多功能水族箱控制系统的设计

北华大学毕业设计（论文）

电源模块按键及显示模块声光报警模块水位检测及水位高度控制模块AT89C51最小系统水温检测及恒温控制模块电子时钟模块自动投食控制模块 图2.1 系统结构框图

从整体来看，本系统主要包括核心控制电路、电源模块、输入/输出电路以及显示模块这四部分组成。其中电源模块给整个系统供电以维持其正常工作； 核心控制电路完成对各路数据的处理及分析，最后再出判断并发出控制信号控制各个模块的工作状况，指导整个系统各项参数正常运行。输入/输入模块主要是根据控制芯片发出的控制指令完成各路数据的采集。显示模块主要完成各项参数的实时显示。 其中控制部分包括：

1．核心控制电路。主要以AT89C51单片机为控制核心，包括晶振，复位电路等。该部分的主要功能是完成对各路数据的处理及分析并及时的发出种控制信号，从而使系统能正常工作。

2．LCD显示电路。该部分的主要功能是人机交互，通过该模块用户可以实时的读取各种控制信息，实现对系统的整个环境的了解，以达到最好的控制效果。

3．时钟电路。该部分的主要作用是提供系统时中，方便定时自动的投喂饲料。 4．按键控制电路。该部分的主要作用是方便用户自行设定的工作环境参数，以提高系统的环境适应能力。

输入输出部分包括 ：

1．输入模块。主要包含了温度检测模块和水位高低模块。温度模块采集的数据是

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执行鱼缸的制冷与升温操作依据，其控制命令通过分析采集的数据进行判断处理。水位高低检测模块主要是对鱼缸的水位进行检测，通过液位控制器反馈信号给单片机的I/O接口。

2．输出模块。主要受控制模块控制的各相应执的行机构组成。单片机通过将信息的采集值与设定值进行比较处理，发出控制信号，传输给执行机构，从而对环境参数进行调节。

本控制系统的硬件设计采用集成的模式，把除了温度采集模块以外的各个模块都集成到一个的盒子中，这样既能保证系统的安全与美观，又能缩小系统的体积。放在水中的温度传感器由防水的信号线与整个系统相连接，这样既能实现其与整个系统的隔离，又能事实现温度信号的实时的、准确的传递到控制器中。

2.2 主要元器件的选取

2.2.1 系统控制器的选择

在控制系统的设计与开发中，控制芯片是整个系统设计的核心，整个系统的外围电路都要围绕着控制芯片展开，同时它还关系到整个控制软件的设计，因此选择合适的控制芯片的型号很重要。而一般小型控制系统的的控制芯片都选用单片机。如果整个系统的单片机型号选择得合适,单片机应用系统就会即经济又工作可靠;如果选择得不合适,就会造成经济浪费,或是影响整个单片机应用系统。目前，市场上的单片机种类繁多，在进行正式的单片机应用系统开发之前，需要根据不同单片机的特性，从中作出合理的选择。在单片机选型时，主要注意以下几点：

1．仔细调查市场，尽量选用主流的，货源充足的单片机型号，这些器件使用的比较广泛，有许多设计资料供学习或参考。

2．尽量选择所需的硬件资源集成在单片机内部的型号，例如ADC、DAC、12C、SPI和USB等，这样便于整个控制系统的软件管理，减少外部硬件的投入，缩小整体电路板的面积，从而减少总体投资等。

3．对于手持式设备，移动设备或者其他需要低功耗的设备，尽量选择低电压，低功耗的单片机型号，这样可以减少能量消耗，延长设备的使用寿命。

4．在资金等条件允许的情况下，尽量选择功能丰富，扩展能力强的单片机，这样便于以后的功能升级和扩展。

而在本系统中，考虑到本系统的控制复杂程度、经济成本、安全等性能要求，美国ATMEL公司的AT89C51单片机为最佳选择。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性

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能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

从对整个系统的控制能力上来说，AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。这些功能基本能满足本系统的控制要求。从经济角度上来说，C51单片机的价格低廉，能有效的降低整个系统的硬件成本。综合分析，C51单片机是整个系统控制芯片的不二选择。 表2.1 AT89C51单片机的功能特性

兼容MCS51指令系统 32个双向I/O口 时钟频率0-24MHZ 2个串行中断 2个外部中断源 2个读写中断口线 低功耗空闲和掉电模式 2.2.2 输入输出模块元器件的选取

输入输出模块主要包括了温度检测模块、水位检测模块、键盘控制与显示模块、继电器控制模块、指示灯与蜂鸣器报警模块。以上模块中的继电器、指示灯与蜂鸣器都比较容易选择，所以本章主要介绍温度检测、水位检测、键盘控制与显示模块元器件的选取。

1．温度检测模块芯片的选取

目前市面上的温度传感器型号多种多样，不同的型号有不同的功能和使用场合。常用的温度传感器芯片有DS18B20、AD7416、AD7417、AD7418、AD590等等。我们在选型的时候不仅要考虑芯片的精度、稳定性，还要考虑经济方面的因素，尽量选取物美价廉的芯片。DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20具有超低的功耗、超小的体

8k可反复擦写（>1000次）flash ROM 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 可编程UART串行通道 共6个中断源 3级加密位 软件设置睡眠和唤醒功能 - 8 -

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积、强大的抗干扰能力、极高的精度、良好的防水性能，另外它的价格也是在同类产品中比较低廉的，所以它是我们这个系统温度传感器的不二选择。

2．水位检测模块的选取

目前市场上流通的水位监测有很多种，有压力式水位传感器、浮球液开关等等。但是为了降低系统的成本、提高系统检测的精度，并且满足系统的是为高度检测无死区，本系统采用超声波水位传感器。超声波水位传感器是采用回声定位，通过声波从传感器发出碰到水面后在返回到传感器的时间来测量水位的高度，超声波液位传感器有以下特点：

（1） 超声波液位传感器的量程为1.25米，能满足几乎所有的水族箱。 （2） 超声波液位传感器输出的电平信号为0-5V，能够和单片机很好的吻合。 （3） 超声波液位传感器输出的电流小，范围为4~20mA，易于检测。 （4） 超声波液位传感器的探头材质为PVDF，耐酸碱腐蚀，不易损坏。 3．电子时钟模块芯片的选取

本系统的时钟芯片采用DS1302。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到3个口线：1）RES（复位），2）I/O（数据线），3）SCLK（串行时钟）。时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息功率小于1mW。

4．键盘控制与显示模块元件的选取

键盘控制和显示界面是与智能控制器人机交互过程中非常重要的且不可或缺的两个部分，它是我们了解机器运行状况的重要渠道。它的选择对与整个智能控制系统的性能至关重要，它的性能的好坏，直接影响并决定了整个控制系统操作性能的优劣。

本控制系统采用矩阵键盘，它的结构简单、处理方便，非常适合I/O口较少的单片机。显示模块采用LCD模块，它编程方便、显示信息量大、价格低廉，非常适合于本系统。

2.3 编程软件与语言工具的选取

AT89C51单片机通用的编程语言有C语言和汇编语言。汇编语言是一种采用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是这两种语言中最接近机器码的一种语言。相对于

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