基于51单片机的智能水族箱设计

武夷学院机电工程学院 王明发 邵海龙 陈 伟 赖富东

1 引言

当下越来越多的人开始在家中和办公场所布置水族箱，但是大部分人却没有养殖经验或者疏于管理，导致水族生物的死亡。为了提高大众的养殖乐趣和解决水生物存活率等问题，智能化控制被应用在水族箱设计中。但是当前市场上的水族箱内部设备并非全部的智能化、各控制部分相互独立工作，维护管理工作量大，而且造成资源的浪费。基于此，从系统集成开发的角度，进行智能水族箱操作系统设计，形成一套基于STC12C5A60S2单片机控制的氧气检测、自动投食、灯光、温度控制、水循环、酸碱度监测的智能化操作系统；该系统制造成本低、智能程度较高、可远程控制、便于管理等优势，可广泛安装于家庭、宾馆、高级写字楼等场所。

2 系统总体结构设计

智能水族箱控制系统以STC12C5A60S2单片机为主控制芯片，外围电路由温度传感器、蓝牙通讯模块、时钟控制电路模块、灯光控制模块、供氧模块、喂食模块、水循环模块、酸碱度检测模块、手机端控制界面等组成。系统结构框图如图1所示。

3 系统硬件电路设计

智能水族箱控制系统的硬件共由九部分组成，分别为主控单元、温度采集电路、投食模块、供氧模块、酸碱度检测与水循环、无线通信电路、电源电路模块、时钟控制电路、灯光控制模块和液晶显示模块。

3.1 主控单元设计

该系统主控采用单时钟周期的STC12C5A60S2单片机完成， 该款单片机比普通51单片机运行速度快8-12倍，具有多路AD转换器，I/O口具有四种状态选择，从而增加了端口的使用方案。便于后面的外设挂接。

图1 智能水族箱控制系统框图

3.2 温度采集电路设计

温度采集选择DS18B20单总线数字温度传感器，该传感器单一数据总线，其与单片机的I/O口连接，实现微处理器与 DS18B20 的通讯。采集温度时，仅需通过单片机读取I/O口的输入数据，进行数据转化，即可得到实时温度，实现对环境温度的检测。当温度低于设定的下限时，启动加热棒对水进行升温操作；当温度超过上限时，启动换水电机，进行换水操作。

3.3 投食模块设计

水族箱投食设计兼顾自动与手动两种方式。用户在家时可通过手动投食方式增加养殖乐趣。其中投食模块中的储物盒、投食装置采用3D打印技术自行设计完成，自动投食装置利用直流电机进行控制。当用户繁忙或外出无闲暇时间进行喂养时，可设置自动喂食时间（三档的功能：即时投喂、12小时投喂、24小时投喂），根据水族箱的鱼类数量，可以改变投食口的大小，进而控制单次投食的量，使鱼类正常生长和发育。该模块实物图如附件图2所示。

3.4 供氧模块设计

氧气为水族箱的生机来源，该养殖箱系统供氧采用低压（12v）供氧电机完成，用户可通过气阀开关量的大小调节氧气进气气量大小，利用远程APP、定时、手动三种方式完成氧气泵的开停。从而保证水族箱溶解氧的浓度，为鱼儿的正常生长提供必需的氧气。

3.5 酸碱度检测与水循环装置设计

水族箱酸碱度检测，主要完成养殖箱水PH值检测、采集模块检测水质的酸碱度，利用ADC0809将采集到的数据进行转换，得到实时水质酸碱度，当水质酸碱度超出设定范围时，系统发出警告信号同时向手机APP发送相关信息，以便养殖者时时了解水族箱相关信息。同时控制系统自动打开水泵，对鱼缸进行换水，使水族箱的酸碱度保持在合适的范围内。考虑到水族箱不能一次对全部原态水的换水而保证鱼儿无法适应水族箱环境的突变，引发鱼儿的死亡。当完成换水水族箱水容量1/3水位后，如果PH值还是无法达到设定标准的情况，系统不会继续换水，而是延时6个小时后继续水PH值的调节。这样保证不会因为大量换水，从而造成鱼儿的死亡。

3.6 无线通信

本设计中采用HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块，负责单片机与手机之间的数据传输，实现手机端对水族箱各项数据的实时监控和操作，为用户的操作和监管提供了便利。

3.7 电源电路设计

本系统采用12V/5V直流电源供电，12v为外置电源输入，为驱动、电机提供所需电压，利用稳压电路将12v电压转为5v，为电路供电。该电压在人体安全电压范围内，具有较大的安全性，同时使系统功率不会过高，节约能源消耗。

3.8 时钟控制电路设计

该系统采用DS1302时钟控制模块负责提供水族箱的时钟参数，该时钟与现实时间吻合，为系统的定时自动操作、喂食时间、充氧时间和换水时间等提供了一个参照，并且，在有需要时，可设定闹钟提醒，利于水族箱监管。

3.9 灯光控制设计

灯光控制模块由日常照明灯带、装饰灯带及红外传感器构成，日常照明灯带的特定波长灯光有利于水草光合作用，增加水族箱的含氧量，同时，红外传感器智能检测水族箱附近是否有人，若有则触发装饰灯带的工作，使水族箱更具观赏性同时更大程度节约能源。

3.10 液晶显示模块设计

为了养殖者能够时时清楚了解水族箱的水环境参数，系统设计了液晶显示模块，该显示系统利用LCD1602完成。

4 系统软件设计

系统软件基于标准C语言完成程序设计，系统整体软件流程图如图2所示。

图2 系统控制流程图

5 结论

该智能水族箱控制系统，以STC12C5A60S2单片机为主控，现场利用温度传感器技术、酸碱度传感器技术、智能控制技术以及无线通信技术等实现对水族箱的实时监管、远程控制及定时自动控制功能。同时又兼顾手动操作，符合水族箱养殖实际。纵观该控制系统，本系统拥有一体化、设计灵活、设计成本低、可手机端远程控制等优势，从监测运行效果看，该智能养殖箱有着广泛的应用前景和商业价值。

附图：

附图1 水族箱整体效果图

附图2 投食模块组装图