水族箱温度控制系统硬件设计 - 图文

摘 要

摘 要

现在越来越多的家庭和公共场所都摆上了各种水族箱。但作为大部分小型的家庭水族箱设备，都需要人为的手工操作，这给饲主带来了很大的不便。人们有时会因繁忙的工作，忽视了对观赏鱼的照顾。

本文通过对目前大多数水族箱控制设备应用现状的分析和研究，提出了一种多功能的观赏鱼缸智能控制系统的设计方案。该控制系统基于89系列单片机的家庭水族箱控制系统。整套系统以STC89C51单片机为核心芯片，结合传感器技术、继电器原理、C语言编程等技术，集多种控制功能于一体，包括恒温、自动换水、自动喂食、自动水循环等，并可根据需要增加控制参数，通过选择不同元器件控制成本。本文从功能设计、元器件选择、硬件电路设计和软件设计等几个方面对该控制系统进行阐述。

通过调试期间的运行，表明该控制系统运行稳定可靠、操作简单方便、具有多种节电工作模式。同时该系统设计灵活、结构简单、成本低廉，易于规模化生产，可广泛用于家庭和宾馆等安装观赏鱼缸的场所。

关键词 自动控制；单片机；水族箱；传感器技术

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Abstract

Abstract

Now, more and more families and public places are put on all kinds of aquarium. As most of the small home aquarium equipment need artificial manual, which brought great inconvenience to the owners. It is sometimes due to busy work, ignoring the care of ornamental fish

This article through to the present most aquarium control device application present situation analysis and research, put forward a kind of multifunctional ornamental fish design scheme of intelligent control system. The control system based on the 89 Series MCU family aquarium control system. The entire system to the STC89C51single-chip microcomputer as the core chip, combined with the sensor technology, relay principle, C language programming technology, sets a variety of control functions, including temperature, automatic water, automatic feeding, automatic water circulation and so on, and may need to increase the control parameters, through the selection of different components of cost control. This article from the function design, components selection, hardware circuit design and software design aspects of the control system are described.

Through long time operation test, it shows that the control system is stable and reliable, the operation is simple and convenient, has a variety of energy-saving operation mode. At the same time the system flexible design, simple structure, low cost, easy mass production, can be widely used in families and hotels and other places of installation of ornamental fish. Keywords: automatic control Series MCU aquarium sensor technology

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目录

目 录

摘 要 ...................................................................... I Abstract ................................................................... II

1 绪论 ..................................................................... 1

1.1选题背景 ............................................................ 1 1.2国内外研究现状及发展趋势 ............................................ 1 1.3主要研究内容 ........................................................ 2 1.4课题研究的步骤 ...................................................... 3 2 系统的总体设计 ............................................................ 4

2.1概述 ................................................................ 4 2.2系统的设计要求 ...................................................... 4 2.3 系统总体方案功能 ................................................... 5

2.3.1 系统的功能组成与控制参数 .................................. 5 2.3.2 系统的硬件结构框图 ............................................ 5 2.4 本章小结 ........................................................... 6 3 系统的硬件设计 ............................................................ 8

3.1硬件总体结构 ........................................................ 8 3.2主要元器件的选取 .................................................... 9

3.2.1 单片机的选取 .................................................. 9 3.2.2 3-8译码器和LED数码管动态显示的选取 ........................ 11 3.3 各模块硬件设计 ..................................................... 13

3.3.1 时钟电路设计 ................................................. 13 3.3.2 键盘控制与显示模块设计 ....................................... 14 3.3.3 温度控制模块 ................................................. 15 3.3.4 其他模块设计 ................................................. 16

4 系统的软件设计 ........................................................... 22

4.1 主程序工作流程 ..................................................... 22

4.1.1 主程序工作流程图 ............................................. 22 4.2 时间和温度读取模块 ................................................. 23

4.2.1 读取DS1302的时钟 ........................................... 23 4.2.2 读取DS18B20的温度 .......................................... 24 4.4 E2PROM模块 ........................................................ 25 4.5 本章小结 ........................................................... 26 5 总体设计的展望 ........................................................... 27

5.1 创新点与应用范围 .................................................. 27

5.1.1 设计总结 .................................................... 27 5.1.2 创新点 ...................................................... 27 5.1.2 应用范围 .................................................... 28 5.2 展望 .............................................................. 28

目录

5.3 本章小结 .......................................................... 28

结 论 ..................................................................... 29 致 谢 ..................................................................... 30 参考文献 ................................................................... 31 附录1 ..................................................................... 32

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1 绪论

1.1选题背景

随着我国经济的发展和人民生活水平的大幅度提高，人们的消费观念变化很大，消费档次与水平都在提高，人们的生活品味越来越高，环境的个性化、环保化也越来越受到人们的重视，与之相关的休闲、居家装饰等行业相应的日显蓬勃发展趋势。人们开始渴望那大自然的宁静与和谐，而一个生机盎然、苍翠欲滴的鱼草水族箱不但可以给人带来无比宽松舒适的美感，更能调节居住环境，让人们感受那久违的大自然，让大自然的美景在自己的身边长存。水族行业正是在这种需求下应运而生的。

“水族箱”一词起源于英国，沿用至今已超过了150年。当时的定义仅仅是一个养动植物的水容器，而随着科技水平的不断进步，以及人们养殖观赏鱼和种植水草的水平的不断提高，水族箱不仅被认为是一个养动植物的容器，而且被认为是自然城的一个缩影，是一相对完备的生态系统。在早期，水族箱多用于展览馆、公园等大众化的场所供大家观赏，随着生活水平的提高，科技和水族养殖业的快速发展。水族箱已成为普通家庭的室内装饰。近年来，这种以水草、金鱼为主的水族箱被称作“水中微缩的鱼草园林”，深受人们的喜爱，但由于人们缺乏养护的技艺或者是由于时间原因不能及时进行养护，往往“好景不长”，最后的结局多是“草枯鱼忘”。

在家居环境或是休闲娱乐场所都有各种各样的鱼缸，而保持一个适宜鱼类生活的环境是一件非常耗精力的工作。针对鱼类生活环境的净化和改善的设备有很多，目前市场上常用的鱼缸控制系统有：水温控制、充氧控制、过滤控制等相关系统。但是由于产品繁多，功能不统一，而且大多是非智能化的、单一的恒温控制、充氧或照明系统。如果仅仅是把多个单独的设备组成一套多功能的鱼缸控制系统，需要投入的费用较大，同时多个单一器件机械化的组装之后，也存在一定的资源浪费。这样不仅增加了成本，重复投资，影响美观，而且功能使用不灵活、不方便，整体性能也无法得到提升。

因此，根据当前市场的需求，以鱼缸中的水温、溶氧量、光照等的控制为研究对象，形成一套集多个功能为一体的控制系统。该设计不仅解决了人们在日常生活中对鱼缸的维护问题，还对利用高薪技术改造原有的普通家居的发展有一定的实际意义和研究价值。

1.2国内外研究现状及发展趋势

随着经济水平的突飞猛进，装饰业的日趋兴起，人们对生活、家居品味的追求愈加重视，体现在经济形态中就是与之相关的休闲、居家装饰等行业日趋蓬勃发展之势。居住、

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工作环境的生动化、温馨化也越来越和人的精神、情操、新的生活观念紧密地联系在一起。休闲水族行业也正是在人类的这种需求下应运而生，并且近年来其快速发展之状况使其已经成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注，据最新资料显示：水族产品的日渐丰富，水族市场更加繁荣昌盛，水族行业产业规模的年增长率达到13.8%，仅北京就由传统的几个小市场，发展成8个大规模的市场。其市场空间的拓展速度也昭示着将有更多的投资机会点在这种新的经济形势下诞生。如今是国际水族产品看中国，许多国外大的采购公司都盯准中国这个市场，把长远的目标放在中国[2]。随着鱼缸产业迅猛发展，巨大的鱼缸市场的需求也极大推动了国内外各种鱼缸控制设备的研发和生产。

传统的鱼缸需经常换水和补充氧气，常配备两种设备：水泵和空气泵，用以清洁水体和补充氧气。但这些设备的工作时间会因季节、温度及饲养鱼的多少而不同。每天需要进行多次开停操作，这样的连续工作，会缩短设备的寿命，更不利于节能。

在观赏鱼饲养过程中的实践表明：市场上现有的鱼缸控制系统都是功能较简单的设备。

如灯光照明控制，只能人为的进行开关控制，光照时间短了就不能很好的满足鱼缸中鱼类，特别是水草的光照需求；时间长了超过水草光照需求，不仅不利于水草生长，而且还造成电力资源的浪费。如温度的控制，采用加热棒进行加热控制，由于加热棒本身采用双金属片温控以及手工控制加热棒的启停，造成温控精度较差，很难达到恒温效果。鱼缸的充氧，由于水溶解氧的特性决定，当水中溶解的氧气达到一定程度，或者鱼缸内鱼的密度不是太大，即使是在夏天也不必要一直充氧，可以采用间隔充氧和换水，否则再进行充氧都是多余的，也必然是浪费大量的电力资源。

因此，一些电路简单，能可靠工作和“自动间歇”的控制器也随之产生。扩展到鱼缸内其他参数的控制，市场上陆续出现了与鱼缸相关的控制设备。如鱼缸间歇充氧定时器、鱼缸自动恒温器、鱼缸灯光自动控制器等。由于这些设备的均各自独立工作，独立控制相应的环境参数，所以一个鱼缸中需配置几个独立的控制设备；而这些独立控制设备的价格一般都在100~200元，如果配齐整套控制设备，价格大概在1000~1500之间；因此，多功能型的鱼缸控制器的开发也受到了很多厂商的关注，陆续出现了多种为水族行业优化制作的多功能控制器，这些仪器集温度、灯光、充氧、报警等控制功能于一体。功能设计上追求性能稳定可靠安装、调试、维护方便。此外，这些控制器不仅可以广泛应用于家庭观赏鱼缸的养护管理；而且也适用于水族养殖业，尤其是宾馆、饭店、展厅、居家等对水系要求较高的观赏和经济水生物的养护。

1.3主要研究内容

本课题拟议ATMEL公司生产的AT89C52单片机为核心，同时结合传感器技术，设计

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一套适合各类水族箱的水位高度、水温度和水中氧气浓度为主要控制对象的水族箱智能控制系统。

本课题的主要任务是研制一套单片机系统，并使这套单片机系统可实现对水族产品进行智能控制和管理。整套系统能够完成鱼缸水质及环境参数的自动测量和智能控制。 本课题研究设计的控制系统主要特点是：

1．采用单片机控制设计，实现水族箱自动充氧、自动换水、冷热自动恒温、状态显示。大大提高智能化控制的能力，不仅降低了资源耗费，同时也降低了人力的付出。

2．人机操作界面采用数码、LED指示显示；操作设置实现多级菜单显示的方法。操作简单、方便，极具人性化特点。

3．产品整体设计具有技术的通用性，贴近实际的应用，易于推广和大规模生产。 根据系统要求和拟完成的功能特点，本课题研究的主要内容有：

1．总体设计：首先按照系统的应用场合，工作环境，控制对象等确定合理的设计方案，权衡利弊，仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能，形成系统的研究模型。

2．硬件设计：由于现在市场上各种芯片种类繁多，而且不断在推陈出新，因此必须按照系统要求，根据“性价比最高”原则，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，进而设计出最合理的硬件电路，通过实验随时对电路图进行修改，最终调试无误后，再制成印制电路板。

3．软件设计：利用模块化的程序设计方法，把系统应用程序按照整体功能划分为若干相对独立的程序模块，绘出程序流程图，各个模块单独进行设计，利用单片机C语言编程。

1.4课题研究的步骤

在设计开发过程中，严格遵循科学的研究方法，从课题的选择、系统功能规划、电路原理图设计、电路板设计、软件控制流程设计、软件程序设计等几大步骤逐一完成。具体的步骤分析如下所示。 课题的分析

1．总体论证：项目调研，可行性分析选定系统组成方案 2．总体设计：系统功能分配单片机系统的选型

3．硬件开发：元器件的配置，绘制硬件原理图设计印制电路板图，电气检查 4．软件开发：绘制软件功能框图，确定算法系统资源分配，编程，调试

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2 系统的总体设计

本系统的硬件由输入输出部分和控制部分组成。输入输出部分主要完成数据的采集、输入和输出控制、串口通信等；控制部分主要完成系统参数和控制参数的设定、数据存储/复位、时钟电路、LED显示和按键处理以及各路输入和输出指示等。

2.1概述

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器或嵌入式控制器。它将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU，ROM，RAM，并行I/O口，定时计数器，中断控制，时钟系统及总线等。它是工业控制和智能化控制系统中应用最多的一种模式。这种模式的最大特点是设计者可根据自己的实际需要开发，设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，成本更低。其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于模拟/数字转换的A/D，D/A接口，用于人机对话的键盘处理接口，LED和LCD接口，用于输出控制的电机接口等。然后再开发一些应用软件就可组成完整的单片机系统。

单片机有着体积小，功耗低，功能强，性能价格比高，易于推广应用等显著特点，在自动化装置，智能化仪器仪表，过程控制和家用电器等许多领域获得了广泛的应用。

从国内开发应用单片机的情况来看，自80年代初起步以来，以INTEL公司的MCS-48系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，取得了一定的应用成果。80年代中期以来，随着性能更强，速度更快的MCS-51系列的加入，单片机得到了更为迅速的推广和广泛的应用。目前，尽管16位和32位已为人们熟悉和了解，但在我国目前和今后一段时间内，8位单片机仍是实际应用中的主导品种。

2.2系统的设计要求

系统的总体设计要求如下：

1．鱼缸环境参数检测范围：由于鱼缸里各种鱼类和水草生长需要相对稳定的环境参数，这些环境参数包括：水位，含氧量，水温等。为了尽可能的保证环境参数在稳定的范围内波动，使鱼缸内的各种环境参数可以及时调整控制，本系统可预置温度上限为35°C，同时预置了水循环、充氧模式和恒温控制模式等。

2．实时显示温度，当前操作状态及当前系统时间。

3．当鱼缸里环境参数超过所设定的上下限时，能够发出声光报警信号，同时启动相

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应的执行机构动作，以完成对应环境参数的改变。

4．能够随时设置参数的上下限，能够设置系统的日期和时间。 5．能够将系统设置为自动和手动状态，以适应不同的需求。

2.3 系统总体方案功能

2.3.1 系统的功能组成与控制参数

1. 系统功能组成

该系统的开发是在充分了解并分析目前各类鱼缸控制器的前提下进行的，整个系统共分为以下几个功能子系统：即自动加热、自动/定时充氧系统、水位控制系统、自动水循环系统、自动照明系统。这些子系统都有各自的信号检测输入以及控制输出功能，并结合系统的时钟电路、数据存储电路/看门狗/复位电路以及各子系统的功能参数的设置与LCD显示电路，共同集成为一套功能完善的智能控制系统。

2. 系统控制参数

该系统的控制对象为鱼缸，控制的目的是能使系统自动调节，以提供水族最适宜的水质及生活环境。设计时需要注意的水质及环境参数有：水的温度，水的溶氧量，水位的高低，环境灯光，鱼的饵料等参数。下表2-1显示该控制系统对各项参数的处理。

表2-1 系统控制参数 项目 1 2 3 控制参数 水温 水位 水溶氧量 相应的处理措施 根据系统设定的温度范围控制加热器的启动、停止 根据水位高低控制进出水阀门的启动、停止 根据系统时间定时进行启动、停止 依据同一设计原理和方法，针对其他的环境要求，还可以进行不同环境参数的控制，以达到统一的设计，提高扩展能力。

2.3.2 系统的硬件结构框图

本系统以单片机为核心CPU，组成一个可以放置在鱼缸外独立运行，实现各路水质及环境检测信号的输入及各路控制信号的输出，从总体上讲，该系统硬件设计共包括两大部分：控制部分和输入输出部分，如图2-1所示。

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键盘设定数据采集电源电路时钟图2-1 系统硬件结构图

数码显示ＡＴ８９C５２单片机越限报警控制电路 其中控制部分包括：

1．中心控制模块。主要以单片机为核心，包括晶振，复位电路，扩展存贮器等。该模块的主要功能是将A/D转换器送来的数字信号进行运算处理，从而发出各种控制信号。

2．人机交互按键控制模块：实现系统各项功能的按键设置以及设置过程中的LED显示控制，以达到良好的人机交互功能。1）通过LED数码管显示参数值。2）通过键盘设定参数上下限。3）通过LED数码管和蜂鸣器产生超限声光报警。

3．时钟控制电路模块：实现系统绝对时钟和相对时钟的同步控制，是定时进行环境参数检测和各项控制器件启、停操作的关键。

4．数码显示模块：显示当前工作状态（用各种编号表示当前的温度、日期时间等），以及参数设置过程中的相应控制显示。

5．数据存储/复位模块：实现关键参数的存储，系统工作过程的监测以及异常情况的复位重启。

其中输入输出部分包括：

1．各路检测信号的输入模块：实现水族箱中各种检测传感器的信号输入，如温度检测、水位高低检测；该模块完成数据采集功能，主要由传感器，放大器，多路开关，A/D转换器等组成。传感器用来感应鱼缸环境参数的变化，并把非电量的变化为电信号。多路开关的作用是分时的选通某一路信号，将模拟电信号传输给A/D转换器，从而将模拟信号转化为单片机可以识别的数字信号。

2．各子系统的控制输出模块：根据检测到的各路信号分别控制相应的子系统进行工作，且各子系统的工作互不干扰，同时带相应的输出指示灯显示。该模块主要由光电隔离和各参数相应的执行机构组成。单片机通过将采集值进行比较处理，发出控制信号，传输给执行机构，从而对环境参数进行调节。其中执行机构是由双向可控硅进行控制，输出光电隔离与驱动部分完成弱电信号到强电信号的隔离与放大。

2.4 本章小结

本章论述了多功能鱼缸智能控制系统的总体设计要求，介绍了系统总体方案和功能组

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成，提出了系统的硬件结构框图；阐述了主要元器件的选取原则，并对主要芯片做了简要介绍；最后给出了软件设计方案和编程语言的选择。

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3 系统的硬件设计

本章详细介绍多功能鱼缸智能控制器的硬件结构和设计。主要包括数据存储/复位电路模块设计、时钟电路模块设计、系统电源模块设计、键盘控制与显示模块设计、温度控制模块设计、输出控制电路模块设计以及电路原理图等。详细阐明各电路设计中芯片的选型，芯片的内部组成、性能参数和功能特点，并设计出具体的硬件电路，下面就各部分主要电路做介绍。

3.1硬件总体结构

硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。本章主要论述该系统的硬件电路设计。本系统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发：

1．硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，系统升级简化等优点，还可降低成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。

2．可靠性及抗干扰设计，根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平局无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路，系统选用的DS18B20数字温度传感器也基于这方面的考虑。本系统大都采用了功能先进的DIP器件，因此从组件数、电路板空间、功耗、抗干扰及系统成本上都得以大幅度改善。

3．灵活的功能升级及系统扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级；并且，在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。功能扩展时系统应在原设计不需做很大变动的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指针。

根据系统要求及上面几个硬件设计原则，确定系统硬件原理图。系统以单片机STC89C52DIP为中央处理单元，由感温原件、水位传感器、LED数码管显示、蜂鸣器报警、1302时钟电路组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。

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3.2主要元器件的选取 3.2.1 单片机的选取

单片机按照其基本操作处理的位数可分为：1位机、4位机、8位机、16位机、32位机等。其中1位机和4位机结构简单，成本很低，但指令不丰富，且编程复杂，可用于简单的校制；16位机和32位单片机集成度高，性能优越，但是其价格目前比较贵，从而限制了广泛的应用；而8位单片机小巧灵活，指令丰富，性价比极高的优势使其产品占领目前整个单片机市场的60%以上份额，可以说8位单片机将在今后一段时间内仍是工业检测控制的主流机型。现在世界上比较著名的单片机生产厂家有美国INTEL公司，MOTOROLA公司，TI公司，MAXIM公司，NS公司，ATMEL公司等。

近年来，随着美国ATMEL公司的AT89系列单片机的推出和单片机C语言的广泛应用，MCS-51单片机有了进一步的活力.AT89系列以MCS-51为内核，兼容了MCS-51的硬件和软件，其主要优点在于：片内的程序存贮器采用闪烁存贮技术，具有电可擦除，电可编程，且编程和擦除时间短（4K字节存贮器编程约3秒，擦除时间10ms），并可反复编程，数据不易挥发，而且加密功能也大大增加了，能有效的防止用户程序被复制。时钟频率的提高使运算速度也加快了。产品中的20脚封装形式的机种，使其体积更小，更具应用灵活性，可方便的应用于家电产品及小型仪器仪表。 AT89系列单片机主要产品类型和特点如下表2-2。

表3-1 AT89XX系列芯片 单片机型号/存贮容量和类型 AT89C51/4KEEPROM AT89C52/8KEEPROM AT89C1051/1KEEPROM AT89C2051/2KEEPROM RAM 128 256 128 128 16为定时器个数 2 3 2 2 中断源个数 5 8 5 5 最高晶振频率/MHZ 24 24 24 24 封装引脚个数 40 40 20 20 经综合考虑，本系统决定选用美国ATMEL公司生产的AT89C52型单片机作为主控制器芯片，这种机型是该公司近几年推出的机型，其市场价仅几元/片左右，性价比极高，所以一经推出就得到了广大用户的青睐。 AT89C52芯片介绍

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k Bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256Bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为开发者提供许多较复杂系统控制应

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用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。

图3-1 AT89C52引脚图 图3-2 AT89C51引脚图 其主要功能特性 兼容MCS51指令系统 32个双向I/O口 时钟频率0-24MHZ 2个串行中断 2个外部中断源 2个读写中断口线 低功耗空闲和掉电模式

8k可反复擦写（>1000次）flash ROM 256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断 可编程UART串行通道 共6个中断源 3级加密位

软件设置睡眠和唤醒功能

由于AT89C52单片机内部片内资源丰富，有8K字节的闪烁存贮器，而本系统下位机程序主要用单片机C语言编写，编译后生成的代码较为简短，效率较高，8K字节的程序控件足够使用，且多余的程序存贮空间可作为将来扩展系统使用，故选此机型可以不必在外部再扩展程序存贮器，这样可以简化系统电路，减少系统成本。

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3.2.2 3-8译码器和LED数码管动态显示的选取

由于本设计用到6个LED数码管，而且LED静态显示需要占用较多的I/O口，且功耗较大，所以就采用动态扫描的方法来控制LED数码管的显示。 1.3-8译码器介绍

74hc138 3-8线译码器,译码器也称解码器，译码过程实际上是一种翻译过程,即编码的逆过程。译码器的输入是n位二值代码，输出是m个表征代码原意的状态信号（或另一种代码）。一般情况下有m小于等于2的n次方，即译码器输入线比输出线要少。译码器按其功能可分为三大类；

（1）变量译码器：将输入的二进制代码还原为原始输入信号。例如有两位二进制代码（0 ，1），可经译码器还原为四个信号状态（0，0）（0，1）（1，0) (1，1)

（2）代码变换译码器：用于将一个数据的不同代码之间的相互转换。例如二－十进制译码器可将8421码转换为十个状态。

（3）显示译码器：将数字、文字或符号的代码还原成相应的数字、文字、符号并显示出来的电路

74hc138 3-8线译码器/CD74HC138 ，CD74HC238和CD74HCT138 ， CD74HCT238是高速硅栅CMOS解码器，适合内存地址解码或数据路由应用。

hc138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在 高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。HC138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8 个输出端中译出一个

低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24 线译码器不需外接门;扩展成32 线译码器,只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。

图3-3 38译码器引脚图

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河北工程大学毕业设计说明书 表3-2 74HC138真值功能表 INPUTS 输入 ENABLE 使能 ADDRESS地址 E3 E2 E1 A2 A1 A0 X X H X X X L X X X X X X H X X X X H L L L L L H L L L L H H L L L H L H L L L H H H L L H L L H L L H L H H L L H H L H L L H H H Outputs输出 Y0 H H H L H H H H H H H Y1 H H H H L H H H H H H Y2 H H H H H L H H H H H Y3 H H H H H H L H H H H Y4 H H H H H H H L H H H Y5 H H H H H H H H L H H Y6 H H H H H H H H H L H Y7 H H H H H H H H H H L 表3-3 CD74HC238真值表 INPUTS 输入 ENABLE 使能 ADDRESS地址 E3 E2 E1 A2 A1 A0 X X H X X X L X X X X X X H X X X X H L L L L L H L L L L H H L L L H L H L L L H H H L L H L L H L L H L H H L L H H L H L L H H H

2.LED数码管及数码管动态显示介绍

Outputs输出 Y0 L L L H L L L L L L L Y1 L L L L H L L L L L L Y2 L L L L L H L L L L L Y3 L L L L L L H L L L L Y4 L L L L L L L H L L L Y5 L L L L L L L L H L L Y6 L L L L L L L L L H L Y7 L L L L L L L L L L H LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮。

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图3-4 数码管

数码管显示数据有两种方式：静态显示方式和动态（扫描）显示方式。

所谓动态显示方式，就是采用分时的方法，使各个数码管逐个轮流受控显示。在轮流点亮扫描过程中，每个数码管的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各个数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。在扫描显示方式中，所有数码管的8个笔划段a-h同名端连在一起，所有数码管接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，取决于COM端。扫描显示的优点在于消耗的系统资源少，占用的I/O口少，N个数码管只需（7+N）个引脚（（若需要显示小数点，则是8＋N个引脚）。其缺点是控制起来不如静态显示方便。

3.3 各模块硬件设计 3.3.1 时钟电路设计

本系统采用DS1302芯片完成系统绝对时钟和相对时钟电路的设计。 1．DS1302芯片介绍

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到3个口线：1）RES（复位），2）I/O（数据线），3）SCLK（串行时钟）。时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息功率小于1mW。

管脚描述

X1，X2 →32.768KHz晶振管脚 GND RST

→地 →复位脚

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I/O Vcc1 Vcc2

→数据输入/输出引脚 →串行时钟 →电池供电管脚 →电源供电管脚

SCLK

图3-5 1302时钟电路图

2．时钟电路

系统设计该时钟电路，主要用于鱼缸智能控制系统主机的时钟显示，时钟晶振采用3.2KHz，提供3.3V的备用电池，一旦外部电源中断，系统由该备用电池保证时钟正常运行。时钟电路图如图3-1所示。

作为控制鱼缸各种操作的相对时钟，用来实现打氧的时间控制。

同时，也可作为系统扩展其他功能时使用，如闹钟提醒，事件定时，信息备忘，并为事件查询提供时钟。

3.3.2 键盘控制与显示模块设计

该电路中采用了LED数码管与普通的按钮组成。

该键盘控制与显示电路包含了复位电路、晶振电路、LED显示电路和按键控制电路四大部分。很好的实现了各功能参数的设置。

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图3-6 键盘控制、显示电路与复位电路图

3.3.3 温度控制模块

1．DS18B20芯片介绍

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器[13]，具有3引脚T0-92小体积封装形式；温度测量范围为-55°C~+125°C，可编程为9位~12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625°C，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20内部结构如图3-3所示

图3-7 DS18B20内部结构

主要由4部分组成：64位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的管脚排列是：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接电源输入。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64为ROM的循环冗余效验码（CRC=X8+X5+X4+1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20

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的目的。 2．温度检测电路

芯片DS18B20的引脚2与单片机P3.6口连接。使用外部5V电源供电，为保证在有效的DS18B20时钟周期内，提供足够的电流，需要接4.7K上拉电阻。电路图如图3-4所示。

图3-8 温度检测电路图

3.3.4 其他模块设计

1．蜂鸣器模块设计

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

图3-9 蜂鸣器电路设计

2．水位检测模块设计

本设计是通过一种浮子液位开关来实现水位的检测，浮子液位开关的原理是利用浮球液位开关的磁性浮子随液位的升或降，使传感器检测管内设定位置的干簧管芯片动作，发出接点开（关）的信号。

在密闭的非导磁性管内安装有一个或多个干簧管，然后将此管传过一个或多个中空且内部有环形磁铁的浮球，液位的上升或下降将带动浮球一起上下移动，从而使该非导磁性

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管内的干簧管产生吸合和断开的动作，从而输出一个开关信号。

浮球开关是一种结构简单、使用方便、安全可靠的液位控制器件，它具有比一般机械开关体积小、数度快、作用寿命长，与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强的特点，其在造船、造纸、印刷、发电机设备、石油化工、食品工业、水处理、电工、染料工业、油压机械等方面得到了广泛的应用。

图3-10 浮球液位开关

产品特点：

1. 可做多点控制，控制开关可随液位位置定制。 2. 用磁簧开关不需要单独提供电源。

3. 单支可做多点控制，相对比其它液位开关单价低。 4. 可靠性高，配线成本低，安装容易。

5. 可适用与不同密度、不同酸碱、不同压力及温度的液体。

具体电路图如图 3-7 所示

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图3-11 水位开关电路

J90和J91的1、2脚分别和浮子液位开关杆上部和下部的磁簧开关相连通，当带有

磁性材料的浮子随水位移动到水位的上下限位置时，就会触动开关，从而产生开关量，经P2.3和P2.4传回单片机，单片机给进出水阀门电机发出控制信号，实现对水位的控制。

3. 继电器控制电机模块

在冬天，水族箱中的水温比较低，有时天气发生突变，室温过低时，这是就需要给水族箱加热，以免让鱼类冻伤，而加热到合适温度时，也需要断开加热器。所以当水温传感器DS18B20传回水温数据跟单片机设定的水温下限比较，过低时，这时单片机要发出控制指令，开动加热器，给水族箱加热，使观赏鱼免遭冻伤。合适温度时，单片机同样发出指令，断开加热器电源。

对于定时充氧电路，每隔一段相同的时间时，单片机同样发出指令，开动充氧电机，给水族箱补氧，定时的开动一段时间电机，以维持水中的含氧量。

水族箱中的浮子液位开关当测得水位低于程序设定的水位值时，这时也需要给水族箱注水，这就需要开动小水泵。

所有这些水族箱的配备电机，都需要用到继电器弱电控制强电的原理来控制电机开动，以便时刻控制水族箱的各种环境参数，维持观赏鱼适宜的水中环境。

继电器的原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是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、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静

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触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的。

4. 继电器的选用

本设计选用的为HK4100F-DC5V-SHG继电器。它有6个引脚，其中2、5脚为线圈。1、6脚为公共端。3、4脚一个常开一个常闭。如图3-7所示。

图3-12 继电器引脚图

其内部原理图如图3-13所示

图3-13 继电器内部原理

二极管D1、电阻R3、LED9、PNP三级管T5、电阻R20是外部跟继电器相连的辅助元件，J1和CN2是继电器的内部结构。

三极管T5的基极B接到单片机的P2.5，三极管的发射极E接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到+5V的电源VCC上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电动势击穿三极管T5及干扰其他电路；R3和发光二极管LED9组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合的时候，LED9点亮，这样就可以直观的看到继电器状态了。

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在原理中具体电路如图3-14所示。

图3-14 继电器的电路图

本设计所用到的水泵、加热器、贮氧器都是通过继电器的吸和来控制的，所以说继电器对本设计有着很重要的意义。继电器的模拟图如图3-8所示。

图3-8 继电器外部电机连线模拟图

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3.4 本章小结

本章介绍了鱼缸控制器硬件系统的设计方案，从器件选型、经济成本、原理图设计、结构分析、功能实现等多个方面阐述硬件各部分的结构原理，包括微处理器单元、数字测温单元、实时时钟单元、输入输出控制单元等。

至此，本章完成了硬件部分的设计，把这些接口电路组合起来就得到总得设计电路图。

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4 系统的软件设计

软件设计是水族箱智能控制系统设计的主要内容和重点，应该根据系统功能要求，以系统硬件电路为基础进行系统的软件设计。为了使设计出来的软件功能明确，阅读、调试方便，健壮性、可靠性好，一般采用结构化的程序设计方法。结构化的程序设计包括三方面的工作：自顶向下的设计、模块化编程和结构化编程。除此之外，有时还需要加强软件抗干扰设计，以提高程序的可靠性。

单片机系统程序采用单片机C编程语言进行开发的，整个单片机系统的程序共分为六个模块，即主程序模块、时钟模块、温度采集模块、屏幕显示模块、蜂鸣器与延时模块、E2PROM模块每个模块都具有一定的功能，其中有的模块还包含一些子模块，即相互独立又相互联系，低级模块可以被高级模块调用。

4.1 主程序工作流程

系统软件主程序是检测鱼缸内各种环境参数，从而进行鱼缸智能控制的主监控程序，按照软件模块化设计的原则，将系统功能划分为多个子任务，每个子任务由对应的子程序来实现；再将这些子程序有机地整合在一起，从而实现温度、水位、氧气等参数的采集功能。这样的设计，一方面可以理清设计者的思路，再者，模块化的设计，可以方便编写与调试程序。

4.1.1 主程序工作流程图

系统监控主程序的工作流程图见图4-1所示，监控主程序主要完成以下工作： ⑴对系统进行初始化 ⑵时间显示 ⑶检测温度 ⑷监控设置按钮

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图4-1主程序流程图

4.2 时间和温度读取模块

本系统最为关键的两个控制参数为时间和鱼缸温度，在前一章中已经介绍了实时时钟电路DS1302芯片和DS18B20单线数字温度传感器的作用，所以下面简单介绍系统实现对DS1302的时钟读取和对DS18B20的温度读取。

4.2.1 读取DS1302的时钟

从DS1302中读取时钟的过程是：依次从DS1302的相应存储位置读取年、星期、月、日、时、分、秒，而且这些值以BCD码形式被读取，在其他程序调用时，必须进行转换。主要读取函数如下：

1．时钟芯片初始化 2．读取时间

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3．修改写入时间

DS1302工作流程图如图4-2所示

图4-2 时间显示流程图

4.2.2 读取DS18B20的温度

从DS18B20中读取温度的过程是：首先获取DS18B20中的温度值，该温度值为BCD码形式，然后通过转换，以十进制形式输出温度值，且此时输出的温度值含有两位小数，但输出时没有小数点，输出的温度值是实际温度的一百倍。它的步骤如下： （1）初始化函数

（2）读取温度传感器的温度 （3）计算实际温度值

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如果测得的温度大于0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625才能得到实际温度。 DS18B20工作流程图如下，写DS18B20指令字节的流程图如图4-3所示。

开 始 进位标志位清零 数据端清零 延时（15us） 循环右移一次 进位标志位值送数据端 延时（30us） 数据端置高（拉高数据线） N 指令字节写完？ Y DS18B20写返回 图4-3 写DS18B20指令字节的流程图

4.4 E2PROM模块

本系统中设置各个参数的值都离不开E2PROM的，因为本系统采用的是STC89C52型单片机，自带4KE2PROM只需要在程序中对E2PROM调用即可，调用的步骤如下。

1．擦除指定的扇区 2．写一字节 3．读一字节

其中的擦除扇区，没有字节擦除，只有扇区擦除。如果要改变扇区中的某个字节，保留其它字节内容不变，必须先把其它字节读出来保存，然后擦除整个扇区，再把改动的字

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节内容和保存的其它字节内容写入扇区。所以最好把数据放在不同的扇区中。扇区读写的时间短，擦除的时间比较长，要注意扇区擦除函数的调用位置，比如最好不要放在定时中断中。

4.5 本章小结

综合本系统软件的设计，有如下几个特点：

1．采用模块化的程序设计方法，使整个程序结构清晰，并具有开放性的特点，易于移植、修改和扩展。

2．系统采用单片机C语言软件开发，C语言在功能上、结构性、可读性上有明显的优势。而且使用KeilC51软件开发环境，该开发环境提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

3．重点介绍了采样值的处理、工作状态的处理以及如何实现按时间段循环控制实时任务的设计技术。

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+5VR14.7KR24.7KR34.7KR44.7KR54.7KS1+5VSW-PBS2R?R?R?R?R?R?R?RES2RES2RES2RES2RES2RES2RES2Q?VCCSW-PBS4SW-PBS5SW-PBU1A9VCC10uf82110KR6821SW-PBC5S6P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5/MOSIP0.4P1.6/MISOP0.5P1.7/SCKP0.6RSTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INTOPSENP3.3/INT1P2.7P3.4/T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0VCCAT89S52+5VCRYSTALU2BELL30pCAPQ3PNP1VCC4321GNDNCNCNC4.7KR13+5VDS18B20DQVDDNCNCP3.6R8P3.04.7K5678VCCDA1A012345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221SW-PBS3DS112345678DPYaabcfbgdeecdfgdpdpDS212345678VCCDPY_7-SEG_DPDPYaabcfbgdeecdfgdpdpDS312345678VCCDPY_7-SEG_DPDS4DS5DS6DPYaabcfbgdeecdfgdpVCCdp12345678DPYaabcfbgdeecdVCCfgdpdp12345678DPYaabcfbgdeecdVCCfgdpdp12345678DPYaabcfbgdeecddpfgdpDPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPVCC液位浮子开关112CON2P3.24073U2A9液位浮子开关212CON2A2A1A0BT1Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7E1E2AE2B74HC138140734321GNDNCNCNCDS18B2030pCAPDQVDDNCNC5678R74.7K12MHZ附 录

D1DIODET1AC220VTRANS1D3U?VOLTREG42BRIDGE1C11000ufC210uf3P2.6P2.7P1.71VinVout3+5VGNDC310uf2C4100ufR121kD2P2.5LED0Q1PNP1Q2PNP1Q3PNP1Q4PNP1+5V3.3VK1RELAY-SPDTK2RELAY-SPDTK3RELAY-SPDTK4RELAY-SPDTR910KR1010KR1110K3.2KHZVCC继电器指示灯1BT?BATTERY+继电器指示灯2继电器指示灯3继电器指示灯41234VCC1X1X2GNDVCC2SCLKI/O/RST5678P3.3P3.4P3.5定时充氧泵A-加热棒MG1出水阀门电机MG2进水阀门电机DS1302附录1

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