曹益豪

聊城大學(xué)東昌學(xué)院機(jī)電工程系

山東 聊城 252000

摘 ?要：為滿足熱帶魚的飼養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)了一種基于AT89C52單片機(jī)的小型智能溫控魚缸系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20傳感器檢測水溫，并通過測量溫度與設(shè)定溫度的對比控制加熱裝置的通斷。現(xiàn)詳細(xì)介紹了魚缸系統(tǒng)的各部分硬件構(gòu)成以及控制部分的程序設(shè)計(jì)，仿真軟件模擬的結(jié)果證明該設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；水溫控制；DS18B20傳感器；Proteus模擬

0 ?引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和國民生活水平的不斷提高，消費(fèi)者需求的差異性趨勢愈發(fā)明顯。傳統(tǒng)的魚缸由于在體積、售價(jià)、保養(yǎng)成本以及適用品種等方面的相對劣勢，其市場份額逐漸被更小型的觀賞魚缸所占據(jù)。目前市場上的觀賞魚缸通常具有保溫、過濾、制氧和投食等功能，但往往是各自獨(dú)立的非智能化整體控制系統(tǒng)^[1]。該系統(tǒng)從溫度控制入手，利用單片機(jī)收集處理水溫傳感器的檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體情況決定加熱器以及報(bào)警電路的開啟和關(guān)閉，形成一套完整的智能魚缸溫控系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)功能與總體結(jié)構(gòu)

市場上的觀賞魚種多是熱帶魚，水缸溫度是其生長的關(guān)鍵因素之一。以月光魚為例，其適宜的生活溫度為18～25 ℃，在水溫高于30 ℃或者低于10 ℃的環(huán)境中也可短期存活^[2]。因此，當(dāng)傳感器檢測到水體溫度超出10～30 ℃的溫度區(qū)間時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)開始工作，指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器開啟。當(dāng)水體溫度處于正常區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)的初始控制溫度在20 ℃，另設(shè)有增溫與減溫的按鍵，方便用戶以人工調(diào)節(jié)溫度的方式來適應(yīng)月光魚的不同生長階段。為滿足設(shè)計(jì)功能要求，智能魚缸應(yīng)由按鍵模塊、溫度檢測模塊、控制模塊、報(bào)警模塊、加熱模塊以及顯示模塊構(gòu)成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 ?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ?控制模塊設(shè)計(jì)

智能魚缸采用的核心控制芯片為AT89C52單片機(jī)，該型號的單片機(jī)具有成本低廉、性能可靠和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在市場上得到了廣泛應(yīng)用。其內(nèi)部集成8 kB的ROM空間，足夠支持智能魚缸系統(tǒng)的程序編寫，并且提供40個(gè)引腳與外部電路相連，滿足系統(tǒng)性能的擴(kuò)展需求^[3]。本次設(shè)計(jì)中涉及到的單片機(jī)主要引腳及其功能如表1所示。

2.2 ?溫度檢測模塊設(shè)計(jì)

智能魚缸采用的溫度檢測傳感器為DS18B20溫度傳感器。該型號的溫度傳感器采用導(dǎo)熱性高的密封膠灌封，因而具有靈敏度高和延遲度小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其測量溫度范圍較大(-55～+125 ℃)，滿足系統(tǒng)功能需求。由于DS18B20采用了“1-wire”單線技術(shù)(即在1根I/O線上讀寫數(shù)據(jù))，因此傳感器與外部電路的連接較為簡單(圖2)，但同時(shí)也對讀寫的數(shù)據(jù)位提出了嚴(yán)格的時(shí)序要求^[4]。

2.3 ?加熱模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選擇的加熱器件為單U型加熱管，其額定工作功率為2 kW，經(jīng)測量滿足魚缸水體加熱要求，同時(shí)其長度為250 mm，寬度為50 mm，尺寸符合魚缸設(shè)計(jì)要求。由于加熱器的額定工作電壓為市電(220 V)，遠(yuǎn)高于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓(5 V)，因此U型加熱管的通斷電由繼電器電路控制。

2.4 ?按鍵模塊設(shè)計(jì)

按鍵模塊由3個(gè)按鍵構(gòu)成，分別起到系統(tǒng)復(fù)位、升高溫度和降低溫度的功能。由于機(jī)械按鍵都會產(chǎn)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，所以需要特定設(shè)計(jì)來消除抖動(dòng)帶來的系統(tǒng)誤動(dòng)作^[5]。常規(guī)的消抖手段有硬件消抖和軟件消抖兩種，出于簡化電路結(jié)構(gòu)方面的考慮，本設(shè)計(jì)采用的是軟件消抖的方式，即在單片機(jī)模塊中加入延時(shí)程序，只有在延時(shí)的前后都檢測到同一高電平才表明按鍵被按下。

2.5 ?報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的報(bào)警電路如圖3所示，主要由三極管、蜂鳴器和指示燈組成。當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度超出10～30 ℃的區(qū)間時(shí)，單片機(jī)I/O口輸出電流，在上拉電阻的作用下使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器和指示燈得電示警。

2.6 ?顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊主要由4位共陽極數(shù)碼顯示管構(gòu)成。當(dāng)水體溫度正常時(shí)，數(shù)碼管的前兩位分別顯示魚缸水溫值的十位數(shù)值和個(gè)位數(shù)值，后兩位則顯示小數(shù)點(diǎn)之后的溫度值。當(dāng)示警電路接通時(shí)，若溫度過高，則數(shù)碼管首位顯示字母“H”，若溫度過低，則數(shù)碼管首位顯示字母“L”。

3 ?軟件程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)除了控制主程序之外，還有報(bào)警子程序、按鍵子程序、繼電器子程序、延時(shí)子程序和顯示子程序等，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4 ?結(jié)語

本次設(shè)計(jì)利用Keil軟件進(jìn)行單片機(jī)編程，并且借助Proteus軟件進(jìn)行仿真模擬，其模擬結(jié)果符合預(yù)期設(shè)想。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，功能完整，控制方便，既節(jié)省了魚缸的空間，又滿足了用戶飼養(yǎng)熱帶魚寵物的愛好。由于采用了單片機(jī)控制，系統(tǒng)還有更大的擴(kuò)展空間，如增加食物投放功能和水體含氧量智能控制等。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孔祥洪，王偉杰，宋連偉，等.觀賞魚缸智能控制器的仿真設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(5)：12-15.

[2] 施振寧.月光魚的生物學(xué)特性及飼養(yǎng)繁育[J].水產(chǎn)科技情報(bào)，2002，29(5)：235-236.

[3] 曹旻罡.基于AT89C52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017(7)：9-10.

[4] 李建蘭，邵建龍.數(shù)字溫度傳感器DS18B20的關(guān)鍵時(shí)序研究[J].電子測試，2018(1)：114-116.

[5] 熊中剛，劉小雍，李青，等.基于單片機(jī)的飲水機(jī)水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化，2018(4)：47-48，52.

?作者簡介?

曹益豪(1991—)，男，山東聊城人，助教，研究方向：機(jī)電一體化。

總結(jié)

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