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一种智能化功能集成的设计方法及实例

2016-01-19王汉森

科技与创新 2016年1期
关键词:智能控制单片机

王汉森

摘 要:在现代生活中,智能化占有非常重要的位置,而智能化功能集成对产品创新有非常重要的意义。通过观察市场上观赏鱼缸控制系统的设计发现,在现有的观赏鱼缸中,给鱼喂食和鱼缸换水等操作只能由用户完成,这给人们带来了很多麻烦。因此,将智能化功能集成的设计方案应用于观赏鱼缸上,并完成了实物制作,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。这些功能的集成既减少了观赏者喂鱼的麻烦,又保证了水质和卫生状况。另外,灯光智能控制不仅提高了观赏质量,还满足了节能环保的要求。

关键词:智能控制;功能集成;单片机;串口通讯

中图分类号:TP273+.5 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.010

媒体资料显示,近年来,水族产品备受人们的青睐,大家对其的需求量也持续增长。随着这项事业市场空间拓展速度的加快,将会出现更多的投资机会。鱼缸产业的蓬勃发展和观赏者对观赏要求的逐步提高,带动了国内外各种先进鱼缸控制系统的研究和生产。

传统的鱼缸需要人工换水、补充氧气,而所用的水泵和空气泵等设备难以适应季节和温度的变化。同时,每天重复操作,不仅不利于节能,还大大缩短了设备的使用寿命。虽然市场上现有的鱼缸克服了传统鱼缸存在的缺陷,但是,它仍然是功能单一的简单设备。比如,无法实现灯光照明和温度的自动控制、鱼缸换水程序烦琐,所以,急需一种能把温度、灯光、充氧、自动投食等控制功能整合在一起的系统。在设计系统时,要考虑产品的实用性,要求功能设计稳定、可靠、操作简单、维护方便。因此,根据当前的市场需求,以鱼缸中的水温、溶氧量和光照等控制为研究对象,开发了一套集多种功能于一体的控制系统,并探讨了观赏鱼缸智能化功能集成的设计方法。

1 系统总体设计方案

此次设计的智能鱼缸有多种功能,用模块化的思路实现了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7个模块。按键模块用来设置当前时间、投食时间和系统杀菌过滤时间;温度模块用来测量环境温度;红外模块用来检测是否有人靠近。在这个设计中,单片机通过输出各种信号来控制外设模块,而系统时间、温度和设置参数等数据则通过液晶模块显示出来。系统的整体设计如图1所示。

该控制系统将单片机作为控制核心,利用传感器技术集多种智能化控制功能于一体,包括自动照明、换水、投食、水循环过滤和水温检测等,并且可以根据实际需要增加控制参数、增强系统的灵活性。第一部分是利用STC89C51单片机实现各种控制参数的设置、存储和显示;第二部分是输入和输出部分,用来采集由传感器传送过来的各种信号,并输出多路信号实时控制鱼缸的相应功能,两部分之间通过串口实现通讯。

2 智能鱼缸硬件模块设计

该系统以STC89C52单片机为控制核心,它具有在线编程功能,而且功耗低,能在3.3 V的超低压下工作。将DS1302作为时钟芯片,它自带的RAM实时时钟具有使用寿命长、精度

高、功耗低和掉电自动保存等优点,并且计时精度可以精确到秒,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5~5.5 V。使用DS18B20构成温度检测模块,但它只需要一个端口引脚即可实现通讯,具有测量精度高、测量范围广等优点,测温范围为-55~+125 ℃,工作电压为3~5.5 V。显示部分采用的是1602液晶显示屏,它具有低功耗、寿命长、可靠性高的特点,工作电压为5 V。人体红外感应模块则采用HC-SR501,它是基于红外线技术的自动控制产品,工作电压为4.2~20 V,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。

2.1 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。

2.2 时钟电路模块的设计

图3为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32.768 kHz晶振,用来为芯片提供计时脉冲。RST是复位/片选线,通过RST输入驱动开启置高电平,从而完成数据传送工作。

2.3 温度传感器电路设计

温度传感器电路设计采用的是DS18B20外部电源供电。当工作电源由VDD引脚接入时,I/O线不需要强上拉就能解决电源电流不足的问题,保证了转换精度。同时,外部电源供电也是DS18B20最佳的工作方式,它可以保证工作的稳定性和可靠性,具有较强的抗干扰能力。另外,温度传感器的电路也比较简单,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所示。

2.4 显示模块设计

在设计显示模块时,分别将L1602的RS端与P2.0、R/W端与P2.1、E端和P2.2相连。对于RS的控制,当RS=0时,LCD1602写入指令;当RS=1时,向LCD1602写入数据。对于R/W的控制,当R/W端接高电平时,芯片处于读数据状态;当R/W端接低电平时,处于写数据状态,并且E端为使能信号端。由此可知,当R/W为高电平、E端为高电平、RS为低电平时,LCD1602写入指令,芯片处于读数据状态,液晶显示屏即显示示数。1602显示电路设计如图5所示。

2.5 独立式键盘设计

当单片机正常工作时,经常会执行按键操作,所以,编程控制方式会使CPU处于高强度的工作中。而此次设计只涉及到切换、加、减和移位4个功能,所以,按键设计功能比较简单。按键设计如图6所示。

2.6 红外模块设计

该系统采用HC-SR501模块,它较为简单,有三管脚,一个接电源,一个接地中间,输出管脚接单片机,具体如图7所示。

2.7 外设模块设计

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

3 智能鱼缸软件模块设计

系统接通电源后启动,实现初始化操作。当设置键按下时,系统进入了修改时间模式。在修改时间模式下,设置时间完成后再将数据传输到液晶显示屏显示。当无按键按下时,读取时间、温度等数据将会被输送到液晶显示屏。

3.1 时钟程序流程图

当DS1302开始计时后,随即进入了系统初始化、开中断过程中。当有中断信号时,将读取到的时钟芯片数据送入液晶显示屏。此时,如果按下设置键,则修改当前的时间,完成后将数据送入时钟芯片;如果没有按下按键,则直接存入EPROM,并送入液晶屏显示。整个控制流程如图9所示。

3.2 温度程序流程图

温度程序流程是开始就进入DS18B20初始化,通过主机拉低单线产生的复位脉冲,从而完成观察任务。如果有应答脉冲,则发起SkipRom命令。成功跳过ROM命令后,发起了Convert T命令开始温度转换。等待1 s的温度转换后再开始初始化DS18B20,观察是否有应答脉冲——如果没有,则不断初始化,直到有应答脉冲为止;如果有,就发起Read Scratchpad(读取暂存器和CRC字节)命令,然后同时读取第一、第二个字节,即为温度数据。最后,初始化DS18B20实现循环程序流程。这样做,可以实现温度的实时检测。整个控制流程如图10所示。

3.3 显示程序流程图

显示程序的运行流程是先初始化1602显示屏(写入显示设置命令),5 ms过后检查忙信号。如果BF=0,则获得显示RAM的地址,再延时5 ms后写入相应的数据;如果BF=1,则代表模块正在进行内部操作,并且不断检查忙信号,直至BF=0为止。最终,数据显示完毕,程序流程结束。显示程序流程如图11所示。

4 结论和展望

本文从解决传统鱼缸使用不便的实际需求出发,深入思考了鱼缸智能化功能集成的可行性,详细研究了各种智能化功能对鱼类造成的影响,并设计完成了鱼缸智能化控制系统。经过检测发现,该设计方案能够实现鱼缸水温自动检测显示、自动水循环过滤和自动杀菌控制,这对鱼类在无人监管的环境中生存至关重要。整个方案实现了控制系统的自动化,不仅节省了人力,避免了人对传统鱼缸的不精确操作,还使观赏鱼类处于良好的生存环境中,实现了对其的高效管理。

这个鱼缸有别于其他传统鱼缸,它的优势不仅表现在多种智能化功能集成方面,还在鱼缸的节能环保理念上有前瞻性构想——它实现了根据自然光强度自动调节亮度和“人来灯开,人走灯灭”的自动照明设计。希望未来的智能鱼缸能注重节能环保方面的要求,在废物处理等方面有所作为。

参考文献

[1]程国钢.51单片机应用与开发案列手册[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2]楼然苗.单片机课程设计指导[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]杨欣.电子设计从零开始[M].第二版.北京:清华大学出版社,2010.

[4]李念强,王玉秦,张鲁,等.单片机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[5]李朝青.单片微机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[6]康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2000.

〔编辑:白洁〕

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