基于单片机的智能鱼缸设计*

杨冬英

(山西大学商务学院，山西 太原 030031)

基于单片机的智能鱼缸设计*

杨冬英

(山西大学商务学院，山西 太原 030031)

随着社会经济与科学技术的发展，观赏类鱼缸的工艺品已逐渐进入了家居环境、办公环境、购物环境等地点。但是，观赏类鱼缸的水环境温度检测、换水、投放鱼饵等操作都需要手工进行操作，需要花费大量的时间和精力。本设计以STC89C52单片机为控制核心，采用C语言进行编程，结合直流电机、温度传感器等硬件，实现了对鱼缸的自动喂食、自动加氧、自动换水、自动灯光关启、自动调温等智能化控制，该设计的实现给人们的生活带来了极大的便利。

单片机；鱼缸；智能化控制

家居环境的布置成为人们日益关心的事情，一个生机勃勃的鱼缸不仅可以带给人们舒适的视觉享受，还能调节居室环境，让人们的生活环境更加充满生机与活力，让大自然的美景能够融入人们的生活。现在观赏鱼市场上的鱼缸自动操作部分功能非常分散，常常只能实现某一个功能，就像净化功能、充氧功能、恒温功能等等，并且大部分都需要人工操作，需要耗费大量的精力去照看[1]。功能比较全面的鱼缸控制系统在市场上基本还处在空缺，现在市场上已有的喂食器功能主要是用定时电路作为控制的核心，只可以喂食一次，如果想要投放饵料都必须要再一次设置投放时间，而且这种定时特别不准确，往鱼缸内投放饲料也不能保证每次投放的量是一样的，同时每次投放饲料与下次投放饲料的时间间隔设置的不是特别符合鱼儿的生活习性，特别容易造成鱼饲料的浪费，这些都不能满足鱼缸的自动控制的功能的要求。如果要同时安装多个功能不同的装置，就会使控制系统的结构变得十分繁琐，需要花费大量资金，而且组合在一起会显的整个装置特别乱，也缺少各个功能彼此间的协调性。因此，开发设计一个智能鱼缸自动控制系统，有很大的必要性。

1 设计总体思路

本设计使用AT89C52单片机来当自动控制系统的控制中心[2]，与外接装置组成了微处理器中最小工作系统；通过传感器检测鱼缸中的各种参数，然后经过微处理器来调控。微处理器控制各设备达到自动增加氧气含量，自动投放饵料，温度自动检测，照明功能的目的，争取实现系统的集成化程度高，结构轻便，操作便捷。

单片机具有功能性强、功率消耗小、占用空间少等特点，本设计的功能模块主要由5大模块组成：自动加氧模块、自动水循环模块、自动投放饵料模块、灯光变换模块和温度检测模块。各功能模块的实现是由单片机的最小系统结合所需要的外围电路来实现信号检测输入和输出功能。最后通过LED显示屏对各功能模块进行手动或者定时操作，实现了对鱼缸的集中控制和管理。主要实现的功能如下：

1) 自动喂食器能够投放鱼饵；

2) 实现水温的自动控制；

3) 设置喂食器每天投放鱼饵的间隔和次数；

4) 实现设定加氧的时间及间隔；

5) 可以实现通过按钮进行换水；

6) 实现照明功能。

2 系统总体设计

2.1 控制模块

本设计采用AT89C52单片机作为主控制芯片[3]，该芯片的存储空间很大，在线ISP下载程序特别简单便捷，特别适合本设计的需求，同时拥有足够多的I/O接口。这种型号的单片机中含有两种存储器，一种是可以重复擦写的只读存储器(8K bytes)，另一种是随机存取数据存储器(256bytes)，AT89C52中自带中央处理器(CPU，8位)及Flash存储单元，可以完成静态逻辑操作，而且可以利用节约电量的运行模式。例如系统闲置的情况下停止CPU的运行，但是定时器/计数器可以正常运行，串行通信口及中断系统能够接着运行。

图1 最小系统电路

2.2 自动温度调节模块

本设计采用DS18B20温度传感器[4]，测量范围是-55 ℃～+125 ℃，运行电压范围：3～5 V/DC，这种温度传感器在使用的过程中可以直接与单片机连接，接线简单便捷，可以达到鱼缸内水的温度用数字传输。

鱼缸内水温保持一定的范围是鱼儿生存的必要条件，若超出范围就会导致鱼缸内的鱼儿不能正常生存，甚至死亡。因此温度检测功能是智能鱼缸一个重要的功能模块。温度检测功能是由程序控制加热棒的工作，来实现鱼缸的温度检测功能。

本设计自动控制水温是通过温度传感器DS18B20和加热棒实现的[5]。DS18B20重要组成部分是四部分组成：温度检测装置，只读内存镜像，温度报警除法器，配置寄存器；加热棒有运行和停止两种状态：一种是当鱼缸内的水温达不到我们设定的鱼儿生存环境最低值的时候加热，第二种是停止运行。DS18B20与接口的连接方式是通过使用单总线的方式实现。单总线具有性能稳定，价格适宜，能够在环境比较恶劣的情况下使用，使用起来便捷简单等优点，测量温度范围广，精确程度高。

图2 温度调节模块

2.3 自动喂食模块

由于人们的生活节奏比较快，有时会忽略给鱼缸内的鱼儿喂食，或者会长时间面临不在家的情况，此时自动喂食功能就显的尤为重要，自动喂食不仅能解放人们的双手，还能释放人们更多的自由时间。自动喂食模块由主要由程序控制电机来工作，从而来实现鱼缸的自动喂食功能。

本设计采用直流电机[6]，在工作的时候运行稳定，转动速度快，而且构造清晰简洁，容易操作，完全可以达到设计功能的目的。自动喂食模块的设计采用了定时喂食，每天固定的时间进行喂食，到了预期的时间后，电机受到控制而转动，转动时喂食器里面的饵料就会自动投放到鱼缸。因为直流电机的功率比较高，然而单片机的电源工作电源是5 V，本设计使用继电器来控制电机工作运行，从而实现控制电路开关的效果。

图3 喂食电机

2.4 显示模块

本设计采用1602LCD显示屏，它是一种字符型液晶显示屏，这种显示屏的工作原理是用35点阵图形来达到显现字符的目的[7]。这种显示屏不同的显示容量每一行所能容纳的字数是不一样的，特别灵活，功能性强。LED显示屏是为了更加直观地控制鱼缸的各个功能模块，以及通过按钮和LED显示屏对各个功能模块进行定时操作。

本系统中所有需要显示的汉字、数字等都可以在我们选用的1602LCD显示屏上显示出来。这个显示屏的字符集字库中有128个字符，这些字符可以组合出我们所需要的数字、汉字等。不能串行传输方式来传输数据，只能并行传输方式来传输数据[8]。

图4 显示电路

2.5 DS1302充电计时芯片

本设计采用DS1302充电计时芯片[9]，利用串行接口来实现和微处理器之间的通讯。芯片内部包含的实时时钟提供了年月日，时分秒这类的时间信息。如果这个月的天数少于30 d实时时钟月末会自动调整，时钟的显示方式可以是12 h制的也可以是24 h制。

图5 充电计时电路

2.6 自动加氧、自动换水、自动灯光关启模块

鱼缸内的含氧量直接关乎鱼缸内鱼儿的生命，所以鱼缸内的含氧量必须达到一个最低值来确保鱼儿的正常生存。自动加氧模块是重要的也是最基础的一个模块，自动加氧模块是由程序控制氧气泵的工作，从而来实现鱼缸的自动加氧功能。因为氧气含量保持一定范围就好，所以加氧装置需要每隔一段时间启动一段时间，这样才可以保证鱼缸内的氧气处于一定范围。本设计中，设定氧气泵开两个小时后停两个小时，也可通过按钮手动启动氧气泵[10]。

一个鱼缸的灯光效果可以为鱼缸的观赏效果增色不少。本设计根据室内光线的明暗自动开启灯光效果，当室内光线比较弱时，鱼缸内灯就自动开启，当室内光线比较亮时，鱼缸内灯就自动关闭。

鱼儿必须生活在洁净的水中，如果鱼儿生活在不干净的环境中，轻则危害鱼儿正常生长，重则会导致鱼儿的死亡，所以鱼缸内的水过一段时间就需要换一次，本设计通过按钮对鱼缸进行换水。

图6 自动喂食、加氧电路

3 结论

本设计基于单片机的智能鱼缸，系统的控制核心是单片机，实现自动投放饵料，实现了鱼缸内的水温自动调节、自动加氧、自动换水、自动灯光关启等功能。整个设计占用空间小，质量轻，智能化程度较高，操作简单便捷，极大地方便了人们的生活。从程序方面来看，C语言是整个程序的所有控制中心，编程方法使用模块化的思想，使每一个模块之间都关联较少，这样彼此之间的影响就会降低很多，当其中一些模块发生故障时也不会影响其他模块的正常运行。本设计中单片机上接口比较多，还可以进一步扩展更多的功能。

[1] 丁惠忠.观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].苏州：苏州大学，2007.

[2] 冯雅莉，郝宁生.基于单片机的全自动智能鱼缸清理器系统设计[J].韶关学院学报，2015(9)：22-26.

[3] 郎子钰，陆中成.基于Intel Bay Trail微处理器的智能运动辅助系统设计[J].焦作大学学报，2015(6)：64-67.

[4] 王登科，支元.家庭鱼缸智能网络控制系统的硬件设计与实现[J].无线互联科技，2015(4)：49-50.

[5] 支元,王登科.基于嵌入式系统智能鱼缸的设计与实现[J].电脑知识与技术,2015(5)：155-156.

[6] 陈杰，郑纯军，丁开迪，等.基于ARM的智能鱼缸控制系统的设计与实现[J].软件工程师，2013(2)：44-46.

[7] 梁明刚.基于微处理器和Visual C++的温湿度智能监控系统的设计[D].武汉：武汉轻工大学，2013.

[8] Teplov V.Yu.,Anisimov A.V.Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect[J].Instruments & Experimental Techniques,2002，45(3)：408-411.

[9] Meehan Joanne,MuirLindsey.SCM in Merseyside SMEs:Benefits and barriers[J].TQM Journal，2008，20(3)：223-232.

[10] Clive Max Maxfiled.The Designed Warrior’s Guide to FPGAs[M].Newnes，2004.

DesignofIntelligentFishTankBasedonSingleChipMicrocomputer

Yang Dongying

(BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

With the development of social economy and science and technology, ornamental fish tank crafts have gradually entered the home enviroment, office environment, shopping environment and other locations. However, the detection for aquarium water temperature, water changing, baits putting and other operations need to manually operate and to spend a lot of time and effort. The design in the paper takes the STC89C52 microcontroller as the control core, uses C language for programming, combines with DC motors, temperature sensors and other hardware to achieve the intelligent control of automatic feeding, automatic oxygenation, automatic change of water tank, automatic lighting and closing, automatic temperature adjusting and so on. The realization of the design brings great convenience to people’s life.

singlechip; fishtank; intelligent control

2017-10-16

中北大学横向课题委托项目(2016001)

杨冬英(1973- )女，山西静乐县人，讲师，硕士，主要从事应用射频识别技术、传感器等方面的研究。

1674- 4578(2017)06- 0034- 04

TP368.1;TM925

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