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毕业设计(论文)-基于单片机的家庭水族箱控制系统的研究与开发.doc

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毕业设计(论文)-基于单片机的家庭水族箱控制系统的研究与开发.doc

目录目录摘要..........................................................................................................................................................................................IABSTRACT..............................................................................................................................................................................II家庭水族箱控制系统的研究与开发...................................................................................................................................1第一章绪论.............................................................................................................................................................................11.1研究的目的....................................................................................................................................................................11.2国内外研究发展状况、水平.....................................................................................................................................11.3研究的主要内容、预期目标.....................................................................................................................................2第二章系统的硬件的研究与开发.....................................................................................................................................22.1主控制芯片电路设计..................................................................................................................................................22.2系统电源模块设计....................................................................................................................................................52.3水温探测/水位测量模块...........................................................................................................................................62.3.1DS18B20芯片............................................................................................................................................................62.3.2水温探测电路...........................................................................................................................................................82.3.3浮子液位开关电路..................................................................................................................................................92.4按键与液晶显示模块................................................................................................................................................102.5继电器控制电动机模块...........................................................................................................................................122.5.1继电器的原理.........................................................................................................................................................132.5.2继电器的选用.........................................................................................................................................................132.6指示灯电路与蜂鸣报警模块...................................................................................................................................16第三章系统软件的研究与开发........................................................................................................................................173.1软件设计方法.............................................................................................................................................................173.2主程序模块..................................................................................................................................................................173.31602液晶显示处理程序..........................................................................................................................................223.4延时DELAY程序模块..................................................................................................................................................253.5DS18B20温度采集模块.............................................................................................................................................25第四章结论...........................................................................................................................................................................28鸣谢.......................................................................................................................................................................................28值此论文完成之际,谨向本人的导师王老师致以最诚挚的敬意和由衷的感谢。从课题的选定、资料的准备、研究直到论文的修改等各个环节都得到了王老师的细心指导。王导师渊博的学识、严谨认真的治学态度、实事求是的工作作风、朴实真诚的为人态度,使本人受益匪浅。..............................................28参考文献..................................................................................................................................................................................29附录一系统设计原理图.....................................................................................................................................................30摘要I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。本论文设计了基于89系列单片机的家庭水族箱控制系统。整套系统以STC89单片机为核心芯片,结合了传感器探测技术、继电器原理、C语言编程等技术。设计能够根据箱中的水温、水位等数据,经单片机处理后给出及时的控制指令,从而调节水族箱的环境参数,达到以维持箱中鱼生存环境稳定的目的。整个系统设计分为硬件和系统软件两大部分。硬件部分有6个模块,分别是主控制芯片模块设计、系统电源模块设计、水温探测/水位测量模块、按键与液晶显示模块、继电器控制电动机模块、蜂鸣报警模块。软件部分进行了模块化设计,各个模块之间相互独立。通过调试期间的运行,实践证明本设计的水族箱控制系统有操作简明、运行可靠、硬件设计灵活、成本低廉的特点。关键词水族箱单片机智能化控制系统传感器技术ABSTRACTIIABSTRACTNowmoreandmorefamiliesandpublicplacesareplacedallkindsofaquaticanimalsboxforleisureordecoration.Butmostsmallfamilyaquaticanimalsboxequipments,forexamplewatertemperaturesensor,heatingpipes,liquidlevelswitch,allneedpeoplemanualoperation,whichgiveownersbringalotoftrouble.Becauseofthebusywork,sometimespeopleignoredthefishscare,whichwillcausedamagetothem.Throughtheanalysisandresearchoftheaboveshortcomings,thispaperdesignedfamilyaquaticanimalsboxcontrolsystemthatbasedon89seriesmicrocontroller.WithSTC89microcontrollerascorechip,acompletesystemhascombinedsensordetectiontechnology,relaysprinciple,technologysuchastheCprogramminglanguage.Accordingtotemperatureandwaterlevel,singlechipcomputerprocessingdatasuchasafteratimelycontrolinstructionscangive,controlwaterpump,heaterequipment,Whichadjusttheaquaticanimalsboxtomaintainenvironmentalparametersforachieveingthepurposeoffishsurvivalenvironmentsteady.Thewholesystemdesignisdividedintotwopartsthatishardwareandsoftware.Hardwarecircuithassixmodules.theyaremaincontrolchipmoduledesign,systempowersupplymoduledesign,watertemperaturedetection/waterlevelmeasurementmodules,buttonsandLCDmodule,relaycontrolmotormodule,buzzalarmmodule.Thesoftwareismodulardesign.TheindependentmodulesaredividedintofourbigClanguageprogram.Theyaremainprogram,1602LCDprocessingprocedures,delaythecallingprogram,temperaturesensorDS18B20program.Throughtheoperationduringcommissioning,itshowsthatthisdesignaquaticanimalsboxcontrolsystemhasoperationsimple,reliableoperation,hardwaredesignflexibility,lowcostcharacteristic.KEYWORDSAquaticanimalsboxSCMIntelligentControlsystemSensortechnologyxxxx届本科生毕业论文-1-家庭水族箱控制系统的研究与开发电子信息工程,指导教师第一章绪论1.1研究的目的随着人们生活水平的不断提高,各中观赏娱乐电器丛出不穷,其中水族箱就开始进驻不少家庭,五颜六色,美轮美奂的观赏鱼让人醉心不已。它不但可以给人带来无比宽松舒适的美感,更能调节居室环境,使人寻回那久违的绿色、鲜活的鱼类,让大自然的美景在自己的身边长存1。但人们不可能每时每刻的调控着水族箱中的合适的温度和氧量,这也就蕴育而生了水族箱控制系统。通过研究她,使她能够自动的调节水族箱里的水温和水里的含氧量,从而营造出适合观赏鱼健康生存的水环境。针对水族箱的控制问题,也陆续出现了各种控制水族箱水温、水位、充氧和排水的设备,如过滤器、加热器、加氧泵等改善水环境的设备。但是由于产品繁多,功能不同意,而且大多是非智能化的,单一的恒温控制、充氧或是排水的系统。如果组成一套完整的结合一体的控制系统,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。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3。因此,本设计以家庭中水族箱的日常养护为背景,以水族箱中的水位、水温、溶氧量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,这对利用高新技术改造原有的水族箱及传统规模化水产养殖产业的自动化发展具有较大的实际意义和研究价值。1.2国内外研究发展状况、水平现代的水族箱饲养始于1851年的英国万国工业博览会上。原始的水族箱只是有框架的水族箱,很简陋,水族箱的加热也只是底部为金属板的简单加热。现代电力技术使水族箱系统科技不断地发展,现在相关的人工照明、通风、过滤、水温加热等一整套控制系统的发明都成为可以相互协调的一个系统。水族生物应可长期存活,并仿照天然栖息环境。我国水族箱控制系统的发展起步比较晚。二十世纪八、九十年代中国的改革开放,随着人们的生活水平的提高,观赏鱼水族箱开始进入人们的生活中,近年来其快速发展的状况使其成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注。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。而在刚开始的饲养过程中,水族设备市场上的鱼缸控制系统都是功能比较简单的设备。如水族箱温度的控制,人们采用的是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,造成温度控制精度较差,无法进行准确的供热,对于水温的恒温控制造成了难度。再如水族箱的供氧问题,由于水溶解氧的特性决定,xxxx届本科生毕业论文-2-水中氧气的浓度是有限度的,达到水中氧气一定的程度时,或者鱼缸内鱼量密度不高时,即使是在夏天时节也没有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,也必然浪费大量的电力资源。电路简单,能分担人们不必要的手工的水族箱控制电路系统也随之而生。水族箱中各种参数的控制,也产生了相关的控制设备。如间歇充氧定时器,有自动水温控制器、自动喂食器、灯火自动控制器等这些设备各自独立运行,控制相应的箱内参数,所以造成独立的控制设备配置数量繁多,不但购买独立的设备耗费资金多,而且不利于整个系统的操作。因此多功能组合的水族箱电子控制系统的设计是很有必要的。1.3研究的主要内容、预期目标本设计拟用STC公司生产的STC89C52单片机为核心,运用温度传感器技术、水位传感器技术,设计一款多功能的水族箱控制系统本设计的预期目标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箱进行智能控制和管理,能够完成水温、水位等环境参数的自动测量和智能控制。本研究设计的控制系统主要特点是(1)采用单片机控制设计,实现水族箱自动测温、自动测水位、自动加热、自动充氧等功能。(2)人机操作界面采用数码、LED指示显示操作简单、方便,极具人性化特点。根据系统要求和要完成的功能特点,本课题研究的主要内容有(1)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,选择既合适又运行可靠的芯片和元器件,从而设计出最合理的硬件电路,并用PROTEL电路设计软件画出正确的电路图,然后通过随时对电路图的修改,无误后,在制成印刷电路板。(2)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。第二章系统的硬件的研究与开发本章详细介绍多功能水族箱控制系统的硬件结构和设计。主要包括主控制芯片模块设计、系统电源模块设计、水温探测/水位测量模块、按键与液晶显示模块、继电器控制电动机模块。详细阐明各电路设计中芯片的选型,芯片的性能参数和功能特点,并设计出具体的硬件电路。本系统整体电路图详见附录一,下面就各部分主要电路作介绍。2.1主控制芯片电路设计单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(MicroControllerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理xxxx届本科生毕业论文-3-器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。6早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。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MCS48系列单片机为主导机种,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MCS51系列的加入,单片机得到而来更为迅速的推广和广泛的应用。目前,在我国目前和今后一段时间内,8位的MCS51单片机仍然是实际应用中的主导品种4。16位和32位单片机性能优越,但是他们的价格比较贵,从而不能广泛的应用。1位和4位单片机结构简单,成本也低廉,但是编程指令集不丰富,程序也复杂。而8位的单片机指令丰富,性价比很高,是工业检测控制的主流机型。因此本系统选择由宏晶科技公司生产的STC89C52单片机作为系统的主芯片。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROMFlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。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5。单片机总控制电路如图2.1所示。xxxx届本科生毕业论文-4-图2.1单片机总控制电路STC89C52具体介绍如下①主电源引脚(2根)VCCPin40电源输入,接+5V电源GNDPin20接地线②外接晶振引脚(2根)XTAL1Pin19片内振荡电路的输入端XTAL2Pin20片内振荡电路的输出端③控制引脚(4根)RST/VPPPin9复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROGPin30地址锁存允许信号PSENPin29外部存储器读选通信号EA/VPPPin31程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令6。④可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。PO口(Pin39~Pin32)8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7。它与液晶显示屏1602的数据输入口DB1DB7相接。P1口(Pin1~Pin8)8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7。其中P1.0与蜂鸣器相连,

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