一种新型智能化鱼缸的设计与实现

黄多辉?王汉森

摘 要：随着人们物质生活的改善和欣赏水平的提高，观赏鱼缸之类的工艺产品逐渐进入了家庭、宾馆和商场等公共场所。但是，目前市场上观赏鱼缸所需的诸如喂食和换水等操作都需要人为手工进行，这给人们很大的不便。通过对目前市场上水族箱控制设备应用现状的分析和研究，本文提出了一种多功能的观赏鱼缸智能控制系统设计方案，完成了实物的制作，实现了鱼缸自动投食、自动水循环、自动杀菌、水温检测和自动照明的多种功能。这些功能既减少了观赏者喂鱼的麻烦，也保证了良好的水质和卫生状况。另外，灯光智能控制不仅提高了观赏质量还实现了鱼缸节能环保的要求。

关键词：鱼缸；自动控制；单片机；串口通讯

1 引言

据最新资料显示：近年来水族产品的日渐丰富，水族市场更加繁荣昌盛，水族行业产业规模的年增长率达到13.8%。其市场空间的拓展速度也预示着将有更多的投资机会点。随着鱼缸产业迅猛发展，巨大的鱼缸市场的需求也极大推动了国内外各种鱼缸控制设备的研发和生产。

传统的鱼缸需经常换水和补充氧气，并常配备水泵和空气泵，用以清洁水体和补充氧气。但这些设备的工作时间会因季节、温度及饲养鱼的多少而不同。每天需要进行多次开关操作，這样的连续工作会缩短设备的寿命，不利于节能。

根据调查市场上现有的鱼缸控制系统都是功能较简单的设备。如灯光照明控制，只能人为的进行开关控制；温度的控制，采用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开关，造成温控精度较差，很难达到期待的恒温效果。因而市场亟需一种新的系统能把这些功能整合在一起，构成多功能控制器。这些仪器集温度、灯光、充氧、报警等控制功能于一体。功能设计上要求性能稳定可靠安装、调试维护方便。

因此，根据当前市场的需求，以鱼缸中的水温、溶氧量、光照等的控制为研究对象，我们开发了一套集多种功能于一体的控制系统。该设计解决了人们在日常生活中对鱼缸繁杂的维护问题，具有较高的应用价值和市场前景。

2 系统总体设计方案

本实验中设计的智能鱼缸有多种功能，我们用模块化思路来实现整体鱼缸的设计需求，该系统包括主控、按键、显示、温度、红外、时钟和外设等七个模块。键盘模块用用来设置当前时间、投食时间和系统杀菌过滤时间；温度模块用来测量当前环境温度；红外模块时检测是否有人体靠近，单片机通过输出各种各种信号来控制外设模块作；系统的时间、温度和设置参数等数据则通过液晶模块显示出来。图1给出了系统的整体设计框图。

该控制系统以单片机为控制核心，结合传感器技术，集多种控制功能于一体，包括自动照明、自动换水、自动喂食、自动水循环等功能，并可根据需要增加控制参数，通过选择不同元器件控制成本。第一部分是以STC89C51为核心的控制部分，实现对各种控制参数的设置、存储、显示和处理。第二部分是输入输出部分，用于采集由传感器传送过来的各种信号，并输出多路信号实现对鱼缸相应功能的实时控制，两部分之间通过串口进行通讯。

3 智能鱼缸硬件模块设计

本系统是以STC89C52单片机为控制核心，该芯片具有在线编程功能，功耗低，能在3.3V的超低压下工作。时钟芯片采用DS1302，它是一款高性能、低功耗、自带RAM的实时时钟芯片，具有使用寿命长、精度高和功耗低等特点，同时具有掉电自动保存功能，可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，其工作电压为2.5V～5.5V。温度检测模块由DS18B20构成，它采用独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，具有测量精度高、测量范围广等优点，其测温范围在-55～+125℃，工作电压为3V～5.5V。显示部分使用1602液晶显示屏来实现，它具有低功耗、寿命长、可靠性高的特点，其工作电压为5V。人体红外感应模块采用HC-SR501模块，该模块是基于红外线技术的自动控制产品，工作电压在4.2V～20V，具有灵敏度高、可靠性强、超低功耗和超低电压工作模式等优点。

3.1 单片机主控制模块的设计

单片机最小系统的设计，如图2所示。

3.2 时钟电路模块的设计

图3是DS1302的引脚排列，其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。X1和X2是振荡源，外接32.768KHz晶振用来为芯片提供计时脉冲。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

3.3 温度传感器电路设计

DS18B20采用外部电源供电方式，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度。外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。该部分电路设计如图4。

3.4 显示模块设计

1602显示电路设计如图5所示。将L1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1， E 端和P2.2相连。当RS=0时，对LCD1602写入指令；当RS=1时，对LCD1602写入数据。当R/W端接高电平时芯片处于读数据状态，反之处于写数据状态，E端为使能信号端。当R/W为高电平，E端也为高电平，RS为低电平时，液晶显示屏显示需要显示的示数。

3.5 独立式键盘设计

由于单片机在正常应用过程中可能会经常进行键操作，因而编程控制方式使CPU经常处于工作状态。 在进行本次设计中，只涉及到了切换、加、减和移位4个功能。如图6所示。

3.6 红外模块设计

本系统采用HC-SR501模块，此模块较为简单，它具有三管脚，一接电源一接地中间输出管脚接单片机，如图7所示。

3.7 外设模块设计

外设部分为单片机通过继电器控制的投食，照明灯，杀菌过滤设备。本系统采PNP管直接驱动继电器，如图8所示。

4 智能鱼缸软件模块设计

系统上电时进行初始化操作，系统开始运行。当有设置键按下时进入修改时间模式，在修改时间模式下设置时间完成后再送数据到液晶屏显示；无按键按下时读取时间、温度等数据送入液晶屏显示。

4.1 时钟程序流程图

DS1302开始计时，首先进行初始化，当有中断信号时，读取时钟芯片的数据送入液晶屏显示。这时若有设置键按下时，进行时间和相应参数修改，完成后将数据送入时钟芯片；若没有按键按下，则直接存入EPROM，送入液晶屏显示。整个控制流程如图9。

4.2 溫度程序流程图

开始进入初始化DS18B20，即通过主机拉低单线产生复位脉冲然后释放该线。如果有应答脉冲，则发起ROM命令；当成功的执行ROM命令后，就使用Convert T命令开始温度转换。当转换温度完成后，再初始化DS18B20，观察是否有应答脉冲。若有，就发起Read Scratchpad（读取暂存器和CRC字节）命令，然后同时读出第1、2个字节，即为温度的数据。整个控制流程如图10。

4.3 显示程序流程图

显示程序流程图如图11。首先对1602显示屏进行初始化（初始化大约持续10ms左右），然后检查忙信号，若BF=0，则获得显示RAM的地址，写入相应的数据显示；若BF=1，则代表模块正在进行内部操作，不接受任何外部指令和数据，直到BF=0为止。

5 结论和展望

本文针对观景鱼缸在温度监控、自动杀菌、自动换水等实际需求，详尽地分析鱼缸中各种环境参数对鱼类和水草的影响，从鱼缸的日常养护要求和实际工作环境出发，设计了鱼缸多功能控制系统并用单片机进行了实现。从实际运行结果看，此控制方案能够实现鱼缸水温按鱼类和水草的生长要求进行自动温度检测显示，自动水循环控制和自动杀菌控制，这对鱼类和水草的生长是至关重要的。整个方案实现了控制系统的自动化，这不仅节省了人力物力，还消除人为因素对鱼缸控制的不确定性影响，保证所养殖的鱼类和水草的正常生长，提高了效率。

较长时间的运行测试表明该控制系统运行稳定可靠、操作简单方便、具有多种节电工作模式。同时该系统设计灵活、结构简单、成本低廉，易于规模化生产，可广泛用于家庭和宾馆等安装观赏鱼缸的场所。

参考文献

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