多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计-机械工程硕士论文

东南大学 硕士学位论文 多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计 姓名：葛华 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：蒋全兴;钱国宝 20070501 中文摘要 多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计 工程硕士研究生：葛华 指导老师：蒋全兴教授 ( 东南大学机械工程学院) 摘要：随着人们物质生活的改善和欣赏能力的提高，观赏鱼缸之类的工艺产品逐渐 进入了家庭和宾馆、商场等公共场所。但是，目前市场上的观赏鱼缸的水温检测、液位 控制、水循环、喂食等操作都需要人为的手工进行，这就给人们带来了很大的麻烦和不 便。 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。该控制系统以单片机为控制核心，结合传感器技 术，集多种控制功能于一体，包括恒温、自动照明、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，同时在系统中设计一 个通信模块，可实现对鱼缸的远程控制和管理。整个系统分为两个部分：第一部分是以 8 9 C 5 2 为核心的控制部分，实现对各种控制参数的设置、存储、显示和处理。第二部分 是以2 0 5 1 为核心的输入输出部分，用于采集由传感器传送过来的各种检测信号，并输出 多路信号实现对鱼缸相应功能的实时控制，两部分之间以串口进行通讯。为实现多台鱼 缸控制器的集中管理，提出基于4 8 5 总线的上下位机的通信结构，设计硬件电路原理图， 并进行了程序设计。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。 通过较长时间的运行测试，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：鱼缸；自动控制；单片机；串口通讯；4 8 5 总线 英文摘要 T h eD e s i g no fm u l t i - f u n c t i o n a li n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m i na q u a r i u m B y ：G e H u a S u p e r v i s e d ：P r o f J I A N GQ u a n x i n g ( S c h o o lo fM e c h a n i c a IE n g i n e e r i n g ，S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ) A b s t r a c t ：、榭lt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sm a t e r i a ll i f ea n da p p r e c i a t i n ga b i l i t y , s u c hc r a f t s 8 5a q u a r i u mg r a d u a l l ye n t e rh o u s e sa n d p u b l i cp l a c e sl i k eh o t e l sa n dd e p a r t m e n ts t o r e s B u ta s f o rt h ea q u a r i u m sf o u n di nt h ep r e s e n tm a r k e t s ，w a t e rt e m p e r a t u r et e s t i n g , w a t e rl e v e lc o n t r o l ， w a t e rr e c y c l i n ga n df o o df e e d i n ga r ea l lm a n u a l l yp e r f o r m e d , b r i n g i n ga b o u tal o to f t r o u b l e s a n di n c o n v e n i e n c e s T h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n ds t u d i e st h ec u r r e n ta p p l i c a t i o n so f m o s ta q u a r i u m s c o n t r o l d e v i c e sa n dm a k e so u tad e s i g no fm u l t i f u n c t i o n a li n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi na q u a r i u m T h i sc o n t r o ls y s t e m t a k i n gc h i pm i c r o p r o c e s s o r sa st h ec o n t r o lc o r ea n dc o m b i n i n gs e n s o r t e c h n o l o g y , h a sr e a l i z e dm u l t i f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gc o n s t a n tt e m p e r a t u r e ，a u t o m a t i cl i g h t i n g ， a u t o m a t i c a l l yc h a n g i n gw a t e r , a u t o m a t i c a l l yf e e d i n gf o o da n da u t o m a t i cw a t e rr e c y c l i n g I t c a na l s oi c r e a s ec o n 仃o lp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt on e e d s b r i n g st h ec o s t su n d e rc o n t r o lb y s e l e c t i n gd i f f e r e n tc o m p o n e n t s ，a n dp r o g r a m sac o m m u n i c a t i o nm o d u l ei n t ot h es y s t e ms oa s t or e a l i z et h el o n g d i s t a n c ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h ea q u a r i u m T h ew h o l es y s t e mf a I l s i n t ot w op a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h ec o n t r o lp a r tw i t h8 9 C 5 2a st h ec o r et os e t ，s t o r e ，s h o wa n d p r o c e s st h ec o n t r o lp a r a m e t e r s ；t h es e c o n dp a r ti st h ei n p u ta n do u t p u tp a r tw i t h2 0 5 1a st h e c o r et oc o l l e c tt h et e s t i n gs i g n a l ss e n tb yt h es e n s o r sa n do u t p u ts i g n a l st or e a l i z et h e s y n c h r o n i cc o n t r o l so ft h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n s I no r d e rt or e a l i z e st h ec e n t r a l i z e d m a n a g e m e n to fm a n yc o n t r o l l e r si na q u a r i u m h a v ep r o p o s e dt h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e b a s e do n4 8 5b u s e sb e t w e e no n e c h i pc o m p u t e ra n dp c ，a n dt h ec i r c u i tp r i n c i p l ep i c t u r eo f t h e h a r d w a r ea n dt h ep r o g r a mh a v ed e s i g n e d T h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h i sc o n t r o ls y s t e mf r o m f o n e t i o nd e s i g n ，c o m p o n e n t ss e l e c t i o n ，c i r c u i td e s i g no f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n T h r o u g hac o m p a r a b l yl o n gt i m eo fp e r f o r m i n gt e s t ，t h i ss y s t e mi sp r o v e dt ob es t a b l ei n p e r f o r m i n g ，r e l i a b l e ，e a s yt ou s ea n de c o n o m i c a li ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n I na d d i t i o n ，i th a s f l e x i b l ed e s i g n ，s i m p l ec o n s t r u c t i o na n dl o wC O S t s ，m a k i n gi te a s yt ob em a n u f a c t u r e do na l a r g es c a l e T h i ss y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di nf a m i l i e sa n dh o t e l s ，e t c K e y w o r d s ：a q u a r i u m ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；c h i pm i c r o p r o c e s s o r s ；s e r i a lc o m m u n e t i o n ；4 8 5b u s e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 I 选题背景 第一章绪论 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位越来越高，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地日显蓬勃发展之势。工作生活在“钢筋水泥丛林”里的都市人承 受着种种压力，心底里无不渴望寻回那身处自然的宁静与和谐，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。“水族”行业正是在这种需求下应运而生的。 “鱼缸”又称“水族箱”，“水族箱”一词起源于英国，沿用至今己超过了1 5 0 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，而且被认为是自然域的一个缩影，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“草桔鱼亡”。 针对水族箱的养护问题，市场上也陆续出现了各种控制鱼缸水温、排水、充氧和照明的设备， 如过滤器、加热器、加氧泵等改善水质的设备。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、充氧或是照明的系统。如果要组成一套完整的集恒温、充氧和照明功能 为一体的控制系统，往往需要购置多个设备分别安装需要投入的费用较大同时多个单一系统机 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，本文以家庭中鱼缸的日常养护为背景，以鱼缸中的水位、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家庭 水族以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、家居品位的追求愈加重视，体现 在经济形态中就是与之相关的休闲、居家装饰等行业日显蓬勃发展之势。居住、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1 3 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。1 。随着水族箱产 品迅猛发展，巨大的水族箱市场的需求也极大推动了国内外各种水族箱控制设备的研发和生产。 传统的水族箱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 I 查堕查兰三堡堡主兰竺堡奎 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 缸自动水循环控制器、鱼缸自动喂食器、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1 0 0 2 0 0 元如果配齐整套控制设备，价格大概在1 0 0 0 1 5 0 0 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、过滤、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。 相对于目前的水族行业市场的极大需求，多功能鱼缸控制器的研发生产仍处于初步时期，相应 的产品也处于供不应求的阶段。因此，本课题根据目前国内外水族行业的发展状况，结合水族箱的 养护需求，同时分析行业中水族箱控制设备的研发和产品的特点，进行总结，自主设计开发了价格 低廉，操作简单，节能环保，集恒温控制、自动充氧、自动水位控制进捧水、自动照明和自动喂食 等多功能与一体的鱼缸智能控制系统。 1 3 主要研究内容 本课题拟以A T M E L 公司生产的A T 8 9 C 5 2 单片机为核心，同时结合传感器技术，设计一套适合各 类水族箱的以水位高度、水温度，水中氧气浓度、灯光和鱼饵料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，实现水族箱节电模式、自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、水溶 解氧自动检测、自动照明、状态显示、掉电保护和数据存储、网络远程集中管理扩展等功能。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、L E D 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 ) 设计上下位机通讯端口，通过R S - 4 8 5 总线实现远程数据采集、显示和控制管理。 ( 4 ) 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，从而设计出 最合理的硬件电路，并用P R O T E L 电路设计软件画出正确的电路图，然后在单片机开发装置的面包板 上搭出实验电路，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。 ( 4 ) 单片机与P C 机通讯。包括4 8 5 通讯接口电路的设计通讯协议的确定以及通讯软件的编程。 2 第一章绪论 ( 5 ) 系统的调试与运行。在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查错和修改然 后把调好的程序联成一个完整的系统程序，再进行联机调试，在线仿真，最后组装样机，脱机运行， 通过试运行对系统进行检测，以验证系统的功能。 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、软件程序设计以及样机制作调试，整机运行测试等几大步骤 逐一完成。具体的步骤分析如图1 1 所示“1 。 课题的提出 上 总体论证： 项目调研，可行性分析 选定系统组成方案 上 总体设计： 系统功能分配 单片机系统的选型 上 上 l硬件开发：软件开发： I 元器件的配置，绘制硬件原理图绘制软件功能框图确定算法 I设计印制电路板图电气检查系统资源分配，编程，调试 l 上 联机调试： 检查硬件排除故障 装入软件反复调试 上 脱机运行考核： 模拟现场运行 考核系统的稳定性和可靠性 图1 1 课题研究的步骤 F i g I IT h et e c h n o l o g yr o u t eo f r e s e a r c h 第二章鱼缸智能控制系统的总体设计 第二章鱼缸智能控制系统的总体设计 本系统的硬件采用双C P U 结构设计由输入输出部分和控制部分组成主从机模式。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、数据存储看门狗复位、时钟电路、数码管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C P U 。R O M ，R A M ，并行I O D ，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 O ，D A 接口，用于人机对话 的键盘处理接口，L E D 和L C D 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，f l S O 年代初起步以来，以I N T E L 公司的M C S - 4 8 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。8 0 年代中期以来，随着性能 更强，速度更快的M C S - 5 1 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1 6 位和3 2 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5 1 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，溶氧量，照明，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3 5 “ C ，同时预置了6 种水循环、充氧 模式，照明模式和恒温控制模式等。 ( 2 ) 实时显示温度，湿度，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。 ( 6 ) 设计通信接口，实现P C 上位机通过通信接口远程监测鱼缸中的各种环境参数并进行远程控制。 2 3 系统总体方案与功能 2 3 1 鱼缸智能控制系统的功能组成与控制参数 ( 1 ) 系统功能组成 4 东南大学工程硕士学位论文 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：即自动加热制冷恒温控制、自动定时充氧系统、自动水位控制系统、自动水循 环系统、自动照明系统、自动喂食控制系统等。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 L E D 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 T a b l e2 - 1P a r a m e t e r so fs y s t e mc o n t r o l 项目控制参数相应的处理措施 1水温 根据系统设定的温度范围控制加热器的启动、停止 根据含氧量控制氧气泵启动、停止 2 水溶氧量 或者根据系统时间定时进行启动、停止 3 水位根据水位高低控制进水阀的启动、停止 4 灯光根据系统设定时间定时控制灯的开启与熄灭 5 鱼饵料根据系统设定时间定时控制投放饵料，也可手动控制 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一| = c , C l r O ，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。此外还设计T 4 8 5 通信接口电路，可以实现单片机与计算机通讯，由远程 计算机进行集中的控制管理。 - 。- 一- - - 一- - - - - - 一- - - - - - - _ - - - - 一- - - - - - - - - - - - - - 。 图2 1 系统硬件结构框图 F i g 2 1S 咖c “鹏c h a l to f s y s t e mh a r d w m l 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。 5 第二章鱼缸智能控制系统的总体设计 ( 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相应数码管L E D 的显示控制，以达到良好的人机交互功能。1 ) 通过L E D 数码管实时显示参数值。2 ) 通过键盘设定 参数上下限。3 ) 通过L E D 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、工作模式，日期时间 等) ，以及参数设置过程中的相应控制显示。 ( 5 )数据存储看门狗复位模块：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、溶解氧浓度捡测等；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，并把非电量的变化转化为电信号。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与设定值进行比较处理，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 主要元器件的选取 2 4 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：l 位机、4 位机、8 位机、1 6 位机、3 2 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：1 6 位机和3 2 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6 0 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I N T E L 公司，M O T O R O L A 公司，T I 公司，札A ( I M 公司，N S 公司，A I M E L 公司等。 近年来，随着美国A T M E L 公司的A T 8 9 系列单片机的推出和单片机C 语言的广泛应用，M c S 一5 1 单片 机有了进一步的活力。A T 8 9 系列以M C S 一5 1 为内核，兼容了M C S 一5 l 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( 4 K 字节存贮 器编程约3 秒，擦除时间l O m s ) 并可反复编程，数据不易挥发，而且加密功能也大大增强了，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2 0 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。 A T 8 9 系列单片机主要产品类型和特点如下表2 2 。 表2 2A T 8 9 X X 系列芯片 T a b l e2 - 2 T h ef a s i l yt r e e so fA T 8 9 X Xs e r i e s 单片机型号存贮容量1 6 为定时器 最高晶振频封装引脚个 和类型 R M 中断源个数 个数蛊M H Z数 A T 8 9 C 5 1 4 旺P R 叫1 2 82 5 2 4 4 0 A T 8 9 C 5 2 8 K E 2 P R O M2 5 6382 4 4 0 A T 8 9 C 1 0 5 1 1 K E 。2 P R O M1 2 8252 4 2 0 A T 8 9 C 2 0 5 1 2 K E z P R O M1 2 8252 4 2 0 6 东南大学工程硕士学位论文 经综合考虑，本系统决定选用美国A T M E L 公司生产的A T 8 9 C 5 2 型单片机作为主控制器主芯片 A T 8 9 C 2 0 5 1 作为输入输出控制器的主芯片。这两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昧， ( 1 ) A T 8 9 C 5 2 芯片介绍 A T 8 9 C 5 2 是一个低电压，高性能C I d O S8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复擦写的F l a s h 只读程 序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( R A M ) ，器件采用A T M E L 公司的高密度、非易失性存储 技术生产，兼容标 1 t u c s 一5 1 指令系统片内置通用8 位中央处理器和F l a s h 存储单元，功能强大的 A T 8 9 C 5 2 单片机可为开发者提供许多较复杂系统控制应用场合。 A T 8 9 C 5 2 有4 0 个引脚，3 2 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1 6 位可 编程定时计数器，2 个全双工串行通信r n ，2 个读写口线，A T 8 9 C 5 2 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F l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的F l a s h 存储器可 有效地降低开发成本。 其引脚图如图2 2 所示 其主要功能特性 兼容M C S 5 1 指令系统 8 k 可反复擦写( i 0 0 0 次) F l a s hR O K 3 2 个双向I O 口2 5 6 x 8 b i t 内部R A M 3 个1 6 位可编程定时计数器中断时钟频率O - 2 4 M H z 2 个串行中断 可编程U A R T 串行通道 2 个外部中断源 共6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空阑和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 由于A T 8 9 C 5 2 单片机内部片内资源丰富，有8 K 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。8 K 字节的程序空间足够使用，且多余的程 序存贮空间可作为将来扩展系统所用，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。 T 2 P 1 O ( T Ze x P 11 P 1 5 R x D P 30 I T X D lP 3 1 ( r 阿1 屯) P 32 I r R T lJ P 33 ( T O IP 34 岛捕 R O ) P 37 X T L 1 G N D 图2 2A T 8 9 C 5 2 引脚图 F i g 2 2P i nC o n f i g u r a t i o n so f A T 8 9 C 5 2C h i p ( 2 ) A T 8 9 C 2 0 5 1 芯片介绍 R S T ( R x o ) P 3 o ( T X D ) P 3 1 X 1 L 2 x T A L l ( I N T 0 ) P 3 2 ( I N T l ) P 3 3 I T O P 3 4 【T 1 P 3 5 G M D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 V C C P 1 7 P 1 6 P 1 5 P 1 ，4 P t 3 P 1 ，2 P 1 l A 1 ， P 1 0 ( A I N O ， 鸭7 图2 3A T 9 9 C 2 0 5 1 引脚图 F i g 2 3P i nC o n f i g u r a t i o n so f A T 8 9 C 2 0 5 1C h i p A T 8 9 C 2 0 5 1 是一个低电压，高性能0 5 0 S8 位单片机，片内含2 kb y t e s 的可反复擦写的只读F l a s h 程序存储器和1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( R A 6 I ) ，器件采用A T M E L 公司的高密度、非易失性存 储技术生产，兼容标准M c S 一5 l 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和F l a s h 存储单元，功能强大 A T 8 9 C 2 0 5 l 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 其引脚图如图2 3 所示。 T 8 9 C 2 0 5 1 是一个功能强大的单片机。但它只有2 0 个引脚，1 5 个双向输入输出( I 0 ) 端口，其 7 拍伯”佰”他” 们眦们吖丽 仆川“”町仙仙仙”仙仙仙仙”啊。仙仙仙仙仙仙仙 c巾J_；w吖日7J 5 1 ：1 2 J 巾“即邮”即即即瓦_|”盯”盯”门”=：“”=：”“”：=2“=” 第二章鱼缸智能控制系统的总体设计 中P 1 是一个完整的8 位双向I 0 口，两个外中断口，两个1 6 位可编程定时计数器，两个全双向串行通信 口，一个模拟比较放大器。 同时A T 8 9 C 2 0 5 1 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 R l I 、定时计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内R A M 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。 主要功能特性： 兼容M C S 5 1 指令系统 2 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) F l a s hR O H 1 5 个双向I 0 口6 个中断源 两个1 6 位可编程定时计数器2 7 - 6 V 的宽工作电压范围 时钟频率0 2 4 M H z1 2 8 x 8 b i t 内部R A M 两个外部中断源两个串行中断 可直接驱动L E D两级加密位 低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器 可编程U A R L 通道软件设置睡眠和唤醒功能 2 4 2 键盘控制和L E D 数码显示驱动芯片的选取“” 键盘控制和显示处理时与智能控制器交互过程中非常重要的两个部分，它的选择对整个智能控 制系统至关重要，它的性能的好坏，直接影响了整个控制系统的操作性能的优劣。本控制系统共设 计了1 2 个按键进行键盘控制，采用L E D 数码管进行显示，综合各种因素，本系统选择了Z L G 7 2 8 9 控制 芯片。 Z L G 7 2 8 9 控制芯片具有S P I 串行接口功能的可同时驱动8 位共阴式数码管( 或6 4 只独立L E D ) 的智能 显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵，单片即可完成L E D 显示，键盘接口的全部 功能，而且还具有多种控制指令，如消隐，闪烁左移右移段寻址等；此外，Z L G 7 2 8 9 B S 具有片 选信号，可方便地实现多于8 位的显示或多于6 4 键的键盘接口。 ( 1 ) Z L G 7 2 8 9 芯片描述 Z L G 7 2 8 9 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片， 可直接驱动8 位共阴式数码管( 或6 4 只独立L E D ) ，同时还可以扫描管理多达“只按键。z L G 7 2 8 9 内部含有显示译码器，可直接接受B C D 码或1 6 进制码，并同时具有2 种译码方式。此外，还具有 多种控制指令，如消隐，闪烁，左移右移，段寻址等。 z L G 7 2 8 9 采用S P I 串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根I o 口线。利用片选信号，多片 丑由7 2 8 9 还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于8 位的显示或多于“只按键的应用。 Z L G 7 2 8 9 可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器。条形显示器，控制面板等领域。 ( 2 ) 芯片引脚图和功能说明 Z L G 7 2 9 8 芯片引脚图，如图2 4 所示。 旦配 K C 3 一D I G 3 n 叮K C 2 D I G 2 S G K R OK C lD I o l S F7 K R IK C O D I G O S E l ：R 2K R D P S D l K R S A S o 删K R B 图2 4Z L G 7 2 8 9 引脚图 F i 9 2 4P i nC o n f i g u r a t i o n so f Z L G 7 2 $ 9c h i p 3 ； 三 立；之： 2I l堡 L一 M O C 3 0 2 1 图2 5M O C 2 0 3 1 引脚图 F i 9 2 5P i nC o n f i g u m i o n so f M O C 2 0 3 1c h i p 东南大学工程硕士学位论文 芯片的引脚功能如暑t 2 - 3 所示： 表2 - 3Z L G 7 2 8 9 引脚功能 T a b l e2 - 3P i nf u n c t i o n so fZ L G 7 2 8 9 引脚序号引脚名称功能描述 lR T C C 接电源 2 V c c 电源，+ 2 7 v 6 v 3N C 悬空 4G N D 接地 5N C悬空 6c SS P I 总线片选信号低电平有效 7C L KS P I 总线时钟输入信号，上升沿有效 8D I OS P I 总线数据信号，双向 9 ，玎q T 键盘中断请求信号，低电平( 下降沿) 有效 l O 1 6S G ，K R O S A ，K R 6数码管g 嘏键盘行信号0 6 1 7D P ，K R 7 数码管d D 段键盘行信号7 1 8 2 5D I G O ，K C 0 D I G 7 ，K C 7 数码管字选信号0 7 键盘列信号O 7 2 6 O S C 2 晶振输出信号 2 7O S C l 晶振输入信号 2 8R S T 复位信号，低电平有效 2 4 3 输出控制开关模块的选取“3 1 在单片机应用系统中，由于输出设备往往需大电压或者电流来控制，而单片机系统输出的开关 量大多为T T L 电平，这种电平一般不能直接驱动外部设备开启或关闭。另一方面，许多外部设备，如 大功率电机，接触器等在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如果不加以隔离，可能会使微机 控制系统造成误动作或损坏。因此，在接口设计处理时，一要放大，二要隔离。 在传统的继电器控制中，由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产火花从而引起干 扰：对于交流高压场合，触点还容易氧化，影响系统的可靠性。而固态继电器则不存在这些缺陷。 固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触开关，由于它的输入控制电流小，输出无触点，所以 与电磁式继电器相比，具有体积小，重量轻，无机械噪音，无抖动和回跳开关速度快，工作可靠 等优点。因在微机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。 常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响， 为解决同步问题，往往又使电路较为复杂。M O T O R O L A 公司生产的M O C 3 0 2 1 3 0 8 1 器件可以很好地解决 这些问题。该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。 本控制系统选用可控硅光电耦合器M O C 3 0 2 1D I P 一6 封装，次极为双向可控硅。通过简单编程控制 P 0 、P 1 、P 2 、P 3 的电平高低来实现控制开关的状态。选用的M O C 3 0 2 1 触发晶闸管，强、弱电之间在电 气上完全隔离且可以直接可靠地触发5 0 A 或更大功率的晶闸管。其内部有过零触发电路，使开关在 电压过零时导通或截止，