畢業(yè)設(shè)計(jì)論文設(shè)計(jì) _多功能水族箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、word 摘　　要 伴隨著人們物質(zhì)生活的改善和對高生活質(zhì)量的追求，水族箱等工藝產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了人們的家庭、酒店、商場等場所。但是，目前市場上的水族箱的水溫控制、液位控制、換水、喂食等一系列操作都需要人工進(jìn)展。這不僅使過程非常繁瑣，而且還間接的增加了人工本錢。 本文基于對目前市場上大多數(shù)水族箱功能的分析和研究，提出了一種多功能的智能水族箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心芯片，結(jié)合各類傳感器技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括水族箱的恒溫控制、液位高度控制、自動(dòng)定時(shí)換水、自動(dòng)投料喂食等，并且可根據(jù)個(gè)人需求設(shè)置控制參數(shù)。本文從功能簡述、元器件選擇、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)

2、方面對該控制系統(tǒng)進(jìn)展闡述。 本系統(tǒng)經(jīng)過較長時(shí)間的上電運(yùn)行測試，能夠把各項(xiàng)控制參數(shù)維持在誤差允許的圍，這明確該系統(tǒng)具有很高的可靠性。另外，該系統(tǒng)還具有操作簡潔方便、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示等特點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、易于規(guī)模化生產(chǎn)，可廣泛用于家庭和酒店等適合水族箱安裝的場所。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；AT89C51單片機(jī)；水族箱；傳感器技術(shù) Abstract With the improvement of people's material life and the pursuit of high quality of l

3、ife, technology products such as aquatic animals gradually entered people's family, hotels, shopping malls and other places. However, currently on the market of aquatic animals box temperature detection, level control, change water, feeding and a series of operation needs to be artificial. This not

4、only makes the process is cumbersome, but also indirectly increase the labor costs. In this paper, based on the analysis of the function of most aquatic animals box on the market at present and research, put forward a kind of multi-functional intelligent control system of aquatic animals box design

5、. STC89C51 microcontroller as the core chip, the system bines all kinds of sensor technology, integrating a variety of control functions, including tank thermostatic control, level control, automatic lighting, automatic timing change water, automatic feeding, feeding, etc., and set up control parame

6、ters according to individual demand. This paper briefly from the function, ponents selection, hardware circuit design and software design of the control system is expounded. The system after a long time to electricity to run the test, can hold the control parameters in the range of allowable error,

7、 this shows that the system has high reliability. In addition, the system also has the operation simple and convenient, parameters, real-time display, etc. At the same time the system flexible design, simple structure, low cost, easy to large-scale production, can be widely used in household and hot

8、el and places of aquatic animals box is suitable for installation. Key Words：automatic control; Series MCU; aquarium; sensor technology 43 / 50 目　　錄 摘　　要1 引　　言1 1 緒論1 課題背景與研究目的1 國外研究現(xiàn)狀1 課題主要研究容2 課題研究的步驟3 2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案5 系統(tǒng)的具體功能5 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)5 主要元器件

9、的選取7 系統(tǒng)控制器的選擇7 輸入輸出模塊元器件的選取8 編程軟件與語言工具的選取9 本章小結(jié)10 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)11 硬件設(shè)計(jì)概述11 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)11 控制模塊電路設(shè)計(jì)13 3.3.1 AT89C51單片機(jī)引腳功能簡介13 3.3.2 AT89C51單片機(jī)外圍電路組成15 3.3.3 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)17 電子時(shí)鐘模塊電路設(shè)計(jì)17 3.4.1 DS1302芯片簡介17 3.4.2 DS1320外部引腳功能與結(jié)構(gòu)電路18 按鍵與顯示模塊電路設(shè)計(jì)19 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)19 按鍵模塊電路設(shè)計(jì)20 水溫檢測與恒溫控制

10、模塊電路設(shè)計(jì)21 3.6.1 DS18B20芯片介紹21 3.6.2 DS18B20溫度檢測電路22 水溫加熱控制電路設(shè)計(jì)22 水位檢測與水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì)23 3.7.1 HR-SR04超聲波模塊與工作原理簡介23 水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì)24 自動(dòng)投食控制模塊25 聲光報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)25 本章小結(jié)26 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)27 軟件設(shè)計(jì)概述27 主程序工作模塊與流程圖27 讀取系統(tǒng)電子時(shí)鐘與顯示28 按鍵掃描與參數(shù)設(shè)置30 水位檢測與水位高度控制33 水位檢測33 水位高度控制34 水溫檢測與恒溫控制模塊35 水溫檢

11、測35 恒溫控制36 自動(dòng)投食控制程序模塊37 聲光報(bào)警的軟件實(shí)現(xiàn)38 本章小結(jié)38 5 系統(tǒng)設(shè)調(diào)試與展望39 系統(tǒng)的調(diào)試39 系統(tǒng)硬件調(diào)試39 系統(tǒng)軟件調(diào)試40 創(chuàng)新點(diǎn)與應(yīng)用圍40 設(shè)計(jì)總結(jié)40 創(chuàng)新點(diǎn)40 應(yīng)用圍和實(shí)施效果40 展望41 本章小結(jié)41 結(jié)論43 附錄A46 系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單、型號(hào)與單套用量46 附錄B47 系統(tǒng)仿真原理圖47 致謝48 引　　言 隨著人們物質(zhì)生活的改善和欣賞能力的提高，觀賞魚缸之類的工藝產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了家庭和賓館、商場等公共場所。但是，目前市場上的觀賞魚缸的水溫檢測、液位控制、水循環(huán)、

12、喂食等操作都需要人為的手工進(jìn)展，這就給人們帶來了很大的麻煩和不便。 本文通過對目前大多數(shù)水族箱控制設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的分析和研究，提出了一種多功能的觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)基于89系列單片機(jī)的家庭水族箱控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心芯片，結(jié)合傳感器技術(shù)、繼電器原理、C語言編程等技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括恒溫、自動(dòng)換水、自動(dòng)喂食、自動(dòng)水循環(huán)等，并可根據(jù)需要增加控制參數(shù)，通過選擇不同元器件控制本錢。本文從功能設(shè)計(jì)、元器件選擇、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對該控制系統(tǒng)進(jìn)展闡述。 通過較長時(shí)間的運(yùn)行測試，明確該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便、具有多種節(jié)電工

13、作模式。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉，易于規(guī)?；a(chǎn)，可廣泛用于家庭和賓館等安裝觀賞水族箱的場所。 1 緒論 1.1 課題背景與研究目的 伴隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量與環(huán)境有著更高的要求。因此，五顏六色，美輪美奐的觀賞魚和水族箱開始進(jìn)入人們的家庭生活和辦公場所。它不但可以給人帶來美感，讓人體會(huì)與自然和諧相處的舒適生活，更能讓人們放松自己的心境，提高工作效率。 而從最開始的功能單一的一個(gè)養(yǎng)動(dòng)植物的水容器漸漸變成今天形狀繁多、功能復(fù)雜的水族箱這一相對完備的生態(tài)系統(tǒng)，這不僅表現(xiàn)的是人們對美的重新認(rèn)識(shí)和對高生活水平的追求，也表現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的革新和進(jìn)步。在最開始，水族箱

14、多見于展覽館、海洋公園等的公共場所供大家觀賞，但是隨著生活水平的顯著提高，而且也得益于科技和養(yǎng)殖業(yè)的飛速開展。水族箱已經(jīng)走進(jìn)了尋常百姓家。近幾年來，以水草、各種魚類為主的被稱作“水中微縮的魚草園林〞 水族箱變得越來越流行，深受人們的喜愛。 盡管人們有著這樣美好的生活追求，但是日益加快的生活節(jié)奏、快速上漲的勞動(dòng)本錢、每天繁忙的工作任務(wù)都使我們感到無比的疲勞，在這種情況下本來是用來愉悅自己的水族箱卻應(yīng)為要主人的每天照料而變成了一項(xiàng)使人心煩意亂的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。這種不可防止的矛盾，就使智能水族箱控制系統(tǒng)的誕生創(chuàng)造了條件。它能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)各種環(huán)境指標(biāo)，使水族箱在沒有專人看管的條件下還能在一定的時(shí)間保證其部的

15、環(huán)境能夠達(dá)到魚類生活的指標(biāo)，最大限度的減少勞動(dòng)本錢、減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。 盡管現(xiàn)在越來越多的人意識(shí)到這個(gè)問題，而且市場上也陸續(xù)出現(xiàn)了各種智能水族箱，例如帶水溫控制的水族箱、帶溫度控制的水族箱等等。但是由于很多都是單一控制的水族箱或者功能有限，不能稱為一個(gè)控制系統(tǒng)或是滿足客戶多樣化的需求。 因此，本文以家庭中魚缸的日常養(yǎng)護(hù)為背景，以魚缸中的水位、水溫、溶氧量等的控制為研究對象，對日常養(yǎng)護(hù)過程中的綜合自動(dòng)化與其應(yīng)用技術(shù)展開研究，這對利用高新技術(shù)改造原有的家庭水族以與傳統(tǒng)規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化開展具有較大的實(shí)際意義和研究價(jià)值。 1.2 國外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代的水族箱飼養(yǎng)最先開始于1851年的英國萬

16、國工業(yè)博覽會(huì)上。由于各種科學(xué)技術(shù)與制造工藝的限制，當(dāng)時(shí)的水族箱無論是結(jié)構(gòu)上還是在功能上都是很簡陋的。 由于現(xiàn)代電力技術(shù)的高速開展，也使得水族箱系統(tǒng)的開展飛速前進(jìn)?，F(xiàn)在一樣的人工照明、通風(fēng)、過濾、水溫加熱等一整套控制系統(tǒng)的發(fā)明都成為可以相互協(xié)調(diào)的一個(gè)系統(tǒng)。 我國水族箱控制系統(tǒng)的起步比擬晚。隨著二十世紀(jì)八、九十年代中國的改革開放，中國開始融入這個(gè)世界，觀賞魚水族箱這個(gè)舶來品也開始進(jìn)入我們的生活中，近年來其快速開展的狀況使其成為一股新興的經(jīng)濟(jì)力量受到經(jīng)濟(jì)界與業(yè)人士的關(guān)注。如今是國際水族產(chǎn)品看中國，許多國外大的采購公司都盯準(zhǔn)中國這個(gè)市場，把長遠(yuǎn)的目標(biāo)放在中國。而在剛開始的飼養(yǎng)過程中，水族設(shè)備市場上

17、的魚缸控制系統(tǒng)都是功能比擬簡單的設(shè)備。如水族箱溫度的控制，人們采用的是加熱棒進(jìn)展加熱控制，由于加熱棒本身采用雙金屬片溫控以與手工控制加熱棒的啟停，造成溫度控制精度較差，無法進(jìn)展準(zhǔn)確的供熱，對于水溫的恒溫控制造成了難度。再如水族箱的供氧問題，由于水溶解氧的特性決定，水中氧氣的濃度是有限度的，達(dá)到水中氧氣一定的程度時(shí)，或者魚缸魚量密度不高時(shí)，即使是在夏天時(shí)節(jié)也沒有必要一直充氧可以采用間隔充氧和換水，否如此再進(jìn)展充氧都是多余的，也必然浪費(fèi)大量的電力資源。 因此電路簡單，能分擔(dān)人們不必要的手工的水族箱控制電路系統(tǒng)也隨之而生。水族箱中各種參數(shù)的控制，也產(chǎn)生了相關(guān)的控制設(shè)備。如間有自動(dòng)水溫控制器、自動(dòng)喂

18、食器、燈火自動(dòng)控制器等這些設(shè)備各自獨(dú)立運(yùn)行，控制相應(yīng)的箱參數(shù)，所以造成獨(dú)立的控制設(shè)備配置數(shù)量繁多，不但購置獨(dú)立的設(shè)備消耗資金多，而且不利于整個(gè)系統(tǒng)的操作。這些儀器集溫度、燈光、投食、報(bào)警等控制功能于一體。功能設(shè)計(jì)上追求性能穩(wěn)定可靠安裝、調(diào)試、維護(hù)方便。此外，這些控制器不僅可以廣泛應(yīng)用于家庭觀賞水族箱的養(yǎng)護(hù)管理；而且也適用于水族養(yǎng)殖業(yè)，尤其是賓館、飯店、展廳、居家等對水系要求較高的觀賞和經(jīng)濟(jì)水生物的養(yǎng)護(hù)。因此多功能組合的水族箱電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有必要的。 1.3 課題主要研究容 本系統(tǒng)擬以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)為核心控制單元，同時(shí)結(jié)合傳感器技術(shù)與檢測技術(shù)，開發(fā)出

19、一套可以用于各種水族箱和各種環(huán)境的集水位高度控制，實(shí)時(shí)溫度檢測，定時(shí)投料喂食等各種功能于一體的智能綜合控制系統(tǒng)。 本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能是： 1．功能。采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)水族箱自動(dòng)換水、自動(dòng)喂食、冷熱自動(dòng)恒溫、狀態(tài)顯示等功能。 2．人機(jī)界面。本系統(tǒng)的人機(jī)操作界面采用LCD顯示屏、LED指示燈顯示，具有直觀、簡介、易操作等多重特點(diǎn)。用戶可直接從LCD顯示屏讀取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 3．系統(tǒng)操作。本系統(tǒng)通過按鍵來設(shè)置各種參數(shù)，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需求來設(shè)定不同的系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。另外用戶也可通過按鍵來時(shí)時(shí)讀取各種系統(tǒng)信息。按鍵與LCD顯示屏的配合使用使本系統(tǒng)具有簡易的

20、操作性。 4．系統(tǒng)報(bào)警。本系統(tǒng)具有報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)的某些參數(shù)超過設(shè)定值的限制的時(shí)候，系統(tǒng)的核心控制單元會(huì)通過LED和蜂鳴器發(fā)出聲光提示，使系統(tǒng)能夠在一個(gè)安全可靠的環(huán)境下工作。 5．生產(chǎn)本錢：本系統(tǒng)使用價(jià)格低廉的AT89C51單片機(jī)為控制核心，其外圍電路采用市面上常見的各種傳感器，具有本錢低廉、加工簡單等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的可生產(chǎn)性。 根據(jù)系統(tǒng)要求和系統(tǒng)功能特點(diǎn)，本課題研究的主要容是: 1．總體設(shè)計(jì)方案：首先按照系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對象等選擇合理的總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案，并在此方案下仔細(xì)劃分軟件局部和硬件局部各自應(yīng)完成的功能。 2．軟件設(shè)計(jì)：本局部以C語言為核心，利用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng)

21、的各個(gè)功能模塊別離開來，使各個(gè)模塊單獨(dú)進(jìn)展設(shè)計(jì)，最后再把其整理成一個(gè)統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)，這使得本軟件系統(tǒng)具有很高的可移植性，使得本控制系統(tǒng)能夠多樣化。 3．硬件電路設(shè)計(jì)：由于現(xiàn)在市場上各種集成芯片種類繁多，而且根本功能大體一致，都能滿足我們的設(shè)計(jì)要求，因此在滿足系統(tǒng)要求的前提下，根據(jù)“性價(jià)比最高〞原如此，選擇既適合于本系統(tǒng)，又運(yùn)行可靠的芯片和元器件，從而設(shè)計(jì)出最合理的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 4．電路繪制：本控制系統(tǒng)采用并用 DXP 電路設(shè)計(jì)軟件來繪制電路的原理圖與印制電路板。 5．系統(tǒng)的調(diào)試：當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路與軟件系統(tǒng)都完成后，即可開始系統(tǒng)調(diào)試。在單片機(jī)開發(fā)裝置上，用調(diào)試軟件對程序進(jìn)展調(diào)試，查看系統(tǒng)

22、的軟件漏洞和硬件故障，經(jīng)過不斷地修改，使系統(tǒng)不斷的完善。最后然后把調(diào)好硬件電路和軟件系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，是系統(tǒng)能夠獨(dú)立的、無故障的、安全的運(yùn)行。 1.4 課題研究的步驟 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中嚴(yán)格遵循科學(xué)的研究方法，從課題的選擇、系統(tǒng)功能的定義、器件的選型、原理圖的設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、硬件電路的調(diào)試、軟件程序設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作與聯(lián)機(jī)調(diào)試、整機(jī)運(yùn)行測試等幾大步驟逐一完成。 具體的步驟分析如圖所示。 圖 課題研究的步驟 2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)以ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C51 單片機(jī)為核心控制單元。它的硬件控制局部包括電源模塊、控制模塊、輸入/輸出、顯示模塊四大

23、模塊。其中控制模塊包含了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，指示電路、按鍵、時(shí)鐘電路等。系統(tǒng)的輸入控制模塊包含了溫度檢測、水位上下檢測、繼電器驅(qū)動(dòng)等等。顯示模塊包含了指示燈與LED顯示屏等。 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.1.1 系統(tǒng)的具體功能 1． 水族箱水溫的檢測：各種魚類對水溫的要求不同，而且環(huán)境的變化也會(huì)引起水溫的巨大變化，這種變化不僅會(huì)影響的魚類的活動(dòng)、進(jìn)食，還有可能造成它們的免疫力下降等。水族箱里各種魚類和水草生長需要相對穩(wěn)定的且適合的水溫，所以本系統(tǒng)必須控制水的溫度。為了盡可能的保證水溫在穩(wěn)定的圍波動(dòng)，使水族箱的溫度參數(shù)可以與時(shí)調(diào)整控制，本系統(tǒng)可自行設(shè)置溫度上下限，同時(shí)預(yù)置了恒溫控制模式。 2． 水

24、位高度控制：在放置狀態(tài)下，水族箱中的水會(huì)自動(dòng)的蒸發(fā)，為了滿足水族箱在沒有人的干預(yù)的情況下仍能夠保持自身系統(tǒng)的穩(wěn)定，本系統(tǒng)必須對水位高度加以控制，能夠自動(dòng)的檢測水位的上下，能夠自動(dòng)的排水或是補(bǔ)水。 3． 自動(dòng)喂食/換水系統(tǒng)：隨著人們的生活水平的提高，生活的節(jié)奏也隨之提高，人們空余的時(shí)間也越來越少，因此，魚缸的自動(dòng)換食自動(dòng)換水的功能的出現(xiàn)也就存在它的必然性。本系統(tǒng)通過對單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)定，通過按鍵設(shè)置換水投料的時(shí)間從而使單片機(jī)自動(dòng)的控制水泵和換食裝備給水族箱換水換食，從而釋放人們的空余時(shí)間。 4． 故障報(bào)警：本系統(tǒng)主要是針對水泵斷流、溫度系統(tǒng)故障等各種極端情況發(fā)出警報(bào)，以免造成重大損失。 2.

25、1.2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由電源模塊、核心控制模塊、按鍵與顯示模塊、水位檢測與水位高度控制模塊、水溫檢測與恒溫控制模塊、自動(dòng)投食控制模塊、聲光報(bào)警模塊、電子時(shí)鐘模塊組成。其核心控制模塊由AT89C51單片機(jī)組成，再配合以DS18B20溫度傳感器、DS1302時(shí)鐘芯片、液晶顯示器、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、LED驅(qū)動(dòng)電路等外圍電路組成一個(gè)完整的硬件電路系統(tǒng)。外圍電路與核心控制器的關(guān)系如下列圖。 圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 從整體來看，本系統(tǒng)主要包括核心控制電路、電源模塊、輸入/輸出電路以與顯示模塊這四局部組成。其中電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電以維持其正常工作；核心控制電路完成對各路數(shù)據(jù)的處理與分析，最后

26、再出判斷并發(fā)出控制信號(hào)控制各個(gè)模塊的工作狀況，指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常運(yùn)行。輸入/輸入模塊主要是根據(jù)控制芯片發(fā)出的控制指令完成各路數(shù)據(jù)的采集。顯示模塊主要完成各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。 其中控制局部包括： 1． 核心控制電路。主要以AT89C51單片機(jī)為控制核心，包括晶振，復(fù)位電路等。該局部的主要功能是完成對各路數(shù)據(jù)的處理與分析并與時(shí)的發(fā)出種控制信號(hào)，從而使系統(tǒng)能正常工作。 2． LCD顯示電路。該局部的主要功能是人機(jī)交互，通過該模塊用戶可以實(shí)時(shí)的讀取各種控制信息，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整個(gè)環(huán)境的了解，以達(dá)到最好的控制效果。 3． 時(shí)鐘電路。該局部的主要作用是提供系統(tǒng)時(shí)中，方便定時(shí)自動(dòng)的投喂飼料。

27、4． 按鍵控制電路。該局部的主要作用是方便用戶自行設(shè)定的工作環(huán)境參數(shù)，以提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 輸入輸出局部包括： 1． 輸入模塊。主要包含了溫度檢測模塊和水位上下模塊。溫度模塊采集的數(shù)據(jù)是執(zhí)行魚缸的制冷與升溫操作依據(jù)，其控制命令通過分析采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展判斷處理。水位上下檢測模塊主要是對魚缸的水位進(jìn)展檢測，通過液位控制器反應(yīng)信號(hào)給單片機(jī)的I/O接口。 2． 輸出模塊。主要受控制模塊控制的各相應(yīng)執(zhí)的行機(jī)構(gòu)組成。單片機(jī)通過將信息的采集值與設(shè)定值進(jìn)展比擬處理，發(fā)出控制信號(hào)，傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而對環(huán)境參數(shù)進(jìn)展調(diào)節(jié)。 本控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用集成的模式，把除了溫度采集模塊以外的各個(gè)模塊都集成到一

28、個(gè)的盒子中，這樣既能保證系統(tǒng)的安全與美觀，又能縮小系統(tǒng)的體積。放在水中的溫度傳感器由防水的信號(hào)線與整個(gè)系統(tǒng)相連接，這樣既能實(shí)現(xiàn)其與整個(gè)系統(tǒng)的隔離，又能事實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的傳遞到控制器中。 2.2 主要元器件的選取 2.2.1 系統(tǒng)控制器的選擇 在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，控制芯片是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的外圍電路都要圍繞著控制芯片展開，同時(shí)它還關(guān)系到整個(gè)控制軟件的設(shè)計(jì)，因此選擇適宜的控制芯片的型號(hào)很重要。而一般小型控制系統(tǒng)的的控制芯片都選用單片機(jī)。如果整個(gè)系統(tǒng)的單片機(jī)型號(hào)選擇得適宜,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就會(huì)即經(jīng)濟(jì)又工作可靠;如果選擇得不適宜,就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),或是影響整個(gè)單片機(jī)應(yīng)

29、用系統(tǒng)。目前，市場上的單片機(jī)種類繁多，在進(jìn)展正式的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)之前，需要根據(jù)不同單片機(jī)的特性，從中作出合理的選擇。在單片機(jī)選型時(shí)，主要注意以下幾點(diǎn)： 1． 仔細(xì)調(diào)查市場，盡量選用主流的，貨源充足的單片機(jī)型號(hào)，這些器件使用的比擬廣泛，有許多設(shè)計(jì)資料供學(xué)習(xí)或參考。 2． 盡量選擇所需的硬件資源集成在單片機(jī)部的型號(hào)，例如ADC、DAC、12C、SPI和USB等，這樣便于整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件管理，減少外部硬件的投入，縮小整體電路板的面積，從而減少總體投資等。 3． 對于手持式設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備或者其他需要低功耗的設(shè)備，盡量選擇低電壓，低功耗的單片機(jī)型號(hào)，這樣可以減少能量消耗，延長設(shè)備的使用壽命。

30、 4． 在資金等條件允許的情況下，盡量選擇功能豐富，擴(kuò)展能力強(qiáng)的單片機(jī)，這樣便于以后的功能升級和擴(kuò)展。 而在本系統(tǒng)中，考慮到本系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)本錢、安全等性能要求，美國ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為最優(yōu)選擇。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器〔FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory〕的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)

31、制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 從對整個(gè)系統(tǒng)的控制能力上來說，AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口。這些功能根本能滿足本系統(tǒng)的控制要求。從經(jīng)濟(jì)角度上來說，C51單片機(jī)的價(jià)格低廉，能有效的降低整個(gè)系統(tǒng)的硬件本錢。綜合分析，C51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)控制芯片的不二選擇。 表AT89C51單片機(jī)的功能特性 兼容MC

32、S51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫〔>1000次〕flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 256x8bit部RAM 時(shí)鐘頻率0-24MHZ 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 2個(gè)串行中斷 可編程UART串行通道 2個(gè)外部中斷源 共6個(gè)中斷源 2個(gè)讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 2.2.2 輸入輸出模塊元器件的選取 輸入輸出模塊主要包括了溫度檢測模塊、水位檢測模塊、鍵盤控制與顯示模塊、繼電器控制模塊、指示燈與蜂鳴器報(bào)警模塊。以上模塊中的繼電器、指示燈與蜂鳴器都比擬容易選擇，所以本章主要介紹溫度檢測、水位檢測、鍵盤控制與顯示模塊

33、元器件的選取。 1． 溫度檢測模塊芯片的選取 目前市面上的溫度傳感器型號(hào)多種多樣，不同的型號(hào)有不同的功能和使用場合。常用的溫度傳感器芯片有DS18B20、AD7416、AD7417、AD7418、AD590等等。我們在選型的時(shí)候不僅要考慮芯片的精度、穩(wěn)定性，還要考慮經(jīng)濟(jì)方面的因素，盡量選取物美價(jià)廉的芯片。DALLAS公司生產(chǎn)的溫度傳感器DS18B20具有超低的功耗、超小的體積、強(qiáng)大的抗干擾能力、極高的精度、良好的防水性能，另外它的價(jià)格也是在同類產(chǎn)品中比擬低廉的，所以它是我們這個(gè)系統(tǒng)溫度傳感器的不二選擇。 2． 水位檢測模塊的選取 目前市場上流通的水位監(jiān)測有很多種，有壓力式水位傳感器、浮

34、球液開關(guān)等等。但是為了降低系統(tǒng)的本錢、提高系統(tǒng)檢測的精度，并且滿足系統(tǒng)的是為高度檢測無死區(qū)，本系統(tǒng)采用超聲波水位傳感器。超聲波水位傳感器是采用回聲定位，通過聲波從傳感器發(fā)出碰到水面后在返回到傳感器的時(shí)間來測量水位的高度，超聲波液位傳感器有以下特點(diǎn)： （1） 超聲波液位傳感器的量程為，能滿足幾乎所有的水族箱。 （2） 超聲波液位傳感器輸出的電平信號(hào)為0-5V，能夠和單片機(jī)很好的吻合。 （3） 超聲波液位傳感器輸出的電流小，圍為4~20mA，易于檢測。 （4） 超聲波液位傳感器的探頭材質(zhì)為PVDF，耐酸堿腐蝕，不易損壞。 3． 電子時(shí)鐘模塊芯片的選取 本系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片采用DS1302。

35、DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)展通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒、分、時(shí)、日、星期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時(shí)格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)展通信，僅需用到3個(gè)口線：1〕RES〔復(fù)位〕，2〕I/O〔數(shù)據(jù)線〕，3〕SCLK〔串行時(shí)鐘〕。時(shí)鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時(shí)功耗很低保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息功率小于1mW。 4． 鍵盤控制與顯示模塊元件的選取 鍵盤

36、控制和顯示界面是與智能控制器人機(jī)交互過程中非常重要的且不可或缺的兩個(gè)局部，它是我們了解機(jī)器運(yùn)行狀況的重要渠道。它的選擇對與整個(gè)智能控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，它的性能的好壞，直接影響并決定了整個(gè)控制系統(tǒng)操作性能的優(yōu)劣。 本控制系統(tǒng)采用矩陣鍵盤，它的結(jié)構(gòu)簡單、處理方便，非常適合I/O口較少的單片機(jī)。顯示模塊采用LCD模塊，它編程方便、顯示信息量大、價(jià)格低廉，非常適合于本系統(tǒng)。 2.3 編程軟件與語言工具的選取 AT89C51單片機(jī)通用的編程語言有C語言和匯編語言。匯編語言是一種采用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號(hào)語言，是這兩種語言中最接近機(jī)器碼的一種語言。相對于C語言，它的指令處理速度較快。但是

37、它的移植性比擬差，對于不同的類型的單片機(jī)而言，其匯編語言的指令碼可能有較大的差異，因?yàn)樗麄兊闹噶钕到y(tǒng)是有區(qū)別的。而C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言，它集成了多種高級語言的不同特點(diǎn)，并具備匯編語言所具有的功能。另外C語言具有功能強(qiáng)大、豐富的庫函數(shù)，對于數(shù)據(jù)的大量處理和運(yùn)算來說有獨(dú)特的優(yōu)勢，而且它還具有良好的可移植性，可以實(shí)現(xiàn)直接對系統(tǒng)硬件的控制。使用起來非常方便。此外，C語言程序還具有模塊化的程序模塊結(jié)構(gòu)，這為軟件開發(fā)中采用模塊化編程提供了有力的保障。 與匯編相比，C語言有如下優(yōu)點(diǎn)： 1. C語言不需要使用者對51單片機(jī)的指令系統(tǒng)的了解，僅要求對51單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有所掌握。至于其存放器的分

38、配、不同存儲(chǔ)器間的尋址方式與數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)均由編譯器管理。與匯編語言相比，這無疑降低了51單片機(jī)的使用難度。 2. C語言所構(gòu)成的程序簡單、明了，這大大的縮短了編程與程序調(diào)試的時(shí)間，從而有效的提高效率。 3. 一般的C語言的編譯器提供的庫包含許多的子程序，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。 4. C語言程序有強(qiáng)大的可移植性，因?yàn)镃語言易于采用模塊化編程，能將已編好的模塊化程序可容易的植入新程序。 正因?yàn)橛羞@些優(yōu)點(diǎn)的支撐，使得C語言得到廣泛的支持與應(yīng)用。所以用C語言進(jìn)展單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前單片機(jī)軟件開發(fā)的一個(gè)主流趨勢。 綜合以上C語言的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇了C語言進(jìn)展開發(fā)，而且選用Kei

39、l軟件作為開發(fā)環(huán)境。Keil軟件是目前最流行的開發(fā)80C51系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境將這些局部組合在一起。 2.4 本章小結(jié) 本章論述了多功能魚缸智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，介紹了系統(tǒng)總體方案和功能組成，提出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；闡述了主要元器件的選取原如此，并對主要芯片做了簡要介紹；最后給出了軟件設(shè)計(jì)方案和編程語言的選擇，為下一步具體的軟硬件設(shè)計(jì)奠定了良好的根底。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路是實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)信號(hào)傳遞、電氣動(dòng)作等功能的具體路徑。因此，硬件的設(shè)計(jì)必須合理到位，才能實(shí)

40、現(xiàn)系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)的硬件主要包括八個(gè)模塊，分別是：電源模塊、核心控制模塊、按鍵與顯示模塊、水位檢測與水位高度控制模塊、水溫檢測與恒溫控制模塊、自動(dòng)投食控制模塊、聲光報(bào)警模塊、電子時(shí)鐘模塊。本章主要介紹各模塊的功能以與其電路的設(shè)計(jì)，還有局部芯片的部結(jié)構(gòu)以與性能參數(shù)和用法，并設(shè)計(jì)出具體的硬件電路。 3.1 硬件設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的。為了保證本系統(tǒng)在性能與各方面穩(wěn)定，且能實(shí)現(xiàn)其該有的功能，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需要遵循硬件設(shè)計(jì)規(guī)的以下要求： 1．詳細(xì)理解本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，從要求中整理出電路功能模塊和性能指標(biāo)要求。 2．根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能需求制定總體的設(shè)計(jì)方案，對控制器進(jìn)展選

41、型，控制器 的選型包括：性價(jià)比高、容易開發(fā)、、兼容性高、擴(kuò)展性好。 3． 根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求對外設(shè)功能模塊進(jìn)展元器件選型，元器件選型應(yīng)遵循的 要：是使用的普遍性、較高的性價(jià)比、較好的可替代性、較低的功耗等原如此。 4． 保證本系統(tǒng)各模塊資源不相互沖突，在設(shè)計(jì)硬件電路前要仔細(xì)閱讀系統(tǒng)中所有 芯片的數(shù)據(jù)手冊，看他們未使用輸入管腳是否需要做外部處理。 5． 較高的可靠性與較強(qiáng)的抗干擾性，根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，一個(gè)系統(tǒng)所用芯片數(shù) 量越少，那么這個(gè)系統(tǒng)的平局無故障也就時(shí)間越長，另外所用芯片數(shù)量越少，各種信號(hào)線在電路板上所受干擾的可能性也就越少。 6． 硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)互補(bǔ)。一些由硬

42、件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件來實(shí)現(xiàn)，反過 來一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。 由系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)規(guī)要求以與系統(tǒng)功能的實(shí)際情況，本系統(tǒng)的控制器采用AT89C51單片機(jī)、溫度傳感器采用的是DS18B20、水位傳感器采用的是超聲波水位傳感器、顯示器采用LCD液晶、時(shí)鐘芯片采用DS1302。另外本系統(tǒng)還包含蜂鳴報(bào)警器、繼電器等等。 3.2 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電源是整個(gè)控制系統(tǒng)的能量供給，系統(tǒng)的所有模塊都不能離開電源模塊而單獨(dú)存在。本系統(tǒng)的電源主要是給控制模塊與傳感器供電，它對電壓、功率的要求都比擬低。因此，為了簡化硬件電路、節(jié)省本錢，本模塊的供電電源依靠電網(wǎng)得到。本系統(tǒng)的ＡＣ－ＤＣ整流電路采用

43、單相全橋整流。其電路主要由整流二極管組成。所示。 圖單相全橋整流波形 由上圖可知經(jīng)過整流電路之后的電壓變成一種含有直流分量和交流分量的混合的脈動(dòng)電壓。再經(jīng)過電容濾波后，就能得到比擬平滑的12V的直流電壓。電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動(dòng)的直流電變成平穩(wěn)的直流電。由電容兩端的電壓不能突變的 特點(diǎn)，可以達(dá)到輸出波形趨于平滑的目的。經(jīng)濾波后的輸出波形如圖3.2所示。 電容濾波后的波形 在電網(wǎng)經(jīng)過整流二極管之前，為了降低整流側(cè)的輸入交流電壓，可在電網(wǎng)與整流二極管之間參加一個(gè)降壓變壓器。由U=0.9*U2，其中U是整流后輸出的電壓；U2是整流輸入測的交流電壓?？芍?/p>

44、U為12V，如此要使U2為14V左右，故采用的降壓變壓器的原邊與副邊的匝數(shù)比為15:1。過以上理論分析，可以得出整個(gè)電路的原理圖如圖3.3所示。 圖3.3 整流電路原理圖 由于本控制系統(tǒng)統(tǒng)的控制器和傳感器的工作電壓都是5V，因此，為了給系統(tǒng)供電，仍需要對12V的直流電壓進(jìn)展DC-DC變換得到控制器以與各路傳感器所需要的5V電壓。具體DC-DC電路如圖3.4所示。 圖12V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓電路 3.3 控制模塊電路設(shè)計(jì) 3.3.1 AT89C51單片機(jī)引腳功能簡介 本控制系統(tǒng)的核心控制芯片采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C。 圖3.5 AT89C51單片機(jī)引腳

45、定義圖 AT89C51具體引腳介紹如下： ① 主電源引腳〔2根〕 VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源 GND(Pin20)：接地線 ②外接晶振引腳〔2根〕 XTAL1(Pin19)：片振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片振蕩電路的輸出端 ③控制引腳〔4根〕 RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào) PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平如此從部程序存儲(chǔ)器讀指令

46、[6]。 ④可編程輸入/輸出引腳〔32根〕 AT89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位〔8根引腳〕，共32根。 PO口〔Pin39～Pin32〕：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7。 P1口〔Pin1～Pin8〕：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7 。 P2口〔Pin21～Pin28〕：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7。 P3口〔Pin10～Pin17〕：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7。 3.3.2 AT89C51單片機(jī)外圍電路組成 為了使單片機(jī)穩(wěn)定可靠的工作，必須給單片機(jī)的2

47、0以與40管腳提供一個(gè)穩(wěn)定的5V電源。本系統(tǒng)的電源模塊已經(jīng)有了穩(wěn)壓器輸出的5V電壓，因此只需要把其與單片機(jī)的20與40管腳相連即可。 AT89C51單片機(jī)沒有部晶振，不能自己產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)提供始終基準(zhǔn)。所以要使它能夠穩(wěn)定的工作，還得給它接上外部晶振，給單片機(jī)提供部的時(shí)鐘基準(zhǔn)?？紤]到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量不大且對數(shù)據(jù)處理的速度沒有特別的要求，所以本系統(tǒng)采用11.0952MHZ的有源晶振為其提供時(shí)鐘信號(hào)。其電路如如所示。 圖 晶振電路 AT89C51單片機(jī)有了以上的外圍電路擴(kuò)展，僅僅是滿足了它工作的條件，但是它與現(xiàn)在流行的PC機(jī)之間的通訊仍然無法進(jìn)展。因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出為TTL電平，5V代表

48、高電平，0V代表低電平；但是PC機(jī)的串口輸出為232電平，所以單片機(jī)與PC機(jī)的串口進(jìn)展通信時(shí)需要進(jìn)展電平轉(zhuǎn)換。 本系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。其引腳定義如下列圖。 圖3.7 MAX232引腳定義圖 MAX232的引腳定義與功能為： 第一局部是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二局部是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳〔R

49、1IN〕、12腳〔R1OUT〕、11腳〔T1IN〕、14腳〔T1OUT〕為第一數(shù)據(jù)通道。8腳〔R2IN〕、9腳〔R2OUT〕、10腳〔T2IN〕、7腳〔T2OUT〕為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從11引腳〔T1IN〕、10引腳〔T2IN〕輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從14腳〔T1OUT〕、7腳〔T2OUT〕送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從13引腳〔R1IN〕、8引腳〔R2IN〕輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從12引腳〔R1OUT〕、9引腳〔R2OUT〕輸出。 第三局部是供電。15腳GND、16腳VCC〔+5v〕。 MAX232的主要優(yōu)點(diǎn)有： 1．符合所有的RS-2

50、32C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 2．只需要單一 +5V電源供電。 3．片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-。 4．功耗低，典型供電電流5mA。 5．部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器。 6．高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。 綜上所述，其在整個(gè)電路中的電氣連接如下列圖。 圖 MAX232電路 3.3.3 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 在上面各局部硬件電路的根底上，AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)已經(jīng)根本成型，其最小系統(tǒng)所示。 圖3.9 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖 3.4 電子時(shí)鐘模塊電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘芯片有很多種，如

51、DS1307、DS1302、PCF8485、SB2068等等，本系統(tǒng)采用的是DS1302來完成時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。 3.4.1 DS1302芯片簡介 DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)展通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒、分、時(shí)、日、星期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時(shí)格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)展通信，僅需用到3個(gè)口線：1〕RES〔復(fù)位〕，2〕I/O〔數(shù)據(jù)線〕，3〕SCLK〔串行時(shí)鐘〕。時(shí)鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)

52、以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時(shí)功耗很低保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息功率小于1mW。 表3.1管腳描述 X1，X2 GND 地 RST 復(fù)位腳 I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳 SCLK 串行時(shí)鐘 Vcc1 電池供電管腳 Vcc2 電源供電管腳 3.4.2 DS1320外部引腳功能與結(jié)構(gòu)電路 圖3.10 DS1302的外部引腳分配 各引腳的功能為： Vcc1:主電源。 Vcc2:備份電源。當(dāng)時(shí)，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2< Vcc1 時(shí)，由Vcc1向DS1302供電。 SCLK: 串行時(shí)鐘，輸入

53、，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出。 I/O: 三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線。 CE: 輸入信號(hào)，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：第一，CE開 始控制字訪問移位存放器的控制邏輯；其次，CE提供完畢單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā? DS1302外圍電路與單片機(jī)的連接如下列圖。 圖3.11 DS1302外圍電路 3.5 按鍵與顯示模塊電路設(shè)計(jì) 3.5.1 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)的顯示模塊采用的是LCD12864A-1漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它可顯示漢字與圖形，置8192個(gè)中文漢字〔16X16點(diǎn)陣〕、128個(gè)字符〔8X16點(diǎn)陣〕與64X256點(diǎn)陣顯示RAM〔GDRAM

54、〕。所示。 表3.2 LCD12864引腳定義表 引腳 符號(hào) LEVEL 功能說明 1 VSS 0V 一般接地 2 VDD +5V 接電源〔3.0V--5.5V〕 3 V0 - 比照度〔亮度〕調(diào)整 4 CS H/L 摸組片選端，高電平有效 5 SID H/L 串行數(shù)據(jù)輸入端 6 CLK H/L 串行同步時(shí)鐘：上升沿時(shí)讀取SID數(shù) 15 PSB L L:串口方式 16 RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效 19 A VDD 背光源電壓+5V 20 K VSS 背光源負(fù)端0V 帶中文字庫的LCD128

55、64A-1每屏可顯示4行8列共32個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)16×8點(diǎn)陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。它部提供128×2字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)〔DDRAM〕。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)寫入容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM〔中文字庫〕、HCGROM〔ASCII碼字庫〕與CGRAM〔自定義字形〕的容。三種不同字符/字型的選擇編碼圍為：0000～0006H〔其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個(gè)〕顯示自定義字型，02H～7FH顯示半寬ASCII碼字

56、符，A1A0H～F7FFH顯示8192種GB2312中文字庫字形。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H～9FH。字符顯示的RAM的地址與32個(gè)字符顯示區(qū)域有著一一對應(yīng)的關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系如表所示。 表3.3 顯示器屏幕對應(yīng)地址 80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 87H 90H 91H 92H 93H 94H 95H 96H 97H 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 8EH 8FH 98H 99H 9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9FH 其硬件電路如下列圖。 圖3.12

57、 12864外圍電路 3.5.2 按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 由于本控制系統(tǒng)對的功能較為復(fù)雜，需要用戶設(shè)定的值較多，而又受限于AT89C51單片機(jī)的I/O口數(shù)量的限制，本系統(tǒng)選用較為節(jié)約I/O口的4*4矩陣鍵盤。在矩陣式鍵盤中每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通而是通過一個(gè)按鍵加以連接，單片機(jī)的整一個(gè)8位端口可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)矩陣式按鍵，相比獨(dú)立式按鍵接法多出了一倍，而且線數(shù)越多區(qū)別就越明顯。由此可見，在需要的按鍵數(shù)量比擬多時(shí)，采用矩陣法來連接鍵盤是非常合理的。其硬件電路圖圖所示。 圖3.13 4*4矩陣鍵盤電路 3.6 水溫檢測與恒溫控制模塊電路設(shè)計(jì) 水溫檢測電路是水族箱

58、系統(tǒng)最重要的環(huán)境參數(shù)獲得通道。水溫傳感器獲得的水溫?cái)?shù)據(jù)與設(shè)定溫度上限和下限的比擬，獲得的結(jié)果，將直接用來驅(qū)動(dòng)繼電器控制加熱器的開與關(guān)，以保持水族箱的溫度穩(wěn)定，必要時(shí)還會(huì)報(bào)警以提醒用戶。本控制系統(tǒng)的水溫傳感器選用DS18B20芯片，水溫加熱模塊采用普通的絕緣加熱棒再配合繼電器即可。 3.6.1 DS18B20芯片介紹 美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器，現(xiàn)在，新一代的 DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。DS18B20 也支持"一線總線"接口，測量溫度圍為-55°C～+125°C，在-10～+85°C 圍，精

59、度為±°C。DS18B20 的精度較差為±2°C?，F(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。DS18B20部結(jié)構(gòu)圖如圖所3.14示。 圖4 DS18B20部結(jié)構(gòu)圖 3.6.2 DS18B20溫度檢測電路 圖3.15 DS18B20電路圖 DS18B20芯片有三個(gè)引腳，如圖3.15所示。VDD引腳接一個(gè)5V直流電源，DQ引腳單片機(jī)端口相連，其作用是把檢測到的水溫?cái)?shù)據(jù)傳給單片機(jī)處理;GND是接地端。 3.6.3 水溫加熱控制電路設(shè)計(jì) 水族箱的恒溫控制是水族箱的一個(gè)開展

60、趨勢，它除了保證魚能夠生活在適合的溫度中，還常用于治療病魚或?yàn)橐恍~類提供較高水溫以促其繁殖。在本控制系統(tǒng)中，所有的控制信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，但是本控制系統(tǒng)采用的加熱器是普通的電加熱棒。為了使加熱器能正常的工作而又能實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)與電網(wǎng)的隔離，本系統(tǒng)采用繼電器來控制加熱棒的啟停。 在正常情況下，水族箱的水溫是和室溫一樣的。當(dāng)其中的生物需要特定的水溫時(shí)，就要開啟加熱棒給水加熱。所以本控制系統(tǒng)的加熱棒并不是一直啟動(dòng)的，只有當(dāng)單片機(jī)發(fā)出特定的控制信號(hào)后才能啟動(dòng)加熱棒。綜上說述，本系統(tǒng)的繼電器采用常6所示。 6 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 3.7 水位檢測與水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì) 3.7.1 HR-

61、SR04超聲波模塊與工作原理簡介 本控制系統(tǒng)的水位檢測模塊采用的是超聲波水位傳感器。超聲波是指頻率高于20khz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，如此將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340

62、m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測距法。 HR-SR04超聲波集成模塊是將超聲波發(fā)射探頭，超聲波接收探頭，CX20106A芯片電路，74LS04芯片放大電路集成到的一起的一個(gè)超聲波集成模塊。 HR-SR04型超聲波集成模塊的工作電壓為5V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于2mA的，工作時(shí)候可以比擬穩(wěn)定。而且，它的感應(yīng)的角度不大于15°，可以減少了很大局部可能存在的角度干擾問題。此模塊的測距圍為2cm～5m，能根本滿足測距要求，而且其精度可以達(dá)到cm，盲區(qū)僅僅為2cm，完全可以能夠滿足本設(shè)計(jì)的測距要求，而且

63、測距也比擬穩(wěn)定。HR-SR04超聲波集成模塊采用的是I/O觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號(hào)。另外，此模塊可以自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波脈沖，并能夠自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回，如果檢測到有信號(hào)返回如此通過I/O口輸出高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回所用的時(shí)間，如此所測量的距離=〔高電平時(shí)間×聲速〕/2。 一個(gè)控制口發(fā)出一個(gè)10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測距的時(shí)間，就能夠算出距離。這樣不斷的循環(huán)周期測，就可以在不停地移動(dòng)的過程中測量距離值了。 其硬件電路如圖7所示。

64、圖3.17 超聲波模塊電路 3.7.2 水位高度控制模塊電路設(shè)計(jì) 當(dāng)系統(tǒng)的水位高度傳感器檢測到的水位高度低于設(shè)定值時(shí)，給水水泵開始工作，向水族箱中給水。本控制系統(tǒng)的給水管道接在家庭供水管道上，通過繼電器來控制接在水管上的電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)給水。8所示。器驅(qū)動(dòng)電路與上一節(jié)中的加熱棒的驅(qū)動(dòng)電路一樣。 8 水族箱給水模塊 當(dāng)水位傳感器采集到的水位高度高于設(shè)定時(shí)，水族箱中的水泵開始工作并抽水來降低水族箱中的水位高度，使水族箱中的水位高度維持在一個(gè)恒定值。其功能示意圖如圖3.19所示。 圖3.19 抽水水泵示意圖 3.8 自動(dòng)投食控制模塊 本系統(tǒng)的自動(dòng)投食模塊的電路主

65、要由伺服電機(jī)和食盒構(gòu)成。其中伺服電機(jī)的軸上安裝有一個(gè)擋板，在沒有給伺服電機(jī)固定頻率的脈沖信號(hào)時(shí)，擋板平行于水族箱并把食盒底部的開口擋住，當(dāng)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)90度的角度并把食盒的底部開口打開開始向水族箱中投送魚食。的具體實(shí)現(xiàn)功能將在后面軟件局部做詳細(xì)闡述。其結(jié)構(gòu)如圖3.20所示。 圖3.20 投食系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.9 聲光報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要是針對水泵斷流、溫度系統(tǒng)故障等各種極端情況發(fā)出警報(bào)，以免造成重大損失。其報(bào)警電路如圖3.21所示。 圖3.21 報(bào)警電路 當(dāng)水族箱的溫度或是水位高度等參數(shù)到達(dá)極限值時(shí)，單片機(jī)的控制I/O口會(huì)發(fā)出高電平，從而使蜂鳴器和LE

66、D燈發(fā)出聲光提示。 3.10 本章小結(jié) 本章講述的是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要有六個(gè)模塊，主控模塊，溫度采集模塊，水位監(jiān)測模塊，繼電器控制模塊，鍵盤控制與液晶顯示模塊，蜂鳴器與指示燈報(bào)警模塊。在本章里主要從器件的選型、經(jīng)濟(jì)本錢、還有原理圖設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)分析等多個(gè)方面闡述了這六個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)方案。把所有這些模塊組合在一起便是本系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)電路。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)的程序主要有六個(gè)模塊，分別是：電子時(shí)鐘模塊、按鍵與顯示模塊、水位檢測與水位高度控制模塊、水溫檢測與恒溫控制模塊、自動(dòng)投食控制模塊、聲光報(bào)警模塊。對于一個(gè)軟件，可以把它分解成幾個(gè)小模塊，各組成模塊之間是相互聯(lián)系的，因此，被系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法采用模塊化設(shè)計(jì)思想。通過Keil軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，對各個(gè)模塊進(jìn)展編譯調(diào)試。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是邏輯與物理設(shè)計(jì)分開，開發(fā)過程中形成一套規(guī)化的文檔，便于后期的修改和維護(hù)。 4.2 主程序工作模塊與流程圖L:\2、baibai的備份\文檔\優(yōu)典下載\我的優(yōu)典百度下載(hk3557)\已下文檔_by優(yōu)典\101\主程序模塊與