智能多功能魚缸設計

智能多功能魚缸設摘要隨著社會經濟的迅速發(fā)展，生活質量的提高，人們對家庭休閑娛樂設施的需求也不斷增加，水族寵物行業(yè)也因此蓬勃發(fā)展。由于當前市場上常見的智能魚缸的科技屬性和便捷程度并不高，因此設計一個節(jié)能高效的智能魚缸是有必要的。本課題研究的內容為智能多功能魚缸設計。該套系統(tǒng)主要由溫度模塊、水位、舵機、STM32單片機、水泵、OLED屏幕、繼電器、按鍵等部分組成，采用單片機技術處理對溫度、水位等傳感器的參數(shù)進行處理，用繼電器控制電路從而控制水泵的加水出水、打氧、加熱，用舵機模擬喂食，按鍵用來調整模式。樣機測試結果表明:該裝置設計合理，動作準確，技術上可行、可靠，具有應用推廣價值。關鍵詞：溫度模塊；傳感器；STM32單片機目錄第1章緒論 第1章緒論1.1研究目的及意義隨著社會經濟的迅速發(fā)展，生活質量的提高，人們對家庭休閑娛樂設施的需求不斷增加，水族寵物行業(yè)也因此蓬勃發(fā)展。據(jù)《2021年中國寵物消費趨勢研究報告》中顯示，2020年在我國因養(yǎng)寵物的人數(shù)日益增多所拉動的寵物行業(yè)的消費規(guī)模已經在向3000億元靠攏。疫情所帶來的影響甚至影響了寵物主人的情感消費，預計到2023年寵物行業(yè)的消費規(guī)模將達到4456億元。在大城市生活的居民和90后、00后的年輕一代因不同身份和不同個性等原因，養(yǎng)殖的寵物種類也逐漸增多，由貓、犬等常規(guī)寵物轉移到圈養(yǎng)水族類寵物或異寵。據(jù)統(tǒng)計，2021年養(yǎng)殖寵物的類別結構中，水族類寵物的占比達到了16%，成為了寵物養(yǎng)殖者除貓、犬等寵物中的第一選擇，而且有接近兩成的寵物養(yǎng)殖者開始“智能養(yǎng)寵”，他們使用科技的力量來養(yǎng)殖寵物。智能寵物用品在兩個方面受到主要的關注，一個是寵物用品的科技屬性和便捷程度，另一個則是寵物用品的安全性能。智能寵物用品既能使寵物養(yǎng)殖者省時省力，還能更好的照顧寵物。由于當前市場上常見的智能魚缸的科技屬性和便捷程度并不高，為了能給觀賞魚養(yǎng)殖者提供一種便捷程度高、自動化程度高、成本低、節(jié)能且高效的智能魚缸。因此基于STM32單片機設計了一種智能魚缸，該魚缸可以控制魚缸測溫和加熱、定時投食、水位檢測和自動加水。1.2國內外研究現(xiàn)狀在2021年王燕平等人《基于藍牙技術的智能魚缸控制系統(tǒng)設計》[1]中基于藍牙技術，從而實現(xiàn)魚缸與智能手機等電子設備的智能互聯(lián)，能實現(xiàn)對魚缸環(huán)境、各參數(shù)的遠程智能監(jiān)測和控制。控制系統(tǒng)可以以單片機為中心CPU，加上各種控制電路和傳感器技術，以實現(xiàn)對魚缸內水位、水溫、含氧量等參數(shù)的智能控制，以及實現(xiàn)一鍵投食、自動加熱、自動加水、打氧等智能化功能，整個智能魚缸系統(tǒng)除了以單片機芯片構成的信息處理設備，還包括手機等設備的App控制。該文章從魚缸的控制系統(tǒng)、水情監(jiān)測系統(tǒng)，對水位、pH值、喂食等具體的監(jiān)測與控制功能的實現(xiàn)等方面，探究基于藍牙的智能魚缸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，以方便人們對魚缸進行準確、便捷的遠程智能化控制。在2022年，趙冬明、宋子博，王浩哲等人的團隊在《智能魚缸控制系統(tǒng)設計》[4]中針對市場上出現(xiàn)了一些多功能的魚缸產品，多是簡單功能組合，自動化程度不足等問題，從系統(tǒng)集成、自動控制、性價比等方面提出了一套完整的智能魚缸控制系統(tǒng)解決方案。該方案以STC89C52單片機為控制核心，結合傳感器技術，集多種功能于一體，包括水循環(huán)過濾、溫度控制、自動投食、水位報警、狀態(tài)顯示等功能。硬件上，對主控模塊、溫度采集模塊、水位采集模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、投食模塊、水循環(huán)模塊、加熱模塊、報警模塊等進行設計。軟件上，對主程序和初始化、時間采集、溫度采集、水位采集、顯示、水循環(huán)、投食、溫度控制、水位報警、中斷等子程序進行設計。經過測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡潔方便，能夠實現(xiàn)魚缸的自動管理。同年，國內的研究人員王勛、康榮顯、王玥、張新宇、劉小龍、王曉童等人在《基于STM32單片機的智能魚缸設計》[16]中針對前國內市場上常見智能魚缸的功能性并不強，自動程度較低，控溫模塊、加氧模塊、自動投喂和水位調節(jié)模塊采用的是互相獨立的組件，不但使用時不方便，而且成本比較高的問題，設計了一款可以根據(jù)需要自動調節(jié)水溫，自動加氧、自動喂食和遠程控制與管理的智能魚缸，在節(jié)省經濟的同時降低了養(yǎng)殖難度。在2022年CostaAnnamaria等人的團隊在《FromPhotocatalysistoPhoto-Electrocatalysis:AnInnovativeWaterRemediationSystemforSustainableFishFarmingl》[20]中在這項研究中，光電催化反應(PEC)的效果被評估為傳統(tǒng)光催化(PC)的創(chuàng)新應用，以多學科方法修復虹鱒魚(金鱒)養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)中的水，與魚類福利和健康有關。該項研究中使用了三個水箱，配備了傳統(tǒng)的生物過濾器作為控制系統(tǒng)，三個水箱配備了PEC凈化系統(tǒng)。監(jiān)測水體中檢測氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽離子的濃度，并平行評估魚體的氧化損傷和應激反應。經PEC處理的實驗組的水顯示出更低的氨(TAN)和亞硝酸鹽濃度和更高的硝酸鹽濃度，可能是由于TAN通過PEC氧化。組織學分析顯示，兩組鰓和肝臟均未見任何病理改變。對照組的超氧化物歧化酶(sod1)、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx1)和腫瘤壞死因子(TNFα)基因表達量顯著高于PEC處理組，而熱休克蛋白70(Hsp70)基因表達量在兩組間無顯著差異。這些結果表明，與使用傳統(tǒng)的生物過濾器相比，使用PEC過濾器對水質有積極的影響，從而使O.mykiss的福利水平很高。同年的2月OrtizInmaculad他的研究團隊在《Intensifiedfishfarming.PerformanceofelectrochemicalremediationofmarineRASwaters》[21]報告了一個RAS示范工廠的性能分析，其目的是養(yǎng)殖金槍魚(金頭鯛)和海鱸魚(舌齒鱸)，并提供了對養(yǎng)殖水的電化學修復。這份報告突出了創(chuàng)新的電化學修復RAS水的好處和優(yōu)勢。1.3主要研究內容本課題研究的內容為智能多功能魚缸設計。該套系統(tǒng)主要由溫度模塊、超聲波測距、電機、單片機STM32、水泵、LCD1602屏幕、繼電器、按鍵等部分組成；該套系統(tǒng)采用單片機技術來對溫度、超聲波測距等傳感器的參數(shù)進行處理，用繼電器控制電路從而控制水泵的加水出水、打氧、加熱，用電機模擬喂食，按鍵用來調整模式。該設計能實現(xiàn)的預期結果如下：該套系統(tǒng)可以顯示當前的時間；系統(tǒng)可以實時監(jiān)測當前的溫度并進行顯示；系統(tǒng)可以實時監(jiān)測當前的水位并顯示；系統(tǒng)可以設置水位閾值，并且在系統(tǒng)監(jiān)測水位不足時，可以自動加水，在系統(tǒng)檢測水位足夠時，停止加水；系統(tǒng)可以設置溫度閾值，并且在系統(tǒng)監(jiān)測溫度過低時，加熱繼電器開始進行加熱，溫度高于設定閾值時，加熱繼電器停止加熱；系統(tǒng)可以自由切換自動模式或手動模式：在手動模式下可以按鍵控制喂食和按鍵控制打氧，在自動模式下可以設置自動打氧時間、喂食時間，在到系統(tǒng)設置的時間時，系統(tǒng)可以自動打氧、自動喂食。第2章系統(tǒng)總體結構2.1設計方案本課題研究的內容為智能多功能魚缸設計。該套系統(tǒng)主要由溫度模塊、水位模塊、電機、STM32單片機、水泵、OLED屏幕、繼電器、按鍵等部分組成；采用單片機技術處理對溫度、水位等傳感器的參數(shù)進行處理，用繼電器控制電路從而控制水泵的加水出水、打氧、加熱，用電機模擬喂食，按鍵用來調整模式。圖2-1系統(tǒng)整體結構框圖2.2元器件選型2.2.1單片機型號選擇方案一：51單片機是一款廣泛應用于各個領域的基礎入門單片機，然而，與其他單片機相比，51系列的單片機存在一些局限性。首先，它一般不具備自編程能力，這意味著在開發(fā)過程中，無法靈活地更新和修改程序，限制了其擴展性和適應性。其次，51單片機的運行速度較慢，特別是在處理雙數(shù)據(jù)指針時，性能不夠強大。這在一些需要高效處理數(shù)據(jù)的應用中可能會成為瓶頸。此外，51單片機內置的一些功能如AD轉換、EEPROM存儲等需要通過擴展模塊來實現(xiàn)，這增加了軟硬件的負擔和開發(fā)成本。與一些現(xiàn)代化的單片機相比，51單片機的自我保護能力較差，容易因不當操作而燒壞芯片。方案二：STM32系列單片機是一款性能出眾、功能強大的系列單片機。它被廣泛應用于低成本、高性能和低功耗的嵌入式應用程序中，并且在功耗和集成度方面也表現(xiàn)出色。STM32單片機具備強大的處理能力和豐富的外設接口，適用于各種復雜的應用場景。同時，STM32單片機擁有便捷的開發(fā)工具和簡單的結構，使得開發(fā)人員可以更快速地完成項目，并且其強大的功能性受到了業(yè)界的廣泛認可。在選擇主控制芯片時，本文使用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是意法半導體集團基于STM32系列ARMCortex-M內核開發(fā)的一款高性能微控制器。它擁有64KB的程序存儲器，適用于存儲復雜的應用程序。該芯片需要2??V~3??.6V??的工作電壓，并且能夠在-40℃~85℃的環(huán)境溫度下正常工作，適用于各種工業(yè)和商業(yè)應用。本??實驗采??用的STM32FI03C8T6引腳圖如圖2-2所示。圖2-2STM32Fl03C8T6引腳圖2.2.2通信模塊選擇方案一：Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案。然而，目前國內的Zigbee技術主要采用ISM頻段中的2.4GHz頻率，雖然在某些方面表現(xiàn)出色，但它的衍射能力和穿墻能力相對較弱。在家居環(huán)境中，即使是一扇門、一扇窗或一堵非承重墻，都可能對Zigbee信號造成較大的衰減。方案二：藍牙通信模塊具有較低的功率需求，非常適合電池供電設備的工作。它還具有低成本的優(yōu)勢，適用于各種低成本設備。此外，藍牙通信模塊能夠同時管理數(shù)據(jù)和聲音傳輸，而且具有低延時的特點。綜合比較考慮，本設計選擇了藍牙通信模塊作為通信方案。通過采用藍牙技術，可以解決Zigbee在衍射和穿墻方面的局限性，并且滿足了低功耗、低成本、數(shù)據(jù)和聲音傳輸?shù)囊?。此外，藍牙技術在市場上得到廣泛應用，擁有龐大的生態(tài)系統(tǒng)和支持，使得與其他設備的互操作性更強。在使用藍牙通信模塊的設計中，需要注意與其他藍牙設備的兼容性，以確保設備之間的良好通信。同時，針對家居環(huán)境中可能存在的信號干擾和距離限制，可以采取一些增強信號覆蓋范圍的措施，如合理布置藍牙設備的位置或者使用藍牙信號擴展器等。圖2-3藍牙通信模塊實物圖2.2.3顯示模塊選擇方案一：LCD液晶顯示屏在節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢。其采用液晶技術，通過電場控制液晶分子的取向來實現(xiàn)圖像顯示。相較于其他顯示技術，LCD顯示器在節(jié)能方面表現(xiàn)出色。首先，LCD液晶顯示器具有較大的可視面積，可以滿足用戶對大屏幕顯示的需求，而不會因為供電不足而導致畫面色彩失真或顯示不穩(wěn)定。這一點在觀看高清內容或進行專業(yè)設計工作時尤為重要。然而LCD顯示器也存在一些不足之處。首先是可視偏轉角度相對較小的問題。當觀看LCD屏幕時，從不同的角度觀察，畫面的亮度和色彩可能會發(fā)生變化，這可能對多人觀看或需要廣視角的場景造成一定的困擾。其次，LCD屏幕在亮度和對比度方面不如其他顯示技術表現(xiàn)出色。盡管LCD顯示器的亮度和對比度已經得到了很大的改善，但與一些高級顯示技術相比，仍然有所欠缺。此外，LCD顯示器的壽命有一定的限制，使用壽命通常受到背光源的衰減以及液晶材料老化等因素的影響，長時間使用后可能需要更換背光源或整個顯示屏幕。方案二：OLED（OrganicLightEmittingDiode）屏幕在多個方面都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。首先是其超薄的設計，OLED屏幕的厚度可以小于1毫米，僅為LCD屏幕的1/3，并且重量也更輕，這使得OLED屏幕在移動設備和薄型電視等領域有著廣泛的應用前景。其次，OLED屏幕幾乎沒有可視角度的問題，即使從很大的視角下觀看，畫面仍然保持不失真，這使得多人觀看或需要廣視角的場景下，OLED屏幕能夠提供更好的視覺體驗。此外，OLED屏幕的制造工藝相對簡單，成本更低。相較于液晶顯示屏，OLED屏幕的制造過程不需要背光源，并且可以通過在有機材料中直接發(fā)光來實現(xiàn)圖像顯示，因此制造工藝更加簡單，成本更低。同時，OLED屏幕具有更高的發(fā)光效率，能耗比LCD屏幕更低，能夠為用戶節(jié)省電力開支。最重要的是，OLED屏幕具有良好的低溫特性，在極寒環(huán)境下仍能正常顯示。例如，在零下40度的嚴寒環(huán)境下，OLED屏幕仍能正常工作，而LCD屏幕可能無法達到相同的效果。綜上所述，綜合考慮各方面因素，設計顯示模塊時選擇OLED屏幕是一個較為合理的選擇。它不僅在節(jié)能方面具有明顯優(yōu)勢，還能提供更薄、更輕、更廣視角、更高發(fā)光效率和更好的低溫特性。然而，需要注意的是，每種顯示技術都有其優(yōu)缺點，選擇適合特定應用需求的顯示模塊時，仍需綜合考慮功耗、成本、可靠性等因素，以滿足用戶的實際需求。圖2-4OLED屏實物圖第3章系統(tǒng)的硬件部分設計3.1系統(tǒng)總體設計該套系統(tǒng)主要由溫度模塊、水位模塊、電機、單片機STM32、水泵、OLED屏幕、繼電器、按鍵等部分組成；采用單片機技術來對溫度、水位等傳感器的參數(shù)進行處理，用繼電器控制電路從而控制水泵的加水出水、打氧、加熱，用舵機模擬喂食，按鍵用來調整模式。手機APP連接藍牙模塊，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制，控制系統(tǒng)的遠程喂食、加水、加熱、喂食等功能。3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設計3.2.1溫度采集模塊設計DS18B20是一款常用的高精度的單總線數(shù)字溫度測量芯片。具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。1.測溫范圍為-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范圍內誤差為±0.4°。2.返回16位二進制溫度數(shù)值。3.主機和從機通信使用單總線，即使用單線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。4.在使用中不需要任何外圍元件，獨立芯片即可完成工作。5.掉電保護功能DS18B20內部含有EEPROM，通過配置寄存器可以設定數(shù)字轉換精度和報警溫度，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。6.每個DS18B20都有獨立唯一的64位-ID，此特性決定了它可以將任意多的DS18b20掛載到一根總線上，通過ROM搜索讀取相應DS18B20的溫度值。7.寬電壓供電，電壓2.5V~5.5V。DS18B20返回的16位二進制數(shù)代表此刻探測的溫度值，其高五位代表正負。如果高五位全部為1，則代表返回的溫度值為負值。如果高五位全部為0，則代表返回的溫度值為正值。后面的11位數(shù)據(jù)代表溫度的絕對值，將其轉換為十進制數(shù)值之后，再乘以0.0625即可獲得此時的溫度值。溫度采集模塊原理圖如圖3-1所示。圖3-1溫度采集模塊原理圖3.2.2水位采集模塊設計WaterSensor水位傳感器是一款簡單易用、性價比較高的水位/水滴識別檢測傳感器，它是利用一系列的暴露的平行導線線跡來測量其水滴/水量的大小，進而對水位進行判斷。容易實現(xiàn)將水流量到模擬信號的轉換，輸出的模擬值可以直接被STM32讀取，起到水位預警作用。WaterSensor水位傳感器能夠監(jiān)測水位。該模塊主要是利用三極管的電流放大原理：當液位高度使三極管的基極與電源正極導通的時候，在三極管的基極和發(fā)射極之間就會產生一定大小的電流，此時在三極管的集電極和發(fā)射極之間就會產生一個一定放大倍數(shù)的電流，該電流經過發(fā)射極的電阻產生特點電壓，被AD轉換器采集。主要參數(shù)：1.工作電壓：DC3—5V2.傳感器類型：模擬3.工作濕度：10%—90%無凝結4.產品尺寸：62mmX20mmX8mm5.工作電流：小于20mA6.檢測面積：40mmX16mm7.工作濕度：10℃—30℃WaterSensor水位傳感器不僅可以測量水位，還可以測量是否有水，當測量是否有水時，直接檢測輸出端引腳，若檢測為0，則顯示沒有水，若檢測到1，則有水；當檢測水位變化時，需要進行ADC采集，利用函數(shù)進行模擬電壓值到水位的轉換。水位采集模塊原理圖如圖3-2所示。圖3-2水位采集模塊原理圖3.2.3溶解氧采集模塊設計TDS水質檢測模塊采用TDS傳感器（鈦合金）和NTC（3950_10K）熱敏電阻配合8位高性價比單片機(STM8S003F4P6)，內部已做AD(10位)采集，并通過算法計算出對應的TDS值及溫度值，用戶只需通過串口讀數(shù)據(jù)即可，另外可接數(shù)碼管顯示模塊，即可循環(huán)顯示TDS值和溫度值，方便用戶快速使用。TDS用來表示測定溶解在水中的所有固體物質，包括礦物質、鹽分以及溶解在水中的微小金屬物質。測量單位為ppm或mg/L，它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固體。通?？捎秒妼释茰y溶液中的鹽分，水越純凈，可溶性固體越少，電阻越大，電導越小，純水幾乎不能導電。TDS值與電導率有直接關系，TDS值一般為電導率的0.55倍。TDS測量主要通過給測試電極輸入交變的驅動電壓（防止探頭極化），在被測液體中產生微小電流，從而得到被測液體的電導率。溫度測量則通過測量NTC負溫度系數(shù)的熱敏電阻值，從而計算出當前的環(huán)境溫度。并根據(jù)TDS傳感器在受不同溫度范圍所表現(xiàn)的特性差異，通過獲取的溫度在相應溫度范圍內進行補償。模塊采用電極法測定水溶液的電導率，當兩電極插入溶液中，可以測出兩電極間的電阻R。根據(jù)歐姆定律，溫度一定時，有R=pL/A，其中p為電阻率，L為電極間間距，A為電極的截面積。由于A、L是固定不變的，故L/A是一常數(shù)，稱為電導池常數(shù)Q，即R=pQ。電導S與電阻R成倒數(shù)關系:S=1/R電導率K與電阻率p成倒數(shù)關系:K=1/pK=1/p=Q/R用標準溶液校準，獲得電導池常數(shù)Q再測水樣得到電阻R，即可求出K，即可得到TDS=0.55K。受溫度影響，以25℃為標準溫度，溫度每增加1℃，電導率上升2%，故溫度作為補償因子參與TDS計算，公式為：K=K(未溫補)*(1+0.02*(T-25))。T為測得溶液溫度值。溶解氧采集模塊原理圖如圖3-3所示。圖3-3溶解氧采集模塊原理圖3.2.4顯示模塊設計0.96寸4針O??LED屏模塊是一種??顯示屏模塊，它包括??一個0.96英寸的??OLED顯示屏和4??個引腳。這種OLE??D屏幕模塊通常用于??嵌入式系統(tǒng)和小型電??子設備中，可以顯示??文本、圖像和其他類??型的信息。由于其小??尺寸和低功耗，它們??也常用于智能手表、??健康追蹤器和其他便??攜式設備中。此類模??塊通常使用SPI或??I2C接口進行通信??，并且支持多種分辨??率和顏色模式。該模塊有4個??引腳，分別為VCC??、GND、SCL和??SDA。VCC是電??源引腳，用于提供模??塊的電源，一般是3??.3V或5V電源。??GND是地引腳，用??于提供模塊的接地。??需要接到負極電源上??。SCL是時鐘引腳??，用于傳輸數(shù)據(jù)時的??時鐘信號。通常需要??連接到主控芯片的時??鐘引腳。SDA是數(shù)??據(jù)引腳，用于傳輸數(shù)??據(jù)。通常需要連接到??主控芯片的數(shù)據(jù)引腳??。在使用I2C接口??時，這個引腳也可以被稱為SDA（串行數(shù)據(jù)線）。顯示模塊原理圖如圖3-4所示。圖3-4顯示模塊原理圖3.2.5舵機模塊設計舵機G90的主要參數(shù)：1.尺寸：21.5mmX11.8mmX22.7mm2.重量：9克（1kg=1公斤=2斤）3.無負載速度：0.12秒/60度(4.8V)0.002s/度4.堵轉扭矩：1.2-1.4公斤/厘米(4.8V)5.使用溫度：-30~~+60攝氏度6.死區(qū)設定：7us(7MHZ)7.工作電壓：4.8V-6V8.位置等級:1024級9.脈沖控制精度為2us運行原理：舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調制（PWM)信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應舵盤的位置為0—180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。舵機模塊原理圖如圖3-5所示。圖3-5舵機模塊原理圖3.2.6藍牙模塊設計HC-05藍牙串口通信模塊，是以BluetoothSpecificationV2.0為基礎，并帶有EDR的BluetoothSpecification的數(shù)字傳輸模塊。其工作頻率為2.4GHz，采用GFSK調制。該系統(tǒng)具有4dBm的最大發(fā)送功率，接收靈敏度為-85dBm，板載PCB天線，可以達到10m的通訊。模塊內置發(fā)光二極管，可以直接看到藍牙的連接狀況。改模塊選用了CSR的BC417芯片，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要而變更其角色（主從模式），并可設定其所需之參數(shù)，如串口波特率、設備名稱等，具有相當?shù)撵`活性。6根引腳，名稱與功能如下：1.VCC:接電源的正極，電壓的范圍為3.3v到5.0v。2.vdd:為外接供電電源輸入端。3.GND:地線。4.TXD:模塊串口發(fā)送引腳（TTL電平，不能直接接RS232電平），可直接接單片機的RXD引腳。5.RXD:模塊串口接收引腳（TTL電平，不能直接接RS232電平），可直接接單片機的TXD引腳。6.KEY:用于進入AT狀態(tài)。7.LED:該引腳用于檢測藍牙模塊是否已連接其他藍牙設備。HC-05通過TX和RX引腳，支持使用標準AT命令。為此，用戶必須在設備啟動時進入特殊命令模式。啟動進入數(shù)據(jù)模式，這樣它就可以與其他設備進行無線通信。藍牙模塊原理圖如圖3-6所示。圖3-6藍牙模塊原理圖3.2.7蜂鳴器模塊設計蜂鳴器是一種能夠發(fā)出聲音的電子元件，它通常用于發(fā)出警報聲、提示聲、提醒聲等。蜂鳴器有兩種類型：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。本設計采用有源蜂鳴器設計，有源蜂鳴器是一種內置了振蕩器的電子元件，可以通過電壓的變化來產生聲音。有源蜂鳴器常用的驅動方式是直接連接到微控制器或其他數(shù)字電路的輸出引腳上。蜂鳴器廣泛應用于各種電子設備中，例如計算機、手機、警報器、電子鐘表、游戲機等等。它的工作原理簡單，使用方便，是一種重要的電子元件。主要參數(shù)：1.頻率：蜂鳴器的頻率指的是它能夠發(fā)出的聲音的頻率，一般常用的頻率為2kHz、4kHz、8kHz等。2.聲壓級：蜂鳴器的聲壓級指的是它發(fā)出的聲音的響度，常用的聲壓級有70dB、80dB、90dB等。3.工作電壓：蜂鳴器的工作電壓是指它能夠正常工作的電壓范圍，一般常用的工作電壓為5V、12V等。4.工作溫度：蜂鳴器的工作溫度是指它能夠正常工作的溫度范圍，一般常用的工作溫度為-20℃到+70℃。5.尺寸：蜂鳴器的尺寸指的是它的外觀尺寸，常見的尺寸有12mm、16mm、22mm等。工作原理：其工作原理是通過將交流電信號轉化為機械振動，進而產生聲音。蜂鳴器由線圈、振動片和鐵芯組成。當通以交流電時，線圈中的電流會產生磁場，磁場會吸引鐵芯，使得振動片與鐵芯相連。隨著電流方向的反轉，鐵芯和振動片就會來回震動，從而產生聲音。蜂鳴器模塊原理圖如圖3-7所示。圖3-7蜂鳴器模塊原理圖3.2.8電源接口模塊設計單片機需要的電壓為3.3V或5V，因此需要選擇合適的電源電壓，同時考慮到電壓的穩(wěn)定性和噪聲等因素。根據(jù)單片機的工作電流和外設的功耗等因素來確定電源的電流輸出能力，以保證單片機和外設的正常工作。??如圖3??-8為電源接口電路原理圖。圖3-8電源接口電路原理圖第4章系統(tǒng)的軟件設計4.1軟件主流程圖溶解氧模塊收集水中溶解氧數(shù)據(jù)：系統(tǒng)啟動后，測量水中溶解氧裝置檢測水中的氧氣含量，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂瓢澹瑴y得氧氣含量高于閾值，系統(tǒng)開始打氧；反之，停止打氧。水位模塊：水位傳感器讀取水位，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂瓢澹斔坏陀陂撝禃r，系統(tǒng)開始加水；反之，停止加水。溫度模塊：溫度傳感器測量水溫，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂瓢澹斔疁馗哂陂撝禃r，加熱繼電器停止加熱；反之，停止加熱。圖4-1軟件主流程圖4.2溫度采集模塊的軟件設計首先通過溫度傳感器檢測魚缸內水的溫度，當溫度低于設定的閾值時，開啟加熱模式，當溫度高于設定的閾值時，停止加熱模式。溫度采集模塊子程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2溫度采集模塊子程序流程圖4.3顯示模塊軟件的設計在設計中需要顯示當前環(huán)境的溫度、水位和溶解氧信息。系統(tǒng)使用液晶顯示數(shù)據(jù)，STM32單片機初始化完成后顯示屏會自動寫控制字，控制字為單片機中獲得的數(shù)據(jù)，隨后顯示出來。如圖為顯示模塊子程序流程圖。圖4-3顯示模塊子程序流程圖4.4水位采集模塊軟件的設計首先通過水位傳感器檢測魚缸內水的位置，當水位低于設定的閾值時，開啟加水模式，水泵打開；當水位高于設定的閾值時，關閉加水模式，水泵關閉。水位采集模塊子程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4水位采集模塊子程序流程圖4.5溶解氧采集模塊軟件的設計首先通過溶解氧傳感器檢測魚缸內水的氧氣含量，當氧氣含量低于設定的閾值時，開啟打氧模式；當氧氣含量高于設定的閾值時，關閉打氧模式。溶解氧采集模塊子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5溶解氧采集模塊子程序流程圖4.6舵機模塊軟件的設計舵機接收到間隔工作的信號或上位機的啟動信號，進行啟動自轉一周，如無信號則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。實現(xiàn)其功能的流程圖如下。圖4-6舵機流程圖4.7蜂鳴器模塊軟件的設計首先，輸入控制信號來控制蜂鳴器的狀態(tài)。然后，判斷控制信號是否為觸發(fā)信號。如果是觸發(fā)信號，蜂鳴器將被觸發(fā)，發(fā)送電流給蜂鳴器并產生聲音。如果不是觸發(fā)信號，蜂鳴器將停止工作，停止發(fā)送電流。實現(xiàn)其功能的流程圖如下。圖4-7蜂鳴器模塊流程圖第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖圖5-1系統(tǒng)完整實物圖5.2自動加水模式測試首先通過水位傳感器檢測魚缸內水的位置，當水位低于設定的閾值時，水泵打開，開啟加水模式；當水位高于設定的閾值時，關閉加水模式，水泵關閉。如圖5-2為水位傳感器實物圖，圖5-3為水泵實物圖。圖5-2水位傳感器實物圖圖5-3水泵實物圖5.3自動打氧模式測試首先通過溶解氧傳感器檢測魚缸內水的氧氣含量，當氧氣含量低于設定的閾值時，增氧繼電器開啟打氧模式；當氧氣含量高于設定的閾值時，增氧繼電器關閉打氧模式。水中溶解氧閾值可通過手機APP連接本設計藍牙裝置進行設置，本設計溶解氧閾值范圍最低可設置0mg/L，最高不超過100mg/L。如圖5-4為溶解氧傳感器實物圖，圖5-5增氧繼電器實物圖。圖5-4溶解氧傳感器實物圖圖5-5增氧繼電器實物圖5.4自動加熱模式測試首先通過溫度傳感器檢測魚缸內水的溫度，當溫度低于設定的閾值時，加熱繼電器開啟加熱模式，當溫度高于設定的閾值時，加熱繼電器停止加熱。溫度閾值可以通過手機APP連接藍牙模塊設置需要的溫度，大多數(shù)魚的生長溫度適合20至24攝氏度，熱帶魚的生活水溫一般應該維持在20至30攝氏度，溫帶淡水魚的生活溫度應該維持在18至25攝氏度。如圖5-6為溫度傳感器實物圖，圖5-7為加熱繼電器實物圖。圖5-6溫度傳感器實物圖圖5-7加熱繼電器實物圖5.5自動喂食模式測試手機APP連接本設計藍牙裝置，可以在手機上設置自動喂食時間，到達自動喂食時間時，舵機模擬喂食功能。如圖5-8為舵機實物圖。圖5-8舵機實物圖第6章結論系統(tǒng)軟件的調試過程并不是一帆風順，在調試過程中出現(xiàn)了一些錯誤。但在劉老師的輔導下，我總算發(fā)現(xiàn)了問題，并糾正了設計中的錯誤和不科學的地方。設計方案中的問題和解決方法主要包含下面一些層面：在功率模塊模擬仿真過程中，發(fā)現(xiàn)調試輸出值一直達不上設計規(guī)定，查驗基本原理錯誤后，發(fā)現(xiàn)電路板焊接時出現(xiàn)了一些技術問題，于是重新焊接；應用仿真軟件，發(fā)現(xiàn)錯誤代碼。然后調整，發(fā)現(xiàn)在啟用程序流程時，單片機沒有正常復位，在程序流程中添加復位程序流程后才獲得準確的結果；在模擬測試時，一直提醒端口號P0存有邏輯錯誤。盡管不危害效果的輸出，但在具體印刷制版過程中確實會危害電源電路。之后通過調研發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息發(fā)送錯誤代碼表明時，未能分辨忙碌情況。之后在制定中添加忙碌情況分辨后，系統(tǒng)軟件工作中一切正常，數(shù)據(jù)信息口也沒有提醒邏輯錯誤。參考文獻王燕平.基于藍牙技術的智能魚缸控制系統(tǒng)設計[J].電子技術,2021,50(03):43-45.郝海燕，李夢琪，李瑾玥，龔杰.基于單片機的智能魚缸控制系統(tǒng)設計[J].內江科技，2022，43(03):49-50.高文靜,王靜.智能魚缸遠程控制系統(tǒng)的設計[J].電子測試,2021.趙明冬,宋子博,王浩哲.智能魚缸控制系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)科技,2022,19(09):80-82.呂杰,梁鑒明.一種基于STM32單片機的智能魚缸控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代信息科技,2020,4(20):5.李熠偉,吳科,卿曉梅,等.一種光伏供電智能魚缸控制系統(tǒng)的設計[J].河南科技,2020(17):3.趙琳琳.基于樹莓派的智能魚缸控制系統(tǒng)設計[J].大眾標準化,2020(9):3.李金武,宋新愛.智能魚缸自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].智能計算機與應用,2020,10(3):4.張勝男,楊榮國.物聯(lián)網魚缸智能控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代商貿工業(yè),2020,41(6):3.吳海青，何滿塘，周朝陽，郭晗，賀泱鈐，王立功.基于STM32單片機的智能魚缸控制系統(tǒng)設計[J].機械工程與自動化，2022(6):158-160.王玥.基于物聯(lián)網的水質自動采樣系統(tǒng)設計[J].2021.孫洪波.基于物聯(lián)網的智能生態(tài)魚缸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用,2016,35(23):4.王冰潔,馮正勇.基于STM32的智能魚缸設計[J].電腦迷,2017.陳晨，曹佳雯，林昱希，仇妍.基于SET、KANO模型的小戶型家用智能魚缸造型設計研究[J].包裝工程，2022,43(S01):144-150.張洲,薛小松,謝承輝,等.基于Arduino的智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子測試,2022(012):036.王勛,康榮顯,王玥,張新宇,劉小龍,王曉童.基于STM32單片機的智能魚缸設計[J].赤峰學院學報(自然科學版),2022,38(05):10-14.RaoJS,TummalaSK,KuthuriNR.ComparativeanalysisofPWMtechniquesfor15-levelcross-connectedHbridgeinverter[J].NanotechnologyforEnvironmentalEngineering,2022,7(2):393-403.AnthonyAnania,DanielIngoHefftd,NwankwoWilsone，IoT-basedmonitoringsystemforfreshwaterfishfarming:Analysisanddesign[J].IntelligentComputing,2022.ZhengJ,RuiC,HaoZ,etal.IntelligentFishTankControlSystemBasedonInternetofThingsCloudComputingPlatform[C]//the2ndInternationalSymposium.2018.BuoioEleonora,CialiniChiara,CafisoAlessandra,AidosLucia,MazzolaSilviaMichela,RossiRaffaella,LivolsiSimone,DiGiancamilloAlessia,MorettiVittorioMaria,SelliElena,BestettiMassimiliano,FranzSilvia,ChiarelloGianLuca,CostaAnnamaria,BazzocchiChiara.FromPhotocatalysistoPhoto-Electrocatalysis:AnInnovativeWaterRemediationSystemforSustainableFishFarming[J].Sustainability,2022,14(15).SantosGermán,OrtizGándaraIsabel,DelCastilloAndrés,ArrutiAxel,GómezPedro,Ibá?ezRaquel,UrtiagaAne,OrtizInmaculada.Intensifiedfishfarming.PerformanceofelectrochemicalremediationofmarineRASwaters.[J].TheScienceofthetotalenvironment,2022,847.附錄源代碼#include"delay.h"#include"sys.h"#include"key.h"#include"usart.h"#include"usart3.h"#include"led.h"#include"adc.h"#include<stdio.h>#include<string.h>#include"ds18b20.h"#include"tds.h"#include"zd.h"#include"ph.h"#include"oled.h"#include"timer.h"externu8zhuodux[6];externu8TDS_Buff[6];//TDS存放數(shù)組unsignedcharduoji_count=0;unsignedcharzhuanjiao=11;u8send[30];intbeepNum=0;shorttemperature;unsigne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u8temperatureyus[15];intbiaozhi1=0;intbiaozhi2=0;intbiaozhi3=0;intbiaozhi4=0;intycFlag=0;intkzFlag=0;intfragment=0;u8kzFlags[2];shorttemperature; u8tem[15];u8temperaturedyu=28; u8temperaturehyu=32; u8temgyu[15];u8temdyu[15];u16o2yu=100;u8o2yus[15];u16ya;u8yas[15];u8phs[15];u8temps[15];u8times[30];voidUSART1_Puts(char*str){while(*str){USART1->DR=*str++;while((USART1->SR&0X40)==0);}}voidUSART3_Puts(char*str){while(*str){USART3->DR=*str++;while((USART3->SR&0X40)==0);}}voidUSART2_Puts(char*str){while(*str){USART2->DR=*str++;while((USART2->SR&0X40)==0);}}//定時器周期是0.1ms//舵機PWM周期是20ms，0-180°分別對應0.5-2.5ms的脈寬//變量zhuanjiao可調范圍為5-25對應0-180°，當zhuanjiao=15時對應90°//為了讓舵機運行更精確，建議向右或向左轉是不要使用0°或180°，建議向中間靠近一點//右轉時選用zhuanjiao=7左轉時用zhuanjiao=23voidDuojiMid(){ zhuanjiao=15; delay_ms(500);}voidDuojiRight(){ zhuanjiao=25; delay_ms(500);}voidDuojiLeft(){ zhuanjiao=6; delay_ms(500);}voidServoInit(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Servo_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;// GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//配置GPIO端口速度 GPIO_Init(Servo_GPIO,&GPIO_InitStructure); Servo_SET;//默認給高電位modfiedbyLC2015.09.2012:00}intmain(void){ delay_init(); NVIC_Configuration(); KEY_Init(); LED_Init();OLED_Init(); OLED_ColorTurn(0);//0正常顯示，1反色顯示OLED_DisplayTurn(0);//0正常顯示1屏幕翻轉顯示 OLED_Refresh(); OLED_Clear();uart_init(115200);//串口1初始化，可連接PC進行打印模塊返回數(shù)據(jù)uart2_init(115200);//對接BC26串口初始化 Adc_Init(); usart3_init(9600); beep_Init();beep=0;JDQ1=1;JDQ2=1; TIM2_Init(); ServoInit();OLED_ShowChinese(0,16,0,16);// OLED_ShowChinese(18,16,1,16);// OLED_ShowString(36,16,":",16); OLED_ShowChinese(0,32,2,16);// OLED_ShowChinese(18,32,3,16);// OLED_ShowString(36,32,":",16); OLED_ShowChinese(0,48,4,16);// OLED_ShowChinese(18,48,5,16);// OLED_ShowString(36,48,":",16); OLED_Refresh(); while(DS18B20_Init()) //DHT11初始化 { delay_ms(200);} KEY_Init(); temdyu[0]=temperaturedyu/10+'0'; temdyu[1]=temperaturedyu%10+'0'; OLED_ShowString(95,16,temdyu,16); o2yus[0]=o2yu%1000/100+'0'; o2yus[1]=o2yu%100/10+'0'; o2yus[2]=o2yu%10+'0'; OLED_ShowString(95,32,o2yus,16); OLED_Refresh(); DuojiMid(); delay_ms(1000); DuojiRight(); while(1) { if(USART3_RX_STA==1){ USART3_RX_STA=0; if(USART3_TX_BUF[0]=='w'){ if(USART3_TX_BUF[1]=='1'){ temperaturedyu=(USART3_TX_BUF[2]-'0')*10+USART3_TX_BUF[3]-'0'; o2yu=(USART3_TX_BUF[4]-'0')*100+(USART3_TX_BUF[5]-'0')*10+USART3_TX_BUF[6]-'0'; temdyu[0]=temperaturedyu/10+'0'; temdyu[1]=temperaturedyu%10+'0'; OLED_ShowString(95,16,temdyu,16); o2yus[0]=o2yu%1000/100+'0'; o2yus[1]=o2yu%100/10+'0'; o2yus[2]=o2yu%10+'0'; OLED_ShowString(95,32,o2yus,16); OLED_Refresh(); }if(USART3_TX_BUF[1]=='2'){ times[0]=USART3_TX_BUF[2]; times[1]=USART3_TX_BUF[3]; times[2]=USART3_TX_BUF[4]; times[3]=USART3_TX_BUF[5]; times[4]=USART3_TX_BUF[6]; times[5]=USART3_TX_BUF[7]; times[6]=USART3_TX_BUF[8]; times[7]=USART3_TX_BUF[9]; times[8]=USART3_TX_BUF[10]; times[9]=USART3_TX_BUF[11]; 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