智能鱼缸控制系统设计

赵明冬,宋子博,王浩哲

(郑州科技学院 电子与电气工程学院,河南 郑州 450064)

0 引言

针对鱼类养殖环境进行改善的设备有很多,比如最常用的抽水过滤器、加热器、增氧泵、投食器。 但是,它们大多相互独立,如果仅仅把多个单独的设备组成一套多功能的鱼缸控制系统,需要投入的费用较大,同时多个单一器件机械化的组装之后也存在一定的资源浪费[1]。 市场上也有一些成套的解决方案,但是总体的自动化程度不够,满足不了一些特定环境的需求。

本系统主要针对以上问题,从功能集成、自动化、性价比方面进行设计。 该系统是将水循环供氧、自动水温控制、自动投食、水位报警等功能集成于一体的系统,对养护工作中的供氧、投食等综合自动化及其技术进行研究探索,这对整个水族行业的自动智能化发展有较大的意义和价值。

由于市场的发展以及更多人对观赏鱼缸的青睐,智能鱼缸控制系统还有很大的发展潜力。 现有的产品大多不完善,处于萌发阶段。 因此,本设计结合行业内产品的优点,以改善不足为出发点,自主设计实现了一套简单实用、性价比高的智能鱼缸系统。 系统具有水循环过滤、温度控制、定时投食、水位报警、状态实时显示这些功能,还具有继续扩展功能的潜力。

1 系统的硬件设计

本系统以STC89C52 芯片单片机作为控制核心,完成智能鱼缸控制系统的设计与制作,系统框图如图1所示,包含了主控模块、水位采集模块、温度采集模块、时钟模块、按键模块、显示模块、投食模块、水循环、加热模块、报警模块,能够完成鱼缸的温度检测、水位检测,超过限定值时进行报警;具有水循环充氧、定时定量投放饵料等功能。

图1 智能鱼缸控制系统

(1)主控模块设计。 主控模块主要包括单片机、晶振电路和复位电路。 此外,在实际电路中加上了电源开关电路和上拉电阻电路。 单片机的引脚外接11.0592 晶振,晶振两端再通过22PF 到30PF 左右的瓷片电容接低电平即为晶振电路。 单片机RST 复位引脚通过复位电路实现单片机复位功能。 就像计算器的清零按钮的作用一样,以便回到原始状态,重新进行计算。 复位电路要实现的是,系统处于正常运行状态下使RST 引脚维持两个机器周期以上高电平,这样单片机便可以完成复位操作。

(2) 温度采集模块设计。 温度采集模块采用DS18B20 温度传感器与主控模块进行通信构成的温度采集模块电路芯片DSl8B20 的引脚即DQ 数据口与单片的端口连接,单片机通过单总线协议与DS18B20 进行通信[2]。 使用外部5 V 电源供电,另一个引脚为GND 口与电源负极相连接,引脚3 即VCC 口与5 V 电源正极相连接。

在实际硬件电路构建时,DS18B20 为晶体管大小的三引脚芯片,在测量水温时,还使用胶水进行了防水设计,使温度传感器被包围,不至于接触水。

(3)水位采集模块设计。 水位采集模块没有使用集成芯片模块,电路的设计依据简单的电路回路原理,以鱼缸中的水为电路开关,实现电路的导通和断开。

水位检测模块电路。 鱼缸内部高度为14.7 cm,取其高的某一点或者几个点将其作为检测点进行检测,达到相应高度时,传感器线便输入相应高低两种电平的信号,通过晶体管转换后供主控模块检测。 几个接口分别对应几条电路,其中一条为系统高电平,其他4条分别串联一个电阻后连接S9014 型号NPN 型晶体管的基极,晶体管发射极接地,集电极接一个上拉电阻。从集电极分别接出一条数据线与单片机的4 个I/O 口连接。 把水位传感器竖直贴在鱼缸外围,高电平线通过水先与最低的1 个监测点导通,晶体管同时被导通。集电极和发射极之间电阻瞬间由高阻变为低阻,与单片机相连的数据线由高电平降为低电平,此时单片机对应I/O 口被传入一个低电平供单片机检测。 在水逐渐达到检测点的过程中,另外的检测点依次与高电平导通,原理同第1 个检测点。 单片机通过检测4 个数据线电平的高低逻辑,判断水位处于哪个区间。

(4)时钟模块设计。 时钟模块使用DS1302 芯片,它体型较小,较多地应用于小型的嵌入式系统,比如电子钟、电话、传真等产品领域[3]。 它具有很好的实时性,在通信时可以实时更新时间,具有很低的功耗,用于本设计非常合适。

该时钟电路工作稳定,主要用于智能鱼缸控制系统的系统时间,作为鱼缸控制系统各种逻辑操作的对比,以实现定时水循环过滤供氧、定时投食等固定时间的控制。

(5)按键模块设计。 按键以各种形式存在于生活中几乎所有的电子设备上,它的功用就是对系统做出一些改变,改变系统的进程从而达到人们想要的功能。

按键部分采用2×4 的矩阵,其中包括时间的设定、时间的改变、投食时间的设定和改变、水温的控制检测、水位的检测,还包括水循环的时间设定。 只使用4个端口控制8 个按键。

(6)显示模块设计。 LCD12864 是工业字符型液晶显示器,它的主控芯片是STC89C52 或者其他兼容芯片,能够同时在两行显示32 个字符数据,是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块[4]。 它的点阵显示由若干个5×7 或者5×11 的点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此,它不能很好地显示图形,但是用在小型监控设备的数据、状态显示正好合适。

液晶显示模块用于显示各种信息,该设计中需要用到一些英文字母、数字、符号显示提示信息以及一些实时数据信息,LCD12864 与单片机连接作为显示模块刚好合适。

(7)投食模块设计。 鱼缸自动喂食装置简单明了,非常方便操作,下面有旋钮可直接安装。 上部分投食仓透明,便于观察食物剩余数量,其容量为70 mL,单次投食为0.2 g,每次投食的时间可单独设定,最长投食间隔周期为3 天,适合粉末状鱼粮和直径小于1 mm 的颗粒状鱼粮。

(8)水循环、加热模块设计。 水循环电路和加热电路除去负载及负载电压不同,其他电路相同。 单片机的P2.2 和P2.3 口分别连接ULN2003 的6B 和7B,功率放大、逻辑取反的信号从6C 和7C 出来,当输出信号为高电频时才将继电器导通,之后线圈吸合使长开端闭合,使得水循环过滤供氧装置或加热装置开始运转或发热。

(9)报警模块设计。 单片机通过I/O 口串联一个1 k 的电阻连接晶体管的基极,系统高电平连接有源蜂鸣器的正极,蜂鸣器负极连接晶体管的发射机,晶体管发射极连接系统低电平。 当基极为低电平时,晶体管导通,此时有源蜂鸣器相当于串联一个较小的电阻,蜂鸣器两端相当于接通系统高电平的电压后开始报警。

2 系统的软件设计

该系统软件使用C51 进行编程,采用Keil,Proteus以及Stc-isp 3 个软件作为开发环境进行开发。 其中Keil 用来编程,结合Proteus 进行仿真调试,最后使用Stc-isp 下载到STC89C51 单片机中[5]。

主程序流程图如图2 所示,程序开始后先调用初始化子程序,接着进入一个无限循环程序块,进行鱼缸内各种环境参数的检测、显示以及一些逻辑判断,主要由时间采集程序、温度采集程序、水位采集程序、显示程序、定时水循环程序、定时投食程序、温度控制程序、水位报警程序等构成。 按照模块化设计原则,把系统功能分为多个独立的子程序,这样的设计可以更好地理清程序设计的思路,也有利于程序的编写和调试。

图2 主程序流程图

定时自动喂食:通过DS1302 来记录时间,当时间到达用户所设定的时间后,例如:4 h 投喂一次,到达4 h 时,控制投食器,进行投食,并判断投食量,进行不断投食,直至达到投食标准,投食结束,等待下次投食。

监测水温实时控制:通过DS18B20 来不断监测水中温度,并在LCD12864 上显示,若当前温度低于设定值,开始对加热棒进行控制,间断加热,并通过PID 算法不断扫描,使温度到达额定温度后停止。

监测水位稳定对应位置:通过电容式传感器对水位进行测量,当返回值低于设定水位时,蜂鸣器进行报警并开启水泵,向鱼缸内进行注水,直至水位传感器监测到达额定水位后停止注水,并在LCD12864 中实时显示水位高低。

自动水循环增氧:通过用户设定时间,在DS1302进行判断是否到达指定时间,并实时显示当前时间,到达指定时间后,开启水循环与增氧,为鱼类提供一个良好的生活环境。

掉电保护:将监测到的数据在AT24C02 中进行存入和取出,遭遇突然停电时,保存当前数据,并展开实时工作,不会因突然断电而导致数据的丢失,并单独为DS1302 进行供电,保证时钟芯片一直工作,确保时间的准确性[6]。

3 结语

本系统是一体化、智能化、自动化的智能鱼缸,针对家庭观赏鱼缸各方面的需求,为长期出门在外但是热爱养鱼的人群提供一个良好的饲养容器,打消了人们养殖鱼类最后一丝顾虑,给鱼类提供了一个稳定舒适的生活环境。