基于单片机的智能水族箱系统设计毕业论文.doc
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1、师范学院学院本科毕业论文 I 毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文) 2013 届 题 目 基于单片机的智能水族箱基于单片机的智能水族箱 专 业 电子信息工程电子信息工程 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 完成日期 2012 年 4 月 18 日 基于单片机的智能水族箱系统基于单片机的智能水族箱系统 摘摘 要要: 随着我国经济的发展,人民生活水平的提高。水族箱和观赏鱼也就成为家庭的一种新宠、 一种时尚,越来越被广大家庭所喜好。但是日常生活中人们没有更多的时间去照料观赏鱼的换水和 温度调控等,虽然市面上也有水族箱的加热和换水装置但都是独立且价格昂贵。因此设计出电路简 单,体积小,智能的水族箱
2、系统极具现实意义。 本文设计了一个基于单片机的水族箱智能系统,由温控模块,水位模块,单片机模块和液晶显 示模块组成。该系统以 STC89C52 单片机作为控制核心,将被测温度和水位送入到 STC89C52 单片机 中进行对比,通过对比来判断是否驱动加热和水泵,并且在液晶 1602 上实现温度水位的显示。 关键词关键词:智能,单片机,控制 Smart Aquarium System Based on MCU Abstract:With the development of our national economy, the improvement of peoples living standa
3、rds. Aquariums and aquarium fish has become a family favorite, a fashion, more and more families at large would like.But in everyday life people do not have more time to care for pet fish, water and climate- controlled, while the Aquarium is also on the market of heating and water installations but
4、is independent and is expensive. Designed circuit is simple, small, intelligent very realistic aquarium system. This article has designed an aquarium based on single-chip microcomputer intelligent systems, temperature control modules, water level modules, SCM module and liquid crystal display module
5、. STC89C52 SCM as the core control of the system, the measured temperature and water level fed into the STC89C52 MCU for comparison, by comparison to determine whether drive heating and water pumps, and in 1602 LCD display temperature on water level. Keywords:Smart, MCU,Control 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.
6、1 课题背景.1 1.2 基于单片机的智能水族箱系统的发展概况.1 1.3 本文的主要内容.2 第二章第二章 基于单片机的电感测试仪的总体方案设计基于单片机的电感测试仪的总体方案设计3 2.1 系统设计总体方案初步设定.3 2.2 主要电路模块设计方案的选择.3 2.2.1 水温检测和控制的设计方案.3 2.2.2 水位检测电路的设计方案.3 2.3 智能水族箱的总设计方案4 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计5 3.1 系统硬件设计.5 3.2 温度检测控制模块.5 3.2.1 DS18B20 芯片.5 3.2.2 水温检测电路.6 3.2.3 温度控制电路7 3.3 水位检测控制模块.
7、7 3.3.1 NE555 芯片.7 3.3.2 水位检测电路8 3.3.3 水位控制电路8 3.4 单片机主控电路.9 3.4.1 单片机选择.9 3.4.2 单片机的引脚及各引脚功能.9 3.4.3 单片机及最小系统.11 3.5 声光报警电路.12 3.6 时钟电路.12 3.7 液晶 LCD1602 显示电路.13 第四章第四章 软件系统设计软件系统设计14 4.1 软件结构设计.14 4.2 整体设计流程图.14 4.3 各模块程序.16 4.3.1 水温检测控制程序.16 4.3.2 水位检测控制程序.16 4.3.3 定时换水程序.17 4.3.4 液晶显示程序.17 4.3.5
8、 时钟显示程序.18 第五章第五章 制作与调试制作与调试20 5.1 系统硬件制作.20 5.2 系统硬件调试.20 5.3 系统软件调试.20 第六章第六章 结结 论论21 参参 考考 文文 献献22 致致 谢谢22 附附 录录23 附录 1:现场测试记录.23 附录 2:系统软件程序.24 湖州师范学院求真学院本科毕业论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景 随着现代生活的需求,科技的发展,人们对家居装饰投入越多的关注,是个人品味和地位的象 征,而如今的高楼大厦越来越高,生活在钢筋水泥构造的城市中的人们越来越憧憬和崇尚自然,尽 大多数人不可能居住上亲水家园,不能拥有自己的森林、水
9、景,但在家中摆放一个水族箱,就可以 将微缩的海洋水景搬回家,可以近间隔的接触水草、观赏鱼,能够感受到回归自然的灵性和乐山乐 水的情趣。水族箱养鱼可以说越来越普遍被大众所喜爱,不分年龄层次,年轻一代可以当成心爱宠 物饲养,又可以美化环境,中老年可以当做休闲娱乐、更是修身养性的绝美选择。但是现在的年轻 人,天天都要忙于工作和事业,生活的压力很大,再遇上一些不顺心的事,更是心烦意乱,甚至大 动肝火,对身心健康极为不利。因此劳累一天后回到家里都会身心疲乏,根本没有更多的时间来打 理水族箱的换水和开启供氧泵等的工作,久而久之水族箱里的鱼越来越少,水草也慢慢枯死。 面对这些水族箱的控制问题市场上也出现了不
10、少的水族箱辅助产品,控制水族箱水温、水位、 排水的设备,如过滤器、加热器等改善水环境的设备。但是由于产品繁多,功能不统一,往往需要 购置多个设备分别安装,投入的费用较大,也存在一定的资源浪费。 因此,本设计主要以家庭中水族箱的日常养护为背景,以水族箱中的水位、温度等的控制为研 究对象,对日常养护过程中的综合自动化及其应用技术展开研究,建立一个智能水族箱检测和控制 系统,来提高水族箱的自动化、智能化。 1.2 基于单片机的智能水族箱系统的发展概况 随着人民生活条件的改善,生活节奏不断的加快,人们越来越渴望摆脱日常生活琐事的困扰, 要求现代产品向着自动化、智能化的方向发展。智能水族箱系统产品在国外
11、是一个发达的产业,它 在节能方面有广泛的应用。而根据我国国务院办公厅发布的关于开展资源节约活动的通知 ,为 加快建设资源节约型社会,推动循环经济发展,解决全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力 问题,保障国民经济持续快速协调健康发展,要求:各级财政要支持资源节约和资源综合利用,并 将节能、节水设备(产品)纳入政府采购目录。有关部门和地方各级政府要对重大节能技术开发、 示范和改造项目加大投资力度。 ”由此可见,智能化的水族箱节能降耗起着极为关键的作用,而智 能水族箱的广泛应用将可大幅节能。 目前水族箱的创新产品,千姿百态,功能上也是慢慢实现科技化、智能化、用途多样化的形式 出现在大家眼前,调查
12、结果显示,未来几年 80、90 年代的年轻人将成为主要的消费群体。随着房 价的快速上涨,大多数人开始选择小户型来满足居住需求,追求个性、时尚的他们,讲究生活品味, 喜欢 “DIY”自己的空间,如何将“蜗居生活”妆点的多姿多彩,成为他们日常生活里最热衷的 话题。智能水族箱,以无需人力、节能、实用、创新吸引了众多年轻人的眼球。水族消费已不再是 中老年人陶冶心情的专利,他正在以独有的创新模式受到年轻人的追捧,甚至连哇哇学语的小朋友, 也开始“玩”鱼。这些不容忽视的团体,正在成为水族产业消费的主力军。据专家预测,未来几年 内智能水族箱将颠覆传统龙鱼缸的主导地位。因此,研制和推广智能水族箱控制技术是提高
13、人类生 活水平实现现代化的需要。 1.3 本文的主要内容 本设计的主要内容为设计基于单片机的智能水族箱系统的硬件电路,通过对单片机的编程和实 际调试来实现 1.实时的检测水的温度并在温度过低时进行加热恒温。2.实时检测水族箱的水位, 定时给水族箱换水。给水族箱中的鱼提供舒适的生存条件,同时验证该方案的可行性。 第二章第二章 基于单片机的电感测试仪的总体方案设计基于单片机的电感测试仪的总体方案设计 2.1 系统设计总体方案初步设定 本设计系统的初步设想是将整个设计分为水温测量模块、水位测量模块、控制器模块、执行模 块、显示模块。系统设计整体框图如图 2-1 所示。 图 2-1 系统设计整体框图
14、软件设计部分则通过用 C 语言编写程序来控制整个系统的测量、控制和显示,从而实现基于 单片机的智能水族箱系统的控制。 2.2 主要电路模块设计方案的选择 2.2.1 水温检测和控制的设计方案 根据了解,水温检测和控制的实现方案有两种。 方案一:采用传统的二位模拟控制方法,选用模拟电路,用电位器设定给定值,采用上下限比 较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后,决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式,系 统受环境的影响大,不能实现复杂的控制算法使控制精度做的较高,而且不能显示和用键盘设定。 方案二:利用 DS18B20 数字温度传感器直接把温度信号转换成数字量,在单片机内部通过软 件编写控制的
15、方式,设定温度控制域值,如果水温低于低的设定度数,则自动启动加热模块以保持 水温,而当水温高于高的设定度数则停止加热,同时输出温度值到显示模块以实现水温动态显示, 该方案相较于前一个系统稳定性高,同时能实现可视化和自动化,让水温测量控制工作变得简单了 许多。 综上所述,本设计的水温检测控制设计方案采用单片机结合传感器水温检测电路实现对水族箱 水温的控制。 2.2.2 水位检测电路的设计方案 方案一:利用超声波水位计测量,该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面 产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数等的影响, 因此它的适用范围非常广泛,包括水渠
16、、油罐、粘稠、腐蚀性等的水位测量中。但是超声波水位计 价格昂贵且此处水位测量精度要求不是特别高。 水温检测 水位检测 控制器 执行器 显示电路 方案二:通过设计 555 电路来自制水位传感器,将几条头部裸露的导线高度均匀分布的固定起 来,通过水位高低使线路导通来实现水位的检测。 综上所述及本设计的基本情况,故使用 555 电路设计的水位检测电路在这里比较适用。 2.3 智能水族箱的总设计方案 整体的设计框图如图 2-2 所示。 图 2-2 整体设计框图 根据上述的水温检测控制的实现方案和水位检测方案的选择,设定了整个智能水族箱系统的设 计方案。首先将被测的水温和水位以数字信号送入单片机与设定好
17、的温度值进行比较,判断是否需 要加热或加水,再通过单片机控制执行器工作,同时实时在液晶上显示出当前温度和水位是否正常 DS18B20 水温检测 555 水位检 测电路 单片机 (控制器) 时钟电路 加热器/水泵 (执行器) 显示电路 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 3.1 系统硬件设计 本设计系统的硬件设计部分主要由温度检测控制电路、水位检测控制电路、单片机主控电路、 时钟电路及显示电路组成的。温度检测控制电路的功能主要是将被测温度值送入单片机进行比较; 水位检测电路是检测水族箱中的水位是否正常;单片机的主控电路它的作用是通过对检测到的温度 信号和水位信号进行比较并控制加热器/水泵这些
18、执行器工作;时钟电路的功能是定时给水族箱进 行抽放换水;显示电路的功能主要是实时的把温度和水位结果显示在液晶上面。 3.2 温度检测控制模块 本设计通过水温传感器探测电路获得的水温数据与设定的温度上限和下限比较,获得的结果并 直接驱动继电器控制加热器进行加热,以保持水族箱的温度恒定。其中水温传感器选用 DS18B20 芯片。 3.2.1 DS18B20 芯片 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种数字化单总线器件。属 于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻比,他能够直接读出被测温度, 并且可根据实际要求通过简单的编程实现 91
19、2 位的数字值读数方式。可以分别在 93.75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量,并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要 一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电,而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单,可靠性更高。同时 其“一线总线”独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入了 全新的概念。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口,测量温度范围为- 55+125。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,用
20、符号扩展的 16 位数字方式串行 输出,大大提高了系统的抗干扰性。因此,数字化单总线器件 DS18B20 适合于恶劣环境的现场温 度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传 输距离、分辨率等方面较 DS18B20 都有了很大的改进,给用户带来了更方便和更令人满意的效果。 可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。DS18B20 的性能特点如下: (1)适应电压范围更宽,电压范围:3.05.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。 (2)独特的单线接口方式,DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器
21、 与 DS18B20 的双向通讯。 (3)DS18B20 支持多点组网功能,多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测 温。 (4)DS18B20 在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极 管的集成电路内。 (5)温范围55125,在-10+85时精度为0.5。 (6)可编程的分辨率为 912 位,对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625,可实现高精度测温。 (7)测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线“串行传送给 CPU。 (8)负压特性:电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。 DS18B20 内部
22、结构主要由四部分组成:64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发 器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的管脚排列如下图 3.1 所示。 图 3-1 管脚图 3.2.2 水温检测电路 水温检测电路如下图 3-2 所示,其中 DS18B20 的 1 脚接地,2 脚接单片机的 P1.3 口,2 脚和 3 脚之间串联个 9K 的电阻,3 脚接电源正极。 图 3-2 水温检测电路图 3.2.3 温度控制电路 温度控制电路如下图 3-3 所示,采用继电器来驱动 PTC 加热棒,由于继电器能用较小的电流 去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作
23、用。 图 3-3 温度控制电路图 3.3 水位检测控制模块 通过设计 555 电路来自制水位传感器,将几条头部裸露的导线高度均匀分布的固定起来,通过 水位高低使线路导通来实现水位的检测并通过继电器控制充水。 3.3.1 NE555 芯片 NE555 大约在 1971由 Signetics Corporation 发布,在当时是唯一非常快速且商业化的 Timer IC,在往后的 30来非常普遍被使用,且延伸出许多的应用电,尽管近来 CMOS 技术版 本的 Timer IC 如 MOTOROLA 的 MC1455 已被大的使用,但原规格的 NE555 依然正常的在市场上供 应,尽管新版 IC 在功
24、能上有部份的改善,但其脚位劲能并没变化,所以到目前可直接的代用。 NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号,555 系列 IC 的接脚功能及运用都是相容 的,只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同;而 555 是一个 用途很广且相当普遍的计时 IC,只需少数的电阻和电容,便可产生数位电路所需的各种不同频率 之脉冲信号。NE555 的特点有:1.只需简单的电阻器、电容器,即可完成特定的振荡延时作用。其 延时范围极广,可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源电压范围极大,可与 TTL,CMOS 等逻辑 电路配合,也就是它的输出准位及输入触发准位均
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