鱼缸自动控制器(谢国民)2.doc

辽宁工程技术大学大学电子课程设计1 方案论证1. 1 方案介绍设计鱼缸自动控制器有很多种方案，以下是其中两种方案：方案一：系统分为鱼缸温度控制和鱼缸供氧两部分，鱼缸温度控制部分可以作为独立的模块使用主要完成实时鱼缸水温的测量，显示以及控制功能。供氧部分主要以五分钟为一个间隔不间断的对鱼缸进行供氧，只要给单片机提供电源就能实现此功能，而且不影响温度的控制，两个功能相对是独立的。操作者既可以单独给鱼缸供氧，也可以让供氧与温度控制同时进行，由于采取了新的供氧方式，再确保供氧的前提下也相对节约资本。系统框图如图1.1所示。通过自制5V直流电源位单片机供电通过知识等判断，而加热棒和氧气泵直接使用220V供电。温度传感器与单片机相连，通过程序实现温度的实时采集和处理，并显示到数码管上，通过按键实现温度的实时采集和处理，并显示到数码管上，通过按键实现温度的设定。图1.1 方案一工作原理框图方案二：系统组成如图1.2所示，由4个部分组成：传感器模块、自动控制模块、加热模块和显示模块。在自动控制模块中用软件编写控制的方式，设定温度控制域值，如果水温低于20度，则自动启动加热模块以保持水温，而当水温高于24度则停止加热，同时输出温度值到显示模块以实现水温动态显示。处理器传感器加热模块显示模块 图1.2 方案二工作原理框图现在我们对这两个方案进行比较，当然从各种资料以及指导老师提供的参考资料中发现还有很多方案可以用来进行此设计，在这里我就不进行逐一举例了，只对这两个方案，结构和模块来看都不是很复杂，两者都有可行性，方案一更多的是用软件来控制温度达到自动控制，所以软件部分要求较高，方案二更多的在于电路的设计，合理的设计好各部分电路是设计成功的关键。1. 2 方案比较及确定对第一种方案进行分析，可以发现它结构很简单，可行性非常高，并同时有加热模块和显示模块，同时实现了可视化和自动化，功能强大，其中的难点是由于需要使用单片来实现软件编程控制，设计起来有一定的难度。而且传感器在与单片机通信时还必须实现模拟信号转换为数字信号，虽然调试起来会有些困难，但是设计这样一个系统可以很好的满足要求。对第二种方案进行分析，可以发现它大部分电路都涉及到模拟电路知识，模块不多，结构相对简单，各部分功能作用明显，难点在于传感器的选择和各电路之间的合理连接，但只要弄清楚各单元的电路作用，选择好相关硬件，应该可以设计出一个简单轻便，经济实惠，易于使用的鱼缸水温调节器。虽然只要参数能够处理好，控制精度也应该十分的好，但该方案只能单纯的控制鱼缸水温，不能很好地满足设计要求。综上所诉，我认为方案一可以很好地满足设计要求。该方案结构简单，人性化，稳定性好，经济实用，适用于家庭热带观赏鱼养殖的辅助使用。测试后，温度的设定应该可以满足热带鱼类的生存需要。采用定时自动供氧，避免了更多的浪费。本方案设计将温控和供氧相结合完全符合设计要求，故将此设计方案确定为课程设计的基本方案。2.原理及技术指标2. 1系统工作原理系统由硬件部分和软件部分组成，硬件部分由直流稳压电源、温度采集电路、温度显示电路、温度设定电路、继电器电路、指示电路构成温控电路；软件部分由主程序及中断处理子程序构成供氧控制系统。下图2.1为系统工作原理电路图。图2.1 系统工作原理电路图通过对各个单元电路的设计，所设计的鱼缸自动控制器的总电路也就可以组合出来了。经过分析和选择，联接好各个单元电路，就组成了一个完整的工作系统。以下在第三章进行对各个单元按电路的设计。2. 2 技术指标鱼缸自动控制器电路能自动控制鱼缸内增氧和温度，在为鱼缸提供足够的氧气的同时，还可以自动控制鱼缸内的水温，较适合养殖各种鱼类（尤其是热带鱼）时使用。下表2.2是鱼缸自动控制器电路所需的元件清单。元件名称规格数量元件名称规格数量芯片底座40P1电容1000u/100u/1u30p若干18B20DALLAS18B201电阻1k/10k/47k若干继电器DC5V2排阻9脚1k2数码管共阴2加热管500w174LS00HD74LS10P1气泵1.5w1变压器 AC9V1导线无若干二极管IN40076开关船型1三极管85502螺丝小若干晶振12M1接线柱两端2微动开关无4电路板10*151稳压管78051单片机STC89c52RC1表2.2 所需元件清单3 单元电路设计3. 1直流稳压电源稳压电源一般由变压器、整流器、滤波电路和稳压器等部分组成。电路如图3.1所示。采用9V交流变压器实现对220V交流电源的变压，用四个二极管组成整流桥电路将电路整流成直流电路，输入电容C1=1000uF，C3=0.1uF，用于抑制纹波电压，输出电容C2=100uF用于消振，稳压电路采用5V稳压管LM7805，LM7805集成稳压三极管输出电流可达1A,，输出电压5V，具有过热保护，过流保护，输出晶体管SOL保护等功能。图3.1 稳压电源电路3. 2温度采集电路温度采集电路采用DS18B20数字温度传感器，DS18B20中DQ脚与单片机P3.7口相连，VCC脚接5V直流电源，GND脚接地，如图3.2所示。DS18B20是一个单总线的数字温度计，它将温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，从DS18B20读入或写出只需要一根口线。DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS1820（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS1820挂接，读出其序列号。其工作过程为：主机Tx发一个脉冲，待“0”电平大于480s后，复位DS1820，待DS1820所发响应脉冲由主机Rx接收后，主机Tx再发读ROM命令代码33H（低位在前），然后发一个脉冲（15s）再并接着读取DS1820序列号的一位。图3.2DS18B20 和单片机连接电路3. 3温度显示电路图3.3所示为温度实时显示电路，设计只显示温度的十位和个位，单片机P0口和P2口分别向十位数码管和个位数码管输入，十位显示数码管与P0口相连，个位显示数码管接在单片机的P2口，采用共阴极数码管，公共端都接地，通过对数码管的编码让单片机输出高电平“1”让数码管显示温度。图3.3温度显示电路3. 4温度设定电路图3.4为按键设定温度电路，分别起到升温，降温，确定三个作用。由于C51单片机的只有二个外中断源，不能满足本设计要求，所以我们采用一个与非门芯片74LS00扩展外中断，当P3.2口检测到一个低电平即有按键按下时，启动中断。通过加键与减键执行相对的温度设定程序，达到操作者设定要求。当确认键按下后，中断返回。图3.4按键电路3. 5继电器电路与指示电路因为供氧和加热装置功率比较大，由交流220V市电驱动，单片机不能直接驱动，所以采用继电器控制。由于单片机输出电流很小，不能直接驱动继电器，所以外接NPN型三极管增大输出电流，进而间接驱动加热和供氧设备。三极管基极与单片机相连，集电极接地，发射极与继电器相连。二极管1N4148是线圈断开时的续流二极管，防止涌浪。图3.5为继电器电路与指示电路，继电器电路控制氧泵和加热棒的工作状态，指示电路指示它们的工作状态，两个电路的连接方式一样。图3.5继电器电路与指示电路3.6 软件设计图3.6主程序流程图软件部分包括主程序及中断处理子程序。采用C语言编写，模块化程序设计，可读性强。主程序流程图如图3.6所示。对单片机供电后给变量c装入初值5摄氏度，温度传感器DS18B20初始化后，实时采集鱼缸温度，单片机处理并显示实时水温。采用外中断方式对温度进行设定，返回显示实际温度，单片机对用户设定值与实际水温比较后并保持恒温。定时供氧采用定时器加中断的方式以五分钟的间隔对鱼缸间断的供氧。图3.7为中断服务程序，当通过按键进人中断后，首先进行按键的判断。如果是加键按下每按下一次让初始值c的值加一并保留让数码管显示，但是温度的上限不能超过32摄氏度。如果是减键按下，每按下一次让c的值减一并保留让数码管显示，温度的最低温度不能低于0摄氏度。设置好所需要的温度后按下确定键进行设定温度与实际温度的比较控制加热棒的工作状态。然后退出中断返回显示实时温度。图3.7 中断处理程序3. 7 参数计算单元电路设计的参数计算已经在相关单单元电路阐述部分给出。那么让我们来看看系统运行测试的效果，即电路的仿真运行。4 电路仿真及运行4. 1电路仿真首先进行仿真电路的制作,如图4.1为制作完成的仿真电路。图4.1 系统的仿真电路4. 2 系统运行测试将设计在proteus中仿真，并使用keil软件加载程序运行仿真，开启电源后，单片机采集实时温度并且温度值显示于数码管上，同时定时器5分钟定时向鱼缸通氧，当按下温度设置键（加键或减键）开始进行调温，当用户调试好温度后，按下确定键，设置完成。单片机开始加温（降温），当温度上升（下降）到用户设置温度值时，停止加温（降温）。此时单片机开始监测温度，当温度低于设定值2度时，又开始加温，这样使水温一直保持在恒定范围内。在实验环境下，用1升水测试，测试结果如下：设置温度（）显示温度（）水银温度计（）定时时间测定值（秒）无设置15（空气中）15（空气中）30141111304101011300161616.5299201921300252626.5301282728302从测试结果来看，在无设置时，置温度探头与空气中显示室温与水银温度计相符，在设定值小于5摄氏度时电热管不加热，水温值和水银温度计相符。当设定值大于5摄氏度时，开始加热，最后恒温时与设定范围相符，在设定值上下浮动1摄氏度。从打开电源开始计时，定时时间与实际测得的时间误差小于0.5%，满足设计要求。有关鱼缸自动控制系统工作原理的分析，该系统分为鱼缸温度控制和鱼缸供氧两部分，鱼缸温度控制部分可以作为独立的模块使用完成实时鱼缸水温的测量，显示以及控制功能。供氧部分以五分钟为一个间隔不间断的对鱼缸进行供氧，只要给单片机提供电源就能实现此功能，而且不影响温度的控制，两个功能相对是独立的。操作者既可以单独给鱼缸供氧，也可以让供氧与温度控制同时进行，由于采取了新的供氧方式，再确保供氧的前提下也相对节约资本。通过自制5V直流电源为单片机供电，而加热棒和氧气泵直接使用220V供电。温度传感器与单片机相连，通过程序实现温度的实时采集和处理，并显示到数码管上，通过按键实现温度的实时采集和处理，并显示到数码管上，通过按键实现温度的设定。 单片机AT89C52 的工作流程先是系统上电初始化，DS18B20进行温度数据的采集并将数据以二进制的形式传至单片机，由单片机对数据进行处理，再由数码管进行温度显示，并通过串口将数据传至计算机，从而完成鱼缸温度的控制。同时在对单片机供电后，给变量c装入初值5摄氏度，温度传感器DS18B20初始化后，实时采集鱼缸温度，单片机处理并显示实时水温。采用外中断方式对温度进行设定，返回显示实际温度，单片机对用户设定值与实际水温比较后并保持恒温。定时供氧采用定时器加中断的方式以五分钟的间隔对鱼缸间断的供氧。综上所述，可以看出在该鱼缸自动控制系统中AT89C52单片机是必不可少的，温控电路和供氧电路均由其控制，系统的工作围绕着单片机，这使其成为了系统的主体。这体现了单片机在电子技术中发挥着的重大作用，以及其重要地位。5 设计小结通过此次课程设计，把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。总的来说，这次设计比较成功。但由于自己的水平有限，可能设计得还不够完善，还有一些模块值得改进和增强，在整个设计过程中，遇到了不少难以解决的困难，十分感谢侯思颖指导老师帮助我解决了许多问题,正因为侯老师大量心血的注入才让我能顺利的完成设计。同时也相当感谢帮助过我的同学，我每一步的前进都与这些热心的同学分不开。在老师的悉心指导和同学帮助下，我完成了此次设计，在这其中，收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。基于它的一些小电路在实际生活中也常常用到，另外，在选择传感器时，也了解了一些温度传感器的功能及应用，还有用触发器来控制开关的关断以及利用发光二极管来设计指示灯的做法，都为以后的设计累积了一些经验。这次设计，增加了我对控制系统设计的兴趣，同时也感觉到自身学习方面的不足，因此还应多请教老师和寻求同学帮助，以提高自己。我相信有了这次设计的收获，下次一定会做得更好。经过此次课程设计，我感慨颇多，从理论到实践真的很不容易，不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，在老师的帮助