多功能水族箱控制系统的设计

北华大学毕业设计（论文）

统。

我国水族箱控制系统的起步比较晚。随着二十世纪八、九十年代中国的改革开放，中国开始融入这个世界，观赏鱼水族箱这个舶来品也开始进入我们的生活中，近年来其快速发展的状况使其成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注。如今是国际水族产品看中国，许多国外大的采购公司都盯准中国这个市场，把长远的目标放在中国。而在刚开始的饲养过程中，水族设备市场上的鱼缸控制系统都是功能比较简单的设备。如水族箱温度的控制，人们采用的是加热棒进行加热控制，由于加热棒本身采用双金属片温控以及手工控制加热棒的启停，造成温度控制精度较差，无法进行准确的供热，对于水温的恒温控制造成了难度。再如水族箱的供氧问题，由于水溶解氧的特性决定，水中氧气的浓度是有限度的，达到水中氧气一定的程度时，或者鱼缸内鱼量密度不高时，即使是在夏天时节也没有必要一直充氧可以采用间隔充氧和换水，否则再进行充氧都是多余的，也必然浪费大量的电力资源。

因此电路简单，能分担人们不必要的手工的水族箱控制电路系统也随之而生。水族箱中各种参数的控制，也产生了相关的控制设备。如间有自动水温控制器、自动喂食器、灯火自动控制器等这些设备各自独立运行，控制相应的箱内参数，所以造成独立的控制设备配置数量繁多，不但购买独立的设备耗费资金多，而且不利于整个系统的操作。这些仪器集温度、灯光、投食、报警等控制功能于一体。功能设计上追求性能稳定可靠安装、调试、维护方便。此外，这些控制器不仅可以广泛应用于家庭观赏水族箱的养护管理；而且也适用于水族养殖业，尤其是宾馆、饭店、展厅、居家等对水系要求较高的观赏和经济水生物的养护。因此多功能组合的水族箱电子控制系统的设计是很有必要的。

1.3 课题主要研究内容

本系统拟以 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机为核心控制单元，同时结合传感器技术与检测技术，开发出一套可以用于各种水族箱和各种环境的集水位高度控制，实时温度检测，定时投料喂食等各种功能于一体的智能综合控制系统。

本控制系统的特点及功能是：

1．功能。采用单片机控制，实现水族箱自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、状态显示等功能。

2．人机界面。本系统的人机操作界面采用LCD显示屏、LED指示灯显示，具有直观、简介、易操作等多重特点。用户可直接从LCD显示屏读取系统的实时数据。

3．系统操作。本系统通过按键来设置各种参数，用户可根据自己的实际需求来设

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定不同的系统参数，使系统具有更强大的环境适应能力。另外用户也可通过按键来时时读取各种系统信息。按键与LCD显示屏的配合使用使本系统具有简易的操作性。

4．系统报警。本系统具有报警功能，当系统的某些参数超过设定值的限制的时候，系统的核心控制单元会通过LED和蜂鸣器发出声光提示，使系统能够在一个安全可靠的环境下工作。

5．生产成本：本系统使用价格低廉的AT89C51单片机为控制核心，其外围电路采用市面上常见的各种传感器，具有成本低廉、加工简单等优点，具有很强的可生产性。

根据系统要求和系统功能特点，本课题研究的主要内容是:

1．总体设计方案：首先按照系统的应用场合、控制对象等选择合理的总体设计设计方案，并在此方案下仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能。

2．软件设计：本部分以C语言为核心，利用模块化的程序设计方法，把系统的各个功能模块分离开来，使各个模块单独进行设计，最后再把其整理成一个统一的软件系统，这使得本软件系统具有很高的可移植性，使得本控制系统能够多样化。

3．硬件电路设计：由于现在市场上各种集成芯片种类繁多，而且基本功能大体一致，都能满足我们的设计要求，因此在满足系统要求的前提下，根据“性价比最高”原则，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，从而设计出最合理的硬件拓扑结构。

4．电路绘制：本控制系统采用并用 DXP 电路设计软件来绘制电路的原理图及印制电路板。

5．系统的调试：当系统的硬件电路及软件系统都完成后，即可开始系统调试。在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查看系统的软件漏洞和硬件故障，经过不断地修改，使系统不断的完善。最后然后把调好硬件电路和软件系统结合成一个统一的整体，是系统能够独立的、无故障的、安全的运行。

1.4 课题研究的步骤

本系统在设计开发的过程中严格遵循科学的研究方法，从课题的选择、系统功能的定义、器件的选型、原理图的设计、电路板设计、硬件电路的调试、软件程序设计、样机制作与联机调试、整机运行测试等几大步骤逐一完成。

具体的步骤分析如图 1.1 所示。

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课题提出总体论证：课题调研；可行性分析总体设计：系统功能分析；单片机系统选型硬件电路设计：元器件选型；硬件电路设计及制作软件设计：设计软件流程图；编写控制程序联机调试：检查硬件、排除故障；烧录软件整体调试模拟现场运行：检验系统的稳定性和可靠性

图 1.1 课题研究的步骤

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2 控制系统总体设计方案

本系统以 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机为核心控制单元。它的硬件控制部分包括电源模块、控制模块、输入/输出、显示模块四大模块。其中控制模块包含了数据的存储，指示电路、按键、时钟电路等。系统的输入控制模块包含了温度检测、水位高低检测、继电器驱动等等。显示模块包含了指示灯及LED显示屏等。

2.1 系统设计方案

2.1.1 系统的具体功能

1．水族箱水温的检测：各种鱼类对水温的要求不同，而且环境的变化也会引起水温的巨大变化，这种变化不仅会影响的鱼类的活动、进食，还有可能造成它们的免疫力下降等。水族箱里各种鱼类和水草生长需要相对稳定的且适合的水温，所以本系统必须控制水的温度。为了尽可能的保证水温在稳定的范围内波动，使水族箱内的温度参数可以及时调整控制，本系统可自行设置温度上下限，同时预置了恒温控制模式。

2．水位高度控制：在放置状态下，水族箱中的水会自动的蒸发，为了满足水族箱在没有人的干预的情况下仍能够保持自身系统的稳定，本系统必须对水位高度加以控制，能够自动的检测水位的高低，能够自动的排水或是补水。

3．自动喂食/换水系统：随着人们的生活水平的提高，生活的节奏也随之提高，人们空余的时间也越来越少，因此，鱼缸的自动换食自动换水的功能的出现也就存在它的必然性。本系统通过对单片机系统的设定，通过按键设置换水投料的时间从而使单片机自动的控制水泵和换食装备给水族箱换水换食，从而释放人们的空余时间。

4．故障报警：本系统主要是针对水泵断流、温度系统故障等各种极端情况发出警报，以免造成重大损失。 2.1.2 系统总体硬件结构

本系统由电源模块、核心控制模块、按键及显示模块、水位检测及水位高度控制模块、水温检测及恒温控制模块、自动投食控制模块、声光报警模块、电子时钟模块组成。其核心控制模块由AT89C51单片机组成，再配合以DS18B20温度传感器、DS1302时钟芯片、液晶显示器、继电器驱动电路、LED驱动电路等外围电路组成一个完整的硬件电路系统。外围电路与核心控制器的关系如图2.1所示。

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