基于單片機(jī)的魚缸控制器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 基于單片機(jī)的魚缸控制器設(shè)計(jì)摘 要本文是基于單片機(jī)的魚缸控制器的設(shè)計(jì)，目前市場(chǎng)上有各種各樣的觀賞類的魚缸，進(jìn)入了不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如家庭、賓館和商場(chǎng)等等，但現(xiàn)有的魚缸一般需要人為的操作，比如水溫的檢測(cè)、水循環(huán)、魚兒喂食和液位控制等，給人們帶來(lái)了很大的不便。本論文就是基于這一現(xiàn)狀，分析和研究目前大多數(shù)的魚缸的控制設(shè)備和現(xiàn)狀，提出了一種新型的基于單片機(jī)控制的自動(dòng)化魚缸控制器，該控制器是以單片機(jī)為核心，再結(jié)合傳感器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括溫度控制、水位檢測(cè)、氧含量控制、燈光照明等，真正做到了自動(dòng)化控制。整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩部分，一是以單片機(jī)AT89C52為核心，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)各種控制參數(shù)的設(shè)置、顯示、

2、處理和存儲(chǔ)等。二是輸入輸出部分，主要是采集系統(tǒng)所要求的各種參數(shù)和檢測(cè)信號(hào)，并將核心芯片傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行執(zhí)行，設(shè)計(jì)出硬件電路和軟件電路，綜合實(shí)現(xiàn)魚缸控制的集中管理。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行和測(cè)試，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)要求，并且其具有系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、成本低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于家庭類的觀賞性魚缸。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，自動(dòng)化，魚缸，控制系統(tǒng)48 / 52The Designer of MCU-based tankABSTRACTThis article is based design automation aquarium, there are a

3、variety of ornamental fish tank on the market today, into the different applications, such as home, hotel and shopping and so on, but the existing tanks generally require human operation , such as water temperature detection, water cycle, fish feeding and level control, to bring a lot of inconvenien

4、ce. This paper is based on this situation, analysis and research equipment and the current status of control of most of the fish tank, we propose a new tank based automation microprocessor controlled, the system is core, combined with sensor technology, set multiple technologies and control function

5、s in one, including thermostat, automatic feeding, automatic water change, automatic lighting, the perfect automated control. The whole control system is divided into two parts, one is the AT89C52 as the core, it is to achieve a variety of control parameters setting, display, processing, and storage

6、. Second, the input and output section, mainly a variety of parameters and detect signal acquisition system requires, and will be executed, hardware design schematics signal transmission core chip and software design, integrated centralized management control tank.Based on the design of the system f

7、or a long time to run and test results show that the proposed system can achieve requirements and having the system is stable and reliable, simple operation, design flexibility, low cost and simple structure, etc., can be widely used in the family class of ornamental fish tank.KEY WORDS: MCU,automat

8、ion,fish tank,control system目錄前言1第1章 概述21.1 研究的意義21.1.1 自動(dòng)化魚缸21.1.2 自動(dòng)化魚缸應(yīng)用情況與意義21.2 現(xiàn)狀31.2.1 功能分類31.2.2 單片機(jī)的應(yīng)用31.2.3 控制系統(tǒng)與特點(diǎn)41.3 論文的主要工作41.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)51.3.2 設(shè)計(jì)方案5第2章 控制方案62.1 自動(dòng)化魚缸的控制原理分析62.1.1 應(yīng)用方向62.1.2 控制原理62.1.3 控制要求72.2 控制參數(shù)與性能指標(biāo)72.2.1 溫度72.2.2 水位82.2.3 光和氧氣82.3 設(shè)備造型82.3.1I/O點(diǎn)分析82.3.2 單片機(jī)的選型92.3.

9、3 電源的選擇92.3.4 繼電器的選擇102.4 總體方案10第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.1 硬件的總體結(jié)構(gòu)133.2 主從機(jī)的電路設(shè)計(jì)143.3 各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)153.3.1 時(shí)鐘電路模塊的設(shè)計(jì)163.3.2 鍵盤與顯示模塊的設(shè)計(jì)163.3.3 溫度控制模塊的設(shè)計(jì)163.3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)18第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)194.1 設(shè)計(jì)容與方法194.1.1 設(shè)計(jì)容194.1.2 設(shè)計(jì)方法194.2 主程序的設(shè)計(jì)214.3 中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)224.4 時(shí)間顯示和溫度讀取程序的設(shè)計(jì)234.4.1 顯示時(shí)間的設(shè)計(jì)234.4.2 溫度讀取的設(shè)計(jì)23第5章 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)245.1 硬件

10、電路的抗干擾245.1.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)出錯(cuò)的原因245.1.2 電路的抗干擾設(shè)計(jì)245.2 軟件電路的抗干擾255.2.1 數(shù)據(jù)采集軟件的抗干擾255.2.2 輸出通道的抗干擾255.2.3 程序執(zhí)行過(guò)程的抗干擾26結(jié)論28 辭29參考文獻(xiàn)30附錄31外文資料翻譯41前言本次課題主要是完成基于單片機(jī)的魚缸控制器的設(shè)計(jì)，針對(duì)于目前市場(chǎng)上的魚缸情況，其在很大程度上都需要人為的操作，而本次論文的主要工作與目的，便是通過(guò)將單片機(jī)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，將人們從操作上解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)魚缸的自動(dòng)化控制，使得其控制更加穩(wěn)定、靈活和方便。該設(shè)計(jì)要求控制器能實(shí)現(xiàn)魚缸的自動(dòng)調(diào)溫、自動(dòng)換水以與自動(dòng)除垢等功能。隨著國(guó)民

11、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平有了很大的提高，相應(yīng)的對(duì)生活質(zhì)量有了明顯的要求，而休閑水族產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)在很大程度上提高了人們對(duì)自然和享受的追求，目前水族業(yè)的蓬勃發(fā)展也恰恰說(shuō)明了這一點(diǎn)，但目前市場(chǎng)上的魚缸還有所欠缺，其正處在初步發(fā)展的階段，不能達(dá)到大眾的需求。本次論文針對(duì)于這一現(xiàn)狀，提出了將單片機(jī)與魚缸相結(jié)合的想法，并應(yīng)用傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的統(tǒng)一，使其共同協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)魚缸所不能實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制。解決人們因?yàn)闀r(shí)間原因不能與時(shí)養(yǎng)護(hù)魚缸的困難，使得系統(tǒng)可以在設(shè)定參數(shù)后能夠自行的運(yùn)作，減少人為的操作。本次設(shè)計(jì)是先針對(duì)于目前魚缸市場(chǎng)的現(xiàn)狀，提出新型的控制方案，確定設(shè)計(jì)的主要目的和要實(shí)現(xiàn)的要求，明確設(shè)計(jì)

12、對(duì)象中的各個(gè)控制參數(shù)，并闡述所應(yīng)用的技術(shù)的原理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要將工作分為兩部分，一是硬件的選用和設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)于設(shè)計(jì)所需要的各種設(shè)備和性能的要求，選擇并設(shè)計(jì)出可靠和穩(wěn)定的硬件電路；二是軟件的設(shè)計(jì)，此過(guò)程主要是程序的設(shè)計(jì)和編寫，在設(shè)計(jì)好硬件電路的前提下，將編寫好的程序?qū)懭胄酒?，有主控制系統(tǒng)下達(dá)命令并使得硬件部分快速準(zhǔn)確的執(zhí)行。此外，由于在硬件和軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，并且最終的執(zhí)行結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這些主要是由于在系統(tǒng)工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作，所以要有一定的抗干擾設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)在發(fā)出信號(hào)、接收信號(hào)以與執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)候不會(huì)出錯(cuò)，能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。第1

13、章 概述1.1 研究的意義1.1.1自動(dòng)化魚缸自動(dòng)化魚缸利用先進(jìn)的技術(shù)，真正做到了節(jié)能、環(huán)保和方便實(shí)用，是養(yǎng)魚者最好最方便的選擇。它改變了原有的很多手工上的操作，比如自己換水、氧氣含量的控制、水質(zhì)不好等問(wèn)題，而應(yīng)用自動(dòng)化魚缸可以很好的解決這些問(wèn)題，為魚兒提供了一個(gè)良好的環(huán)境，并且大提高了養(yǎng)魚愛(ài)好者的樂(lè)趣。再也不用人為的進(jìn)行換水，當(dāng)外出時(shí)也不用擔(dān)心魚兒無(wú)人照料，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全措施也能有效的降低異常情況的發(fā)生等等。真正做到了自動(dòng)化的控制，在時(shí)間上解放了人類，為養(yǎng)魚愛(ài)好者節(jié)省了很多時(shí)間，省去了很多不必要的麻煩。全自動(dòng)魚缸有各式各樣的款式和不同的型號(hào)，可根據(jù)不同場(chǎng)合選用最合適最實(shí)用的魚缸。自動(dòng)化魚

14、缸節(jié)能環(huán)保，方便控制，解決了一系列的問(wèn)題，如換水難、水中礦物質(zhì)缺乏以與耗時(shí)照料等。系統(tǒng)控制會(huì)自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)，然后根據(jù)魚缸中水量的情況進(jìn)行加水和排水的，保證魚缸中水量的適度。并且能自動(dòng)清除魚的糞便和水中的雜質(zhì)，免除了使用清洗過(guò)濾棉給魚兒帶來(lái)的傷害和對(duì)水質(zhì)的污染。這樣一來(lái)，不僅使得魚缸的使用變得更加方便，而且美化了環(huán)境，使得養(yǎng)魚成為賞心悅目的事，人們不用在其上花費(fèi)太多的時(shí)間和勞力，在很大程度上將人們解放出來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)了休閑的自動(dòng)化控制。1.1.2 自動(dòng)化魚缸應(yīng)用情況與意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平得到了很大的改善，人們的生活品位相應(yīng)的也越來(lái)越高，與之相關(guān)的休閑、養(yǎng)生類等行業(yè)有了日漸蓬勃的發(fā)展

15、之勢(shì)。工作和生活在城市里的人或多或少都承受著各方面壓力，心里都渴望著回歸大自然的寧?kù)o與和諧。這樣一來(lái)，一個(gè)生機(jī)盎然、蒼翠欲滴的魚草水族箱便有了很大的作用，它不但能美化居室的環(huán)境，使得人們近距離的接觸到大自然，更能使人得到綠色和充滿活力的能量，每天欣賞大自然綠色美景的同時(shí)，在心理上得到很大的滿足和平靜。在這種需求下，水族行業(yè)便得到了其發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。魚缸又被大家稱水族箱，它起源于英國(guó)，到現(xiàn)在已經(jīng)有了超過(guò)150年的歷史。在魚缸市場(chǎng)發(fā)展早期的時(shí)候，水族箱的作用多用于展覽，主要是在酒店和展覽會(huì)等大眾化的場(chǎng)所的觀賞。但如今隨著生活水平的提高，而且科技的加入使得水族業(yè)得到了快速和良好的發(fā)展。水族箱更是逐漸成為

16、了普通家庭的室裝飾。現(xiàn)如今，以水草和金魚為主的魚缸被稱作“水中微縮的魚草園林”，是人們?cè)谛蓍e上的普遍選擇，但人們由于工作繁忙或者不是專業(yè)養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致沒(méi)有很好的結(jié)果，最后的結(jié)局大多是水草的枯萎和魚兒的死亡。針對(duì)這一現(xiàn)狀，市場(chǎng)上也陸續(xù)出現(xiàn)了各種自動(dòng)化控制的魚缸，可以完成水溫控制、保證氧含量、自動(dòng)排水以與自動(dòng)照明等。通過(guò)對(duì)目前大多數(shù)水族箱控制設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的分析和研究，提出了一種集多中功能于一體的自動(dòng)化魚缸控制器，該控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制中心，將其與傳感器技術(shù)相結(jié)合，最終可以集多種功能于一體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)溫、自動(dòng)喂食、自動(dòng)照明、自動(dòng)換水和自動(dòng)除垢等功能。1.2 現(xiàn)狀1.2.1 功能分類不同場(chǎng)合的自動(dòng)化魚

17、缸要具有不同的功能與特點(diǎn)，總體說(shuō)來(lái)，要具有以下基本的要求：溫度控制、光照充足、水位控制、自動(dòng)喂食、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等，同時(shí)還具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。但是在應(yīng)用到不同場(chǎng)合時(shí)，便需要其有相應(yīng)的功能，如礦廠、公司、水族館、觀賞池、展覽會(huì)、酒店、家庭等。工礦場(chǎng)合要有良好的除噪效果，系統(tǒng)反應(yīng)要更加靈敏，并且要具有凈化空氣的效果；養(yǎng)殖戶一類必須要方便管理和處理突發(fā)狀況；其它水族館和觀賞池等等一定要在滿足基本條件下做到美觀、賞心悅目，最好帶有音樂(lè)與燈光效果。1.2.2 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)又被大家稱為單片微控制器,它不僅僅只是完成某一個(gè)邏輯功能,它一個(gè)芯片本身便實(shí)現(xiàn)了大部分的集成功能。有人形象的稱單片機(jī)就是一臺(tái)微型的計(jì)算

18、機(jī)。它擁有體積小、質(zhì)量輕和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，大大的方便了大家的學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)。同時(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)單片機(jī)，我們可以更好的了解計(jì)算機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)。單片機(jī)部和電腦有一些功能相似的模塊，比如同樣有CPU、存、并行總線以與和硬盤作用一樣的存儲(chǔ)器件，但不同的是，單片機(jī)的這些器件的性能相對(duì)與電腦來(lái)說(shuō)要弱很多，不過(guò)價(jià)錢同時(shí)也低很多，一般不會(huì)超過(guò)10元，所以可以用它來(lái)做一些控制電器的工作。它是一種控制計(jì)算機(jī)，并且其工作是在線式實(shí)時(shí)的，所謂的在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，這就要求其有較強(qiáng)的抗干擾能力和比較低的成本，這也是它和離線式計(jì)算機(jī)的最大區(qū)別。單片機(jī)主要是靠程序來(lái)控制硬件實(shí)現(xiàn)各種功能的，而且要求其要具有可修改性。其通過(guò)不同

19、的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的不同的功能，尤其是針對(duì)于一些特殊功能，往往要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，有些甚至難以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單的功能要是用美國(guó)50年代開發(fā)的74系列或者60年代的CD4000系列可以實(shí)現(xiàn)的話，那么它的電路一定是很大的PCB板！但如果要應(yīng)用美國(guó)70年代成功投放市場(chǎng)的新型單片機(jī)，便會(huì)有很大的差別！因?yàn)槟阃ㄟ^(guò)單片機(jī)編寫的程序就可以實(shí)現(xiàn)其可靠性、高智能以與高效率。1.2.3 控制系統(tǒng)與特點(diǎn)控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，結(jié)合傳感器技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括溫度控制、燈光照明、水位監(jiān)測(cè)、氧含量控制等。整個(gè)系統(tǒng)分為四大部分：第一部分是以單片機(jī)AT89C52為核心的溫度控制部分；

20、第二部分是以單片機(jī)和揚(yáng)聲器SPEAKER為主的功能模塊；第三部分是以LED為主的燈光模塊；第四部分是自動(dòng)/手動(dòng)換水，自動(dòng)/手動(dòng)喂食等功能。該控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活以與成本低廉等特點(diǎn)，并且易于規(guī)模化的生產(chǎn)，可廣泛用于家庭和賓館等。1.3 論文的主要工作1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本文主要針對(duì)自動(dòng)化魚缸的設(shè)計(jì)，在單片機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)出自動(dòng)化控制的集成電路，集多種功能于一體，實(shí)現(xiàn)魚缸的自動(dòng)化控制。本次設(shè)計(jì)主要由輸入輸出和控制部分組成，輸入輸出部分主要完成系統(tǒng)各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)、設(shè)定以與調(diào)試等；控制部分主要完成復(fù)位、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示時(shí)鐘和溫度

21、、按鍵以與各種輸入輸出的指示等。1.3.2 設(shè)計(jì)方案（1）總體設(shè)計(jì)首先對(duì)該系統(tǒng)原理進(jìn)行分析，明白最終運(yùn)行的結(jié)果要求和指示，結(jié)合設(shè)備造型，查閱資料，確定采用合適的控制系統(tǒng)，提交總體的設(shè)計(jì)方案。（2）硬件設(shè)計(jì)分別設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路，控制電路，通訊電路等，并使其集成顯示、運(yùn)行，應(yīng)用CAD軟件畫出電氣控制原理圖。（3）軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)程序的編寫，各個(gè)子程序模塊要做到系統(tǒng)的結(jié)合，并應(yīng)用到單片機(jī)的集成顯示。（4）通信聯(lián)調(diào)第2章 控制方案2.1 自動(dòng)化魚缸的控制原理分析2.1.1應(yīng)用方向?qū)τ诓煌膱?chǎng)合，其魚缸要求也不盡一樣。本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化魚缸主要是應(yīng)用于家庭觀賞類魚缸，在功能和美觀上相比于大型高檔類魚缸稍有

22、欠缺，但在應(yīng)用和操作方面會(huì)盡量達(dá)到市場(chǎng)要求，在很大長(zhǎng)度上減少了人為操作。設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以檢測(cè)魚缸中含氧量、溫度、水垢等，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，還有水位探測(cè)功能，應(yīng)用碳棒與時(shí)的探測(cè)水位并補(bǔ)充水量。另外應(yīng)用的自動(dòng)化系統(tǒng)可以時(shí)時(shí)的顯示魚缸的所有數(shù)據(jù)，并且?guī)в袌?bào)警系統(tǒng)，真正的做到了方便快捷。2.1.2控制原理本次論文設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的自動(dòng)化控制，將單片機(jī)應(yīng)用到魚缸系統(tǒng)中，使其達(dá)到自動(dòng)化控制，更為快捷方便的控制。在單片機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些接口，用來(lái)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示、鍵盤寫入和輸出控制等，并加入相關(guān)的應(yīng)用軟件，組成完整的單片機(jī)系統(tǒng)。針對(duì)于單片機(jī)的性能高、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到魚缸的控制中，結(jié)合傳感器和感應(yīng)

23、器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化的控制。在實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制中，共分為以下幾個(gè)控制方向：溫度、水位、含氧量等，并且還要帶有緊急情況的報(bào)警系統(tǒng)，以防突發(fā)情況的發(fā)生。其中各種參數(shù)的設(shè)定和調(diào)試可根據(jù)天氣和周圍環(huán)境的變化做出相應(yīng)的改變，最終的目的是為魚兒提供一個(gè)良好的生活環(huán)境。本次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用分塊的模式，主要由控制部分和輸入輸出部分協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)功能。其中，控制部分主要完成復(fù)位、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示溫度和時(shí)鐘、按鍵以與各種輸入和輸出等；而輸入輸出部分主要完成系統(tǒng)的各種控制參數(shù)的設(shè)定以與與主系統(tǒng)的通信等。結(jié)合上述要點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)安全和自動(dòng)化控制的前提下，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方便、靈活、安全的統(tǒng)一。2.1.3 控制要求針對(duì)魚缸的自動(dòng)化

24、控制，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要做到以下要求：1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚缸的環(huán)境參數(shù)：由于魚缸的各種魚兒和水草等需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定并且良好的生活環(huán)境，因此要保證魚缸各種參數(shù)的穩(wěn)定，其中包括含氧量、溫度、光照、水位等。要盡可能的將各種參數(shù)控制或者調(diào)整到合適的圍，以保證魚兒的良好成長(zhǎng)。2) 能夠?qū)崟r(shí)的顯示溫度、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定以與當(dāng)前工作狀態(tài)和系統(tǒng)時(shí)間。3) 有報(bào)警系統(tǒng)，即當(dāng)魚缸的環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能夠與時(shí)的發(fā)出報(bào)警信號(hào)并做出反應(yīng)動(dòng)作，以保證環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。4) 為了適應(yīng)不同的需求，系統(tǒng)要能在自動(dòng)和手動(dòng)的模式下自由切換。2.2 控制參數(shù)與性能指標(biāo)本次設(shè)計(jì)的控制對(duì)象是魚缸，控制的目的是使其能自動(dòng)調(diào)節(jié)，為魚類提供合適

25、的生活環(huán)境。設(shè)計(jì)的過(guò)程中要注意水溫、水位、氧含量等參數(shù)。要求該系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)并顯示魚缸的溫度和氧含量等，并做出與時(shí)的補(bǔ)充，利用碳棒檢測(cè)水位的高低，并應(yīng)用單片機(jī)控制水泵進(jìn)行供水，協(xié)調(diào)工作達(dá)到一個(gè)功能完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2.2.1 溫度魚類是冷血?jiǎng)游?，也就是說(shuō)它們需要從周邊環(huán)境吸取熱量以供給自身新代。魚類在水中不斷用鰓過(guò)濾水，進(jìn)行呼吸，這就導(dǎo)致了它們新代產(chǎn)生的熱量會(huì)很快消散在水中，體溫也和周圍水溫相似。魚類大多數(shù)喜歡生活在溫度為25.528.8攝氏度的水中。溫度或熱量是影響魚類新代的重要因素，如果溫度過(guò)高，魚類體的酶將停止工作；如果溫度過(guò)低，魚類體的酶的結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞。此外，如果水溫過(guò)低，熱帶魚將

26、很可能會(huì)喪失其意識(shí)，魚類體的寄生蟲和細(xì)菌會(huì)伺機(jī)侵害魚類的健康。隨著水溫的升高，氧氣的溶解度會(huì)降低，而魚類恰恰是需要氧氣來(lái)進(jìn)行生存，這樣便可能會(huì)導(dǎo)致魚類因缺氧而死去，所以一定要給魚類一個(gè)合適的水溫。綜上所述，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度圍來(lái)控制加熱器的啟動(dòng)和停止，以提供一個(gè)合適的水溫。2.2.2 水位水位檢測(cè)主要是控制魚缸的水量，通過(guò)水泵將水箱中的水抽到魚缸中，并應(yīng)用碳棒時(shí)時(shí)檢測(cè)水位，當(dāng)檢測(cè)到水位達(dá)到要求時(shí)，立即通過(guò)單片機(jī)控制水泵停止加水。2.2.3 光和氧氣魚缸中不僅僅只有魚類，同時(shí)還有共同生活的植物。而光是植物健康生長(zhǎng)的必要因素，在適宜的光照條件下更加有利于植物的生長(zhǎng)，同時(shí)利于魚兒的生活。綠色植物是

27、唯一能產(chǎn)生氧氣的植物，植物良好的生長(zhǎng)可以與時(shí)補(bǔ)充魚缸的氧氣。在自動(dòng)化系統(tǒng)的配合下可以更加方便的控制魚缸的含氧量，為魚兒創(chuàng)造了一個(gè)良好的環(huán)境。2.3 設(shè)備造型2.3.1I/O點(diǎn)分析本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化魚缸是基于單片機(jī)的自動(dòng)化應(yīng)用，參考于其中的控制參數(shù)，利用傳感器等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，需要加入一個(gè)作為輸入的3*4的鍵盤，以此來(lái)設(shè)置溫度和含氧量的參數(shù)。其中設(shè)置的溫度標(biāo)準(zhǔn)和氧氣含量等均可以通過(guò)鍵盤來(lái)手動(dòng)輸入，隨時(shí)的根據(jù)周圍環(huán)境的變化來(lái)調(diào)控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為魚兒提供更好的生活環(huán)境。而通過(guò)傳感器作為輸出的實(shí)時(shí)溫度和含氧量一并作為輸出點(diǎn)來(lái)考慮，只需在傳感器與單片機(jī)的基礎(chǔ)上橋接一個(gè)LED顯示模塊，就可以方便的顯示所需

28、要控制的參數(shù)，以此來(lái)改變或者重新設(shè)置。其中水位的控制是通過(guò)碳棒來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此并不需要作為輸出點(diǎn)。2.3.2 單片機(jī)的選型單片機(jī)共可以分為1位、4位、8位、16位、32位機(jī)等。其中1位機(jī)和4位機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但指令不豐富，而且編程復(fù)雜，主要運(yùn)用于簡(jiǎn)單的控制；相對(duì)來(lái)說(shuō)16位機(jī)和32位機(jī)雖然性能優(yōu)越、集成密度高，但在價(jià)格上比較高，因此得不到廣泛的應(yīng)用；而8位單片機(jī)體積較小、指令多而廣、價(jià)格低廉，而且產(chǎn)品的應(yīng)用幾乎占據(jù)了大部分的單片機(jī)市場(chǎng)，將會(huì)成為系統(tǒng)控制的主流機(jī)型。ATMEL、NXP、STC和SST等公司生產(chǎn)的高性能8位89C52/S51單片機(jī)有很多優(yōu)勢(shì)，比如其有豐富的系統(tǒng)資源，特別是其部增加的存

29、儲(chǔ)器Flash ROM，它可以高速的改寫，大大的方便了單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用。因?yàn)?9C52=80C31+373+2732，而且其價(jià)格低廉，因此，在市場(chǎng)上有相當(dāng)大的應(yīng)用性。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本次論文選用AT89C52型的單片機(jī)作為自動(dòng)化魚缸的主控制芯片，AT89C52是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)。它采用了CMOS工藝，并具有高密度非易失性，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。片的Flash ROM在系統(tǒng)允許改編程序。具有功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理等特點(diǎn)。它有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入輸出的端口，同時(shí)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)全雙工串行通信口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)讀寫口，既可

30、以按照常規(guī)的方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。另外，它將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器巧妙的結(jié)合到一起，尤其是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器的應(yīng)用，有效的降低了開發(fā)成本。所選用的AT89C52單片機(jī)部片資源豐富，有8K字節(jié)的閃爍存儲(chǔ)器，而本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用單片機(jī)C語(yǔ)言編寫，這樣編譯后生成的代碼不僅較為簡(jiǎn)短，而且效率較高，這樣有了多余的程序存儲(chǔ)空間避免了再外部擴(kuò)展，有效的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路和降低了系統(tǒng)成本。2.3.3 電源的選擇基于是家庭的自動(dòng)化魚缸，考慮到方便的操作問(wèn)題，直接選用220伏的常用電源，不僅可以方便魚缸的接線問(wèn)題，還可以省去中間升降壓的麻煩。而對(duì)于單片機(jī)的電源選擇則要針對(duì)于所選用的單片機(jī)的

31、類型，結(jié)合其各種參數(shù)，并考慮到中間所加的各種應(yīng)用模塊。由于本次設(shè)計(jì)選用的是89C52單片機(jī)，所以直接選用5伏的直流電源，作為單片機(jī)的電源供給。2.3.4 繼電器的選擇繼電器是一種當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。其原理是通過(guò)改變輸入到線圈上的電壓來(lái)改變電磁場(chǎng)，進(jìn)而控制電路的開和關(guān)。按照工作原理和結(jié)構(gòu)特征，繼電器共分為以下幾類：電磁繼電器、固態(tài)繼電器、時(shí)間繼電器、舌簧繼電器、溫度繼電器等。繼電器的選擇有以下注意事項(xiàng)：使用環(huán)境、輸入信號(hào)、輸入?yún)⒘?、?fù)載情況等。針對(duì)于魚缸的水中環(huán)境和使用現(xiàn)狀，以與魚缸的電壓、電流、輸入輸出等情況，選用最常用的光電隔離

32、器來(lái)作為安全保護(hù)裝置，其具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度圍寬、抗干擾性能強(qiáng)無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)。綜上所述，本次系統(tǒng)選用型號(hào)為SRS-05VDC-SL的繼電器，它的觸點(diǎn)負(fù)載為中功率，觸電形式為常開型。2.4 總體方案本次設(shè)計(jì)主要是以單片機(jī)89C52為核心，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用其它的模塊，如溫度顯示模塊、自動(dòng)供水模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊和按鍵輸入模塊等。應(yīng)用傳感器技術(shù)和感應(yīng)系統(tǒng)將其系統(tǒng)完美的結(jié)合到一起，能人性化的調(diào)試和隨時(shí)隨境的改變參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化魚缸的自動(dòng)控制。以下是總體硬件結(jié)構(gòu)方案圖：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖其中主控制部分包括：中心控制模塊：主要是以單片機(jī)為控制核心，其功能是用來(lái)將A/D

33、轉(zhuǎn)換器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而向各種設(shè)備發(fā)出各種控制信號(hào)。時(shí)鐘控制電路模塊：同步控制系統(tǒng)的相對(duì)時(shí)鐘和絕對(duì)時(shí)鐘，定時(shí)檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)和各項(xiàng)控制器的開或關(guān)。人機(jī)交互按鍵控制模塊：主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的寫入功能以與設(shè)置后相應(yīng)的LED的顯示，以便達(dá)到良好的人機(jī)交互功能。1）通過(guò)LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示參數(shù)值；2）通過(guò)鍵盤寫入各種參數(shù)；3）發(fā)生異常時(shí)能通過(guò)LED管和蜂鳴器報(bào)警。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/復(fù)位模塊：能夠存儲(chǔ)各種參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過(guò)程，當(dāng)遇到異常情況時(shí)能夠復(fù)位重啟。數(shù)碼顯示模塊：能夠?qū)崟r(shí)的顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和時(shí)間、當(dāng)前溫度以與控制過(guò)程中的參數(shù)變化。其中輸入輸出控制部分包括：各種信號(hào)的輸入模塊：能夠

34、將魚缸中檢測(cè)到的各種信號(hào)準(zhǔn)確輸入，如溫度的監(jiān)測(cè)、水位高低的監(jiān)測(cè)以與含氧量的監(jiān)測(cè)等。這個(gè)模塊主要是由傳感器、放大器、多路開關(guān)以與A/D轉(zhuǎn)換器等組成，完成數(shù)據(jù)的采集。其中傳感器的作用是感應(yīng)魚缸各種環(huán)境參數(shù)的的變化，然后將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；放大器的作用是將系統(tǒng)接收到的一些微小的信號(hào)放大，以便于接收系統(tǒng)可以很快的接收并利于下面的執(zhí)行；多路開關(guān)的作用是將接收到的電信號(hào)傳給A/D轉(zhuǎn)換器，這樣便可以讓單片機(jī)接收到可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。各種子系統(tǒng)的輸出控制模塊：主要由各種輸出控制的設(shè)備組成。根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)到的各種參數(shù)信號(hào)，控制相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行工作，各個(gè)子系統(tǒng)既不互相干擾又能協(xié)調(diào)工作，同時(shí)可以顯示各種輸出。作為核心的

35、單片機(jī)將設(shè)定值和采集值進(jìn)行比較，發(fā)出控制信號(hào)并傳輸給相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不合適參數(shù)的調(diào)節(jié)。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章容是介紹自動(dòng)化魚缸控制的硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，主要包括以下設(shè)計(jì):主從機(jī)電路模塊、時(shí)鐘電路模塊、鍵盤控制與顯示模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路模塊等。下文中詳細(xì)的闡述了各電路設(shè)計(jì)中芯片的選型要求，并根據(jù)其部組成、性能參數(shù)和功能特點(diǎn)等設(shè)計(jì)出了具體的硬件電路。在綜合各個(gè)電路的元件性能的前提下，保證所設(shè)計(jì)的各個(gè)電路之間可以協(xié)調(diào)工作，在主系統(tǒng)的控制和調(diào)試下可以達(dá)到方便快捷的效果，實(shí)現(xiàn)硬件部分的高效執(zhí)行性和系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。3.1 硬件的總體結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是本次論文的兩個(gè)重要方面，本章主要寫該

36、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要遵循以下幾點(diǎn)原則：（1）硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件電路的設(shè)計(jì)是相輔相成的，軟件電路功能的實(shí)現(xiàn)要靠硬件電路來(lái)執(zhí)行，而硬件電路的實(shí)現(xiàn)要靠軟件電路來(lái)下命令。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能還要占用CPU的時(shí)間，所用的時(shí)間要更長(zhǎng)一點(diǎn)。但在另一方面，用軟件電路實(shí)現(xiàn)功能的話，不僅可以使得硬件電路大大簡(jiǎn)化，這樣一來(lái)降低了成本，同時(shí)避免異常情況的發(fā)生，可以提高硬件電路的可靠性。所以在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足可行性和系統(tǒng)要求的前提下，盡可能的用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件功能。（2）保證可靠性和抗干擾性。根據(jù)可靠性的設(shè)計(jì)理論，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)所用的芯片越少，那么系統(tǒng)出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)越少，同時(shí)電路板上的地

37、址數(shù)據(jù)總線受到的干擾就越少，所以單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在滿足功能要求和可靠的情況下，盡可能的使用少量的芯片和線路，大幅度改善組件數(shù)、電路板空間、抗干擾性、功耗以與系統(tǒng)成本。（3）確保靈活的功能升級(jí)和系統(tǒng)擴(kuò)展。由于一開始并不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中需要不斷的完善系統(tǒng)和補(bǔ)充功能，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)考慮到在以后的應(yīng)用，也就是說(shuō)應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要做很大變動(dòng)的情況下，盡可能的修改少量的軟件和硬件，甚至在不修改的情況下就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。其中，功能擴(kuò)展對(duì)系統(tǒng)的影響也很大。按照系統(tǒng)的要求和以上幾點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)原則，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C52為核心，再結(jié)合傳感器技術(shù)，由溫度控制、數(shù)碼

38、顯示、信號(hào)的輸入和輸出等單元電路組成。下面就主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。3.2 主從機(jī)的電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)魚缸的自動(dòng)化控制，并達(dá)到方便快捷的目的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能的將各個(gè)控制部分的放置最大效率化與資源化，即將系統(tǒng)的主控制部分和輸入輸出控制部分的功能板分別放在魚缸的不同位置，這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。而設(shè)計(jì)的主控制其作為主機(jī)，設(shè)計(jì)的輸入輸出控制器作為從機(jī)，并將其分別應(yīng)用到所設(shè)計(jì)的電路中，即主控制電路和輸入輸出控制電路。在主控制電路中用AT89C52作為主控制芯片，它主要是實(shí)現(xiàn)控制中心、時(shí)鐘控制電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/復(fù)位模塊、數(shù)碼顯示模塊以與人機(jī)按鍵控制模塊的相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的完善；

39、而輸入輸出控制電路主要工作是能夠準(zhǔn)確、與時(shí)的輸出魚缸中檢測(cè)到的各種環(huán)境參數(shù)和各路控制信號(hào)。綜合上述情況，在兩個(gè)電路能夠正常工作的前提下，再將兩者結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。在這三部分電路的設(shè)計(jì)中，要細(xì)節(jié)考慮其之間的工作模式和特點(diǎn)，綜合其不同的性能和工作狀態(tài)，減少不必要的消耗和損失，并能夠在此基礎(chǔ)上更加的方便靈活，實(shí)現(xiàn)最終系統(tǒng)所要求的自動(dòng)化控制。以下是作為主從機(jī)電路的電路結(jié)構(gòu)圖：上述系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖由兩部分組成，即主控制部分和輸入輸出控制部分，并在這兩者之間可以進(jìn)行通信，用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩部分的信息傳遞。其中主控制部分主要由以下電路組成：時(shí)鐘電路，主要功能是實(shí)時(shí)的顯示系統(tǒng)的日期統(tǒng)時(shí)間，選用單片機(jī)主

40、芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，更加方便簡(jiǎn)捷的顯示時(shí)間；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/復(fù)位電路，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)所檢測(cè)到的各種環(huán)境參數(shù)和信息，并能夠在發(fā)生異常的情況下與時(shí)動(dòng)作復(fù)位，防止發(fā)生不必要的損失，；指示燈的接口電路，主要是實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的各種參數(shù)以與調(diào)試過(guò)程的信號(hào)的數(shù)字化，有8路輸出指示燈與住CPU的P2.0P2.7連接組成；與LED顯示芯片和鍵盤的接口電路，完成鍵盤輸入和顯示的連接。輸入輸出部分主要由輸出指示、溫度檢測(cè)、水位高低檢測(cè)以與其他參數(shù)的檢測(cè)組成，其中溫度檢測(cè)選用芯片DS18B20的DQ端與P0.4連接組成電路，而水位高低的檢測(cè)則用碳棒來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.3 各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)3.3.1 時(shí)鐘電路模塊的設(shè)計(jì) 本次硬件設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路

41、模塊所選用的核心芯片AT89C52，用來(lái)完成系統(tǒng)中實(shí)時(shí)時(shí)鐘的顯示和設(shè)置。 其中，實(shí)時(shí)的時(shí)鐘/日歷電路用來(lái)提供詳細(xì)的時(shí)間和日期，人性化的的選擇12或者24小時(shí)格式，并且每個(gè)月的天數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整，減少了手動(dòng)的麻煩。該時(shí)鐘電路主要完成三個(gè)功能，即時(shí)間的顯示、相對(duì)時(shí)鐘以與時(shí)間的處理。其中相對(duì)時(shí)鐘主要是控制魚缸的各種操作，實(shí)現(xiàn)溫度控制和氧氣含量的時(shí)間調(diào)整。時(shí)間的處理主要是設(shè)置鬧鐘、事件的提醒以與作為備忘錄使用。3.3.2 鍵盤與顯示模塊的設(shè)計(jì)該模塊的設(shè)計(jì)是直接選用鍵盤輸入通過(guò)單片機(jī)AT89C52來(lái)進(jìn)行寫入，并采用LED來(lái)進(jìn)行顯示結(jié)果與過(guò)程，該模塊靈敏度高，性能可靠，而且耗費(fèi)價(jià)格低廉，能夠準(zhǔn)確的達(dá)到系統(tǒng)的

42、要求，實(shí)現(xiàn)輸入和顯示的綜合統(tǒng)一。此模塊的核心是要設(shè)計(jì)的鍵盤與顯示的電路，主要實(shí)現(xiàn)復(fù)位、LED顯示以與鍵盤輸入的功能，這些功能分別由復(fù)位電路、8位的LED顯示電路、鍵盤的輸入控制電路實(shí)現(xiàn)，可以更好的實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的設(shè)定、控制和調(diào)試。3.3.3 溫度控制模塊的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)溫度控制模塊過(guò)程中，選用DALLAS公司生產(chǎn)的芯片DS18B20作為核心芯片，它是一種一線式數(shù)字溫度傳感器，主要由以下四部分組成：溫度傳感器、配置寄存器、64位ROM以與非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器。其溫度的測(cè)量圍是-55+125攝氏度，有3個(gè)引腳T0-92，是小體積的的封裝形式，其溫度的測(cè)量精確程度可以達(dá)到0.0625攝氏度，并且有9-1

43、2位的A/D轉(zhuǎn)換精度，還可以將測(cè)量到的溫度擴(kuò)展為16位數(shù)字量，并通過(guò)串行的方式輸出。其工作電源有兩種方式，一是可以在遠(yuǎn)端直接引入，二是可以通過(guò)寄生電源產(chǎn)生。以下是DS18B20的部結(jié)構(gòu)圖：其中，VDD是外接的供電電源，GND是接地，DQ是數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出端。將單片機(jī)的P04口與芯片DS18B20的引腳2相連，可組成溫度檢測(cè)電路。它用外部5 伏的電源供電，并連接4.7K歐姆的上拉電阻，這樣可以保證在有效的時(shí)鐘周期提供足夠的電流。電路圖如下所示：3.3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)在此電路設(shè)計(jì)時(shí)采用ATMEL/愛(ài)特梅爾公司生產(chǎn)的芯片AT24C02N-SU27 D作為存儲(chǔ)器使用，其導(dǎo)電類型為雙極型，工

44、作溫度為-4085攝氏度，價(jià)格低廉，但性能較高，靈敏度強(qiáng)。此芯片在該電路中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)和工作過(guò)程中數(shù)據(jù)變化的存儲(chǔ)，將其與單片機(jī)相連組成完善的電路，可以寫入和存儲(chǔ)單片機(jī)的程序與指令。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)容與方法4.1.1設(shè)計(jì)容軟件設(shè)計(jì)是本次論文的中自動(dòng)化魚缸控制的主要容和重點(diǎn)，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能要求，在已選好的系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。為了達(dá)到系統(tǒng)功能的明確和完善，操作簡(jiǎn)便以與可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，一般采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。該程序設(shè)計(jì)方法共分為以下三個(gè)方面：從上到下的設(shè)計(jì)、模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。此外，還需要加強(qiáng)軟件的抗干擾性，實(shí)現(xiàn)其程序的可靠性。單片機(jī)系統(tǒng)

45、的程序設(shè)計(jì)是采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行開發(fā)的， 整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的程序共分為三模塊，即主程序模塊、溫度檢測(cè)模塊和溫度顯示模塊。每個(gè)模塊都有一定的功能和作用，其中一些還包括有一些子程序，它們既相互獨(dú)立有相互聯(lián)系，低級(jí)模塊可以被高級(jí)模塊調(diào)用，共同實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。4.1.2 設(shè)計(jì)方法由于本次設(shè)計(jì)是基于自動(dòng)化魚缸的設(shè)計(jì)，并采用了模塊化的設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)控制。模塊化設(shè)計(jì)就是把軟件按照系統(tǒng)要求和要實(shí)現(xiàn)的各種功能將其劃分為幾個(gè)較簡(jiǎn)單的和相對(duì)獨(dú)立但又相關(guān)的模塊。其中，在實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要注意分解、信息隱藏和模塊的獨(dú)立性等方面。分解是我們?cè)谌粘Ｉ钪杏龅綇?fù)雜問(wèn)題時(shí)常用的解決方法，對(duì)問(wèn)題求解的大量實(shí)驗(yàn)表明，將一個(gè)復(fù)雜的

46、問(wèn)題分解為幾個(gè)較小較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，能夠明顯的降低解決問(wèn)題的難度和復(fù)雜度。而針對(duì)于此次軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各個(gè)組成模塊是相互聯(lián)系的，要避免將系統(tǒng)劃分為很多模塊，這樣一來(lái)各個(gè)模塊相互之間的聯(lián)系也就越少，可以減少出錯(cuò)的連鎖反應(yīng)。并且可以使得模塊的接口工作量大大減少，但每個(gè)軟件都有一個(gè)最小的成本劃分區(qū)，只要在這個(gè)圍將系統(tǒng)劃分為合適的模塊數(shù)，就可以使工作量和設(shè)計(jì)難度保持最小。信息隱藏是指將對(duì)不需要了解某些數(shù)據(jù)與過(guò)程的模塊隱藏起來(lái)。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)程序和系統(tǒng)時(shí)，會(huì)需要一些在特定情況下才會(huì)用到的信息，而這些信息的出現(xiàn)可能會(huì)影響到模塊間的信息交換，所以，最好的辦法就是將其隱藏起來(lái)。當(dāng)發(fā)生特定情況才允許這些信息交流。這一思

47、想的目的是為了提高模塊的獨(dú)立性，它避免了在用不到隱藏信息時(shí)將其擴(kuò)展到其它模塊的風(fēng)險(xiǎn)，這樣一來(lái)，各個(gè)模塊的功能比較單一，不容易發(fā)生與其它模塊共享信息的情況。應(yīng)用這一思想，使得系統(tǒng)易于測(cè)試、聯(lián)調(diào)和維護(hù)。模塊獨(dú)立性是將系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊時(shí)要遵守的必要準(zhǔn)則，要使得模塊劃分的合理，就必須堅(jiān)持模塊的獨(dú)立性。獨(dú)立性主要是指模塊本身的結(jié)構(gòu)和塊間的聯(lián)系。前者指模塊部的組成部分，其相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)功能；后者指多個(gè)模塊之間的相互聯(lián)系，它們既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。只有保證模塊的獨(dú)立性很高，才能使得塊組成部分的聯(lián)系越強(qiáng)，同時(shí)摸塊間的聯(lián)系越弱，避免異常情況的傳染。在開發(fā)軟件的同時(shí)，還要注意軟件開發(fā)中文檔的建立。因?yàn)槲覀冊(cè)陂_

48、發(fā)軟件的過(guò)程中，會(huì)使用大量的信息，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很多信息，這時(shí)最好建立一個(gè)軟件文檔，可以提高軟件過(guò)程中的能見(jiàn)度，記錄下開發(fā)的過(guò)程。軟件文檔的編制，使得開發(fā)人員對(duì)各個(gè)階段的工作都進(jìn)行全面的思考，以便減少返工的機(jī)會(huì)，還可以在開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，可以很快解決這些問(wèn)題，避免后續(xù)的麻煩，并且便于系統(tǒng)軟件的升級(jí)、使用和維護(hù)。本次系統(tǒng)是以上述的軟件設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，采用Kei1 C51集成環(huán)境開發(fā)軟件部分。Kei1 C51是美國(guó)Kei1 Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)，它是由C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言的功能更加完善，有很強(qiáng)的可維護(hù)性，結(jié)構(gòu)的可靠性更高，并且易于讀寫。Kei1 C51

49、軟件提供全Windows界面，在編程時(shí)可以調(diào)用豐富的庫(kù)函數(shù)，并且可以進(jìn)行集成開發(fā)和調(diào)試。同時(shí)，經(jīng)編譯后生成的匯編代碼更加緊湊，并且容易理解，使得Kei1 C51生成目標(biāo)代碼的效率大大提高。本次論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的軟件部分主要包括：主程序、初始化子程序、中斷服務(wù)程序、溫度檢測(cè)程序、溫度顯示程序、工作狀態(tài)控制程序。4.2 主程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件主程序主要是檢測(cè)魚缸的各種環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的設(shè)定和改變。在設(shè)計(jì)過(guò)程中仿照硬件電路的設(shè)計(jì)辦法，將系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能合理的劃分為幾個(gè)小系統(tǒng)，通過(guò)編寫其對(duì)應(yīng)的子程序，使得幾個(gè)子程序可以相互聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的溫度、含氧量、水位等設(shè)計(jì)。應(yīng)用此模塊化的設(shè)計(jì)不僅

50、可以使設(shè)計(jì)的思路更加清晰，而且更加方便了程序的編寫和調(diào)試。以下是系統(tǒng)主程序的工作流程圖：4.3 中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)對(duì)于主程序中的各種信息和數(shù)據(jù)的處理主要由兩種途徑，一是通過(guò)在顯示間隙中完成，二是通過(guò)中斷服務(wù)子程序來(lái)完成。T0的中斷服務(wù)子程序主要完成定時(shí)數(shù)據(jù)的傳送、按鍵處理和按鍵的消抖等。而計(jì)數(shù)器T1是用來(lái)產(chǎn)生波特率，不會(huì)中斷。以下是定時(shí)器的中斷服務(wù)子程序流程圖：本次系統(tǒng)利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它是在工作方式1下，進(jìn)行20mS的定時(shí)，接著通過(guò)所設(shè)計(jì)的T0中斷服務(wù)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)和分的計(jì)時(shí)。該程序是提供了一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，同時(shí)給采樣數(shù)據(jù)提供基本的計(jì)時(shí)信息。由于該系統(tǒng)晶振的設(shè)置為110.592M，同時(shí)定時(shí)器

51、T0設(shè)置為20mS，所以裝入的TH0和TL0的初值分別為B8H和00H。以下是當(dāng)進(jìn)行20mS的計(jì)數(shù)初值時(shí)的計(jì)算：（1）機(jī)器周期TF=12*（1/11.0592）us（2）定時(shí)器的計(jì)數(shù)值T0/TP=20000*（11.0592/12）=18432（3）裝入定時(shí)器的初值為X=216-T*f/12=65536-18432=47104（4）將X表示為二進(jìn)制形式為：X=00000B，而且定時(shí)器的工作方式選擇為1，所以（TH0）=B8H，（TL0）=00H。在此中斷服務(wù)程序中，只要循環(huán)5此就可以完成100mS的定時(shí)控制。4.4 時(shí)間顯示和溫度讀取程序的設(shè)計(jì)4.4.1 顯示時(shí)間的設(shè)計(jì)本次系統(tǒng)為了方便控制和應(yīng)

52、用簡(jiǎn)捷，針對(duì)于時(shí)間的顯示用主芯片AT89C52來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)匯編語(yǔ)言完成程序的編寫，經(jīng)芯片讀取并由LED顯示。詳細(xì)程序見(jiàn)附錄。4.4.2 溫度讀取的設(shè)計(jì)在利用芯片DS18B20讀取溫度時(shí)，首先要取得到芯片DS18B20檢測(cè)到的溫度值，該溫度值是以BC碼的形式來(lái)顯示，然后再以十進(jìn)制的形式輸出，而且輸出的溫度值會(huì)是實(shí)際檢測(cè)到的溫度值的十倍，并且會(huì)含有一位不顯示的小數(shù)。詳細(xì)程序見(jiàn)附錄。第5章 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)針對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，有很多的干擾問(wèn)題，它們是以一種或者多種的方式存在并作用于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，其對(duì)于控制能系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的影響，使得系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能不能達(dá)到要求，最后還可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，

53、所以必須要加入一些必要的抗干擾設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)于自動(dòng)化魚缸中魚類和水草植物的生活環(huán)境的監(jiān)控，要求其必須要具備良好的抗干擾能力，才能實(shí)現(xiàn)最終的理想的控制。就單片機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其抗干擾的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)于硬件和軟件兩部分。硬件的抗干擾主要是應(yīng)用一些物理的器件來(lái)較少或者消除干擾，能很大程度上將大部分的干擾消除，其優(yōu)點(diǎn)是效率較高，可以給系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)良好工作環(huán)境，但同時(shí)會(huì)造成成本的增加和硬件體積的增大。而軟件的抗干擾主要是加入一些控制算法來(lái)達(dá)到目的，它是通過(guò)編寫或者改變程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，在一定程度上會(huì)占用CPU，這樣一來(lái)會(huì)影響到系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。所以，一般選擇將硬件的抗干擾和軟件的抗干擾相互結(jié)合，使其協(xié)

54、調(diào)工作，達(dá)到最終抗干擾能力強(qiáng)并且硬件少的效果。5.1 硬件電路的抗干擾5.1.1單片機(jī)控制系統(tǒng)出錯(cuò)的原因一般來(lái)說(shuō)，造成單片機(jī)控制系統(tǒng)受到干擾的原因來(lái)自兩個(gè)方面，一是電路的設(shè)計(jì)，二是生產(chǎn)本身的制造問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō)，主要由以下幾個(gè)外在原因：元件本身的質(zhì)量較低；單片機(jī)本身的抗干擾能力較低；工作環(huán)境的影響較大；期間的功率不足；沒(méi)有屏蔽保護(hù)的功能等。5.1.2電路的抗干擾設(shè)計(jì)針對(duì)于實(shí)際電路的抗干擾，主要有以下三個(gè)注意方面：（1）接地。該設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地，即連接，可以有效的提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）濾波。顧名思義指的是將采集到的各種信號(hào)加以分類，通過(guò)其不同的頻率特性控制其方向。一般用的濾波器有高通濾

55、波器、低通濾波器和帶通濾波器。比如將低通濾波器連接到交流電源上，便可以讓系統(tǒng)所需要的交流電得以通過(guò)，阻止其它的高頻干擾信號(hào)進(jìn)入并將其導(dǎo)入。（3）制作電路板時(shí)的布線和工藝。將電路板合理的劃分區(qū)域，使其不會(huì)再布線上產(chǎn)生干擾；時(shí)鐘要盡可能的遠(yuǎn)離I/O線，盡量與之垂直；電源線和接地線要較粗，過(guò)孔盡可能的少等等。5.2 軟件電路的抗干擾 軟件電路所產(chǎn)生的干擾主要是由于干擾信號(hào)侵入了系統(tǒng)的輸入通道，并且與所需的信號(hào)相疊加，造成信號(hào)的弱化甚至錯(cuò)誤的動(dòng)作，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)常工作。而針對(duì)于軟件電路上的抗干擾設(shè)計(jì)不僅能夠在可靠性上使得系統(tǒng)有很大的提升，而且使得硬件的成本有效的降低，使得系統(tǒng)具有自我診斷并恢復(fù)的能力。

56、在實(shí)際的操作中，軟件電路的抗干擾設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)方面：減少或者消除輸入信號(hào)的噪音、改正輸入過(guò)程中的干擾或者錯(cuò)誤的信號(hào)和將運(yùn)行混亂的程序重新進(jìn)入正軌等。5.2.1數(shù)據(jù)采集軟件的抗干擾在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，往往在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中會(huì)發(fā)生誤差，其主要原因是由于干擾信號(hào)進(jìn)入了輸入通道中，使得信號(hào)發(fā)生了較大的偏差，以至于會(huì)造成控制的異常。針對(duì)于以上情況，在此抗干擾的設(shè)計(jì)中，主要是采用濾波算法，避免了硬件設(shè)備的添加，而且其可靠性和靈活性很高。本次采用常用的程序判斷濾波法，可以有效的減少程序編寫后運(yùn)行出現(xiàn)的干擾。5.2.2輸出通道的抗干擾輸出通道中所產(chǎn)生的干擾是由于在外圍器件工作時(shí)時(shí)常產(chǎn)生的電磁脈沖，該電磁脈

57、沖會(huì)影響輸出信號(hào)的狀態(tài)。比如，由于系統(tǒng)產(chǎn)生的靜電干擾會(huì)使得單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出的低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，造成錯(cuò)誤的控制。對(duì)于此類干擾，可通過(guò)重復(fù)的寫控制命令的方式來(lái)解決。上文中提到該類干擾一般是靜態(tài)的脈沖干擾，比如當(dāng)單片機(jī)輸出一個(gè)正確的信號(hào)時(shí)，由于干擾信號(hào)的原因會(huì)使得接收設(shè)備得到一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào)，這樣一來(lái)會(huì)造成設(shè)備的錯(cuò)誤動(dòng)作，為了避免這種情況，有效的方法便是讓單片機(jī)多次重復(fù)的輸出一個(gè)正確的信號(hào)，并要保證其輸出周期盡可能的短，這樣就可以保證在干擾信號(hào)沒(méi)有干擾之前便可以得到一個(gè)正確的信號(hào)，從而保證設(shè)備的正確動(dòng)作。5.2.3 程序執(zhí)行過(guò)程的抗干擾在該設(shè)計(jì)中主要采用兩種方法來(lái)進(jìn)行對(duì)程序執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的干擾的解決，即指令冗余和軟件陷阱。 （1）指令冗余我們知道，一般CPU在取指令時(shí)是先取操作碼再取操作數(shù)。而單