水族箱自动投料系统设计

周学礼 ，陈加勇 李兴江

（1.常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500；2.上海大学 通信与信息工程学院 上海 200072）

随着生活的富裕和水族业的快速发展，水族箱已进入普通家庭，成为主要的室内装饰产品.目前市场上销售的水族器材品种繁多，但功能不全且不统一，并且多数都是非自动化的，所以繁琐的喂食环节和温度保持以及不定期出差等各种原因都给生活带来诸多不便.本文设计实现了能够自动完成投食和温度保持功能的水族箱自动投料系统.

1 水族箱自动投料系统总体结构

1.1 设计要求

本系统的主要任务是以单片机为核心，实现水族箱自动投料.系统包含控制、显示与监控等几个主要模块，欲实现如下功能：

（1）实现自动喂食和温度调节功能的自由选择；

（2）可以选择高低档位进行喂食；

（3）定时间歇性投放，每次喂食采用“少量多次”的方式达到总投量的全部投放；

（4）“少量”可以通过延时函数实现，“多次”可以通过按键设置；

（5）可以实现当前系统状态的显示以及相关参数值的显示；

（6）实现水体温度的监测，当温度低于设定下限温度时，启动加热功能；

（7）余料不足（或者不多）时有灯光报警提示功能.

1.2 功能组成

水族箱温度、投放次数、定时时间等是本系统主要的控制对象，通常情况下包括按键控制模块、液晶显示模块、温度采集模块、定时中断模块、余料检测模块和外部输出电路.其中外部动作电路包括喂食动作电路和水体加热电路两部分，系统总体设计框图如图1所示.

2 系统硬件电路设计

2.1 温度采集电路设计

2.1.1 传感器选取

DS18B20是集传感原件和转换电路于一体的芯片，支持“一线总线”接口，其测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃，可以对系统水体温度进行准确有效地测量，因此温度采集模块采用DS18B20作为系统温度传感器[1]105-109.

DS18B20温度传感器只有3个引脚，不需要外部元件，一条数据线可以进行通信.但使用一根I/O线通信时，其电源电压是以寄生方式供电的，因此，只需要将其电源（VDD）和地线（GND）端接地即可[2].DS18B20由只读存储器、随机存储器、温度传感器、温度数字转换电路和串行I/O口等几部分组成[3].

2.1.2 传感器电路设计

该温度采集电路是将DS18B20的2号引脚和单片机P3.7端口相连，使用5 V的电源，为了确保在DS18B20有用的时钟周期内能够提供充足的电流，该引脚还需要接阻值为4.7 K的上拉电阻.

图1 系统结构框图

2.2 按键控制电路设计

该系统设置了4个按键，从左往右分别为K1、K2、K3和K4，其中K1和K2分别为控制数值的加和减按钮，K3和K4分别为温度下限值的设定和喂食动作运行次数设定的选择按钮，只有当K3或者K4中有一个保持闭合状态时，K1和K2按键按下才会起作用，否则不会改变系统的设定参数.这样的一种设计思路既保证了系统各参数值的设定，而且简化了系统的按键设计，又起到了对系统按键保护的功能.不会因为误操作或者儿童的好奇无心之举而影响了系统的正常运行.其硬件电路连接图如图2所示.

图2 按键控制模块接线图

2.3 液晶显示电路设计

2.3.1 显示器选取

常见的液晶显示器有1602和12864等多种型号.1602属于字符型显示器件，可显示2行共16个字符.12864芯片是128×64点阵的汉子图形型液晶显示模块，可显示4行8列汉字以及图形，内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）[4].可与CPU端口直接接口，提供两种界面来连接微处理器：8位的并行及串行两种连接方式.本系统采用12864液晶芯片作为本次设计的显示芯片.

2.3.2 显示器电路设计

该系统使用单片机P2口的8个I/O端口线作为数据线与12864芯片的数据口相连，工作电压采用5V电源，其他功能引脚分别与单片机P1口相应端口连接[1]275-284.

2.4 外部动作电路设计

2.4.1 加热电路

此功能可以采用光电耦合电路和开关电路（如可控硅）来实现.本设计采用过零型固态继电器来实现，这是一种更为简单实用的设计方案.固态继电器一般由五部分组成，其中耦合隔离器的作用是在输入与输出两端电气完全隔离下传递信号，控制触发器是为后级开关电路提供触发，吸收保护电路采用R-C串联网络或压敏电阻，是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路造成损坏，零压检测器用于控制开关开通时刻消除射频干扰，开关电路是用来接通或关断直流和交流负载的大功率器件[5].本设计采用交流过零型固态继电器GJH5-W，其为4端元件，两个输入端、两个输出端，输出端串联水体加热电路，电路如图3所示.输入端一端接+5 V电源，一端接三极管发射极.当单片机P0.4输出低电平时，PNP三极管导通，输入端满足固态继电器GJH5-W的输入参数（控制电压3～12 VDC），输出端开关闭合，接通加热模块（H代表加热器件）；当单片机P0.4输出高电平时，PNP三极管截止，输出端开关断开，关闭加热模块[6].为了防止鱼类与加热器件直接接触，要在其外部小范围内采用防护设备.

2.4.2 投料电路

系统在一定的等待后，将进入运行状态，这时系统将通过P0.0口输出一个控制信号，通过它的高低电平来控制继电器的开与闭，进而达到控制喂食用的动作器件的相关动作，以满足系统喂食功能.具体电路同样可以参照图3进行接线.其中控制信号的间隔长短可以根据投料口径的大小进行合理设置，并通过按键设置投放次数来完成一次喂食环节.

2.4.3 余料不足报警电路

这部分电路在于保证系统中有足够的食料，该电路在余料足够的情况下，处于开路状态，当余料不足时，料盘里的金属球就会随着余料的减少而下降，当金属球与底部的金属底座相触时，该电路就会处于接通状态，此时LED显示灯将处于常亮状态，提醒主人适时添加饵料[7].

图3 加热电路图

3 系统软件设计

为了实现水族箱自动投料，根据系统功能的要求，以系统硬件电路为基础进行系统的软件设计，主要内容包括：主程序、温度检测与处理、按键控制、液晶显示等，主程序流程图如图4所示[8].

主程序中的一些信息，一是放在显示间隙完成的，二是放在中断中完成的.系统利用定时器T0，在工作方式1下进行60 ms的定时，然后由T0中断对其进行6万次的计数，以达到时长1 h的定时[9].

在T0中断时进行定时、计数、方波输出等操作，中断流程图如图5所示.图中glucCounter和a分别为以60 ms为定时单位的计数变量和以小时为单位的计数变量，P0.7口输出周期为2 h的方波信号，与LED灯相连，以方便观察定时器运行状况.

图4 单片机主程序流程图

4 系统功能说明

主要功能模块的功能分布示意图如图6所示，图中共有四个部分：显示部分、按键部分、LED提示部分和功能选择接口部分.

液晶显示屏的四行显示内容分别为：设定的温度下限、水体的当前温度、设定的喂食参数值和系统当前的状态显示.按键部分的K1、K2分别为加、减按键，可以进行相关参数的设置与修改；K3、K4分别为温度下限调整和喂食初值设定的功能选择按键.只有当K3或者K4处于闭合的情况下，才能通过K1和K2按键实现对相应的参数值进行修改，否则按键K1、K2没有响应.LED部分的4个LED灯的状态分别表示：系统正在喂食、系统正在加热、定时器中断产生的方波信号和系统余料不足的报警状态.4个功能选择接口分别为A、B、C和D，其中前三个的通断分别表示“系统是否开启全部功能”、“是否开启自动喂食功能”、“是否开启温度调节功能”，它们接通时均表示开启此项功能，断开则表示关闭该功能；当D接口处于默认断开时，系统采用低档喂食，当D接口接通时，系统采用高档喂食.

5 系统调试

硬件调试电路主要包括温度检测模块、按键控制模块、液晶显示模块、余料监测模块和外部动作电路.软件调试是系统调试的重点和难点，软件调试主要有：温度采集处理程序调试、按键控制程序调试、液晶显示程序调试.

系统调试完成后运行正常，为了获得温度检测的可靠性，我们在不同温度段对温度参数进行实测，每一分钟记录一次该系统测得的温度，每个温度段测量三次并与上海滋源公司生产的水温温度计同时测得的数据进行比较，具体数据如表1所示.

从表1的数据对比可知，本系统对温度的控制精度高，温度同比偏差小于0.1℃，控制精度完全达到系统的要求.

图6 系统功能分布图

表1 温度值对比数据

6 结论

本文针对观景水族箱在温度保持、余料不足监测及自动喂食等方面的实际需求，做了广泛的调查研究.详细地分析了该系统应有的功能，并从硬件设计和软件设计两个方面，对该控制系统的实现提出了详细的设计方案.此方案可以自由设置温度下限参数值并能进行温度调节，还可以实现对拥有不同鱼类数量的水族箱进行不同的喂食参数设置，从而满足不同情况下的喂食饵料量的要求.系统按键模块只有在正确的操作下，才能进行参数值的修改，在一定程度上起到了对参数的保护作用.由于系统架构设计合理，功能电路实现良好，系统性能优良、稳定，较好地达到了各项指标的预期要求，具有较好的推广使用价值.

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