基于单片机的鱼缸控制器设计毕业设计

基于单片机的鱼缸控制器设计毕业设计内容摘要：

统，以防突发情况的发生。 其中各种参数的设定和调试可根据天气和周围环境的变化做出相应的改变，最终的目的是为鱼儿提供一个良好的生活环境。 本次系统的结构采用分块的模式，主要由控制部分和输入输出部分协调完成系统功能。 其中，控制部 分主要完成复位、数据的存储、显示温度和时钟、按键以及各种输入和输出等；而输入输出部分主要完成系统的各种控制参数的设定以及与主系统的通信等。 结合上述要点，在实现安全和自动化控制的前提下，争取实现系统方便、灵活、安全的统一。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 控制要求 针对鱼缸的自动化控制，本次设计的系统要做到以下要求： 1) 实时监测鱼缸内的环境参数：由于鱼缸内的各种鱼儿和水草等需要一个相对稳定并且良好的生活环境，因此要保证鱼缸内各种参数的稳定，其中包括含氧量、温度、光照、水位等。 要尽可能的将各种参数控制或者调整到合适的范围，以保证鱼 儿的良好成长。 2) 能够实时的显示温度、系统参数的设定以及当前工作状态和系统时间。 3) 有报警系统，即当鱼缸内的环境参数超过设定值时，系统能够及时的发出报警信号并做出反应动作，以保证环境参数的稳定。 4) 为了适应不同的需求，系统要能在自动和手动的模式下自由切换。 控制参数与性能指标 本次设计的控制对象是鱼缸，控制的目的是使其能自动调节，为鱼类提供合适的生活环境。 设计的过程中要注意水温、水位、氧含量等参数。 要求该系统能自动检测并显示鱼缸内的温度和氧含量等，并做出及时的补充，利用碳棒检测水位的高低，并应用单片机 控制水泵进行供水，协调工作达到一个功能完善的自动控制系统。 温度 鱼类是冷血动物，也就是说它们需要从周边环境吸取热量以供给自身新陈代谢。 鱼类在水中不断用鳃过滤水，进行呼吸，这就导致了它们新陈代谢产生的热量会很快消散在水中，体温也和周围水温相似。 鱼类大多数喜欢生活在温度为 ~ 摄氏度的水中。 温度或热量是影响鱼类新陈代谢的重要因素，如果温度过高，鱼类体内的酶将停止工作；如果温度过低，鱼类体内的酶的结构将会被破坏。 此外，如果水温过低，热带鱼将很可能会丧失其意识，鱼类体内的寄生虫和细菌会 伺机侵害鱼类的健康。 随着水温的升高，氧气的溶解度会降低，而鱼类恰恰是需要氧气洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 来进行生存，这样便可能会导致鱼类因缺氧而死去，所以一定要给鱼类一个合适的水温。 综上所述，可根据系统设定的温度范围来控制加热器的启动和停止，以提供一个合适的水温。 水位 水位检测主要是控制鱼缸内的水量，通过水泵将水箱中的水抽到鱼缸中，并应用碳棒时时检测水位，当检测到水位达到要求时，立即通过单片机控制水泵停止加水。 光和氧气 鱼缸中不仅仅只有鱼类，同时还有共同生活的植物。 而光是植物健康生长的必要因素，在适宜 的光照条件下更加有利于植物的生长，同时利于鱼儿的生活。 绿色植物是唯一能产生氧气的植物，植物良好的生长可以及时补充鱼缸内的氧气。 在自动化系统的配合下可以更加方便的控制鱼缸内的含氧量，为鱼儿创造了一个良好的环境。 设备造型 I/O点分析 本次设计的自动化鱼缸是基于单片机的自动化应用，参考于其中的控制参数，利用传感器等技术来实现自动化控制，需要加入一个作为输入的 3*4的键盘，以此来设置温度和含氧量的参数。 其中设置的温度标准和氧气含量等均可以通过键盘来手动输入，随时的根据周围环境的变化来调控 参数标准，为鱼儿提供更好的生活环境。 而通过传感器作为输出的实时温度和含氧量一并作为输出点来考虑，只需在传感器与单片机的基础上桥接一个 LED 显示模块，就可以方便的显示所需要控制的参数，以此来改变或者重新设置。 其中水位的控制是通过碳棒来实现，因此并不需要作为输出点。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 单片机的选型 单片机共可以分为 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位机等。 其中 1 位机和4 位机成本低、结构简单，但指令不丰富，而且编程复杂，主要运用于简单的控制；相对来说 16 位机和 32 位机虽然性能优越、集成密度高，但在价格上比较高，因此得不 到广泛的应用；而 8 位单片机体积较小、指令多而广、价格低廉，而且产品的应用几乎占据了大部分的单片机市场，将会成为系统控制的主流机型。 ATMEL、 NXP、 STC 和 SST 等公司生产的高性能 8 位 89C52/S51 单片机有很多优势，比如其有丰富的系统资源，特别是其内部增加的存储器 Flash ROM，它可以高速的改写，大大的方便了单片机的开发及应用。 因为89C52=80C31+373+2732，而且其价格低廉，因此，在市场上有相当大的应用性。 经过综合考虑，本次论文选用 AT89C52 型的单片机作为自动化鱼缸的主控制芯 片， AT89C52 是一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机。 它采用了 CMOS 工艺，并具有高密度非易失性，而且其输出引脚和指令系统都有较强的稳定性。 片内的 Flash ROM 在系统内允许改编程序。 具有功能强、灵活性高且价格合理等特点。 它有 40 个引脚， 32 个外部双向输入输出的端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个全双工串行通信口， 3 个 16 位可编程定时计数器， 2 个读写口，既可以按照常规的方法进行编程，也可以在线编程。 另外，它将通用的微处理器和 Flash 存储器巧妙的结合到一起，尤其是可反复擦写的 Flash 存储器的应用，有 效的降低了开发成本。 所选用的 AT89C52 单片机内部片内资源丰富，有 8K 字节的闪烁存储器，而本次系统设计主要用单片机 C 语言编写，这样编译后生成的代码不仅较为简短，而且效率较高，这样有了多余的程序存储空间避免了再外部扩展，有效的简化了系统电路和降低了系统成本。 电源的选择 基于是家庭的自动化鱼缸，考虑到方便的操作问题，直接选用 220 伏的常用电源，不仅可以方便鱼缸的接线问题，还可以省去中间升降压的麻烦。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10而对于单片机的电源选择则要针对于所选用的单片机的类型，结合其各种参数，并考虑到中间所加的各种应 用模块。 由于本次设计选用的是 89C52单片机，所以直接选用 5 伏的直流电源，作为单片机的电源供给。 继电器的选择 继电器是一种当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。 其原理是通过改变输入到线圈上的电压来改变电磁场，进而控制电路的开和关。 按照工作原理和结构特征，继电器共分为以下几类：电磁继电器、固态继电器、时间继电器、舌簧继电器、温度继电器等。 继电器的选择有以下注意事项：使用环境、输入信号、输入参量、负载情况等。 针对于鱼缸的水中环境和使用现状，以及鱼缸 的电压、电流、输入输出等情况，选用最常用的光电隔离器来作为安全保护装置，其具有体积小、 使用寿命 长、 工作温度范围 宽、抗干扰性能 强．无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点。 综上所述，本次系统选用型号为 SRS05VDCSL 的继电器，它的触点负载为中功率，触电形式为常开型。 总体方案 本次设计主要是以单片机 89C52 为核心，在此基础上应用其它的模块，如温度显示模块、自动供水模块、自动报警模块和按键输入模块等。 应用传感器技术和感应系统将其系统完美的结合到一起，能人性化的调试和随时随境的改变参数的设定，实现现代化鱼缸的自动控制。 以下是总体硬件结构方案图： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11数 码 管 显 示按 键时 钟输 出 （ 带 指 示灯 ）指 示 灯 A T 8 9 C 5 1其 它 参 数 检 测温 度 检 测水 位 高 低 检 测数 据 存 储主 控 制 部 分输 入 输 出 控 制 部 分 其中主控制部分包括： 中心控制模块：主要是以单片机为控制核心，其功能是用来将 A/D 转换器送来的数字信号进行处理，从而向各种设备发出各种控制信号。 时钟控制电路模块：同步控制系统的相对时钟和绝对时钟，定时检测各种环境参数和各项控制器的开或关。 人机交互按键控制模块：主要是用来实现按键的写入功能以及设置后相应的 LED 的显示，以便达到良好的人机交互功能。 1）通过 LED 数码管实时显示参数值； 2）通过键盘写入各种参数； 3）发生异常时能通过 LED管和蜂鸣器报警。 数据存储 /复位模块：能 够存储各种参数，实时监测并存储系统的工作过程，当遇到异常情况时能够复位重启。 数码显示模块：能够实时的显示系统的工作状态和时间、当前温度以及控制过程中的参数变化。 系统硬件结构框图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12其中输入输出控制部分包括： 各种信号的输入模块：能够将鱼缸中检测到的各种信号准确输入，如温度的监测、水位高低的监测以及含氧量的监测等。 这个模块主要是由传感器、放大器、多路开关以及 A/D 转换器等组成，完成数据的采集。 其中传感器的作用是感应鱼缸内各种环境参数的的变化，然后将其转化为电信号；放大器的作用是将系统接收到的一些微小的信号放大，以便于接收系统 可以很快的接收并利于下面的执行；多路开关的作用是将接收到的电信号传给 A/D 转换器，这样便可以让单片机接收到可以识别的数字信号。 各种子系统的输出控制模块：主要由各种输出控制的设备组成。 根据系统检测到的各种参数信号，控制相应的子系统进行工作，各个子系统既不互相干扰又能协调工作，同时可以显示各种输出。 作为核心的单片机将设定值和采集值进行比较，发出控制信号并传输给相应的设备，实现对不合适参数的调节。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13第 3 章 系统硬件设计 本章内容是介绍自动化鱼缸控制的硬件结构和设计，主要包括以 下设计 :主从机电路模块、时钟电路模块、键盘控制与显示模块、温度控制模块、数据存储电路模块等。 下文中详细的阐述了各电路设计中芯片的选型要求，并根据其内部组成、性能参数和功能特点等设计出了具体的硬件电路。 在综合各个电路的元件性能的前提下，保证所设计的各个电路之间可以协调工作，在主系统的控制和调试下可以达到方便快捷的效果，实现硬件部分的高效执行性和系统的自动化控制。 硬件的总体结构 硬件设计和软件设计是本次论文的两个重要方面，本章主要写该系统硬件电路的设计。 在设计过程中，主要遵循以下几点原则： （ 1） 硬件电路的设计和软件电路的设计是相辅相成的，软件电路功能的实现要靠硬件电路来执行，而硬件电路的实现要靠软件电路来下命令。 但是用软件实现硬件的功能还要占用 CPU 的时间，所用的时间要更长一点。 但在另一方面，用软件电路实现功能的话，不仅可以使得硬件电路大大简化，这样一来降低了成本，同时避免异常情况的发生，可以提高硬件电路的可靠性。 所以在本次系统的设计过程中，在满足可行性和系统要求的前提下，尽可能的用软件来实现硬件功能。 （ 2）保证可靠性和抗干扰性。 根据可靠性的设计理论，在设计系统时所用的芯片越少，那么系统出现故障 的机会越少，同时电路板上的地址数据总线受到的干扰就越少，所以单片机控制系统的设计是在满足功能要求和可靠的情况下，尽可能的使用少量的芯片和线路，大幅度改善组件数、电路板空间、抗干扰性、功耗以及系统成本。 （ 3）确保灵活的功能升级和系统扩展。 由于一开始并不能完全考虑到系统的各个方面，在后续的设计中需要不断的完善系统和补充功能，同时在设计的过程中应考虑到在以后的应用，也就是说应该在系统设计不需要做很大变动的情况下，尽可能的修改少量的软件和硬件，甚至在不修改的情洛阳理工学院毕业设计（论文） 14况下就能实现系统的要求。 其中，功能扩展对系统的影响也很 大。 按照系统的要求和以上几点硬件设计原则，本次系统设计以单片机AT89C52 为核心，再结合传感器技术，由温度控制、数码显示、信号的输入和输出等单元电路组成。 下面就主要的电路设计做详细的介绍。 主从机的电路设计 为了实现鱼缸的自动化控制，并达到方便快捷的目的，在设计过程中尽可能的将各个控制部分的放置最大效率化与资源化，即将系统的主控制部分和输入输出控制部分的功能板分别放在鱼缸的不同位置，这样可以进一步提高系统控制的稳定性。 而设计的主控制其作为主机，设计的输入输出控制器作为从机，并将其分别应用到所 设计的电路中，即主控制电路和输入输出控制电路。 在主控制电路中用 AT89C52 作为主控制芯片，它主要是实现控制中心、时钟控制电路模块、数据存储 /复位模块、数码显示模块以及人机按键控制模块的相互协调运行，保证系统的完善；而输入输出控制电路主要工作是能够准确、及时的输出鱼缸中检测到的各种环境参数和各路控制信号。 综合上述情况，在两个电路能够正常工作的前提下，再将两者结合到一起，实现系统的自动化控制。 在这三部分电路的设计中，要细节考虑其之间的工作模式和特点，综合其不同的性能和工作状态，减少不必要的消耗和损失，并能 够在此基础上更加的方便灵活，实现最终系统所要求的自动化控制。 以下是作为主从机电路的电路结构图：。