【《基于单片机的智能鱼缸系统的硬件和软件设计案例》5400字】

基于单片机的智能鱼缸系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23549基于单片机的智能鱼缸系统的硬件和软件设计案例 1165151硬件设计 1129941.1单片机系统设计 1235541.1.1单片机设计 15061.1.2电源系统框架设计 214931.1.3复位电路设计 3184771.2温度传感器设计 4189041.3浑浊度传感器设计 549761.4时钟模块设计 743021.5蜂鸣器模块设计 8308341.6水位检测模块设计 860751.7显示屏模块设计 958761.8 WIFI模块设计 1089581.9其他硬件模块设计 11161101.9.1继电器模块设计 11213461.9.2舵机模块设计 1292011.9.3灯光模块设计 12298121.9.4LED模块设计 13144711.9.5按键模块设计 1358662软件设计 14229412.1程序设计 1479022.2手机APP界面设计 201硬件设计1.1单片机系统设计1.1.1单片机设计单片机选型：51系列单片机优点：容易上手，缺点是：运行速度太慢，且芯片易被烧毁，不适用于本设计。相对于来说，STM32系列单片机具有性能强、功耗低、成本低、性价比高的优点，且具有高精度的A/D转换模块，而本设计中的温度检测和浑浊度检测都需要较高精度的A/D转换模块[2]。具体选定STM32F103RCT6作为MCU，引脚图如图1.1所示，它具有一流的外设，集成度高。最高工作频率72MHz，拥有51个通用I/O口，，引脚图如图1.1所示。图1.1STM32F103RCT6引脚图1.1.2电源系统框架设计电源系统框架设计如图1.2所示：图1.2系统电源框图本系统以5.0V充电宝作为电源，通过Micro-USB直流供电（如图1.3所示），可以直接给WIFI模块、时钟模块、舵机模块、继电器模块、水位检测模块、温度检测模块、浑浊度模块供电，蜂鸣器和MCU正常工作电压低于5.0V，为了使器件能正常工作，参考芯片资料，设计了一个稳压模块（如图1.4所示）。通过该模块，将输入的5.0V电压转为1.3V稳定电压，使得单片机和蜂鸣器都能正常工作。图1.3USB供电电路图图1.45V转1.3V稳压模块为了电路获得良好的电源，在每个外围电路中都加入了滤波电路，如图1.5所示。图1.5滤波电路1.1.3复位电路设计本研究设计的系统复位电路如图1.6所示，当手动按下RST按键，或上电瞬间强大的电压使得C6两端电压近似为0，异步复位引脚输入低电平，使MCU处于复位状态，即可实现复位。图1.6复位电路1.2温度传感器设计研究显示观赏鱼的生活温度为：-5℃-50℃，本文选用DS18B20温度传感器，它的灵敏度高，且为单总线通信方式，无需外接任何模块，仅将DQ数据线需与单片机I/O口相连。其测量范围广泛，且分辨率最高可达到零点零六二五摄氏度[3]。芯片图如图1.7所示：图1.7DS18B20器件芯片DS18B20电路原理图(如图1.8)，在使用过程中，将VDD引脚接入电源VCC5.0V，并需往I/O线上加入一个上拉电阻，来确保其在温度转换期间得到足够的电流。一般选取2.7k电阻。图1.8DS18B20电路原理图1.3浑浊度传感器设计为了能检测鱼缸中水质环境，需选择一种浑浊度传感器来检测水的浑浊程度。结合成本、实用性因素，综合考虑下，选择浊度传感器TSW-30，并搭配浊度传感器模块TS-300B。TSW-30结构尺寸图如1.9所示，其内部为一个红外线对管，基于光学原理因水中的悬浮物会减少光线透过量，当光线量减少时，电流减小。所以它可以通过检测光线透过量来检测出水的浑浊程度。在使用浑浊度传感器过程中，应避免光照直射，以免引起测量误差偏大。图1.9TSW-30结构尺寸图传感器模块TS-300B将传感器TSW-30输出的电流信号转换为电压信号，由于输出的电压值会受到温度的影响，使用时为了提高测量精度，一般需进行温度补偿。应用电路框图如图1.10所示，将模拟信号接入单片机，经由A/D转换得出电压值，并经过相关标准曲线计算公式得出具体的浑浊度值。图1.10应用电路框图电路原理图如图1.11所示，浑浊度传感器额定工作电压：5.0VDC，可以选择输出数字信号或模拟信号。为防止5.0V传感器输入信号直接接入单片机1.3VI/O口引起单片机损坏，在电路设计时，通过使用两个2.7K和10K的电阻设计一个分压电路，使得5.0V输入信号转换成单片机可以接收的电压信号。图1.11浑浊度传感器电路原理图1.4时钟模块设计系统采用定时任务来执行自动控制，通过判断设定时间是否到来执行相关的控制。故需要搭配一个精确的时钟，来为定时任务提供精确时间判断。单片机自带时钟精确度误差过大，不适用于本设计。综合考虑下，选择DS1302芯片为时钟芯片，它不仅精确程度高、能实现掉电走时，而且使用简单，仅需进行读取即可。他具有两个VCC电源引脚，一个引脚接单片机5.0V，作为主供电源，另一个引脚可以接纽扣电池，作为备用电源。当系统断电时，可以通过备用电源供电，实现在系统断电情况下，时钟也能正常走时[4]，芯片及部分引脚如图1.12所示。图1.12DS1302芯片及部分引脚图它的工作电压范围较宽，可以在电压为2.0V到5.0V正常工作。仅需与单片机三个引脚相连（电路原理图如1.13），即可实现串行通信。DS1302提供的精确时间，不仅可以为喂食、充氧控制提供定时时间，还可以用于制作定时闹钟等功能。图1.13DS1302电路原理图1.5蜂鸣器模块设计本文设计采用有源蜂鸣器，来实现高温报警提醒。相对于无源蜂鸣器需要PWN波驱动，它的程序控制简单，其内部自带震荡源，仅需直流信号通电，就可让其发出声音。（电路原理图如图1.14）可以工作在1.3V-5.0V范围内，仅用单片机的高低电平控制，即可实现鸣叫发声。图1.14蜂鸣器电路原理图1.6水位检测模块设计为了能检测鱼缸中水位的高低，在综合实际使用及成本的因素考虑下，本系统设计选择使用两个非接触液位传感器，一个用于检测高水位，一个用于检测低水位，其采用进口的芯片，灵敏度高。输入电压：DC5±0.3V感应距离：3mm(0-5mm),液面变化精度检测精度：±2mm输出方式：高低电平接线方式：黑色线接GND，棕色线接VCC5.0V，绿色线接单片机I/O引脚。水位传感器器件接入5.0V电压，信号输出线仅需与单片机一个引脚相连。电路原理图设计如图1.15，同理为了防止单片机被损坏，也在电路中设计一个电阻分压电路。水位传感器置于鱼缸外围，可以随时通过移动传感器位置，来改变水位检测位置，方便用户调节水位。图1.15水位检测模块电路原理图1.7显示屏模块设计本文设计需要有一个显示屏模块实现显示当前时间、传感器数值及定时时间的功能，在节约成本、方便使用的考虑下，决定采用1.44寸TFT-LCD液晶显示屏模块。相对于OLED显示屏颜色单调的缺点，它有16位真彩色；相对于无源TN-LCD亮度低的缺点，它将TFT按照要求分布于像素点上，降低了相互之间的串扰，提高了亮度。图1.1616位数据与显存对应关系图表1.2SPI接线说明序号名称引脚说明１VCC电源正1.3V２GND电源地３SDISPI数据线４SCLSPI时钟线５CSSPI片选６SDO数据/命令控制管脚７RS复位管脚８BLK显示屏背光控制开关根据表1.2显示屏的SPI接线方式的引脚线说明，设计出如下图1.17所示的电路原理图，显示屏模块需与单片机6个I/O引脚相连，由SPI通信方式，实现屏幕多彩显示。图1.17显示屏电路原理图1.8 WIFI模块设计在目前电子产品中，主要使用无线通信协议来实现远距离通信。一般有WIFI模块、GSM模块等。为了实现能与手机端APP远程通信，本设计选用成本低、操作方便、性能强的ESP-8266WiFi模块作为远程通信模块，模块原理图如图1.20所示：图1.20ESP-8266WIFI模块原理图ESP-8266模块采用有6个引脚，可工作电压范围为：1.3-5.0V，在本设计中采用5.0V电源供电，并将收发引脚RXD和TXD与单片机相连，因本文使用的模块已烧入固件，故RST复位脚和GPIO_0都不接，置为默认高电平。电路原理图如图1.21所示：图1.21ESP-8266WIFI模块电路原理图1.9其他硬件模块设计1.9.1继电器模块设计本设计采用5V3路继电器模块分别控制2个水泵和1个充氧泵。电路设计原理图见图1.22。图1.22继电器模块电路原理图继电器负载接线方法：将继电器的工作引脚接入外接电源，将负载的正极，接入NC常开端口，再将负载的负极与电源负极相连。再由通过单片机的I/O口来控制继电器的开闭，从而实现单片机控制机械设备的启动与关闭。1.9.2舵机模块设计使用舵机来控制喂食器出口的开关。在结合成本考虑下，本设计采用sg90舵机，通过PWN波形控制舵机转动的角度，仅需与一个单片机I/O口（PA8）相连，采用5V供电，即可实现转动控制。图1.22舵机模块电路原理图1.9.3灯光模块设计在本系统设计中，为了增加鱼缸的观赏性，附加了一个灯光控制功能，能控制灯光的亮灭。使用单片机的PB8引脚控制。1.9.4LED模块设计在设计中为了设计了LED灯模块，如图1.23所示，通过判断灯的亮灭，更好的显示对应一些功能的是否正常开启。图1.23led灯模块1.9.5按键模块设计在设计中为了设计了8个按键，如图1.24所示，实现对鱼缸的本地控制功能。图1.24按键模块

2软件设计2.1程序设计程序设计流程图如图2.1所示：图2.1程序设计流程图系统上电后，首先是对各个模块和引脚进行初始化：delay_init(); //延时函数初始化LED_Init(); delay_ms(500); //LED灯初始化KEY_Init(); //8个按键初始化BEEP_Init(); //蜂鸣器初始化DuoJi_Init(); DuoJi_OFF(); //舵机初始化JDQ_Init(); delay_ms(200); //继电器初始化ShuiWei_IO_Init(); //两个水位传感器初始化 Adc_PA4_Init(); //ADC转换初始化LCD_Init(); LCD_Clear(WHITE); //1.44寸TFT液晶屏初始化DS18B20_Init(); //DS18B20初始化DS1302_GPIOInit(); //DS1302引脚初始化ds1302_init(); delay_ms(50); //DS1302初始化ESP8266_Init(); //ESP8266初始化在系统上电启动时，首先初始化各个硬件模块，并判断ESP-8266模块是否成功初始化成功（即是否成功连接热点），并判断是否成功接入ONENET服务器。通过修改ESP-8266.c文件里的宏定义ESP8266_WIFI_INFO中的AT+CWJAP里面数据，即可将热点改为自己想连接的热点，每次启动ESP-8266即会自动搜索WIFI。#defineESP8266_WIFI_INFO "AT+CWJAP=\"1234\",\"123456789\"\r\n"对于DS1302时钟模块，先将寄存器addr最低为置0，即addr=addr&0xFE，可以实现向DS1302时钟芯片写入时间。写入初始时间数据后，时钟芯片将自己走时。为实现系统掉电重新上电时，不会重新向写入DS1302写入初始时间，有两种实现方式。第一种为第一次烧录程序时，向DS1302芯片写入初始时间后，将程序的向DS1302写入时间操作函数删除，再次烧录一次程序既可。这种操作需要烧录两遍，本设计通过判断charger_add的值，决定是否需要向DS1302芯片写入时间初始值。具体代码如下图：if(ds1302_read_byte(ds1302_charger_add)!=0xa9){ delay_ms(50); //延时LCD_ShowString(5,5+18*0,16,"DS1302failure",0); //显示 ds1302_write_time(); //写入初始值 LCD_Clear(WHITE); //清屏}else{ delay_ms(50); //延时 LCD_ShowString(5,5+18*0,16,"DS1302OK",0); //显示 LCD_Clear(WHITE); //清屏}}通过读取系统当前时间，并转化成秒数。如当前时间为凌晨02:20:00则转换为:2*60*60+20*60=8400，并与定时时间作对比，来判断是否达到定时时间。温度传感器主要就是测量鱼缸中的水温，并在温度高于设定值时，驱动蜂鸣器鸣叫。temperature=DS18B20_Get_Temp(); //读取温度值BEEP=(temperature>(u16)(warn_temp*10.0))?0:1; //温度高于设定值，蜂鸣器响data_flow.temperature=temperature/10.0; //除以10才是真正的温度值Show_DS18B20(temperature); //显示温湿度值浑浊度传感器则是检测水质，通过ADC转换读取到的电压值,并代入标准曲线计算公式中,得出鱼缸中水的浑浊度值,当鱼缸中水的浑浊度过高时直接进行换水操作。adc_reg=Get_Adc_Average(ADC_Channel_4,10); //读取ADC值，PA4接的是水浑浊度传感器ADC_Muddy=(float)adc_reg/4096*1.3;//转换读取到的电压值为实际电压值 TU_value=-865.68*(-0.0192*(temperature/10-25)+ADC_Muddy)+3010.19; if(TU_value<=0){TU_value=0;}if(TU_value>=3000){TU_value=3000;} data_flow.TU=TU_value/100; Show_Muddy(TU_value); //显示ADC值 if((TU_value/100)>warn_TU) //浑浊度超标也要换水 { flag_change_water=1;//换水标志位置1 }LED灯1和2表示高低水位，灯亮表示目前检测到有水。当按下K1按键或浑浊度超标或者APP按下换水按钮或者水位过低，都表示需要进行换水。换水过程中LED灯3常亮，换水操作是先判断是否需要换水，需要换水时开启抽水泵继电器，当判断到低水位没有水时，关闭抽水泵继电器并打开注水泵继电器，开始注水，当检测到高水位有水时，关闭注水泵继电器。流程图如图2.2所示：图2.2换水系统流程图短按按键K2则能进入修改浑浊度上限模式，长按按键K2则进入修改温度上限模式。进入相应修改设置模式后，按下K1，则数值加1，按下K2，则数值减1，按下K3则数值加0.1，按下K4则数值减0.1，K8为确认键，按下则保存当前设定值并退出设置模式。当相应的标志位为1时，则开启相应功能。按键K3、K5、K7分别可以直接控制舵机、充氧泵继电器、灯带，而按键K4、K6进入相应设置模式，能修改相应的定时时间。长按按键K8能进入时间修改模式，方便对时间进行校准。设置模式如表2.1所示，表2.1设置模式操作模式显示短按K2设置浑浊度阈值TUX长按K2设置温度上限值TempX短按K4设置喂食时间WSX短按K6设置充氧时间CYX长按K8设置实时时间清屏，进入修改时间界面智能鱼缸系统出于成本考虑，没有搭建属于自己的服务器，选择使用ONENET物联网平台作为云端服务器。采用MQTT协议与ONENET平台进行通信，协议实现方式如图2.3所示。图2.3MQTT协议实现方式MQTT协议-使用TCP/IP提供网络连接，且具有保活性好、流量低的优点，可以较好的实现对设备的控制管理，非常适用于与设备的远程通信。注册并登录ONENET云平台，通过在文档中心的快速开始，进行产品的创建。产品显示如图2.4所示：图2.4产品显示将产品成功创建好后，将设备的相关数据写入到下面代码中，为与进行平台通信鉴权信息。#definePROID "414550" //产品ID#defineAUTH_INFO "fishtank" //鉴权信息#defineDEVID "704874078" //设备ID如果WiFi模块初始化正常，并当ESP-8266接入ONENET平台访问成功后。会将水温、水质、喂食时间、充氧时间、每次喂食持续时间、