智能生态鱼缸系统设计与实现

余雪枭，刘彦忠，唐逍蔚，卢良玮，卞影杰



智能生态鱼缸系统设计与实现

余雪枭[1]，刘彦忠，唐逍蔚，卢良玮，卞影杰

（齐齐哈尔大学 计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

根据人们对水族箱的需要，设计开发一种物美价廉的鱼缸智能控制系统．该系统是以AT89C52和AT89C2051单片机为控制核心，结合传感器技术，设计出的集多种功能于一体的智能控制系统．运用PID算法调整控制设备，实现对鱼缸相应参数的实时控制．

智能控制系统；传感器；芯片

生态鱼缸是一个需要配备多条件不间断精密控制体系，已经发展成为一个结构完整、功能齐全的微型生态环境系统[1]．目前市场上已经有控制鱼缸水温、照明、排水及充氧的控制器．但由于种类繁多，功能不统一，投入费用高，安装繁琐，使用复杂无法提高整体性能，而且大多都是非智能化的控制系统，因此无法满足人们对自动控制鱼缸的要求．针对鱼缸的日常护理要求，本文设计一种以鱼缸中水温、水中溶氧量、水生植物的光合作用以及水质的控制为研究对象，基于单片机的智能性自动控制系统[2]．

1 生态鱼缸总体设计思想

鱼缸生态环境自动检测及智能控制系统的任务是将被控制对象设定水温度、水中氧气含量、光照以及水质参数值等，通过自动检测方式自动调节相关参数，使鱼缸始终保持良好的生态环境[3]．系统设计是以AT89C系列单片机[4-5]为控制核心，结合温度传感器技术和激光传感器技术完成相应功能．

1.1 硬件设计

系统从整体性能、抗干扰能力和稳定性方面考虑，对系统进行设计实现．系统采用2个核心处理器联机控制，分别为主控制部分和数据输入输出部分．其中主控制部分采用单片机AT89C52，P0口8位用来进行数码显示输出方式；P1口中P1.0和P1.1连接外部时钟芯片，P1.2~P1.7连接控制按键，全部为输入方式；P2口控制指示灯显示状态的变化，P3口承担串行通信的任务．输入输出控制部分采用单片机AT89C2051，P1口分别用来读取温度传感器（DS18B20）、水位传感器和光敏电阻等相应的数值，P3口用来连接控制继电器和串行通讯．

1.2 软件设计

针对两大部分功能不同的特点，控制部分AT89C52内部的存储器主要用来存放中央控制模块，人机交互按键控制模块，时钟控制模块，数码显示模块和数据存储/看门狗/复位模块．输入输出部分的AT89C2051内部的存储器主要用来存放系统检测元件的输入模块，系统的控制输出模块以及通讯模块．

2 生态鱼缸硬件设计

本设计是以单片机为核心[6]259处理器，通过与其它电路连接构成一个可以在鱼缸外部独立工作，并保持鱼缸内环境稳定的控制系统[4]15．该控制系统的硬件设计可分为控制部分和输入输出部分（见图1）．

2.1 双机通讯

为了减少电磁干扰，使系统能够不间断稳定工作，控制强电采用继电器来实现．由于设备的数量比较多，很容易产生电磁干扰，除了采用必要的屏蔽手段以外，选择恰当的通讯方式也非常重要．

串行通讯具有抗干扰能力强，传输距离远的优点[6]260．再加上传感器采集的数据量虽然不少，但是经过CPU的差分比较算法，需要传输的数据却不是很大．输入输出控制器AT89C2051采用定时采集，集中发送的方式，采用全双工模式[7]．波特率可以根据实际需要进行设置，默认为9 600 bps，所以效率很高，大大提高了控制的精度．对于主控部分发来的控制信号，采用中断处理，最大程度地保证了处理的及时性．从根本上解决了外部设备带来的干扰，同时也可以适应比较复杂的外部环境，以确保系统稳定运行．

2.2 输出控制

系统的输出控制和执行器由继电器控制，通过三极管电路完成控制[8]．为了最大限度地减小对系统的干扰，控制信号要区分优先级控制．根据控制的外部设备不同采用集中式仲裁原则，基于计数器定时查询方式，初始化程序会根据继电器驱动的外部设备给出初始优先级．当查询出控制信号后会根据优先级进行延时处理，然后再依次执行，全部执行完毕后再恢复对传感器的数据采集，确保整个电路不会遭受电涌影响．

3 生态鱼缸软件设计

主程序主要完成以下功能：（1）对系统进行初始化；（2）程序运算模块；（3）采样检测模块；（4）输出控制程序；（5）主从机通讯以及数据处理；（6）看门狗控制；（7）参数显示．

3.1 工作状态程序

首先判断控制状态，在手动控制状态时根据意愿可任意选取工作状态．自动控制状态时对水质、水温和光照3项进行检测判断是否需要处理，3项可以并行处理，以最短的时间保障生态环境的稳定．

工作状态自动控制算法：

检测控制模式mode；

If mode=1 用户自主设定各项参数； //手动控制模式

Else //自动控制模式

{

If 水质 超出标准范围

If 水温 超出标准范围

If 光照 超出标准范围

并行设置 水质，水温，光照的取值为标准范围的均值；

Else 设置 水质，水温的取值为标准范围的均值；

Else 设置 水质的取值为标准范围的均值；

}

3.2 看门狗模块

对于保证系统的稳定运行，看门狗电路十分重要．本设计选用芯片X5045进行监控．设定监控总时间长度和监控检测的时间间隔；每间隔一个时间间隔，定时读取传感器得数据；调用自动控制程序对鱼缸状态进行调整一次；直到完成监控总时间，报警提示用户“完成本次监控”，若用户未响应，每间隔30 min报警一次，直至用户重新设置．

4 实验效果

设计鱼缸生态控制系统见图2，系统运行过程中测试数据与理想值进行对比见表1．

4.1 温度检测

DS18B20的检测结果与理想温度对比，显示DS18B20的测试温度比理想温度的范围小了1 ℃左右．因为加热棒工作需要一个过程才能达到升温效果，所以不能等到温度低于最小值以后再加热．而当温度达到28.5 ℃时就要停止加热，此时加热棒还处于一个比较高的温度，所以温度不会随着继电器的断开而降低，还要继续升高一点，确保不会超过最大值而使生物环境恶化．

4.2 透明度的检测

透明度是保证水族箱具有良好生态环境的关键．当透明度低于4.5 m的时候，水泵开始工作，把水通过净化装置再循环回来；当水质的透明度达到5.5 m的时候停止循环，不是水质越清洁越好，水质过于清洁会导致水里的植物缺少养料而使鱼生长减缓，影响生态平衡

4.3 光照检测

光照低于800 lm可以启动辅助光源，但是没有硬性要求．因为必要的光源可以促进植物的光合作用，以提高水中的溶氧浓度，但是溶氧浓度过高也有负面影响，容易使鱼类体表受损影响观赏性．因此，辅助光源除了促进光合作用以外，能够提高观赏效果即可，对光照度没有硬性要求．

5 结语

本文设计的鱼缸智能控制系统，采用双CPU结构，结合传感器技术，对水环境进行监控．其智能化程度高，可实现对水族的日常养护，维持生态环境的基本稳定性．具备水过滤，水充氧，恒定水温，补充光照，无需添加鱼饵等功能，降低了人力成本．该系统可以通过键盘设置来切换手动/自动双重模式，丰富的人机界面增加了养鱼过程中的趣味性，收到较好效果．

[1] 孔祥洪，王伟杰，宋连伟，等．观赏鱼缸智能控制器的仿真设计[J]．实验室研究与探索，2013，32（5）：14

[2] 王显峰．单片机系统中的硬件抗干扰措施研究[J]．自动化技术与应用，2015，34（3）：110-111

[3] 王振宇．基于单片机的数据通信串口研究[J]．电子技术与软件工程，2015（7）：256-257

[4] 赵立琼．基于AT89C51和AT89C2051水位控制系统的设计[J]．宁波职业技术学院学报，2010，14（2）：14-15

[5] 凌志浩，张建正．AT89C52单片机原理与接口技术[M]．北京：高等教育出版社，2011：24，277-278

[6] 郭军团．MCS-51单片机课的教学探讨分析[J]．教育教学论坛，2013（36）：259-260

[7] 王云飞．DS18B20温度传感器的应用设计[J]．电子世界，2014（12）：355-358

[8] 苏畅．单片机驱动X25045接口及汇编程序设计[J]．黑龙江生态工程职业学院学报，2013，26（2）：28-29

The design and implementation of intelligent ecological fish tank system

YU Xue-xiao，LIU Yan-zhong，TANG Xiao-wei，LU Liang-wei，BIAN Ying-jie

（School of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

According to people's needs，the design and development of a cheap fish tank intelligent control system. The intelligent control system is designed including many functions，combined with the sensor technology，and based on AT89C52 and AT89C2051 single chip microcomputer. The control device is controlled by the PID algorithm，and the real-time control of the corresponding parameters of the fish tank is realized.

intelligent control system；sensor；chip

TP302

A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.01.009

2015-10-28

齐齐哈尔大学大学生创新训练项目（201510221063）；齐齐哈尔大学教学研究项目（2015036）

余雪枭（1997-），男，湖南临湘人，在读本科．E-mail：1923839702@qq.com

刘彦忠（1971-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，硕士，从事网络通讯、图像三维重建技术研究．E-mail：lyzself@sina.com.