李冰 计京鸿
哈尔滨华德学院 机器人工程学院
摘要：本文基于对目前市场上大多数观赏鱼缸功能的分析和研究，提出了一种多功能的智能水族箱控制系统的设计方案。该系统以单片机为核心芯片，采用数字温度传感器、红外水位传感器对水温和水位实现恒温控制、液位高度控制等，并且可根据用户需求设置控制参数。本文从功能简述、元器件选择、硬件电路设计和软件设计等几个方面对该水族箱智能控制系统进行阐述。该系统设计灵活、结构简单、成本低廉、易于规模化生产，可广泛用于家庭和酒店等适合水族箱安装的场所。
关键词：水族箱；智能控制；单片机
1 引言
目前越来越多的人开始注重生活品质，并且对于身边环境要求也越来越高。水族箱以其较高的观赏性和实用性，受到大众的喜爱。水族箱用来饲养热带鱼或者金鱼的玻璃器具，起到观赏的作用，是为观赏用、专门饲养水生动植物的容器，是一个动物饲养区，通常至少有一面为透明的玻璃及高强度的塑料。水族箱内人工饲养著生活于水中的植物及动物。如果家中有小型水族箱来养殖观赏鱼或者景观，不仅可以陶冶情操，美化环境还可以放松心情缓解压力。
2 系统方案设计
2.1智能水族箱控制系统的组成
本系统由电源模块、核心控制模块、按键及显示模块、水位检测及水位高度控制模块、水温检测及恒温控制模块、晶振模块、复位模块组成。其核心控制模块由单片机组成，再配合以温度传感器、液晶显示器、继电器驱动电路、LED驱动电路等外围电路组成一个完整的硬件电路系统。
2.2智能水族箱控制系统的基本功能
本设计以STC公司生产的 STC89C52单片机为核心控制单元，将传感器技术与检测技术结合起来，开发出一套可以具有水位高度控制和实时温度检测及恒温控制于一体的智能水族箱控制系统。
3 系统的硬件设计
3.1 温度传感电路设计
智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。智能温度传感器由五部分组成，分别为温度传感器、A/D转换器、信号处理器、寄存器以及接口电路。其优点是能便捷的输出所需温度数值和有关的温度控制量，并且它适合各种微控制器。由于它采用的标准，统一以及严格的总线技术，其主要包括要I2C总线、SMBUS总线和SPI总线，不仅能单独工作甚至脱离微控制器，而且适合各种微控制器，此种结构就组成了智能化温控系统。
本论文选用的DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器。它具有多种封装形式，根据不同的硬件系统选择合适的封装，温度测量范围很宽，可以实现多路温度测量，只要将多个DS18B20并联到3根线上，单片机仅仅用一个IO端口就能与多个DS18B20实现通信，占用较少的IO口资源，同时可简化外围的逻辑电路等特点。
3.2 水温加热控制电路设计
在本控制系统中，所有的控制信号都是数字信号，但是本控制系统采用的加热器是普通的电加热棒。为了使加热器能正常的工作而又能实现整个控制系统与电网的隔离，本系统采用继电器来控制加热棒的启停。
在正常情况下，水族箱的水温是和室温相同的。当其中的生物需要特定的水温时，就要开启加热棒给水加热。所以本控制系统的加热棒并不是一直启动的，只有当单片机发出特定的控制信号后才能启动加热棒。综上说述，本系统的继电器采用常开继电器。
3.3 水位检测及水位高度控制模块电路设计
本设计检测观赏鱼缸的水位的方法是通过一种液位传感器放在水中，传感器相当于一个开关，检测到有水就会闭合，检测到没有水就断开，所以通过这种方式，就通过控制单片机的IO接口。如果检测到水位高于传感器开关，相当于开关闭合，则单片机的IO口与5V导通，可以控制水泵开关闭合，用水泵来抽水。如果检测到水位低于传感器开关，相当于开关断开，则单片机的IO口与5V断开，可以控制水泵开关断开，水泵停止工作。
这样就控制了观赏鱼缸中的水位正常。
当系统的水位高度传感器检测到的水位高度低于设定值时，给水水泵开始工作，向鱼缸中给水。本控制系统的给水管道接在家庭供水管道上，通过继电器来控制接在水管上的水泵的开关状态来实现给水。
3.4 液晶显示电路设计
通过液晶显示器来显示公交站控制系统的状态以及到站信息等，因为需要显示的数据比较多，所以显示模块选用LCD1602液晶模块，1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。
3.5 报警电路设计
本设计采用的是声光报警，设定报警的上下限值实现报警功能，单片机接收到的数据经过处理后与该参数设定的上下限进行比较，高于上限值（或低于下限值）则进行报警，同时能进行正常的显示。
报警电路中，以红色LED和蜂鸣器构成，在输入温湿度的上下限后，系统会进行实时采样，并判断测试温湿度与输入温湿度之间的差异，当检测出的温湿度在设定的温湿度上下限外就会报警，即红色LED亮，同时蜂鸣器响。
3.6 键盘电路设计
目前基于单片机的一类应用系统，最重要的还是用户体验，所以人机交互部分最好简单，易操作。所以本系统设置的键盘输入的方式，用户可以根据键盘的提示输入命令或者数据来控制单片机的运行。
本设计应用的独立式键盘，设置了4个按键，K1、K2、K3、K4分别实现功能EN，ESC，UP，DOWN，可以实现设定温湿度和水位的上下限功能。在需要输入较多参数的时候或者单片机功能较复杂的时候，就需要将单片的引脚最大化的灵活的使用。在四个按键被按下之后，需要通过电平辨别出是那个键发出的信号，而且每个接口都是互相估计不收影响的，例如当按键发出信号，接口处的电平改变，随后执行相关程序。
4 系统软件设计
本控制系统采用单片机作为控制核心，对传感器的数据进行处理，主程序包含了各子程序，并对主函数内的子程序循环执行，直到完成指定功能后再次循环，通过子程序实现具体功能。
首先是对系统的预处理设置，比如设置设定温度范围、设定水位高度等。然后是过水位检测，温度检测等各种传感器的检测，液晶显示器显示预设置的参数和当前的各种参数，通过对比，从而进行自动调节。
4 结语
本设计围绕着智能水族箱控制系统在温度检测和控制、水位检测和控制等需求，提出了详细的设计方案，从控制方案实际运行来看，此设计可以实现对鱼缸的智能化控制，可以克服目前鱼缸市场上各种设备独立工作和需要手动带来的不便，并且成本低廉、性能可靠。
整套控制系统的软件部分和硬件设计部分设计合理，C语言编程的单片机软件程序是模块化的程序设计，模块与模块之间相互独立，有很高的可靠性，硬件设计成本低廉。在制作过程中运用传感器技术、继电器控制技术、单片机原理，系统软件部分采用C语言编程，程序结构清晰，按键的操作和液晶显示的界面很友好，让操作者在使用该系统时轻松方便。
参考文献
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