基于51單片機(jī)的智能水族箱設(shè)計(jì)

武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 王明發(fā) 邵海龍 陳 偉 賴富東

1 引言

當(dāng)下越來(lái)越多的人開始在家中和辦公場(chǎng)所布置水族箱，但是大部分人卻沒(méi)有養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)或者疏于管理，導(dǎo)致水族生物的死亡。為了提高大眾的養(yǎng)殖樂(lè)趣和解決水生物存活率等問(wèn)題，智能化控制被應(yīng)用在水族箱設(shè)計(jì)中。但是當(dāng)前市場(chǎng)上的水族箱內(nèi)部設(shè)備并非全部的智能化、各控制部分相互獨(dú)立工作，維護(hù)管理工作量大，而且造成資源的浪費(fèi)。基于此，從系統(tǒng)集成開發(fā)的角度，進(jìn)行智能水族箱操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成一套基于STC12C5A60S2單片機(jī)控制的氧氣檢測(cè)、自動(dòng)投食、燈光、溫度控制、水循環(huán)、酸堿度監(jiān)測(cè)的智能化操作系統(tǒng)；該系統(tǒng)制造成本低、智能程度較高、可遠(yuǎn)程控制、便于管理等優(yōu)勢(shì)，可廣泛安裝于家庭、賓館、高級(jí)寫字樓等場(chǎng)所。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能水族箱控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制芯片，外圍電路由溫度傳感器、藍(lán)牙通訊模塊、時(shí)鐘控制電路模塊、燈光控制模塊、供氧模塊、喂食模塊、水循環(huán)模塊、酸堿度檢測(cè)模塊、手機(jī)端控制界面等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

智能水族箱控制系統(tǒng)的硬件共由九部分組成，分別為主控單元、溫度采集電路、投食模塊、供氧模塊、酸堿度檢測(cè)與水循環(huán)、無(wú)線通信電路、電源電路模塊、時(shí)鐘控制電路、燈光控制模塊和液晶顯示模塊。

3.1 主控單元設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主控采用單時(shí)鐘周期的STC12C5A60S2單片機(jī)完成， 該款單片機(jī)比普通51單片機(jī)運(yùn)行速度快8-12倍，具有多路AD轉(zhuǎn)換器，I/O口具有四種狀態(tài)選擇，從而增加了端口的使用方案。便于后面的外設(shè)掛接。

圖1 智能水族箱控制系統(tǒng)框圖

3.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度采集選擇DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器單一數(shù)據(jù)總線，其與單片機(jī)的I/O口連接，實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的通訊。采集溫度時(shí)，僅需通過(guò)單片機(jī)讀取I/O口的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，即可得到實(shí)時(shí)溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)。當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，啟動(dòng)加熱棒對(duì)水進(jìn)行升溫操作；當(dāng)溫度超過(guò)上限時(shí)，啟動(dòng)換水電機(jī)，進(jìn)行換水操作。

3.3 投食模塊設(shè)計(jì)

水族箱投食設(shè)計(jì)兼顧自動(dòng)與手動(dòng)兩種方式。用戶在家時(shí)可通過(guò)手動(dòng)投食方式增加養(yǎng)殖樂(lè)趣。其中投食模塊中的儲(chǔ)物盒、投食裝置采用3D打印技術(shù)自行設(shè)計(jì)完成，自動(dòng)投食裝置利用直流電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)用戶繁忙或外出無(wú)閑暇時(shí)間進(jìn)行喂養(yǎng)時(shí)，可設(shè)置自動(dòng)喂食時(shí)間（三檔的功能：即時(shí)投喂、12小時(shí)投喂、24小時(shí)投喂），根據(jù)水族箱的魚類數(shù)量，可以改變投食口的大小，進(jìn)而控制單次投食的量，使魚類正常生長(zhǎng)和發(fā)育。該模塊實(shí)物圖如附件圖2所示。

3.4 供氧模塊設(shè)計(jì)

氧氣為水族箱的生機(jī)來(lái)源，該養(yǎng)殖箱系統(tǒng)供氧采用低壓（12v）供氧電機(jī)完成，用戶可通過(guò)氣閥開關(guān)量的大小調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣氣量大小，利用遠(yuǎn)程APP、定時(shí)、手動(dòng)三種方式完成氧氣泵的開停。從而保證水族箱溶解氧的濃度，為魚兒的正常生長(zhǎng)提供必需的氧氣。

3.5 酸堿度檢測(cè)與水循環(huán)裝置設(shè)計(jì)

水族箱酸堿度檢測(cè)，主要完成養(yǎng)殖箱水PH值檢測(cè)、采集模塊檢測(cè)水質(zhì)的酸堿度，利用ADC0809將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到實(shí)時(shí)水質(zhì)酸堿度，當(dāng)水質(zhì)酸堿度超出設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警告信號(hào)同時(shí)向手機(jī)APP發(fā)送相關(guān)信息，以便養(yǎng)殖者時(shí)時(shí)了解水族箱相關(guān)信息。同時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)打開水泵，對(duì)魚缸進(jìn)行換水，使水族箱的酸堿度保持在合適的范圍內(nèi)。考慮到水族箱不能一次對(duì)全部原態(tài)水的換水而保證魚兒無(wú)法適應(yīng)水族箱環(huán)境的突變，引發(fā)魚兒的死亡。當(dāng)完成換水水族箱水容量1/3水位后，如果PH值還是無(wú)法達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的情況，系統(tǒng)不會(huì)繼續(xù)換水，而是延時(shí)6個(gè)小時(shí)后繼續(xù)水PH值的調(diào)節(jié)。這樣保證不會(huì)因?yàn)榇罅繐Q水，從而造成魚兒的死亡。

3.6 無(wú)線通信

本設(shè)計(jì)中采用HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊，負(fù)責(zé)單片機(jī)與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)水族箱各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作，為用戶的操作和監(jiān)管提供了便利。

3.7 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用12V/5V直流電源供電，12v為外置電源輸入，為驅(qū)動(dòng)、電機(jī)提供所需電壓，利用穩(wěn)壓電路將12v電壓轉(zhuǎn)為5v，為電路供電。該電壓在人體安全電壓范圍內(nèi)，具有較大的安全性，同時(shí)使系統(tǒng)功率不會(huì)過(guò)高，節(jié)約能源消耗。

3.8 時(shí)鐘控制電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用DS1302時(shí)鐘控制模塊負(fù)責(zé)提供水族箱的時(shí)鐘參數(shù)，該時(shí)鐘與現(xiàn)實(shí)時(shí)間吻合，為系統(tǒng)的定時(shí)自動(dòng)操作、喂食時(shí)間、充氧時(shí)間和換水時(shí)間等提供了一個(gè)參照，并且，在有需要時(shí)，可設(shè)定鬧鐘提醒，利于水族箱監(jiān)管。

3.9 燈光控制設(shè)計(jì)

燈光控制模塊由日常照明燈帶、裝飾燈帶及紅外傳感器構(gòu)成，日常照明燈帶的特定波長(zhǎng)燈光有利于水草光合作用，增加水族箱的含氧量，同時(shí)，紅外傳感器智能檢測(cè)水族箱附近是否有人，若有則觸發(fā)裝飾燈帶的工作，使水族箱更具觀賞性同時(shí)更大程度節(jié)約能源。

3.10 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

為了養(yǎng)殖者能夠時(shí)時(shí)清楚了解水族箱的水環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊，該顯示系統(tǒng)利用LCD1602完成。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

5 結(jié)論

該智能水族箱控制系統(tǒng)，以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控，現(xiàn)場(chǎng)利用溫度傳感器技術(shù)、酸堿度傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)水族箱的實(shí)時(shí)監(jiān)管、遠(yuǎn)程控制及定時(shí)自動(dòng)控制功能。同時(shí)又兼顧手動(dòng)操作，符合水族箱養(yǎng)殖實(shí)際?？v觀該控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)擁有一體化、設(shè)計(jì)靈活、設(shè)計(jì)成本低、可手機(jī)端遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì)，從監(jiān)測(cè)運(yùn)行效果看，該智能養(yǎng)殖箱有著廣泛的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

附圖：

附圖1 水族箱整體效果圖

附圖2 投食模塊組裝圖