【《基于STC889C52单片机的智能水族箱控制系统设计》9500字（论文）】

基于STC889C52单片机的智能水族箱控制系统设计摘要二十一世纪，物联网随着“互联网+”的出现而不断发展，将人们的生活各个方面提升到智能化的层面，不断为人们解放双手，而在这个背景之下，出现了各式各样的智能家居产品。在各种智能家居产品中，智能水族箱的发展前景非常巨大，因为人们日常生活中，都会养鱼来调剂生活。但是在目前的市场上，智能水族箱的发展却并不乐观，市场上还是鱼缸占据了更大的比例，所以本次设计的是一个可以随时监测水族箱内水的水温和水质，并可以远程控制水族箱的智能化水族箱产品。本设计整体使用DS18B20传感器、浑浊度传感器、STC89C52单片机来获取水族箱内部的相关数据，使用LCD1602显示屏、DS1302时钟模块来显示数据和时间，使用Androidstudio制作app作为上位机来控制水族箱。整个设计具有成本低、操作简单、方便快捷等优点，非常符合当前的市场需求。关键词：物联网；智能水族箱；Android；远程监控；目录摘要 I目录 III1绪论 11.1研究背景 11.2国内外研究状况 11.3研究内容 32系统关键技术论述 52.1STC89C52单片机 52.2App 62.3无线通信技术 72.4本章小结 83.设计分析 93.1可行性分析 93.2系统功能需求分析 93.3系统硬件需求分析 103.4系统软件需求分析 113.5本章小结 124.系统设计实现 134.1系统总体架构设计 134.2硬件设备设计 134.2.1温度数据采集设计 144.2.2LCD1602显示屏 164.2.3Wi-Fi模块 174.2.4继电器模块 184.3平台的搭建部署 194.4软件app的设计 204.5本章小结 225.系统测试分析 235.1硬件测试分析 235.1.1温度传输测试 235.1.2Wi-Fi模块测试 255.1.3继电器测试 265.2软件测试分析 275.3系统整体调试分析 325.4系统成果展示 335.5本章小结 34结论 35参考文献 371绪论1.1研究背景二十一世纪以来，互联网迅速发展，各项相关的产业也随之蓬勃发展，而在此基础上，互联网融合了以往的行业，形成了“互联网+”的形态，各个传统行业都开始追求现代化、智能化、人性化、集成化，避免被市场淘汰。于是，互联网的基础上，物联网结合了人工智能、云计算、RFID等技术，成为一种新的发展趋势。而在物联网发展中，智能家居是一个重要模块，让人们的生活开始变得智能化、便捷化。“智能家居”一词起源于美国联合科技公司，自1984年以后，全世界开始了智能家居的研究。随着网络技术、通信技术等技术的发展，智能家居由一开始的家庭自动化变成了家庭网络化、家庭信息化，并且在不断更新换代，智能家居技术已经成为了人们追求更舒适安全的居住环境的必要手段。现在，人们的生活中到处充溢着智能家居产品，像智能冰箱、智能扫地机器人、智能衣架等产品，让人们的生活更加方便，让人们开始解放双手。而在目前的市场上，智能水族箱发展的较为缓慢。其实水族箱具有很高的商业价值，现在人们的生活条件提高了，对于享受的要求也提高了，而鱼具有很高的观赏性，所以有条件的人们大多都会养几条鱼。因此市场对于水族箱的需求就大大提高了。但是现在人们家里养鱼，一般用的都是玻璃鱼缸，高端一点的水族箱会提供照明灯和供氧器，并不能监测鱼缸内水的温度、水的浑浊度等。而智能水族箱很多也无法提供远程监控、智能控制等功能。本论文设计的是一个基于单片机技术，利用STC89C52单片机制作一个智能水族箱，以提供温度监控、浑浊度监控、时间显示等功能，同时可以在手机端通过app远程控制智能水族箱进行喂食、换水、增氧和加热等功能的系统。1.2国内外研究状况近几年来，水族行业发展越来越迅速，我国的水族产业年增长率达到了15.6%，每年的消费额度达400亿之多，而这里面包括饲料、药品、器材等，其中水族器材即鱼缸、水族箱等销售额就有上百亿元，水族器材占整个水族产业价值的45%，如图1.1、图1.2所示，水族器材市场前景良好，有很大的发展空间。其实，如图1.3所示，我国拥有水族箱的家庭占在全国家庭中所占的比例只有百分之一，而其他发达国家的比例基本都超过了百分之十四，而德国更是超过了百分之七十，这说明我国在水族观赏这一行业中还存在着巨大的发展潜力，随着人们收入的增加，水族市场只会越来越庞大。图1.1水族产业价值分布图1.2水族市场规模图1.3世界各国拥有水族箱的家庭占所有家庭的比例图1.3世界各国拥有水族箱的家庭占所有家庭的比例图1.4森森品牌智能水族箱1.3研究内容本设计的目的是制作一款智能水族箱，研究内容涉及到温度监测模块的设计、水的浑浊度监测模块的设计、时间显示模块的设计、自动喂食模块的设计、换水模块的设计、增氧模块的设计、加热模块的设计、网络通信模块的设计等方面。最终，设计出一个智能化、高效化的智能水族箱。本论文的叙述安排主要有水族箱的国内外发展现状、系统关键技术论述、设计需求分析、系统设计和结果、测试分析与结论以及对毕业设计智能水族箱系统进行阐述说明。本次毕业设计的主要内容如下：系统采用STC89C52单片机、浑浊度传感器、DS18B20温度传感器，设计出可以监测水族箱浑浊度、水族箱温度、实时显示时间的智能水族箱，并且可以通过手机端app来实现监测以及控制。通过网络学习并掌握STC89C52单片机的相关技术与原理。掌握KeiluVision4、Androidstudio等物联网平台的相关知识，安装好对应的平台为硬件提供相应的服务。学习温度传感器、时间控制模块的相关代码编写，将各个硬件组装起来，保证系统可以稳定工作。学习继电器的相关原理以及使用方法，将继电器和单片机连接起来，使继电器可以充当换水及喂食的开关。学习Wi-Fi模块的连接方法，通过Wi-Fi模块使实物和app可以连接起来。本论文的组织结构安排如下：第一章：绪论。主要叙述本设计的社会背景和研究意义，同时对水族箱的国内外发展现状进行调查，阐述研究内容并对章节内容进行安排。第二章：系统关键技术论述。对整个系统设计使用技术和理论知识进行说明，包括硬件方面的技术、软件、开发平台、无线通信技术等。第三章：设计分析。对设计的可行性、系统功能需求、硬件软件等方面的需求进行分析。第四章：系统设计分析。对本设计所涉及到的软硬件的设计和实现进行详细的说明和阐述。第五章：系统测试分析。对本设计的各个部件进行测试分析第六章：结论。对本系统设计进行总结回顾并对后面的改进提出思路。

2系统关键技术论述2.1STC89C52单片机STC89C52单片机是由STC公司生产的一种微控制器，因为功耗较低，性能较高等受到了很大的关注。它有8K字节系统和闪存，所以在许多嵌入式设计中，STC89C52单片机都可以提供有效而又灵活的方案。STC89C52单片机有2根主电源引脚，2根外接晶振引脚，4根控制引脚和32根可编程输入/输出引脚，其各个引脚功能如下表2.1所示表2.1STC89C52单片机各引脚及其功能表引脚功能引脚功能VCCGNDXTAL1XTAL2RST/VPPALE/PROG电源输入接地线振荡电路输入端振荡电路输出端复位引脚地址锁存允许信号PSENEA/VPPP0口P1口P2口P3口外部存储器读选通信号程序存储器内外部选通8位双向I/O口线8位准双向I/O口线8位准双向I/O口线8位准双向I/O口线VCC：电源输入GND：接地线XTAL1：振荡电路输入端XTAL2：振荡电路输出端RST/VPP：复位引脚ALE/PROG：地址锁存允许信号PSEN：外部存储器读选通信号EA/VPP：程序存储器内外部选通P0.1-P0.7：8位双向I/O口线P1.0-P1.7：8位准双向I/O口线P2.0-P2.7：8位准双向I/O口线P3.0-P3.7：8位准双向I/O口线STC89C52单片机的工作原理就是按时钟周期，取出命令和数据，并进行相关的硬件操作。其内部结构如图2.1所示。图2.1STC89C52单片机内部结构图2.2AppApp（Application）指应用软件，是为了完善智能手机的功能，让手机功能更加丰富和个性化。App所需的手机系统主要有苹果公司的iOS系统、谷歌公司的Android系统以及微软平台。目前的app有以下三种：WebApp：WebApp是app的三种形式之一，它的使用一般都依赖于浏览器，其优缺点及制作使用的语言如下表2.2所示。表2.2WebApp的优缺点及使用语言优点缺点使用语言不用下载安装，使用快捷方便。开发成本低，更新和维护比较简单信息查询、浏览信息比较快捷。可以跨平台开发。比较依赖手机浏览器。用户体验差，页面容易中断。创建UI布局使用HTML或HTML5、CSS3、JavaScript技术。服务端使用Java、PHP、ASP等语言。NativeApp：NativeApp又叫原生app，它是基于手机操作系统使用的app，它的优缺点和制作使用的语言如下表2.3所示表2.3NativeApp的优缺点及使用语言优点缺点使用语言兼容性、可访问性强。用户体验更好。具有最优秀的交互界面开发难度更大，开发成本更高。需要最高的维护成本。开发Android软件使用Java语言。开发iOS软件使用Objective-C语言。HybridApp（混合App）：HybridApp是指一个半native和半web的混合应用程序，它的具有这两者的优点，特性更接近NativeApp，但是还是有一定的区别，其优缺点和制作使用的语言如下表2.4所示。表2.4HybridApp的优缺点及使用语言优点缺点使用语言具有良好的交互界面。可以跨平台开发。使用网页语言，开发难度和成本大大降低。必须在有网络的条件下使用。不允许远程更新。（1）使用HTML5、CSS3、JavaScript语言2.3无线通信技术目前，无线通信技术常用的有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术。Wi-Fi技术Wi-Fi，也称为无线宽带，是一种基于IEEE802.11的无线局域网技术。默认频率是2.4GHz和5GHz，最大传输速率可达54Mbps。而且Wi-Fi普及度高，组装简单，传输速率也快，因此特别适合达到远程监控的条件，所以Wi-Fi在智能家居这方面使用的较多。蓝牙技术蓝牙技术也是一种线连接技术，它具有成本低、传输距离短等特点，其频段在2.4-2.485GHz之间，1998年，爱立信公司和其他几个公司共同宣布了蓝牙技术的制定标准。2016年6月，蓝牙技术联盟（SIG）发布了蓝牙5.0，使蓝牙的传输速率、传输距离大大提高了，并且安全性更高、功耗更小，还添加了导航功能，可以实现1米的室内定位。2020年SIG发布的蓝牙5.2中，定义了LE同步信道，可以使音质更好而功耗却更低。ZigBee技术ZigBee技术的中文名称是紫蜂技术，它一般应用于短距离、空旷空间，ZigBee由65535个无线传输模块组成，且每个模块可以通过网络相互通信。上面三种无线传输技术各有千秋，它们各自的特性如下表2.1所示。表2.2无线传输技术的比较种类传输范围传输速率功耗Wi-Fi蓝牙ZigBee300m15m50-300m54Mbps1Mbps250Kbps大较大小根据以上信息，我决定采用Wi-Fi来进行数据传输。2.4本章小结本章主要针对此设计所涉及到的相关开发平台、相关技术和理论、无线通信技术等进行介绍，并对相应技术进行更加深入的掌握。3.设计分析3.1可行性分析经济上可行性分析本系统所采用的硬件设备价格低廉，且质量及精度有所保障。所采用的开发工具、以及代码编辑软件都可以免费使用，整个开发设计所使用的成本费用低，因此在经济上完全可以接受。技术上可行性分析从设计者的层次来看，整个设计所使用到的无线通信技术、硬件设计开发等都是成熟的技术，网络上也有很多资料查询。而且目前硬件的开发也是有相关开发者指南，开发平台的部署使用也有资料。在老师的悉心指导下必然可以快速掌握使用，所以在技术上也是可行的。社会实用性智能水族箱是目前水族市场上特别受欢迎的一个产品，未来的发展前景也特别好，本次设计的智能水族箱能够监测水族箱里的温度、水的浑浊度，还能自动喂食、自动换水，同时具有增氧和加热的功能，可以为用户节省大量的时间，并且可以将检测到的数据上传到手机app上，并且通过手机app来控制水族箱，让用户养鱼更加方便也更加智能。综上所述，本次设计的智能水族箱在制作成本、制作技术以及社会实用性方面都具有很高的可行性，可以认为本设计的可完成性很高，可以进行设计。3.2系统功能需求分析为了满足大众需求，本设计所设计的智能水族箱应具有以下功能：用户可以通过手机app实时查看水族箱的温度，水族箱的水的浑浊度。水族箱可以实现自动喂食。水族箱具有自动换水、增氧等功能。用户可以通过app调整自动喂食的时间。App可以显示时间。因为水温可能不适合鱼的生长，所以设计一个可以加热水温的功能。下图3.1是本设计所需功能构架图：本设计所需功能分为硬件功能和软件功能，硬件功能需求有实时温度检测、水的浑浊度检测、自动喂食和时间显示，软件功能需求有显示温度、显示浑浊度、控制换水、控制增氧和自动喂食时间控制等。图3.1系统功能需求架构图3.3系统硬件需求分析智能水族箱的硬件部分设计主要包括开发板部分和传感器部分两个方面的需求，下面对这两个方面进行分析。开发板开发板是核心电路板，包含一系列硬件组件，包括CPU、内存、I/O设备、数据通路/总线和外部接口。开发板的选择可以提升开发者的使用效率，开发者根据设计需求确定。目前市面上常见的开发板有51、STM32、ARM、DSP、Arduino等，综合考虑，本设计使用了STC89C52单片机，如图3.2所示。图3.2STC89C52单片机STC89C52单片机具有8k字节的系统和闪存，所以在许多嵌入式设计中，STC89C52单片机都可以提供有效而又灵活的方案。STC89C52单片机有2根主电源引脚，2根外接晶振引脚，4根控制引脚和32根可编程输入/输出引脚，可以满足本次设计所需。传感器本设计所使用到的采集传感器主要是对环境温度进行实时监控的温度传感器和测水浑浊度的传感器，选择传感器需要考虑传感器的功能、价格以及性能。因此DS18B20传感器和浑浊度传感器是不错的选择，浑浊度传感器如图3.3所示。图3.3浑浊度传感器DS18B20是常用的数字温度传感器，它体积小且价格低廉，但精度高而且抗干扰能力强，非常适应于监测温度。浑浊度传感器的原理是光线穿过水时，水里面的一些杂质会使穿过的光线减少，浑浊度传感器通过测量由二极管发射向三极管的光线的量，从而计算出水的浊度。时钟模块因为本次设计需要显示时间，所以需要一个时钟模块，经过筛选，我采用了DS1302时钟芯片，如图3.4所示。DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的一款芯片，它具有低功耗、高性能等特点，可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，非常适用于本次设计。图3.4DS1302时钟芯片3.4系统软件需求分析本设计所需要的软件应具有以下功能：实时显示温度传感器测量到的温度实时显示水族箱内水的浑浊度。实时显示当前时间。软件可以自动喂食，并且可以用app设置喂食时间。软件控制换水、增氧、加热的开和关。3.5本章小结本章主要内容是对设计的可行性进行分析，对设计所需的硬件软件进行介绍说明，对设计所需的功能进行阐述。

4.系统设计实现4.1系统总体架构设计整个设计由温度感知模块、水的浑浊度检测模块、自动喂食模块、自动换水模块、时间显示模块、基于Wi-Fi的无线通信模块、加热模块以及喂食时间控制模块等构成。感知层的温度传感器和浑浊度传感器采集水族箱的温度和浑浊度，然后通过服务器将数据传输到手机app上面，手机app上面显示温度、浑浊度和时间，用户还可以在app上设置自动喂食的时间，app将数据通过服务器传输到单片机上，单片机则调整自动喂食的时间，若水过于浑浊，则可以用app控制换水，系统构架如图4.1所示。图4.1系统构架图4.2硬件设备设计本设计的主要任务是采集环境的温度以及控制设计的自动喂食模块以及换水模块。单片机（MCU）采用STC89C52单片机，它具有多个接口，可以搭载DS18B20、LCD1602、Wi-Fi模块以及继电器等众多模组。本次设计的数据传输流程图4.2所示。图4.2数据传输流程图STC89C51单片机发送指令让DS18B20温度传感器检测整个水族箱的温度，发送指令让浑浊度传感器检测浑浊度，传感器将检测到的温度和浑浊度数据上传至MCU，MCU将数据通过Wi-Fi模块上传至手机app并显示在LCD1602显示屏上，MCU通过继电器控制喂食开关、增氧开关和换水开关来实现自动喂食和换水。4.2.1温度数据采集设计温度数据采集设计采用DS18B20来实时检测水族箱环境温度。DS18B20传感器通过引脚直接和MCU相连进行使用。DS18B20传感器和MCU连接图如图4.3所示。图4.3DS18B20和MCU连接图DS18B20传感器的测温原理如下图4.4所示。图4.4DS18B20测温原理图在DS18B20测温完成后，MCU要完成读数需要完成如图4.5所示的流程。首先设置DS18B20让其复位，然后发送转换指令（输入值：0x44）并将转换操作发送回DS18B20。DS18B20响应后，将发送读取温度指令并读取16位的数据（限制位至多为12位）。图4.5MCU读取温度流程4.2.2LCD1602显示屏LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，LCD1602分为14脚带背光和16脚不带不带背光的，其各个引脚的定义如下表4.1所示。表4.1LCD1602引脚定义编号符号引脚说明编号符号引脚说明12345678VSSVDDVLRSR/WED0D1电源地电源正极液晶显示偏压数据/命令选择读/写选择使能信号数据数据910111213141516D2D3D4D5D6D7BLABLK数据数据数据数据数据数据背光源正极背光源负极VSS：GND为电源地。VDD：VDD接电源正极。VL：接VCC时对比度最低，接GND时对比度最高。RS：寄存器选择，电平由高变低，则由选择数据变为选择指令。R/W：R/W的读写信号线，电平由高变低，功能由读操作变为写操作。E：使能端，当使能端从高变低的时候，液晶显示模块由读取信息变为执行命令。D0-D7：八位双向数据线。BLA：背光源正极。BLK：背光源负极。LCD1602和单片机的连接图如图4.6所示。图4.6MCU与LCD1602连接图4.2.3Wi-Fi模块考虑到需要实现的功能以及成本和稳定性等因素，选用USR-WIFI232-A2模块，此硬件只需设置好IP地址以及端口号，即可实现串口和Wi-Fi之间的双向透传。USR-WIFI232-A2模块的管脚说明如下表4.1所示，另外图4.7所示为Wi-Fi和单片机连接图。表4.1USR-WIFI232-A2模块的管脚说明Pin描述网络名称类型说明1234567GNDVCCUART发送数据通用可编程IOUART接收数据通用可编程IOUART请求发送信号通用可编程IOUART允许发送信号通用可编程IO模组复位GNDVCCUART_TXDGPIO3UART_RXDGPIO4UART_RTSGPIO5UART_CTSGPIO6RESETPowerPowerOI/OII/OOI/OII/OI接地接3.3V电源若不需要UART功能，pin3—pin6可以设置成I/O功能，通过AT命令可以读/写GPIO状态低电平复位图4.7Wi-Fi模块与MCU连接图4.2.4继电器模块继电器是一种电子控制器，它负责使用一个小型有源设备来管理有源控制器的大小，可以看作自动开关，当输入信号的变化达到设定的值的时候，继电器就会控制被控量发生预定的变化，因此继电器通常被用作自动开关，一般用于遥控、通讯、自动控制装置中，在循环中起到自动调节、转换循环的作用。继电器的工作原理是利用电磁铁通电会产生磁性的原理，使继电器内部的衔铁进行连接和断开的操作，从而实现通路的联通和闭合。继电器和单片机的连接图如图4.8所示。图4.8继电器和MCU连接图4.3平台的搭建部署在设计本次毕业设计时，需要编写程序的软件，因为我用的是STC89C52单片机，所以需要安装KeiluVision4软件，KeiluVision4软件是2009年发布的一款编译、调试工具，它具有以下特征：具有多显示器和灵活的窗口管理系统系统浏览器窗口的显示设备外设寄存器信息调试还原视图创建并保存多个调试窗口布局项目工作区简化与众多的项目KeiluVision4软件安装之后如图4.9所示。图4.9KeiluVision4软件另外，编译好程序后，需要将代码烧录到板子里，而这一步骤需要STC烧录软件，其安装之后如图4.10所示。图4.10STC烧录软件4.4软件app的设计本设计的软件app设计使用Androidstudio软件，此软件具有以下功能:优化小贴士：在主窗口中操作应用程序，小贴士会有各种建议。应用翻译服务：开发者可以直接得到专业的翻译广告推荐：开发者可以找到最有效的广告。盈利展示：开发人员以国家为划分来展示本软件的收益测试版本：开发者可以测试应用程序，然后开始测试用户，测试结果不会被公布到公众，如果测试版本完成，开发者可以将其推荐给特定的用户。本软件安装之后如图4.11所示图4.11Androidstudio软件在用制作app时，需要制作两个界面，第一个为登陆界面，第二个为数据采集界面。打开APP直接进入登陆界面，在登陆界面中设置有连接反馈功能，当密码输入正确后会进入数据采集界面。数据采集界面有TCP/IP连接按钮，输入正确IP和端口后，即可成功连接至智能水族箱，可以查询水族箱内水的温度和浊度，还有加热、换水、增氧和灯光按钮，点击前三个按钮可以进行加热、换水、增氧，再次按压便会停止。另外，还可以设置投食时间和换水时间。在设计app的登陆界面时，首先定义两个按键，命名为用户名和密码，并且设置好用户名和密码，部分代码如下图4.12所示：图4.12设置用户名和密码想要把app和实物连接起来需要使用TCP和IP协议，要设置好IP号和端口号，部分代码如下图4.13所示：图4.13设置好IP号和端口号4.5本章小结本章节主要阐述了整个的系统设计实现，包括系统总体架构、硬件设计、软件设计，并对各个硬件和单片机的连接图进行了说明。

5.设计测试分析5.1硬件测试分析5.1.1温度传输测试使用KeiluVision4编写好代码，生产hex文件，然后打开STC烧录软件，将单片机型号选择为STC89C52RC，通过电脑的设备管理器查看端口号后选择好端口号，选好波特率，然后打开KeiluVision4生成的hex文件，然后点击下载/编译，将文件烧录到单片机里，如下图5.1所示。然后打开实物，通过LCD1602显示屏，可以看到温度、时间显示在了屏幕上，如图5.2所示，显示当前温度为26℃，时间是2021-05-10，7-18-50，说明温度传感器是可以成功测试温度的，温度传感器实现了基本功能；时钟模块也实现了显示时间的功能，LCD1602显示屏也没有任何问题，说明这三个硬件都成功实现了它们的功能。图5.1烧录步骤图5.2温度显示5.1.2Wi-Fi模块测试打开手机，连接名称为USR-WIFI232-A2_A240的Wi-Fi，打开app，登陆之后输入正确的IP地址和端口号，点击连接，app显示连接成功，说明Wi-Fi模块实现了其功能，如图5.3所示。图5.3Wi-Fi连接成功5.1.3继电器测试本设计需要四个继电器，分别控制喂食、换水、加热和增氧，如图5.4所示，接通电源之后，继电器成功亮起，说明继电器功能实现，可以当作喂食、换水、加热和增氧的开关。图5.4继电器5.2软件测试分析图5.6数据采集界面图5.5登陆界面本次设计的软件是一个app，本小结内容主要是对app的显示以及控制功能进行展示，如图5.5所示，是app的登陆界面，输入正确的用户名和密码即可进入数据采集界面，如图5.6图5.6数据采集界面图5.5登陆界面图5.7登陆失败界面在数据采集界面，输入正确的IP地址以及端口号之后，连接Wi-Fi模块的Wi-Fi，点击连接，即会显示服务器连接成功，便可成功接受到传感器测量到的水温和浑浊度，如图5.8所示。按压加热、换水、增氧等按键，会控制继电器打开，继电器的绿色灯就会亮起，如图5.