基于單片機的智能水族箱控制系統(tǒng)-魚缸

摘要隨著人們物質(zhì)生活的改善和欣賞能力的提高，觀賞魚缸之類的工藝產(chǎn)品逐漸進入了家庭和賓館、商場等公共場所。但是，目前市場上的觀賞魚缸的水溫檢測、液位控制、水循環(huán)、喂食等操作都需要人為的手工進行，這就給人們帶來了很大的麻煩和不便。本文通過對目前大多數(shù)水族箱控制設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀的分析和研究，提出了一種多功能的觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該控制系統(tǒng)基于89系列單片機的家庭水族箱控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)以STC89C51單片機為核心芯片，結(jié)合傳感器技術(shù)、繼電器原理、C語言編程等技術(shù)，集多種控制功能于一體，包括恒溫、自動照明、自動換水、自動喂食、自動水循環(huán)等，并可根據(jù)需要增加控制參數(shù)，通過選擇不同元器件控制成本。本文從功能設(shè)計、元器件選擇、硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計等幾個方面對該控制系統(tǒng)進行闡述。通過較長時間的運行測試，表明該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便、具有多種節(jié)電工作模式。同時該系統(tǒng)設(shè)計靈活、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，易于規(guī)?；a(chǎn)，可廣泛用于家庭和賓館等安裝觀賞魚缸的場所。關(guān)鍵詞自動控制；單片機；水族箱；傳感器技術(shù)

AbstractWiththeimprovementofpeople'smateriallifeandappreciatingability,suchcraftsasaquariumgraduallyenterhousesandpublicplaceslikehotelsanddepartmentstores.Butasfortheaquariumsfoundinthepresentmarkets,watertemperaturetesting,waterlevelcontrol,waterrecyclingandfoodfeedingareallmanuallyperformed,bringingaboutalotoftroublesandinconveniences.Thisdissertationanalyzesandstudiesthecurrentapplicationsofmostaquariums'controldevicesandmakesoutadesignofmulti-functionalintelligentcontrolsysteminaquarium.Thecontrolsystembasedonthe89SeriesMCUfamilyaquariumcontrolsystem.TheentiresystemtotheSTC89C51MCUasthecorechip,combinedwiththesensortechnology,therelay,Clanguageprogrammingtechnology,setavarietyofcontrolfunctions,includingtemperature,automaticlighting,automaticwaterchanging,automaticfeeding,automaticwatercirculationandsoon,andmayneedtoincreasethecontrolparameters,throughtheselectionofdifferentcomponentsofcostcontrol.Thisarticlefromthefunctiondesign,componentsselection,hardwarecircuitdesignandsoftwaredesignaspectsofthecontrolsystemaredescribed.Throughlongtimeoperationtest,indicatesthatthecontrolsystemisstableandreliable,theoperationissimpleandconvenient,hasavarietyofenergy-savingoperationmode.Atthesametime,thesystemofflexibledesign,simplestructure,lowcost,easytoscaleproduction,canbewidelyusedinfamiliesandhotelsandotherplacesofinstallationofornamentalfish.KeywordsautomaticcontrolSeriesMCUaquariumsensortechnology

目錄TOC\o"1-3"\h\u10332摘要 I13618Abstract II25742第1章緒論 155741.1選題背景 172061.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 25411.3主要研究內(nèi)容 3203211.4課題研究的步驟 427341第2章魚缸智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 541072.1概述 5143212.2系統(tǒng)的設(shè)計要求 590402.3系統(tǒng)總體方案與功能 6207192.3.1魚缸智能控制系統(tǒng)的功能組成與控制參數(shù) 6281752.3.2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 713202.4主要元器件的選取 849002.4.1單片機的選取 8213192.4.2鍵盤控制和LCD數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片的選取 10268252.5語言工具的選取 11107422.6本章小結(jié) 125897第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計 13237893.1硬件總體結(jié)構(gòu) 13181973.2各模塊硬件設(shè)計 14275413.2.1時鐘電路設(shè)計 14209573.2.2鍵盤控制與顯示模塊設(shè)計 15280563.2.3溫度控制模塊 1643203.2.4其他模塊設(shè)計 17238263.3繼電器控制模塊 18189603.3.1繼電器的原理 18295113.3.2繼電器的選用 19143943.4電路原理圖及電路板設(shè)計 19133213.5本章小結(jié) 2031576第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 21258964.1軟件設(shè)計方法 21227014.2主程序工作流程 22232164.2.1主程序工作流程圖 22124544.2.2主程序流程詳解 2214654.2.3DS18B20工作流程圖 242054.3時間和溫度讀取模塊 24253664.3.1讀取DS1302的時鐘 24149364.3.2讀取DS18B20的溫度 2441414.4鍵盤控制與顯示處理模塊 26148654.5E2PROM模塊 28163014.6本章小結(jié) 2821680第5章總體設(shè)計的調(diào)試與展望 29217775.1系統(tǒng)的調(diào)試 29171215.1.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 29258635.1.2系統(tǒng)軟件調(diào)試 30211255.2創(chuàng)新點與應(yīng)用范圍 3026075.2.1設(shè)計總結(jié) 30120165.2.2創(chuàng)新點 31145575.2.3應(yīng)用范圍和實施效果 31246325.3展望 32209155.4本章小結(jié) 3225036結(jié)論 3329269致謝 3429418參考文獻 3515500附錄1 366068附錄2 4020356附錄3 4414316附錄4 4519477附錄5 4628841附錄6 47緒論選題背景隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的大幅度提高，人們的消費觀念變化很大，消費檔次與水平都在提高，人們的生活品味越來越高，環(huán)境的個性化、環(huán)?；苍絹碓绞艿饺藗兊闹匾?，與之相關(guān)的休閑、居家裝飾等行業(yè)相應(yīng)的日顯蓬勃發(fā)展趨勢。人們開始渴望那大自然的寧靜與和諧，而一個生機盎然、蒼翠欲滴的魚草水族箱不但可以給人帶來無比寬松舒適的美感，更能調(diào)節(jié)居住環(huán)境，讓人們感受那久違的大自然，讓大自然的美景在自己的身邊長存[1]。水族行業(yè)正是在這種需求下應(yīng)運而生的?！棒~缸”又稱為“水族箱”，“水族箱”一詞起源于英國，沿用至今已超過了150年。當(dāng)時的定義僅僅是一個養(yǎng)動植物的水容器，而隨著科技水平的不斷進步，以及人們養(yǎng)殖觀賞魚和種植水草的水平的不斷提高，水族箱不僅被認(rèn)為是一個養(yǎng)動植物的容器，而且被認(rèn)為是自然城的一個縮影，是一相對完備的生態(tài)系統(tǒng)。在早期，水族箱多用于展覽館、公園等大眾化的場所供大家觀賞，隨著生活水平的提高，科技和水族養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。水族箱已成為普通家庭的室內(nèi)裝飾。近年來，這種以水草、金魚為主的水族箱被稱作“水中微縮的魚草園林”，深受人們的喜愛，但由于人們?nèi)狈︷B(yǎng)護的技藝或者是由于時間原因不能及時進行養(yǎng)護，往往“好景不長”，最后的結(jié)局多是“草桔魚忘”。在家居環(huán)境或是休閑娛樂場所都有各種各樣的魚缸，而保持一個適宜魚類生活的環(huán)境是一件非常耗精力的工作。針對魚類生活環(huán)境的凈化和改善的設(shè)備有很多，目前市場上常用的魚缸控制系統(tǒng)有：水溫控制、充氧控制、過濾控制等相關(guān)系統(tǒng)。但是由于產(chǎn)品繁多，功能不統(tǒng)一，而且大多是非智能化的、單一的恒溫控制、充氧或照明系統(tǒng)。如果僅僅是把多個單獨的設(shè)備組成一套多功能的魚缸控制系統(tǒng)，需要投入的費用較大，同時多個單一器件機械化的組裝之后，也存在一定的資源浪費。這樣不僅增加了成本，重復(fù)投資，影響美觀，而且功能使用不靈活、不方便，整體性能也無法得到提升。因此，根據(jù)當(dāng)前市場的需求，以魚缸中的水溫、溶氧量、光照等的控制為研究對象，形成一套集多個功能為一體的控制系統(tǒng)。該設(shè)計不僅解決了人們在日常生活中對魚缸的維護問題，還對利用高薪技術(shù)改造原有的普通家居的發(fā)展有一定的實際意義和研究價值。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著經(jīng)濟水平的突飛猛進，裝飾業(yè)的日趨興起，人們對生活、家居品味的追求愈加重視，體現(xiàn)在經(jīng)濟形態(tài)中就是與之相關(guān)的休閑、居家裝飾等行業(yè)日趨蓬勃發(fā)展之勢。居住、工作環(huán)境的生動化、溫馨化也越來越和人的精神、情操、新的生活觀念緊密地聯(lián)系在一起。休閑水族行業(yè)也正是在人類的這種需求下應(yīng)運而生，并且近年來其快速發(fā)展之狀況使其已經(jīng)成為一股新興的經(jīng)濟力量受到經(jīng)濟界及業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，據(jù)最新資料顯示：水族產(chǎn)品的日漸豐富，水族市場更加繁榮昌盛，水族行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的年增長率達到13.8%，僅北京就由傳統(tǒng)的幾個小市場，發(fā)展成8個大規(guī)模的市場。其市場空間的拓展速度也昭示著將有更多的投資機會點在這種新的經(jīng)濟形勢下誕生。如今是國際水族產(chǎn)品看中國，許多國外大的采購公司都盯準(zhǔn)中國這個市場，把長遠(yuǎn)的目標(biāo)放在中國[2]。隨著魚缸產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，巨大的魚缸市場的需求也極大推動了國內(nèi)外各種魚缸控制設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。傳統(tǒng)的魚缸需經(jīng)常換水和補充氧氣，常配備兩種設(shè)備：水泵和空氣泵，用以清潔水體和補充氧氣。但這些設(shè)備的工作時間會因季節(jié)、溫度及飼養(yǎng)魚的多少而不同。每天需要進行多次開停操作，這樣的連續(xù)工作，會縮短設(shè)備的壽命，更不利于節(jié)能。在觀賞魚飼養(yǎng)過程中的實踐表明：市場上現(xiàn)有的魚缸控制系統(tǒng)都是功能較簡單的設(shè)備。如燈光照明控制，只能人為的進行開關(guān)控制，光照時間短了就不能很好的滿足魚缸中魚類，特別是水草的光照需求；時間長了超過水草光照需求，不僅不利于水草生長，而且還造成電力資源的浪費。如溫度的控制，采用加熱棒進行加熱控制，由于加熱棒本身采用雙金屬片溫控以及手工控制加熱棒的啟停，造成溫控精度較差，很難達到恒溫效果。魚缸的充氧，由于水溶解氧的特性決定，當(dāng)水中溶解的氧氣達到一定程度，或者魚缸內(nèi)魚的密度不是太大，即使是在夏天也不必要一直充氧，可以采用間隔充氧和換水，否則再進行充氧都是多余的，也必然是浪費大量的電力資源[3]。因此，一些電路簡單，能可靠工作和“自動間歇”的控制器也隨之產(chǎn)生。擴展到魚缸內(nèi)其他參數(shù)的控制，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了與魚缸相關(guān)的控制設(shè)備。如魚缸間歇充氧定時器、魚缸自動恒溫器、魚缸燈光自動控制器等。由于這些設(shè)備的均各自獨立工作，獨立控制相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，所以一個魚缸中需配置幾個獨立的控制設(shè)備；而這些獨立控制設(shè)備的價格一般都在100~200元，如果配齊整套控制設(shè)備，價格大概在1000~1500之間；因此，多功能型的魚缸控制器的開發(fā)也受到了很多廠商的關(guān)注，陸續(xù)出現(xiàn)了多種為水族行業(yè)優(yōu)化制作的多功能控制器，這些儀器集溫度、燈光、充氧、報警等控制功能于一體。功能設(shè)計上追求性能穩(wěn)定可靠安裝、調(diào)試、維護方便。此外，這些控制器不僅可以廣泛應(yīng)用于家庭觀賞魚缸的養(yǎng)護管理；而且也適用于水族養(yǎng)殖業(yè)，尤其是賓館、飯店、展廳、居家等對水系要求較高的觀賞和經(jīng)濟水生物的養(yǎng)護。主要研究內(nèi)容本課題擬議ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機為核心，同時結(jié)合傳感器技術(shù)，設(shè)計一套適合各類水族箱的水位高度、水溫度、水中氧氣濃度、燈光和魚餌為主要控制對象的水族箱智能控制系統(tǒng)。本課題的主要任務(wù)是研制一套單片機系統(tǒng)，并使這套單片機系統(tǒng)可實現(xiàn)對水族產(chǎn)品進行智能控制和管理。整套系統(tǒng)能夠完成魚缸水質(zhì)及環(huán)境參數(shù)的自動測量和智能控制。本課題研究設(shè)計的控制系統(tǒng)主要特點是：采用單片機控制設(shè)計，實現(xiàn)水族箱節(jié)電模式、自動換水、自動喂食、冷熱自動恒溫、自動照明、狀態(tài)顯示。大大提高智能化控制的能力，不僅降低了資源耗費，同時也降低了人力的付出。人機操作界面采用數(shù)碼、LED指示顯示；操作設(shè)置實現(xiàn)多級菜單顯示的方法。操作簡單、方便，極具人性化特點。設(shè)計上下位機通訊端口，通過RS-485總線實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、顯示和控制管理。產(chǎn)品整體設(shè)計具有技術(shù)的通用性，貼近實際的應(yīng)用，易于推廣和大規(guī)模生產(chǎn)。根據(jù)系統(tǒng)要求和擬完成的功能特點，本課題研究的主要內(nèi)容有：總體設(shè)計：首先按照系統(tǒng)的應(yīng)用場合，工作環(huán)境，控制對象等確定合理的設(shè)計方案，權(quán)衡利弊，仔細(xì)劃分軟件部分和硬件部分各自應(yīng)完成的功能，形成系統(tǒng)的研究模型。硬件設(shè)計：由于現(xiàn)在市場上各種芯片種類繁多，而且不斷在推陳出新，因此必須按照系統(tǒng)要求，根據(jù)“性價比最高”原則，選擇既適合于本系統(tǒng)，又運行可靠的芯片和元器件，進而設(shè)計出最合理的硬件電路，通過實驗隨時對電路圖進行修改，最終調(diào)試無誤后，再制成印制電路板。軟件設(shè)計：利用模塊化的程序設(shè)計方法，把系統(tǒng)應(yīng)用程序按照整體功能劃分為若干相對獨立的程序模塊，繪出程序流程圖，各個模塊單獨進行設(shè)計，利用單片機C語言編程。系統(tǒng)的調(diào)試與運行。在單片機開發(fā)裝置上，用調(diào)試軟件對程序進行調(diào)試，查錯和修改，然后把調(diào)好的程序聯(lián)成一個完整的系統(tǒng)程序，再進行聯(lián)機調(diào)試，在線仿真，最后組裝樣機，脫機運行，通過試運行對系統(tǒng)進行檢測，以驗證系統(tǒng)的功能。課題研究的步驟在設(shè)計開發(fā)過程中，嚴(yán)格遵循科學(xué)的研究方法，從課題的選擇、系統(tǒng)功能規(guī)劃、電路原理圖設(shè)計、電路板設(shè)計、軟件控制流程設(shè)計、軟件程序設(shè)計以及樣機制作調(diào)試，整機運行測試等幾大步驟逐一完成。具體的步驟分析如下所示[4]。課題的分析

魚缸智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計本系統(tǒng)的硬件由輸入輸出部分和控制部分組成。輸入輸出部分主要完成數(shù)據(jù)的采集、輸入和輸出控制、串口通信等；控制部分主要完成系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲/看門狗/復(fù)位、時鐘電路、LCD顯示和按鍵處理以及各路輸入和輸出指示等。概述單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器或嵌入式控制器。它將計算機的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上的微機。片內(nèi)含有CPU，ROM，RAM，并行I/O口，定時計數(shù)器，中斷控制，時鐘系統(tǒng)及總線等。它是工業(yè)控制和智能化控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種模式。這種模式的最大特點是設(shè)計者可根據(jù)自己的實際需要開發(fā)，設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，成本更低。其基本方法是在單片機的基礎(chǔ)上擴展一些接口，如用于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的A/D，D/A接口，用于人機對話的鍵盤處理接口，LED和LCD接口，用于輸出控制的電機接口等。然后再開發(fā)一些應(yīng)用軟件就可組成完整的單片機系統(tǒng)。單片機有著體積小，功耗低，功能強，性能價格比高，易于推廣應(yīng)用等顯著特點，在自動化裝置，智能化儀器儀表，過程控制和家用電器等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。從國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用單片機的情況來看，自80年代初起步以來，以INTEL公司的MCS-48系列單片機為主導(dǎo)機種，率先滲入到微機控制的各個領(lǐng)域，取得了一定的應(yīng)用成果。80年代中期以來，隨著性能更強，速度更快的MCS-51系列的加入，單片機得到了更為迅速的推廣和廣泛的應(yīng)用。目前，盡管16位和32位已為人們熟悉和了解，但在我國目前和今后一段時間內(nèi)，8位單片機仍是實際應(yīng)用中的主導(dǎo)品種[5]。系統(tǒng)的設(shè)計要求系統(tǒng)的總體設(shè)計要求如下：魚缸環(huán)境參數(shù)檢測范圍：由于魚缸里各種魚類和水草生長需要相對穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)，這些環(huán)境參數(shù)包括：水位，照明，水溫等。為了盡可能的保證環(huán)境參數(shù)在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動，使魚缸內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)可以及時調(diào)整控制，本系統(tǒng)可預(yù)置溫度上限為35°C，同時預(yù)置了水循環(huán)、充氧模式，照明模式和恒溫控制模式等。實時顯示溫度，當(dāng)前操作狀態(tài)及當(dāng)前系統(tǒng)時間。當(dāng)魚缸里環(huán)境參數(shù)超過所設(shè)定的上下限時，能夠發(fā)出聲光報警信號，同時啟動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動作，以完成對應(yīng)環(huán)境參數(shù)的改變。能夠隨時設(shè)置參數(shù)的上下限，能夠設(shè)置系統(tǒng)的日期和時間。能夠?qū)⑾到y(tǒng)設(shè)置為自動和手動狀態(tài)，以適應(yīng)不同的需求。系統(tǒng)總體方案與功能魚缸智能控制系統(tǒng)的功能組成與控制參數(shù)系統(tǒng)功能組成該系統(tǒng)的開發(fā)是在充分了解并分析目前各類魚缸控制器的前提下進行的，整個系統(tǒng)共分為以下幾個功能子系統(tǒng)：即自動加熱、自動/定時充氧系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、自動水循環(huán)系統(tǒng)、自動照明系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)都有各自的信號檢測輸入以及控制輸出功能，并結(jié)合系統(tǒng)的時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲電路/看門狗/復(fù)位電路以及各子系統(tǒng)的功能參數(shù)的設(shè)置與LCD顯示電路，共同集成為一套功能完善的智能控制系統(tǒng)[6][7][8]。系統(tǒng)控制參數(shù)該系統(tǒng)的控制對象為魚缸，控制的目的是能使系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，以提供水族最適宜的水質(zhì)及生活環(huán)境。設(shè)計時需要注意的水質(zhì)及環(huán)境參數(shù)有：水的溫度，水的溶氧量，水位的高低，環(huán)境燈光，魚的餌料等參數(shù)。下表2-1顯示該控制系統(tǒng)對各項參數(shù)的處理。表2-1系統(tǒng)控制參數(shù)項目控制參數(shù)相應(yīng)的處理措施1水溫根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍控制加熱器的啟動、停止2水位根據(jù)水位高低與時間控制水泵的啟動、停止3燈光根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定時間定時控制燈的開啟與熄滅4水溶氧量根據(jù)系統(tǒng)時間定時進行啟動、停止依據(jù)同一設(shè)計原理和方法，針對其他的環(huán)境要求，還可以進行不同環(huán)境參數(shù)的控制，以達到統(tǒng)一的設(shè)計，提高擴展能力。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以單片機為核心CPU，組成一個可以放置在魚缸外獨立運行，實現(xiàn)各路水質(zhì)及環(huán)境檢測信號的輸入及各路控制信號的輸出，從總體上講，該系統(tǒng)硬件設(shè)計共包括兩大部分：控制部分和輸入輸出部分，如圖2-1所示?？刂撇糠挚刂撇糠州斎胼敵霾糠諰CD顯示按鍵時鐘數(shù)據(jù)存儲看門狗溫度檢測水位高低檢測其他參數(shù)檢測AT89C52圖2-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖其中控制部分包括：中心控制模塊。主要以單片機為核心，包括晶振，復(fù)位電路，擴展存貯器等。該模塊的主要功能是將A/D轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)字信號進行運算處理，從而發(fā)出各種控制信號。人機交互按鍵控制模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能的按鍵設(shè)置以及設(shè)置過程中的LCD顯示控制，以達到良好的人機交互功能。1）通過LCD1602顯示參數(shù)值。2）通過鍵盤設(shè)定參數(shù)上下限。3）通過LCD1602和蜂鳴器產(chǎn)生超限聲光報警。時鐘控制電路模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)絕對時鐘和相對時鐘的同步控制，是定時進行環(huán)境參數(shù)檢測和各項控制器件啟、停操作的關(guān)鍵。數(shù)碼顯示模塊：顯示當(dāng)前工作狀態(tài)（用各種編號表示當(dāng)前的溫度、工作模式、日期時間等），以及參數(shù)設(shè)置過程中的相應(yīng)控制顯示。數(shù)據(jù)存儲/看門狗/復(fù)位模塊：實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的存儲，系統(tǒng)工作過程的監(jiān)測以及異常情況的復(fù)位重啟。其中輸入輸出部分包括：各路檢測信號的輸入模塊：實現(xiàn)水族箱中各種檢測傳感器的信號輸入，如溫度檢測、水位高低檢測；該模塊完成數(shù)據(jù)采集功能，主要由傳感器，放大器，多路開關(guān)，A/D轉(zhuǎn)換器等組成。傳感器用來感應(yīng)魚缸環(huán)境參數(shù)的變化，并把非電量的變化為電信號。多路開關(guān)的作用是分時的選通某一路信號，將模擬電信號傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，從而將模擬信號轉(zhuǎn)化為單片機可以識別的數(shù)字信號。各子系統(tǒng)的控制輸出模塊：根據(jù)檢測到的各路信號分別控制相應(yīng)的子系統(tǒng)進行工作，且各子系統(tǒng)的工作互不干擾，同時帶相應(yīng)的輸出指示燈顯示。該模塊主要由光電隔離和各參數(shù)相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)組成。單片機通過將采集值進行比較處理，發(fā)出控制信號，傳輸給執(zhí)行機構(gòu)，從而對環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)。其中執(zhí)行機構(gòu)是由雙向可控硅進行控制，輸出光電隔離與驅(qū)動部分完成弱電信號到強電信號的隔離與放大。主要元器件的選取單片機的選取單片機按照其基本操作處理的位數(shù)可分為：1位機、4位機、8位機、16位機、32位機等。其中1位機和4位機結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，但指令不豐富，且編程復(fù)雜，可用于簡單的校制；16位機和32位單片機集成度高，性能優(yōu)越，但是其價格目前比較貴，從而限制了廣泛的應(yīng)用；而8位單片機小巧靈活，指令豐富，性價比極高的優(yōu)勢使其產(chǎn)品占領(lǐng)目前整個單片機市場的60%以上份額，可以說8位單片機將在今后一段時間內(nèi)仍是工業(yè)檢測控制的主流機型。現(xiàn)在世界上比較著名的單片機生產(chǎn)廠家有美國INTEL公司，MOTOROLA公司，TI公司，MAXIM公司，NS公司，ATMEL公司等[9][10]。近年來，隨著美國ATMEL公司的AT89系列單片機的推出和單片機C語言的廣泛應(yīng)用，MCS-51單片機有了進一步的活力.AT89系列以MCS-51為內(nèi)核，兼容了MCS-51的硬件和軟件，其主要優(yōu)點在于：片內(nèi)的程序存貯器采用閃爍存貯技術(shù)，具有電可擦除，電可編程，且編程和擦除時間短（4K字節(jié)存貯器編程約3秒，擦除時間10ms），并可反復(fù)編程，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，而且加密功能也大大增加了，能有效的防止用戶程序被復(fù)制。時鐘頻率的提高使運算速度也加快了。產(chǎn)品中的20腳封裝形式的機種，使其體積更小，更具應(yīng)用靈活性，可方便的應(yīng)用于家電產(chǎn)品及小型儀器儀表。AT89系列單片機主要產(chǎn)品類型和特點如下表2-2。表2-2AT89XX系列芯片單片機型號/存貯容量和類型RAM16為定時器個數(shù)中斷源個數(shù)最高晶振頻率/MHZ封裝引腳個數(shù)AT89C51/4KEEPROM128252440AT89C52/8KEEPROM256382440AT89C1051/1KEEPROM128252420AT89C2051/2KEEPROM128252420經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)決定選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52型單片機作為主控制器芯片，這種機型是該公司近幾年推出的機型，其市場價僅幾元/片左右，性價比極高，所以一經(jīng)推出就得到了廣大用戶的青睞。AT89C52芯片介紹AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8kBytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為開發(fā)者提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫（>1000次）flashROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM時鐘頻率0-24MHZ3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能由于AT89C52單片機內(nèi)部片內(nèi)資源豐富，有8K字節(jié)的閃爍存貯器，而本系統(tǒng)下位機程序主要用單片機C語言編寫，編譯后生成的代碼較為簡短，效率較高，8K字節(jié)的程序控件足夠使用，且多余的程序存貯空間可作為將來擴展系統(tǒng)使用，故選此機型可以不必在外部再擴展程序存貯器，這樣可以簡化系統(tǒng)電路，減少系統(tǒng)成本。鍵盤控制和LCD數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片的選取鍵盤控制和顯示處理時與智能控制器交互過程中非常重要的兩個部分，它的選擇對整個智能控制系統(tǒng)至關(guān)重要，它的性能的好壞，直接影響了整個控制系統(tǒng)的操作性能的優(yōu)劣。本控制系統(tǒng)共設(shè)計了5個按鍵進行鍵盤控制，采用1602液晶屏進行顯示，綜合了各種因素。1602液晶屏簡介字符型液晶是一種用5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可分1行16個字、2行16個字、2行20個字等。最常用的是2行16個字。第1腳：VSS為電源地，接GND。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：液晶顯示偏壓信號第4腳：數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）第5腳：讀/寫選擇端（H/L）第6腳：E為使能信號，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊執(zhí)行命令。第7~14腳：D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線第15腳：BLA背光電源正極（接+5V）第16腳：BLK背光電源負(fù)極（接GND）1602液晶模塊的內(nèi)部控制器共有11條指令，它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。說明1為高電平，0為低電平）1602液晶模塊的設(shè)置初始化設(shè)置表2-3顯示模式設(shè)置指令碼功能00111000設(shè)置16×2顯示，5×7點陣表2-4顯示開/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置指令碼功能00001DCBD=1,開顯示；D=0，關(guān)顯示C=1,顯示光標(biāo)；C=0,不顯示光標(biāo)B=1,光標(biāo)閃爍；B=0,光標(biāo)不閃爍000001NS數(shù)據(jù)控制控制器內(nèi)部設(shè)有一個數(shù)據(jù)地址指針，用戶可以通過它們來訪問內(nèi)部的全部80字節(jié)RAM。表2-5數(shù)據(jù)指針設(shè)置指令碼功能80H+地址碼(0~27H,40H~67H)設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針讀數(shù)據(jù)輸入：RS=H,RW=H,E=H;輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入：RS=H,RW=L,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖；輸出：無表2-6其他設(shè)置指令碼功能01H顯示清屏：1.數(shù)據(jù)指針清零2.所有顯示清零02H顯示回車：數(shù)據(jù)指針清零語言工具的選取常用的51編程語言有二種，一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復(fù)雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性德代碼編寫問題。對于開發(fā)周期來說，中大型的軟件編寫用C語言的開發(fā)周期常要小于匯編語言很多，而隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已有越來越多的人從普遍使用匯編語言過渡到逐漸使用高級語言進行開發(fā)，其中C語言為主，而且市場上機種常見的單片機均有其C語言開發(fā)環(huán)境。綜合以上C語言的優(yōu)點，本系統(tǒng)選擇了C語言進行開發(fā)，而且選用Keil軟件開發(fā)環(huán)境，Keil軟件是目前最流行開發(fā)80C51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。本章小結(jié)本章論述了多功能魚缸智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計要求，介紹了系統(tǒng)總體方案和功能組成，提出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；闡述了主要元器件的選取原則，并對主要芯片做了簡要介紹；最后給出了軟件設(shè)計方案和編程語言的選擇。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計本章詳細(xì)介紹多功能魚缸智能控制器的硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計。主要包括數(shù)據(jù)存儲/看門狗/復(fù)位電路模塊設(shè)計、時鐘電路模塊設(shè)計、系統(tǒng)電源模塊設(shè)計、鍵盤控制與顯示模塊設(shè)計、溫度控制模塊設(shè)計、輸出控制電路模塊設(shè)計以及電路原理圖與電路板設(shè)計等。詳細(xì)闡明各電路設(shè)計中芯片的選型，芯片的內(nèi)部組成、性能參數(shù)和功能特點，并設(shè)計出具體的硬件電路，下面就各部分主要電路做介紹。硬件總體結(jié)構(gòu)硬件和軟件設(shè)計是單片機系統(tǒng)的兩個重要方面。本章主要論述該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。本系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計時，主要從以下原則出發(fā)：硬件電路設(shè)計與軟件設(shè)計相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。一些由硬件實現(xiàn)的功能可用軟件來實現(xiàn)，反過來一些由軟件實現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。用軟件來實現(xiàn)硬件的功能時，其響應(yīng)時間比用硬件實現(xiàn)長，還要占用CPU時間。但是用軟件實現(xiàn)硬件的功能可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，系統(tǒng)升級簡化等優(yōu)點，還可降低成本，因此在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，在滿足可行性和實時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現(xiàn)?？煽啃约翱垢蓴_設(shè)計，根據(jù)可靠性設(shè)計理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平局無故障時間越長，而且所用芯片數(shù)量越少，地址數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機基本系統(tǒng)的設(shè)計思想是在滿足功能的情況下力爭使用較少數(shù)量的芯片及線路，系統(tǒng)選用的DS18B20數(shù)字溫度傳感器也基于這方面的考慮。本系統(tǒng)大都采用了功能先進的DIP器件，因此從組件數(shù)、電路板空間、功耗、抗干擾及系統(tǒng)成本上都得以大幅度改善。靈活的功能升級及系統(tǒng)擴展。一次設(shè)計往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個方面，系統(tǒng)需要不斷完善，需要進行功能升級；并且，在設(shè)計時應(yīng)考慮到系統(tǒng)在以后應(yīng)用中擴展的方便性。功能擴展時系統(tǒng)應(yīng)在原設(shè)計不需做很大變動的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴展是否靈活是衡量一個系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指針。根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個硬件設(shè)計原則，確定系統(tǒng)硬件原理圖。系統(tǒng)以單片機STC89C52DIP為中央處理單元，由感溫原件、水位傳感器、LCD液晶顯示、蜂鳴器報警、1302時鐘電路組成。下面對主要的電路設(shè)計做詳細(xì)介紹。各模塊硬件設(shè)計時鐘電路設(shè)計本系統(tǒng)采用DS1302芯片完成系統(tǒng)絕對時鐘和相對時鐘電路的設(shè)計。DS1302芯片介紹[11][12]DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到3個口線：1）RES（復(fù)位），2）I/O（數(shù)據(jù)線），3）SCLK（串行時鐘）。時鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息功率小于1mW。管腳描述X1，X2 →32.768KHz晶振管腳GND →地RST →復(fù)位腳I/O →數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳SCLK →串行時鐘Vcc1 →電池供電管腳Vcc2 →電源供電管腳圖3-11302時鐘電路圖時鐘電路系統(tǒng)設(shè)計該時鐘電路，主要用于魚缸智能控制系統(tǒng)主機的時鐘顯示，時鐘晶振采用32.768KHz，提供3.6V的備用電池，一旦外部電源中斷，系統(tǒng)由該備用電池保證時鐘正常運行。時鐘電路圖如圖3-1所示。作為控制魚缸各種操作的相對時鐘，用來實現(xiàn)換水，打氧的時間控制。同時，也可作為系統(tǒng)擴展其他功能時使用，如鬧鐘提醒，事件定時，信息備忘，并為事件查詢提供時鐘。鍵盤控制與顯示模塊設(shè)計該電路中采用了LCD1602與普通的按鈕組成。該鍵盤控制與顯示電路包含了復(fù)位電路、晶振電路、LCD顯示電路和按鍵控制電路四大部分。很好的實現(xiàn)了各功能參數(shù)的設(shè)置。圖3-2鍵盤控制、顯示電路與復(fù)位電路圖溫度控制模塊DS18B20芯片介紹DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器[13]，具有3引腳T0-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55°C~+125°C，可編程為9位~12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625°C，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示圖3-3DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列是：DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接電源輸入。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64為ROM的循環(huán)冗余效驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。溫度檢測電路芯片DS18B20的引腳2與單片機P1.7口連接。使用外部5V電源供電，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，需要接4.7K上拉電阻。電路圖如圖3-4所示。圖3-4溫度檢測電路圖其他模塊設(shè)計蜂鳴器模塊設(shè)計蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。圖3-5蜂鳴器電路設(shè)計水位檢測模塊設(shè)計本設(shè)計檢測水位的方法是通過一種液位控制器放在水中通過霍爾開關(guān)來控制單片機的I/O接口。如果水位高于快關(guān)則I/O口與5V電源導(dǎo)通，可以控制水泵的開關(guān)來控制水位。如圖3-6。圖3-6測裝液位控制器在魚缸中放入兩個液位控制器，其中的一個放在魚缸的頂端（養(yǎng)魚需要的水位置）設(shè)為A，另一個則放在魚缸的底端（不要低于魚自身的高度即可）設(shè)為B，當(dāng)A與B都導(dǎo)通的時候代表水位是正常的，不需要貯水與放水，可以通過時間或者按鈕的設(shè)置對放水泵進行開啟，當(dāng)液位低于A時繼續(xù)放水，如果液位低于B時停止向外放水，此刻開始用另外一個水泵把干凈的新水加入到魚缸中，這時水位不斷抬高，當(dāng)A與B同時導(dǎo)通時代表水以加滿，此時換水的整個過程完畢。繼電器控制模塊每當(dāng)需要放水或注入新水的時候都需要開啟水泵，需要加熱的時候需要通過開啟加熱棒，由于水泵或者加熱棒的功率都很高，單片機供給的電壓是不夠的，這時候就要用到繼電器了[14]。繼電器的原理繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁式繼電器一般由控制線圈、鐵芯、銜鐵、觸點簧片等組成，控制線圈和接點組之間是相互絕緣的，因此，能夠為控制電路起到良好的電氣隔離作用。當(dāng)我們在繼電器的線圈兩頭加上其線圈的額定的電壓時，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的接通、切斷的開關(guān)目的。繼電器的選用本設(shè)計選用的為HK4100F-DC5V-SHG繼電器。它有6個引腳，其中2、5腳為線圈。1、6腳為公共端。3、4腳一個常開一個常閉。如圖3-7所示。圖3-7繼電器引腳圖本設(shè)計所用到的水泵、加熱器、貯氧器都是通過繼電器的吸和來控制的，所以說繼電器對本設(shè)計有著很重要的意義。繼電器的電路圖如圖3-8所示。圖3-8繼電器電路設(shè)計電路原理圖及電路板設(shè)計本控制系統(tǒng)的電路原理圖和電路板設(shè)計，是使用EAGLE進行設(shè)計和實現(xiàn)的。自上世紀(jì)九十年代初以來，源于CadSoft公司的EAGLE軟件一直暢銷歐美，在EDA工具行業(yè)占有很大比例的市場份額，曾被德國一家著名電子雜志五次評選為“年度最佳產(chǎn)品獎”，為了讓更多的EDA工具使用者了解到更好的PCB設(shè)計和原理圖設(shè)計工具，EAGLE現(xiàn)正式進軍中國市場，深圳市英蓓特信息技術(shù)有限公司作為EAGLE軟件亞洲地區(qū)第一家也是唯一一家代理商，主要負(fù)責(zé)該軟件的市場推廣和銷售工作。EAGLE是一款非常易于使用而且功能非常強大的PCB和原理圖設(shè)計工具，EAGLE這個名字所表達的意思就是EasilyApplicableGraphicalLayoutEditor(容易適用的圖形布局編輯器)。本系統(tǒng)電路板設(shè)計為雙面板，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，增強傳感器電路的機械強度，延長元器件的使用壽命，方便布線，又方便送廠家加工。電路板實物圖見附錄。本章小結(jié)本章介紹了魚缸控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計方案，從器件選型、經(jīng)濟成本、原理圖設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、功能實現(xiàn)等多個方面闡述硬件各部分的結(jié)構(gòu)原理，包括微處理器單元、數(shù)字測溫單元、實時時鐘單元、輸入輸出控制單元等。至此，本章完成了硬件部分的設(shè)計，把這些接口電路組合起來就得到總得設(shè)計電路圖。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件設(shè)計是魚缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容和重點，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)功能要求，以系統(tǒng)硬件電路為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。為了使設(shè)計出來的軟件功能明確，閱讀、調(diào)試方便，健壯性、可靠性好，一般采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計包括三方面的工作：自頂向下的設(shè)計、模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。除此之外，有時還需要加強軟件抗干擾設(shè)計，以提高程序的可靠性。單片機系統(tǒng)程序采用單片機C編程語言進行開發(fā)的，整個單片機系統(tǒng)的程序共分為六個模塊，即主程序模塊、時鐘模塊、溫度采集模塊、屏幕顯示模塊、蜂鳴器與延時模塊、E2PROM模塊每個模塊都具有一定的功能，其中有的模塊還包含一些子模塊，即相互獨立又相互聯(lián)系，低級模塊可以被高級模塊調(diào)用。軟件設(shè)計方法在介紹具體軟件實現(xiàn)之前，先來介紹一下系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法：模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計就是把軟件按照規(guī)定的原則劃分為一個個較小的、相對獨立但又相關(guān)的模塊。分解、信息隱藏和模塊獨立性，是實現(xiàn)模塊化設(shè)計的重要指導(dǎo)思想。分解是人們處理復(fù)雜問題常用的方法，對問題求解的大量實驗表明，將一個復(fù)雜的問題分解為幾個較小的問題，能夠減小解題所需要的總工作量。但在一個軟件系統(tǒng)的內(nèi)部，各組成模塊之間是相互關(guān)聯(lián)的。模塊劃分的數(shù)量越多，各模塊之間的聯(lián)系也就越多。模塊本身的復(fù)雜度和工作量雖然隨模塊的變小而減小，模塊的接口工作量卻隨著模塊數(shù)的增加而增大。每個軟件都存在一個最小成本區(qū)，把模塊數(shù)控制在這個范圍內(nèi)，可以使總的開發(fā)工作量保持最小。模塊獨立性概括了把軟件劃分為模塊時要遵守的準(zhǔn)則，也是判斷模塊構(gòu)造是否合理的標(biāo)準(zhǔn)。堅持模塊的獨立性，一般認(rèn)為是獲得良好設(shè)計的關(guān)鍵。獨立性可以從兩個方面來度量，即模塊本身的內(nèi)聚和模塊之間的耦合。前者指模塊內(nèi)部各個成分之間的聯(lián)系，所以也稱塊內(nèi)聯(lián)系或模塊強度；后者指一個模塊與其它模塊之間的聯(lián)系，所以又稱為塊間聯(lián)系。模塊的獨立性愈高，則塊內(nèi)聯(lián)系越強，塊間聯(lián)系越弱。在開發(fā)軟件的同時，還要注意軟件開發(fā)中文檔的建立。在軟件開發(fā)過程中，總是產(chǎn)生和使用大量的信息。軟件文檔在產(chǎn)品的開發(fā)過程中起著重要的作用。文檔提高了軟件開發(fā)過程的能見度。把開發(fā)過程中發(fā)生的事件以某種可閱讀的形式記錄在文檔中，還可提高開發(fā)效率。軟件文檔的編制，使得開發(fā)人員對各個階段的工作都進行周密思考、全盤權(quán)衡、減少返工，可在開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)錯誤和不一致性，便于及時加以糾正，并且便于協(xié)調(diào)以后的軟件升級、使用和維護。本系統(tǒng)是以上述的軟件設(shè)計思想為指導(dǎo)，采用KeilC51集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)軟件部分，KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。主程序工作流程系統(tǒng)軟件主程序是檢測魚缸內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)，從而進行魚缸智能控制的主監(jiān)控程序，按照軟件模塊化設(shè)計的原則，將系統(tǒng)功能劃分為多個子任務(wù)，每個子任務(wù)由對應(yīng)的子程序來實現(xiàn)；再將這些子程序有機地整合在一起，從而實現(xiàn)溫度、水位、氧氣等參數(shù)的采集功能。這樣的設(shè)計，一方面可以理清設(shè)計者的思路，再者，模塊化的設(shè)計，可以方便編寫與調(diào)試程序。主程序工作流程圖系統(tǒng)監(jiān)控主程序的工作流程圖見圖4-1所示，監(jiān)控主程序主要完成以下工作：主程序流程詳解對系統(tǒng)進行初始化在監(jiān)控程序中，首先對系統(tǒng)進行初始化編程。硬件方面包括51系統(tǒng)的初始化、軟件方面有一些標(biāo)志位的賦值，定義按鈕、繼電器與液位開關(guān)的I/O口，讀取E2PROM，對1602與1302的初始化，蜂鳴器拉高等。開始開始初始化設(shè)置檢測水位開關(guān)屏幕顯示時間檢測溫度顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度監(jiān)控溫度上限監(jiān)控設(shè)置按鈕圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖監(jiān)控水位開關(guān)在程序中設(shè)置了兩個開關(guān)對應(yīng)兩個液位開關(guān)，設(shè)上面的開關(guān)為A下面的開關(guān)為B，當(dāng)A與B都導(dǎo)通的時候代表水位是正常的，不需要貯水與放水，可以通過時間或者按鈕的設(shè)置對放水泵進行開啟，當(dāng)液位低于A時繼續(xù)放水，如果液位低于B時停止向外放水，此刻開始用另外一個水泵把干凈的新水加入到魚缸中，這時水位不斷抬高，當(dāng)A與B同時導(dǎo)通時代表水以加滿，此時換水的整個過程完畢。時間顯示將1602屏幕顯示寫成函數(shù)，直接調(diào)用，主程序每循環(huán)一遍清屏一次，通過函數(shù)的嵌套調(diào)用再次調(diào)用1302讀取時間，讀取回來的值統(tǒng)統(tǒng)顯示在屏幕上。檢測溫度通過調(diào)用DS18B20來讀取溫度，將讀回來的值同樣利用函數(shù)的嵌套調(diào)用顯示在屏幕上，將設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)溫度存貯在E2PROM里，同樣顯示在屏幕上，通過E2PROM存儲的標(biāo)準(zhǔn)溫度與當(dāng)前檢測回來的溫度做比較，利用比較后的結(jié)果對加熱器進行開關(guān)控制。監(jiān)控設(shè)置按鈕主程序不斷的監(jiān)控設(shè)置按鈕的開關(guān)，可以通過監(jiān)控按鈕來設(shè)置時間、標(biāo)準(zhǔn)溫度、換水時間與打氧時間。一旦有按鍵動作，首先調(diào)用時間設(shè)置函數(shù)，利用遞歸的方式分別對1302的時間與日期進行設(shè)置，其次再調(diào)用設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)溫度函數(shù)，調(diào)整觀賞魚需要的溫度值后將值寫入E2PROM，最后調(diào)用換水時間與打氧時間函數(shù)，同樣將設(shè)置好的時間寫入E2PROM，當(dāng)前的時間與E2PROM存儲的時間相等后執(zhí)行工作。DS18B20工作流程圖DS18B20工作流程圖如下，寫DS18B20指令字節(jié)的流程圖如圖4-2所示。時間和溫度讀取模塊本系統(tǒng)最為關(guān)鍵的兩個控制參數(shù)為時間和魚缸溫度，在前一章中已經(jīng)介紹了實時時鐘電路DS1302芯片和DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器的作用，所以下面簡單介紹系統(tǒng)實現(xiàn)對DS1302的時鐘讀取和對DS18B20的溫度讀取。讀取DS1302的時鐘從DS1302中讀取時鐘的過程是：依次從DS1302的相應(yīng)存儲位置讀取年、星期、月、日、時、分、秒，而且這些值以BCD碼形式被讀取，在其他程序調(diào)用時，必須進行轉(zhuǎn)換。主要讀取函數(shù)如下：時鐘芯片初始化讀取時間修改寫入時間讀取DS18B20的溫度從DS18B20中讀取溫度的過程是：首先獲取DS18B20中的溫度值，該溫度值為BCD碼形式，然后通過轉(zhuǎn)換，以十進制形式輸出溫度值，且此時輸出的溫度值含有兩位小數(shù)，但輸出時沒有小數(shù)點，輸出的溫度值是實際溫度的一百倍。它的步驟如下：初始化函數(shù)讀取溫度傳感器的溫度計算實際溫度值YYN移15us字節(jié)圖4-2寫DS18B20指令字節(jié)的流程圖如果測得的溫度大于0，只要將測到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625才能得到實際溫度。鍵盤控制與顯示處理模塊該模塊是整個魚缸智能控制系統(tǒng)非常重要的人機交互接口，主要實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的各種功能參數(shù)設(shè)置，提供了一個良好的人機交互界面，實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的改變和各種控制參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)共有1個LCD1602液晶顯示器與5個按鍵，其中有4個按鍵為上、下、左、右，最后一個為確認(rèn)鍵，分別用于進入/推出與調(diào)整參數(shù)設(shè)置以及參數(shù)值的增減。設(shè)置功能里面都設(shè)置了各參數(shù)數(shù)值的設(shè)置范圍，如表4-1所示。表4-1各參數(shù)值設(shè)置范圍參數(shù)名稱溫度水泵氣泵照明日期時分時分時分年月日時分值范圍0~302359235923599912312359其中設(shè)置時間的函數(shù)比較具有代表意義如下：E2PROM模塊本系統(tǒng)中設(shè)置各個參數(shù)的值都離不開E2PROM的，因為本系統(tǒng)采用的是STC89C52型單片機，自帶4KE2PROM只需要在程序中對E2PROM調(diào)用即可，調(diào)用的步驟如下。擦除指定的扇區(qū)寫一字節(jié)讀一字節(jié)其中的擦除扇區(qū)，沒有字節(jié)擦除，只有扇區(qū)擦除。如果要改變扇區(qū)中的某個字節(jié)，保留其它字節(jié)內(nèi)容不變，必須先把其它字節(jié)讀出來保存，然后擦除整個扇區(qū)，再把改動的字節(jié)內(nèi)容和保存的其它字節(jié)內(nèi)容寫入扇區(qū)。所以最好把數(shù)據(jù)放在不同的扇區(qū)中。扇區(qū)讀寫的時間短，擦除的時間比較長，要注意扇區(qū)擦除函數(shù)的調(diào)用位置，比如最好不要放在定時中斷中。本章小結(jié)綜合本系統(tǒng)軟件的設(shè)計，有如下幾個特點：采用模塊化的程序設(shè)計方法，使整個程序結(jié)構(gòu)清晰，并具有開放性的特點，易于移植、修改和擴展。系統(tǒng)采用單片機C語言軟件開發(fā)，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性上有明顯的優(yōu)勢。而且使用KeilC51軟件開發(fā)環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面，語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。重點介紹了采樣值的處理、工作狀態(tài)的處理以及如何實現(xiàn)按時間段循環(huán)控制實時任務(wù)的設(shè)計技術(shù)。

總體設(shè)計的調(diào)試與展望本課題針對觀景魚缸在自動恒溫控制、自動充氧、自動換水、自動照明等實際需求，做出了有效的研究和探索，詳盡地分析魚缸中各種環(huán)境參數(shù)對魚類和水草的影響，從魚缸的日常養(yǎng)護要求和實際工作環(huán)境背景出發(fā)，對魚缸多功能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提出了詳細(xì)的設(shè)計方案，從實際運行結(jié)果可以看出，此控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)魚缸水溫按魚類和水草的生長要求進行自動恒溫控制，自動進/排水，自動充氧控制和自動燈光照明控制，這對魚類和水草的生長是至關(guān)重要的。整個方案實現(xiàn)簡單，性能可靠，能夠代替目前的半自動化水溫加熱、換水和照明的過程，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的全自動化。這不僅減少了人力物力，還能消除人為因素對魚缸控制過程的影響，保證所養(yǎng)殖的魚類和水草的正常生長，明顯提高了效率。系統(tǒng)的調(diào)試將所有器件焊置PCB板上，便可進入系統(tǒng)的調(diào)試，其主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運行所設(shè)計的程序，排除程序錯誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達到期望的功能，進而固化軟件，使其產(chǎn)品化。系統(tǒng)硬件調(diào)試控制系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進行的，但通常是先排除系統(tǒng)的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地進行連接，進行綜合測試。錯線、開路、短路：由于設(shè)計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的錯線、開路、短路等故障。解決方法：在畫原理圖時仔細(xì)檢查、校正即可解決。元器件損壞：由于對元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過程中操作不當(dāng)致使器件損壞。解決方法：在設(shè)計過程中要明確各元器件的工作條件，嚴(yán)格按照制作要求進行操作，損壞的元器件要及時更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實現(xiàn)。電源故障：設(shè)計中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設(shè)計要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。解決方法：電源必須單獨調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個部件中，本設(shè)計中就出現(xiàn)電源故將經(jīng)過多次對電源的調(diào)換才使其正常工作。系統(tǒng)軟件調(diào)試設(shè)計軟件部分出現(xiàn)這種錯誤的現(xiàn)象：當(dāng)以斷點或連續(xù)方式運行時，目標(biāo)系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進行操作或什么結(jié)果也沒有，這是由于程序轉(zhuǎn)移到意外之處活在某處死循環(huán)所造成的。解決方法：這類錯誤的原因是程序中轉(zhuǎn)移地址計算錯誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級任務(wù)程序中，該任務(wù)不釋放處理器，使CPU在該任務(wù)中死循環(huán)。通過對錯誤程序的修改使其實現(xiàn)預(yù)期的功能。不響應(yīng)中斷錯誤的原因有：中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置不正確，使CPU沒有開放中斷或不許某個中斷源請求；或者對片內(nèi)的定時器、串行口等特殊功能寄存器和擴展的I/O口編程有錯誤，造成中斷沒有被激活；或者某一中斷服務(wù)程序不是以RETI指令作為返回主程序的指令，CPU雖已返回到主程序但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒有被清除，從而不響應(yīng)中斷；或由于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請求無效。解決方法：修改中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置。創(chuàng)新點與應(yīng)用范圍設(shè)計總結(jié)本系統(tǒng)綜合利用傳感器技術(shù)，自動檢測技術(shù)和微機控制技術(shù)，開發(fā)了一套對水里的環(huán)境因子進行監(jiān)控的設(shè)計，簡潔實用的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理，其中單片機軟件采用模塊化的程序設(shè)計方法，各模塊相互獨立，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴展性，整個系統(tǒng)具有較高的性價比。系統(tǒng)軟件采用C語言編程，程序結(jié)構(gòu)清晰，鍵盤操作和LCD液晶顯示界面非常友好，操作者在使用該系統(tǒng)時輕松方便。系統(tǒng)功能獨立，配置合理，其中單片機部分可獨立運行。經(jīng)模擬運行驗證，系統(tǒng)具有相應(yīng)速度快，操作簡便，工作可靠等特點。創(chuàng)新點本課題設(shè)計開發(fā)的多功能魚缸智能控制器是適用于家庭、水族館等觀賞型水族類養(yǎng)殖場所的一種新型智能化控制器，在國內(nèi)水族箱控制器產(chǎn)品中技術(shù)新穎，其創(chuàng)新點有：微電腦智能控制的魚缸（水族箱）；具有多種節(jié)電工作模式；恒溫設(shè)計；燈光照明時間可以自由設(shè)定啟動與停止時間；具有高低水位檢測，自動換水；具有多重水循環(huán)與水質(zhì)過濾。應(yīng)用范圍和實施效果從前面的敘述中可以看出，論文所涉及到的多功能魚缸智能控制器，是適用于家庭、水族館、辦公室等觀賞型水族類養(yǎng)殖場所實現(xiàn)智能化管理的產(chǎn)品，該產(chǎn)品能大大減少人為不確定因素對水族箱造成的不良結(jié)果，而且開發(fā)成功的產(chǎn)品設(shè)計新穎，技術(shù)先進，功能強大，操作方便。產(chǎn)品的應(yīng)用范圍：只要適用于家庭、水族館、辦公室等觀賞型水族類養(yǎng)殖場所實現(xiàn)智能化管理，不僅可以減少人為不確定因素對水族箱造成的不良結(jié)果，而且系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)設(shè)多種節(jié)能工作模式，方便使用者選擇。產(chǎn)品的實施效果：采用智能控制水族箱替代普通水族箱，可以節(jié)約人工管理的繁瑣，從被動的管理轉(zhuǎn)化為宏觀的控制，同時可在人員不在的情況下，根據(jù)預(yù)設(shè)的工作模式自動控制充氧泵、循環(huán)水泵和照明等設(shè)備的啟動和停止，達到節(jié)能效果。對于大型水族館，可以節(jié)約大量人力；對于普通家庭，可以提高普通家庭居家養(yǎng)魚的科學(xué)性。產(chǎn)品的實際運行情況：通過長時間的實際測試運行，表明本系統(tǒng)智能控制功能基本符合設(shè)計要求，控制效果良好，穩(wěn)定可靠，有較強的實用性。本套系統(tǒng)的研制對后續(xù)水族箱智能控制系統(tǒng)的研究在理論和實踐上都有較高的參考價值。它還有一個突出的優(yōu)點，成本比較低廉、有較高的性價比，適合我國國情，因此也具有較高的生產(chǎn)使用價值。展望雖然本課題達到了最初的目的，為魚缸中魚類和水草的生長環(huán)境調(diào)控提供了實用的控制系統(tǒng)，但是由于時間短、學(xué)科上和本人水平的限制，系統(tǒng)研制中還有很多考慮不周的地方。由于觀賞魚類的生存環(huán)境各不相同，應(yīng)加入數(shù)據(jù)庫的元素在里面，通過查詢數(shù)據(jù)庫中魚類的生存環(huán)境自動設(shè)置魚缸中的各種參數(shù)。由于魚缸生態(tài)環(huán)境是一個非常復(fù)雜的多變量、非線性系統(tǒng)，影響魚類和水草生存環(huán)境因素很多，又有關(guān)聯(lián)的耦合現(xiàn)象，而本系統(tǒng)的控制輸出僅為簡單的開關(guān)量信號，這是顯然不能滿足高精度的控制要求，應(yīng)引入模糊算法，專家系統(tǒng)等技術(shù)以進一步提高系統(tǒng)的智能決策水平。本設(shè)計還預(yù)留了一些可擴展的功能，希望以后還可以探索海水缸的領(lǐng)域，探索PH值等一些傳感器的應(yīng)用。若要將本系統(tǒng)產(chǎn)品化，還需要對系統(tǒng)進行進一步的改進和調(diào)試。相信經(jīng)過不懈的努力，在較短的時間內(nèi)，一定會使之成為一個非常適合與規(guī)模化生產(chǎn)的產(chǎn)品。本章小結(jié)通過這次設(shè)計，本人學(xué)到很多寶貴的東西，學(xué)會了課題研究的一般過程，學(xué)會了如何解決實踐中遇到的難題，將所學(xué)的理論知識和實際相結(jié)合起來，在一定程度上提高自己的動手能力和問題解決能力。在這次論文設(shè)計的過程中，由于時間關(guān)系和本人水平的限制，文中也難免存在著一些不妥和疏漏之處，在此敬請各位專家批評指正。

結(jié)論本設(shè)計圍繞著水族箱控制系統(tǒng)在溫度探測和控制、水溫的加熱、定時充氧、定時換水等需求，提出了詳細(xì)的設(shè)計方案，從控制方案實際運行來看，此設(shè)計可以實現(xiàn)對水族箱的智能化控制，可以克服目前水族箱市場上各種設(shè)備獨立工作和需要手動帶來的不便，并且成本低廉、性能可靠，消除因飼主的忽視對控制過程的影響。整套控制系統(tǒng)的軟件部分和硬件設(shè)計部分設(shè)計合理，C語言編程的單片機軟件程序是模塊化的程序設(shè)計，模塊與模塊之間相互獨立，有很高的可靠性，硬件設(shè)計成本低廉。在制作過程中運用傳感器技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、單片機原理，系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程，程序結(jié)構(gòu)清晰，按鍵的操作和液晶顯示的界面很友好，操作者在使用該系統(tǒng)時輕松方便。在系統(tǒng)設(shè)計中還充分考慮了系統(tǒng)的擴展問題，為此單片機特意留下了擴展排針焊孔。如需要更準(zhǔn)確的含氧量數(shù)據(jù)，可以在擴展排針上接溶氧量傳感器電路；這些擴展排針接口還可以增加水中含氮量傳感器電路，使水中的環(huán)境參數(shù)控制更精確。這些都對以后系統(tǒng)功能的擴展留下空間。通過本控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)，本人學(xué)會了設(shè)計一個電子產(chǎn)品的一般過程，包括原理圖的設(shè)計、修改、網(wǎng)路報表的生成、元器件報告的輸出、原理圖導(dǎo)入PCB圖、PCB圖元件的布局、覆銅板的腐蝕等等。學(xué)會了在遇到不懂的時候，懂得去自學(xué)，將自學(xué)所得的理論知識運用到設(shè)計中去，考驗了本人動手能力和問題解決的能力。最重要的是體會到查找資料在研究與設(shè)計中的重要性。在研究與開發(fā)前，看本研究的各種資料，了解它的發(fā)展方向和歷史，是觸發(fā)設(shè)計靈感的重要源泉，也是在研究與開發(fā)中解決問題的重要依據(jù)。

致謝值此論文完成之際，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師高洪志老師致以最誠摯的敬意和由衷的感謝。從課題的選定、資料的準(zhǔn)備、研究直到論文的修改潤色等各個環(huán)節(jié)都得到了高老師的細(xì)心指導(dǎo)。高老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度、實事求是的工作作風(fēng)、樸實真誠的為人態(tài)度和孜孜以求的鉆研精神，使我受益匪淺。感謝畢津滔老師對我的指導(dǎo)，在課題選擇、方案制定給予了我無私的指導(dǎo)，由于他對水族箱的了解，給了我不少專業(yè)性的幫助。感謝我的家人和朋友，正是由于他們默默無聞的奉獻和一貫的支持和鼓勵，才使我有信心和毅力完成設(shè)計和論文的工作。最后，再次向所有給予我支持、幫助和鼓勵的老師、同學(xué)和朋友，以及在百忙中評閱論文和參加答辯的專家和評審老師一并表示最誠摯的謝意，祝他們健康、快樂。

參考文獻李開春．小小水族箱裝著大世界．寵物世界，2008：1張海萍．小小水族箱裝著大市場．市場報，2002：1朱欣．水族箱養(yǎng)殖熱帶觀賞魚常識．科學(xué)養(yǎng)魚，2006：39毛謙敏．單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計．國防工業(yè)出版社，2005：159-163孫育才．MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用．南京：東南大學(xué)出版社，2003：1-3彭國平，鄧洪波，梁振權(quán)．水族箱自動控制裝置的設(shè)計．廣東自動化與信息工程，2002:44-46張繼輝．用單片機制作水族箱加氧泵自控開關(guān)．電子世界，2000：28-29畢復(fù)昭．多功能水族箱．實驗教學(xué)與儀器．2008：30何立民．MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計-系統(tǒng)配置與接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002：6-13JackR.Smith．SensorsandReal-TimeClocks．DigitalTemperature，2007:209-214At-melcorporationat．89C52datasheetoftechnicaldocuments，2001:1趙海蘭，朱劍，趙祥偉．DS1302實時顯示時間的原理與應(yīng)用．電子技術(shù)，2004：43-46黃志勇．用實時時鐘芯片DS1302啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003：365-367鄭國欽，夏哲雷．集成傳感器應(yīng)用入門．杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2002:27-33；298-309百度百科．繼電器．全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會，2011：1MauriceWilkes．ProgressinComputers．UniversityofCambridge,2007:1

附錄1文獻譯文DS18B20溫度檢測C51程序1.DS18B20的主要特性

1.1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電

1.2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊

1.3、DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫

1.4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)

1.5、溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃

1.6、可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫

1.7、在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快

1.8、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力

1.9、負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1：DS18B20外觀圖

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如下

(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；

(2)GND為電源地；

(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。3、DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：

（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻