單片機(jī)控制下的魚缸水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，智能化產(chǎn)品越來越多融入到居家生活中。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的魚缸水循環(huán)系統(tǒng)，利用超聲波測(cè)距模塊得到實(shí)時(shí)水位高度，將水位高度實(shí)際值送入單片機(jī)進(jìn)行處理比較，進(jìn)而控制注水、排水水泵的工作，實(shí)現(xiàn)智能化管理。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件編程的過程，經(jīng)過仿真軟件模擬與實(shí)際成品測(cè)試均得到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：智能化；水循環(huán)系統(tǒng)；超聲波測(cè)距

隨著人們生活水平居住環(huán)境的提高和改善，養(yǎng)魚成為日常生活中陶冶情操的一種樂趣，越來越多的家庭以及辦公場(chǎng)所均能看見魚兒的身影，但是往往欣賞的背后卻要付出很多辛苦勞動(dòng)。市面上的魚缸多采用背部過濾設(shè)計(jì)，可以在過濾的同時(shí)給魚缸加氧，這需要時(shí)常向魚缸背部添水，由于養(yǎng)魚者忙碌或出差不在家不能及時(shí)給魚缸添水導(dǎo)致過濾系統(tǒng)損壞，或者要經(jīng)常給魚缸換水費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以普通魚缸無法滿足人們對(duì)智能化產(chǎn)品的需求，特別對(duì)于忙碌的上班族來說，養(yǎng)魚往往是賞心悅目，卻要被這些繁瑣事情牽絆。所以設(shè)計(jì)一款魚缸的自動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)是非常必要的，為人們自動(dòng)控制管理魚缸水位高度，清理魚缸提供了很大的便利。

1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是以STC89C51單片機(jī)芯片為整體控制中心，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由超聲波測(cè)距模塊、LCD液晶顯示模塊、按鍵電路模塊、以及水位高度測(cè)量電路、報(bào)警電路等結(jié)構(gòu)組成得以實(shí)現(xiàn)魚缸水循環(huán)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示魚缸水位高度，并兼具兩種控制魚缸水位的模式：自動(dòng)模式、手動(dòng)模式。自動(dòng)模式主要適用于無人看守魚缸并需要實(shí)時(shí)向魚缸里加水情況，在無人看守下，可以設(shè)定系統(tǒng)為自動(dòng)模式。背部過濾設(shè)計(jì)的魚缸水分蒸發(fā)較快，由于養(yǎng)魚者沒有及時(shí)向魚缸添水，可能會(huì)導(dǎo)致過濾系統(tǒng)燒壞。在自動(dòng)模式下，利用軟件編程可以設(shè)置最高水位值和最低水位值，也可以通過單片機(jī)上設(shè)置按鍵改變水位高度設(shè)定值，當(dāng)魚缸水分蒸發(fā)低于設(shè)定最低值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，紅燈指示燈亮同時(shí)注水水泵工作，向魚缸里加水。手動(dòng)模式更適用于清理魚缸時(shí)自動(dòng)換水情況，在手動(dòng)模式下，實(shí)時(shí)顯示魚缸液位高度，但是報(bào)警電路不工作，當(dāng)魚缸需要換水時(shí)，可以切換成手動(dòng)模式，按下設(shè)置鍵選擇排水，當(dāng)魚缸水抽凈后通過按鍵控制而停止抽水，再按下設(shè)置鍵選擇注水，由此實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)水循環(huán)過程。

2硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，具體實(shí)施過程與元器件選擇如下：

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)：

首先考慮系統(tǒng)應(yīng)有掉電保護(hù)的功能，所以在選取單片機(jī)上選擇了內(nèi)部含有EEPROM的存儲(chǔ)空間的芯片[1]，對(duì)每次設(shè)定好的水位數(shù)據(jù)值進(jìn)行記憶存儲(chǔ)，在單片機(jī)第二次開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)首先讀取EEPROM的上一次記憶存儲(chǔ)值顯示在屏幕上，不會(huì)因?yàn)橥蝗坏綦?、上電改變高度值從而影響魚缸水位。由于51系列單片機(jī)內(nèi)存為4K可以滿足魚缸整體程序的存儲(chǔ)空間，加之成本低、可在線編程下載、可靠性高、市場(chǎng)應(yīng)用高的特點(diǎn)，綜合決定選取STC89C51為主控芯片。最小系統(tǒng)還包含了電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路?？紤]到51單片機(jī)的工作電壓是5V左右，本次供電方式采用5V移動(dòng)電源供電。對(duì)于時(shí)鐘電路主要是單片機(jī)晶振的選取，由于本次設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，再考慮到功耗，成本的問題時(shí)，11.0592M晶振足以滿足系統(tǒng)需求。

2.2顯示模塊：

由于設(shè)計(jì)要求需要，顯示模塊需要顯示實(shí)時(shí)魚缸液位高度、顯示設(shè)置的液位最高值和最低值以及模式狀態(tài)，顯示內(nèi)容較多。LCD1602液晶顯示屏完全可以符合設(shè)計(jì)需求。LCD1602的八位數(shù)據(jù)端口（D0-D7）分別連接單片機(jī)P0.0-P0.7端口，RS、R/W、使能端E分別連接單片機(jī)P1.0-P1.2端口，經(jīng)過軟件編程對(duì)液晶顯示屏控制后，在液晶屏第一行顯示模式狀態(tài)和水位高度，第二行顯示液位設(shè)置最高值最低值高度。

2.3超聲波測(cè)距模塊：

此模塊是設(shè)計(jì)的核心，主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)量液位高度。對(duì)于測(cè)量液位高度，國(guó)內(nèi)外有二十幾種檢測(cè)方式，如電阻式、光纖式液位測(cè)量等[2]，最終選取超聲波測(cè)量主要考慮的是盡量不選擇在魚缸的水中放入傳感器，而超聲波測(cè)量方法是非接觸式測(cè)量[3]，利用超聲波脈沖反射和脈沖反射回波進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。超聲波模塊選取的是HC-SR04，其最大探測(cè)范圍是4m，如圖2為超聲波模塊接口圖，GND、VCC分別接地和5V電源，Trig為控制端口連接單片機(jī)P2.6接口，工作時(shí)需要單片機(jī)給該端口一個(gè)高電平信號(hào)，超聲波發(fā)射端口會(huì)循環(huán)發(fā)出40KHz頻率方波[4]，Echo為接收端口連接單片機(jī)P2.7接口，當(dāng)接收端接收到超聲波返回信號(hào)會(huì)將Echo輸出高電平。通過單片機(jī)內(nèi)計(jì)時(shí)功能得到往返時(shí)間t1，超聲波在空氣中傳播速度V為340m/s，則水面到發(fā)射器的距離為S=Vt1/2，進(jìn)而可以得到魚缸水位高度。

2.4按鍵模塊：

有三個(gè)功能按鍵，分別是設(shè)置鍵、水位加、水位減按鍵分別連接單片機(jī)P1.3、P1.4、P3.5接口，設(shè)置鍵主要是切換自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，顯示屏顯示“A”，當(dāng)按下水位加按鍵，注水水泵開始工作給魚缸加水，當(dāng)按下水位減按鍵停止加水；當(dāng)按下水位減按鍵，排水水泵開始工作給魚缸抽水，當(dāng)按下水位加按鍵停止抽水；在自動(dòng)模式下顯示屏顯示“H”和“L”，在“H”界面下通過水位加和水位減按鍵可以調(diào)節(jié)最高水位值，在“L”界面下通過水位加和水位減按鍵可以調(diào)節(jié)最低水位值。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以51單片機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合上面闡述的硬件設(shè)計(jì)，以C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，采用模塊化方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。主要分為三個(gè)功能模塊：主程序模塊、EEPROM數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊構(gòu)成。其中主程序流程圖如圖3所示，有三個(gè)函數(shù)構(gòu)成，第一部分是系統(tǒng)初始化函數(shù)，主要是單片機(jī)上電后系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)設(shè)置各模塊的初始值。第二部分是延時(shí)函數(shù)，主要用在按鍵電路的延時(shí)去抖中。第三部分是實(shí)時(shí)液位高度檢測(cè)函數(shù)，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)的功能得到time1，機(jī)器周期時(shí)間T1為1/11.0592×12μs=1.08μs進(jìn)而得到超聲波往返的時(shí)間t1為1.08×time1μs，由于t1為聲波的往返時(shí)間，計(jì)算距離時(shí)的時(shí)間應(yīng)該為t1/2,進(jìn)而得到超聲波發(fā)射器與液體高度的距離S1，則S1=vt=346×t1/2=1.87×time1/100cm，利用尺子量出超聲波模塊到魚缸底部的距離S2，其為定值，則魚缸實(shí)時(shí)高度S為S2-S1。主程序流程圖具體分析如下：首先單片機(jī)上電，系統(tǒng)初始化，在EEPROM存儲(chǔ)空間中讀取上一次設(shè)置的水位最高值和最低值顯示在液晶屏幕上；開啟定時(shí)計(jì)數(shù)功能；進(jìn)入液位檢測(cè)函數(shù)中，得到魚缸水位高度值；判斷此時(shí)的工作模式是手動(dòng)還是自動(dòng)模式；如果是自動(dòng)模式，繼續(xù)判斷液位高度是否在設(shè)置值范圍內(nèi)，如果在，則顯示液位高度，如果不在設(shè)置范圍內(nèi)，則相應(yīng)的排水、注水水泵工作，同時(shí)指示燈亮，蜂鳴器報(bào)警；如果在手動(dòng)模式下，關(guān)閉報(bào)警電路并判斷是否有加水鍵和減水減按下，如果有則進(jìn)行相應(yīng)操作，如果沒有顯示魚缸水位高度值。

4結(jié)論

本次設(shè)計(jì)在keil編程調(diào)試和proteus軟件仿真后均得到預(yù)期值，經(jīng)過實(shí)物測(cè)試得到該方案可行，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚缸水位高度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化水循環(huán)和液位高度控制的功能，本次設(shè)計(jì)是電子技術(shù)于測(cè)量領(lǐng)域結(jié)合應(yīng)用在居家生活中，還可以在多方面進(jìn)行提高，比如加上水溫控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚缸內(nèi)氧氣濃度等功能，這樣一個(gè)智能魚缸系統(tǒng)會(huì)更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉紅,王瑞榮.基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2020,(15):24-25.

[2]劉志堅(jiān),晏永飛,孫應(yīng)畢,徐慧,王旭輝.基于STC89C51的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2019,42(14):6-11.

[3]何秋,孫志斌,耿寶明.LHAASO-WCDA超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2017,25(08):6-9,14.

[4]侯佳辛,宋廣軍.基于單片機(jī)的超聲波液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2020,35(05):31-33,39.

作者：殷佳琪 單位：蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院