输的方法。DS1302外围电路与单片机的连接如下列图。图3.11 DS1302外围电路3.5 按键与显示模块电路设计3.5.1 液晶显示模块电路设计本控制系统的显示模块采用的是LCD12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，它可显示汉字与图形，置8192个中文汉字16X16点阵、128个字符8X16点阵与64X256点阵显示RAMGDRAM。所示。表3.2 LCD12864引脚定义表引脚符号LEVEL功能说明1VSS0V一般接地2VDD+5V接电源3.0V-5.5V3V0-比照度亮度调整4CSH/L摸组片选端，高电平有效5SIDH/L串行数据输入端6CLKH/L串行同步时钟：上升沿时读取SID数15PSBLL:串口方式16RESETH/L复位端，低电平有效19AVDD背光源电压+5V20KVSS背光源负端0V带中文字库的LCD12864A-1每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个168点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。它部提供1282字节的字符显示RAM缓冲区DDRAM。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM中文字库、HCGROMASCII码字库与CGRAM自定义字形的容。三种不同字符/字型的选择编码围为：00000006H其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个显示自定义字型，02H7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0HF7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如表所示。表3.3 显示器屏幕对应地址80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH其硬件电路如下列图。图3.12 12864外围电路3.5.2 按键模块电路设计由于本控制系统对的功能较为复杂，需要用户设定的值较多，而又受限于AT89C51单片机的I/O口数量的限制，本系统选用较为节约I/O口的4*4矩阵键盘。在矩阵式键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通而是通过一个按键加以连接，单片机的整一个8位端口可以构成 4*4=16 个矩阵式按键，相比独立式按键接法多出了一倍，而且线数越多区别就越明显。由此可见，在需要的按键数量比拟多时，采用矩阵法来连接键盘是非常合理的。其硬件电路图图所示。图3.13 4*4矩阵键盘电路3.6 水温检测与恒温控制模块电路设计水温检测电路是水族箱系统最重要的环境参数获得通道。水温传感器获得的水温数据与设定温度上限和下限的比拟，获得的结果，将直接用来驱动继电器控制加热器的开与关，以保持水族箱的温度稳定，必要时还会报警以提醒用户。本控制系统的水温传感器选用DS18B20芯片，水温加热模块采用普通的绝缘加热棒再配合继电器即可。3.6.1 DS18B20芯片介绍美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器，现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。DS18B20 也支持一线总线接口，测量温度围为-55C+125C，在-10+85C 围，精度为C。DS18B20 的精度较差为2C。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20部结构图如图所3.14示。图4 DS18B20部结构图3.6.2 DS18B20温度检测电路图3.15 DS18B20电路图DS18B20芯片有三个引脚，如图3.15所示。VDD引脚接一个5V直流电源，DQ引脚单片机端口相连，其作用是把检测到的水温数据传给单片机处理;GND是接地端。3.6.3 水温加热控制电路设计水族箱的恒温控制是水族箱的一个开展趋势，它除了保证鱼能够生活在适合的温度中，还常用于治疗病鱼或为一些鱼类提供较高水温以促其繁殖。在本控制系统中，所有的控制信号都是数字信号，但是本控制系统采用的加热器是普通的电加热棒。为了使加热器能正常的工作而又能实现整个控制系统与电网的隔离，本系统采用继电器来控制加热棒的启停。在正常情况下，水族箱的水温是和室温一样的。当其中的生物需要特定的水温时，就要开启加热棒给水加热。所以本控制系统的加热棒并不是一直启动的，只有当单片机发出特定的控制信号后才能启动加热棒。综上说述，本系统的继电器采用常6所示。6 继电器驱动电路3.7 水位检测与水位高度控制模块电路设计3.7.1 HR-SR04超声波模块与工作原理简介本控制系统的水位检测模块采用的是超声波水位传感器。超声波是指频率高于20khz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，如此将超声振动转换成电信号。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度约为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s)，即为：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。HR-SR04超声波集成模块是将超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路，74LS04芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5V，而且此模块的静态工作电流是小于2mA的，工作时候可以比拟稳定。而且，它的感应的角度不大于15，可以减少了很大局部可能存在的角度干扰问题。此模块的测距围为2cm5m，能根本满足测距要求，而且其精度可以达到cm，盲区仅仅为2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，而且测距也比拟稳定。HR-SR04超声波集成模块采用的是I/O触发测距，给至少10us的高电平信号。另外，此模块可以自动发送8个40 kHz的方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，如果检测到有信号返回如此通过I/O口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，如此所测量的距离=高电平时间声速/2。一个控制口发出一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就能够算出距离。这样不断的循环周期测，就可以在不停地移动的过程中测量距离值了。其硬件电路如图7所示。图3.17 超声波模块电路3.7.2 水位高度控制模块电路设计当系统的水位高度传感器检测到的水位高度低于设定值时，给水水泵开始工作，向水族箱中给水。本控制系统的给水管道接在家庭供水管道上，通过继电器来控制接在水管上的电磁阀的开关状态来实现给水。8所示。器驱动电路与上一节中的加热棒的驱动电路一样。8 水族箱给水模块当水位传感器采集到的水位高度高于设定时，水族箱中的水泵开始工作并抽水来降低水族箱中的水位高度，使水族箱中的水位高度维持在一个恒定值。其功能示意图如图3.19所示。图3.19 抽水水泵示意图3.8 自动投食控制模块本系统的自动投食模块的电路主要由伺服电机和食盒构成。其中伺服电机的轴上安装有一个挡板，在没有给伺服电机固定频率的脉冲信号时，挡板平行于水族箱并把食盒底部的开口挡住，当有驱动信号时，伺服电机会转动90度的角度并把食盒的底部开口打开开始向水族箱中投送鱼食。的具体实现功能将在后面软件局部做详细阐述。其结构如图3.20所示。图3.20 投食系统结构3.9 声光报警模块电路设计本系统主要是针对水泵断流、温度系统故障等各种极端情况发出警报，以免造成重大损失。其报警电路如图3.21所示。图3.21 报警电路当水族箱的温度或是水位高度等参数到达极限值时，单片机的控制I/O口会发出高电平，从而使蜂鸣器和LED灯发出声光提示。3.10 本章小结本章讲述的是系统硬件设计，本系统主要有六个模块，主控模块，温度采集模块，水位监测模块，继电器控制模块，键盘控制与液晶显示模块，蜂鸣器与指示灯报警模块。在本章里主要从器件的选型、经济本钱、还有原理图设计和机构分析等多个方面阐述了这六个模块的电路设计方案。把所有这些模块组合在一起便是本系统的总体硬件设计电路。4 系统的软件设计4.1 软件设计概述本系统的程序主要有六个模块，分别是：电子时钟模块、按键与显示模块、水位检测与水位高度控制模块、水温检测与恒温控制模块、自动投食控制模块、声光报警模块。对于一个软件，可以把它分解成几个小模块，各组成模块之间是相互联系的，因此，被系统软件设计方法采用模块化设计思想。通过Keil软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，对各个模块进展编译调试。模块化设计的优点是逻辑与物理设计分开，开发过程中形成一套规化的文档，便于后期的修改和维护。4.2 主程序工作模块与流程图L:2、baibai的备份文档优典下载我的优典百度下载(hk3557)已下文档_by优典101主程序模块与