基于单片机的智能鱼缸温控系统设计

引言

随着科学技术的不断发展和国民生活水平的不断提高,消费者需求的差异性趋势愈发明显。传统的鱼缸由于在体积、售价、保养成本以及适用品种等方面的相对劣势,其市场份额逐渐被更小型的观赏鱼缸所占据。目前市场上的观赏鱼缸通常具有保温、过滤、制氧和投食等功能,但往往是各自独立的非智能化整体控制系统。该系统从温度控制入手,利用单片机收集处理水温传感器的检测数据,并根据具体情况决定加热器以及报警电路的开启和关闭,形成一套完整的智能鱼缸温控系统。

1系统功能与总体结构

市场上的观赏鱼种多是热带鱼,水缸温度是其生长的关键因素之一。以月光鱼为例,其适宜的生活温度为18~25℃,在水温高于30℃或者低于10℃的环境中也可短期存活。因此,当传感器检测到水体温度超出10~30℃的温度区间时,报警系统开始工作,指示灯点亮,蜂鸣器开启。当水体温度处于正常区间时,系统默认的初始控制温度在20℃,另设有增温与减温的按键,方便用户以人工调节温度的方式来适应月光鱼的不同生长阶段。为满足设计功能要求,智能鱼缸应由按键模块、温度检测模块、控制模块、报警模块、加热模块以及显示模块构成,系统整体结构框图如图1所示。

2硬件电路设计

2.1控制模块设计

智能鱼缸采用的核心控制芯片为AT89C52单片机,该型号的单片机具有成本低廉、性能可靠和兼容性好等优点,在市场上得到了广泛应用。其内部集成8kB的RoM空间,足够支持智能鱼缸系统的程序编写,并且提供40个引脚与外部电路相连,满足系统性能的扩展需求。本次设计中涉及到的单片机主要引脚及其功能如表1所示。

2.2温度检测模块设计

智能鱼缸采用的温度检测传感器为Ds18B20温度传感器。该型号的温度传感器采用导热性高的密封胶灌封,因而具有灵敏度高和延迟度小等优点,同时其测量温度范围较大(-55~＋125℃),满足系统功能需求。由于Ds18B20采用了"1-wire"单线技术(即在1根I/o线上读写数据),因此传感器与外部电路的连接较为简单(图2),但同时也对读写的数据位提出了严格的时序要求。

2.3加热模块设计

本次设计选择的加热器件为单U型加热管,其额定工作功率为2kw,经测量满足鱼缸水体加热要求,同时其长度为250mm,宽度为50mm,尺寸符合鱼缸设计要求。由于加热器的额定工作电压为市电(220V),远高于单片机的驱动电压(5V),因此U型加热管的通断电由继电器电路控制。

2.4按键模块设计

按键模块由3个按键构成,分别起到系统复位、升高温度和降低温度的功能。由于机械按键都会产生抖动的现象,所以需要特定设计来消除抖动带来的系统误动作[5]。常规的消抖手段有硬件消抖和软件消抖两种,出于简化电路结构方面的考虑,本设计采用的是软件消抖的方式,即在单片机模块中加入延时程序,只有在延时的前后都检测到同一高电平才表明按键被按下。

2.5报警模块设计

本设计采用的报警电路如图3所示,主要由三极管、蜂鸣器和指示灯组成。当温度传感器检测到温度超出10~30℃的区间时,单片机I/o口输出电流,在上拉电阻的作用下使三极管导通,蜂鸣器和指示灯得电示警。

2.6显示模块设计

显示模块主要由4位共阳极数码显示管构成。当水体温度正常时,数码管的前两位分别显示鱼缸水温值的十位数值和个位数值,后两位则显示小数点之后的温度值。当示警电路接通时,若温度过高,则数码管首位显示字母"H",若温度过低,则数码管首位显示字母"L"。

3软件程序设计

本次设计系统除了控制主程序之外,还有报警子程序、按键子程序、继电器子程序、延时子程序和显示子程序等,程序设计流程如图4所示。

4结语

本次设计利用Keil软件进行单片机编程,并且借助Proteus软件进行仿真模拟,其模拟结果符合预期设想。该设计结构简单,功能完整,控制方便,既节省了鱼缸的空间,又满足了用户饲养热带鱼宠物的爱好。由于采用了单片机控制,系统还有更大的扩展空间,如增加食物投放功能和水体含氧量智能控制等。