【《基于单片机控制的智能水族馆养殖系统设计》6300字（论文）】

基于单片机控制的智能水族馆养殖系统设计1绪论1.1研究背景和意义自改革开放以来，我国一直保持着高速高质量发展，人们的物质生活也得到了前所未有的提升，伴随而来的就是人们在关于日常的生活要求和对于关于精神层次的要求也越来越高。在这种时代的大背景下，装饰业日渐兴起，表现在人们能够显而易见能都注意到的地方。随着城市化的发展，人们渐渐地远离了自然，生活渐渐地失去的生机感，人们也越来越重视家居生活和自然的完美融合。因此水族馆渐渐的出现在人们生活、工作中，出现在家居、公司、酒店等各种场所。它不仅仅装饰了居住环境，而且水族馆带来了生机感、灵动性，也能影响着人们的心情和状态。休闲水族馆业在这种时代的需求下得到了快速的发展，逐渐成为新时代经济发展中一条不可忽视的支路，广受业内人士和相关专业工作者的青睐。但是每个新型产业的发展都会伴随着它带了的好处，相应的也会带了一定的麻烦。比如说，现在很流行的水生植物和鱼虾等组成的水族馆被称作“水中园林”，深受很多人的欢迎，但是由于需要花费人的时间精力去养护，一旦长时间的不留心都可能造成一种生灵涂炭、混乱肮脏情况。在这种情况下，科技智能水族馆的研究，就显得非常有它的价值和意义。在一定条件可以让水族馆自身自动运行，由此可节省人大量的时间和精力。如今世界水族馆产品看中国，许多国内外大公司都就看中中国的市场，这也推动着这一产业相关产品的研发生产。1.2研究现状和前景在人们生活工作环境或者休闲娱乐场所都有着各种大大小小形状各异功能也不尽相同的的水族馆，但是由于所养殖生物的不同，所需要的合适环境成分也不尽相同。针对不同的鱼种来提供相应功能的设备也是层出不穷。根据我的了解和大量的调研来看，一般有以下等功能，水温控制、水量控制、水的浑浊度控制、氧气浓度控制、照明控制等。这些功能的实施，确实能给水中动植物提供比较好的生存环境。但是由于产品种类过多，功能也不尽相同，不是很了解的消费者可能在这种情况下，不能很好的选择适合自己的产品而带来不便的影响。而且大多数产品功能单一，不能系统化智能化。这些非智能化的设备长时间的没有节制地运行，不但不利于节省能源，而且及其容易让设备报废。如果只是把每个设备只是简单的组合在一起而形成的系统，这需要投入的费用比较大，也会在一定程度上造成资源的浪费。比如说增氧功能，对于水族馆来说，不同的季节不同的时间段不同的动植物所需要的增氧时间是不同的，非智能化的增氧功能的运行就显得非常死板，这样不仅设备整体不美观，功能也会造成使用的不流畅不够灵性。如果其中组成功能零件有相同部分，这也会造成重复投资，使得整个系统的性能也会无法得到提升。而本次的智能水族馆控制西戎的研究，就是将所需功能根据需求再整体设计。将照明、投食、换氧、补水等功能控制统一在一个控制系统，这样不但大大的节省了在设计成本上的花费也能更好更流畅更合理的运行。因此，智能水族馆的研发创新，已然成为业内人士共同话题和努力的方向。根据本人的研究和通过大量的报告看出，近年了智能水族馆产业投资金额高达几百亿，而且还在不断地上升。已然渐渐成为一个稳定完整的生产链。智能水族馆的开发研究充满着生机感，有着非常好的发展前景和商业价值。2设计要求和方案设计2.1设计要求（1）能够实时根据工作环境的光照强度来提供照明。（2）能够在设定的时间段进行投食喂养。（3）能够在设定的时间段进行增氧工作。（4）能够在设定的时间段进行水循环工作。（5）可以通过LCD12864显示屏显示相应功能数据，并显示并设置所需的具体定时功能。2.2方案设计对于本次关于智能水族馆养殖系统的设计，本人是使用了以STC15F2K60S2芯片作为主控制器。来控制实现照明、投食、增氧、换水功能。照明功能发通过BH1750光照传感器通过单片机对led灯实现光照的控制。投食功能通过用STC15F2K60S2单片机设置定时功能来控制电机定时工作来实现。增氧功能也是通过用STC15F2K60S25单片机设置定时功能来控制增氧设备工作来实现。换水功能通过用STC15F2K60S2单片机设置定时功能来控制水泵定时工作来实现。定时功能的设置通过独立按键在LCD12864液晶显示上显示并设置。图2-1系统框图3硬件电路设计3.1主控制器电路设计在关于这次设计的智能水族馆养殖系统的设计中，首先就要考虑到就是主控制芯片的选择。在通过深思熟虑之后就使用STC15F2K60S2芯片作为主控制器，STC15F2K60S2系列单片机是由STC公司生产的一款功能性较强运行速度较快的新一层次的单片机，它具有相当多的优点例如它有着较低的功率能够在一定程度上节省能源，还能着非常不错的稳定性，能在很多不同的工作环境下很好的工作。且该单片机内部具有准确度很高的的R/C时钟，能够省去关于外部晶振的使用。由此可见非常适合这次有很多个电机的设计，能够更好的实现预期效果。其具体引脚资源如下图3-1所示。图3-1STC15F2K60S2芯片引脚图STC15F2K60S2单片机的组成结构我们可以查阅资料来进行了解。痛过学习我们可以知道STC15F2K60S2单片机中含中央处理器（CPU)、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时器、I/O口、高速A/D转换、看门狗、UART串口、串行口2、PWM/PCA、SPI串行口，片内高精度R/C振荡时钟及高可靠复位等模块STC15F2K60S2单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块。3.2系统电源电路设计整个设计中所使用的的是5v电压为系统供电，并采用的是USB-typc为电源插口，USB-typc在生活中比较常见，特别适合用于该系统供电使用。而且增加了一个电源开关，并且还放置了一个发光二极管并串联着保护发光二极管的电阻接地。当使用该控制系统时先连接电源再把电源开关打开，可以通过发光二极管的亮灭情况，来判断整个系统的通电情况。以此也可表示该系统处于可使用状态。电源端口和电源开关模块如下图3-2所示。图3-2系统电源及开关模块3.3液晶显示电路设计在本次系统设计中为了方便操作和使用，我选用LCD12864液晶显示屏来实现显示。该液晶显示屏所需工作电压VDD是在3.0V-5.5V。非常适合该系统提供的工作电压。且它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。其引脚功能如下表3-1所示。LCD12864显示模块电路如下图3-3所示。，表3-1LCD12864引脚功能序号引脚功能1VSS模块电源地2VDD模块电源正端3VOLCD驱动电压输入端4RSH/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/WH/L并行的读写选择信号；串行的数据口6EH/L并行的使能信号；串行的同步时钟7-14D0-D7八位数据15PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RSTH/L复位低电平有效18NC空脚19LED-A背光源正极20LED-K背光源负极图3-3液晶显示电路模块3.4光照电路设计本次设计采用的是BH1750光照传感器通过单片机对led灯实现光照的控制。BH1750光照传感器是一款数字型光强度传感器集成芯片。它功能就是可以对周围光照强度产生感应，并将信息反馈给单片机，再由单片机下指令控制led灯的亮灭情况。BH1750光照传感器的内部结构是由光敏二极管、运算放大器、ADC采集、晶振等组成。PD二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大电路放大后，由ADC采集电压，然后通过逻辑电路转换成16位二进制数存储在内部的寄存器中进入光窗的光越强，光电流越大，电压就越大，所以通过电压的大小就可以判断光照大小。BH1750光照传感器引脚功能如下表3-2所示，光照电路模块如下图3-4所示。表3-2BH1750光照传感引脚功能序号引脚功能1VCC供电电压源正极2SCLIIC时钟线，时钟输入引脚，由MCU输出时钟3SDAIIC数据线，双向IO口，用来传输数据4ADDRIIC地址线，接GND时器件地址为0100011，接VCC时器件地址为10111005GND供电电压源负极.图3-4光照电路模块3.5直流电机驱动电路设计本次智能控制系统能都是需要直流电机驱动，所以说这个模块在本次系统设计占有相当大的比重。本次设计我们才用的是TB6612芯片，主要用来驱动电机、水泵增氧等设备。它是由东芝半导体公司的一款电机驱动芯片，也是集成了两个全H桥。在应用上基本与DRV8833相似，但性能更好，价格也相对较高。电源供电电压2.5-13.5V，H桥输出的平均电流1.2A，最大可到3.2A。（可见驱动能力比DRV8833略强）内置过热保护和低压检测关断电路PWM控制的频率可达100kHZ。此芯片的很多引脚其实时重复的，是从同一处印出的，这样在接线时可增加接触面积从而提高可通过的电流。是非常适合本次设计。且TB6612芯片内部结构图如下图3-5所示，直流电机驱动如下图3-6所示。图3-5TB6612芯片内部结构图图3-6直流电机驱动电路模块3.6按键和插头及下载端口电路模块本次设计为实现功能的正常运行且方便使用。添加了下载端口，用于程序导入到单片机中实现功能的正常运行。插头即是用了插针连接器将单片机的控制指令通过导线传达到实现功能的具体设备。按键这是添加了四个按键。其作用分别是菜单键、选择键、加键、减键。用于对单片机定时功能的设置，通过lcd液晶显示屏显示。即各种功能设备的运行则是根据人的需要来设定的，完全实现智能化。其具体电路模块如下图3-7插口电路模块、图3-8下载端头电路模块、图3-9按键电路模块。图3-7插口电路模块图3-8下载端头电路模块图3-9按键电路模块4软件程序设计4.1系统整体程序设计图4-1系统程序流程图关于本次系统整体程序设计，我们总共分成两个大模块。第一个模块就是关于光照传感器实时感应所在场所环境的光照强度并将实时数据通过单总线传递给单片机，再通过单片机连接led灯的引脚高低电频的变化来控制led灯的智能照明。第二个模块，也是该设计中最重要的的部分。运用单片机的的定时功能，定时驱动TB6612芯片连接的具体工作器件模块。从而实现设定的工作时间点相应功能的器件模块运行相应的设定工作时长，进而满足人们的需求，具体流程图如上图4-1所示。4.2照明程序设计图4-2照明功能流程图在程序设计中，首先我们先定义光照强度，BH1750光照传感器能实时检测周围环境的光照强度，再读取环境光照强度值实时传递给STC15单片机中，再根据程序设置的光照强度值与实时光照强度值作对比，当实时光照强度值大于设定的光照强度值时，led灯阵熄灭，当实时光照强度小于设定的光照强度值时，led灯阵点亮。即是通过程序来实现STC15单片机实时接收BH1750光照传感器传递的信息并控制与led灯板连接引脚的高低电压来控制led灯板的智能照明具体流程图如上图4-2所示。4.3LCD12864显示程序设计为实现本次设计所需效果，编写关于LCD液晶显示屏正常工作的程序。该显示程序要编写显示所需的数组和延时函数，并根据该款显示屏的工作方式来编写如写指令到LCD模块、写数据到LCD模块模块、LCD模块初始化、全屏清屏等诸多子程序来实现LCD液晶显示屏显示功能。其表现效果是当电源打开，系统开始初始化工作，通过程序设计，可将单片机的功能在LCD液晶显示屏上显示。并通过按键可以设置定时功能，操作简单易于上手。具体流程图如下图4-3所示。图4-3lcd显示屏工作流程图4.4按键模块程序设计关于按键模块的程序设计，一就是关于按键扫描的程序设计，首先是判断所设的四个按键是否有按键被按下，当有按键被按下时，再进而判断是哪个按键被按下，在确定是哪个按键被按下后通过松手检测，等待按键释放，并给出返回按键值。二就是通过按键扫描程序得到的按键值依次设计具体按键值的功能程序。实现能得到满足预期效果按键操作。具体流程图如下图4-4所示。图4-4按键工作流程图4.5定时/计时程序设计该模块的程序设计一就是先编写一个计时程序能达到显示24小时的效果，且能通过按键来设置时间。二就是编写定时程序，分别是关于换水、增氧、投食的定时程序，也能通过按键来设置工作的时间点。当这三个功能分别与所设定的时间点与计时程序的时间达到一致时，则会达到直流电机驱动程序的工作条件来启动相应功能的设备工和蜂鸣报警设备工作至提前设定的工作时长，以此达到换水功能、增氧功能、投食功能的智能化工作。按具体流程图如下图4-5所示。图4-5定时/计数工作流程图5实物测试在设计好整个系统的硬件部分和软件部分，下一步就是将硬件部分和软件部分完美的结合在一起，从而实现整个功能的预期要求。下面这具体操作所有功能，并通过图片的形式来展示测试。其实物图如下图5-1所示。图5-1整部实物图如图5-2所示，是这个系统外部操作的具体设备即为按键部分，从左到右一次介绍，左边第一个按键是电源开关键，控制着整个系统的供电情况。第二个按键是菜单键，作用是在lcd液晶显示屏幕上显示菜单的选择，用于功能页面的选择。第三个按键是选择功能键，作用是在菜单键功能选择之后对各功能设置的选择，用于功能设置的选择。第四个按键是加1功能键，作用是在功能选择键选择后对相应为设置位进行加1工作。第五个按键功能是减1功能键，作用是在功能选择键选择后对相应为设置位进行减1工作。图5-2按键分布图再将程序通过下载端头导入该设计系统的STC15单片机中，然后打开电源开关，就会在lcd液晶显示屏上显示出主界面。主界面上显示该设计系统名称和我的名字和时钟及环境实时光照强度来显示led灯的智能照明。图5-3操作主界面图再通过菜单键进入下一个功能设定界面，即是三个主要功能的定时工作的界面，可定时投食、增氧、换水三个功能，再运行至设定时间为止。可以通过选择按键和加减按键来设定具体所需工作时间点。图5-4操作功能设置界面图再通过菜单键计入下一个时间设置模块模块，这个模块主要是设置该系统的时间，即是计时功能。通过选择按键和加减按键来设定所需的时钟点数。图5-5时间设置界面前面将lcd显示屏显示的功能及设置进行具体操作介绍，接下来就是根据换水、增氧、投食三个功能提前设定的工作时间点开始进行工作，再运行至提前设定的工作时长为止。来实现该设计系统的智能化控制。图5-6、换水、增氧、投食三功能工作时间点示意图当换水功能达到提前设定的时间点，STC15单片机就会控制TB6612直流电机驱动芯片驱动水泵工作至提前设置的工作时长，以此达到智能水族馆系统智能换水的效果。其工作效果如下图5-7所示。图5-7换水设备工作展示图当投食功能达到提前设定的时间点，STC15单片机就会控制TB66