基于單片機的全自動智能魚缸清理器系統設計

馮雅莉，郝寧生

基于單片機的全自動智能魚缸清理器系統設計

馮雅莉，郝寧生*

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

全自動智能魚缸清理器系統的設計是采用STC系列單片機中AT89C52、步進電機滑臺、定時系統和控制部分組成的.系統中含有2個步進滑臺，分別代表直角坐標系中的橫縱坐標軸.滑臺的轉軸上有一有轉軸帶動的金屬塊，代表清理器在魚缸清潔軌道上的位置.其中，轉軸是由步進滑臺中的四相步進電機帶動的.定時系統是由定時部分的DS1302芯片、測溫部分18B20芯片和顯示部分的液晶屏LCD1602組成.該系統可以實現人為定時清理魚缸，過濾水體中異物，增氧以及遇故障時人為調整等功能.

AT89C52；步進滑臺；四相步進電機；DS1302；18B20；LCD1602

全自動智能魚缸清理器的清潔軌跡是可以根據魚缸的形狀進行設計的，除了具備清潔池底的功能外，還有增氧、檢測水體溫度、過濾水體、移動清潔的功能.目前市場上的產品及其系統的設計是基于PLC技術，采用PLC技術來控制直流電機或交流電機，其共同的缺點是不能根據不同類型的魚缸進行修改清理器的行走軌跡.采用PLC技術是針對特定的軌道設計，程序比較簡單，容易操作，但是運動軌跡變動時，需要改變內部硬件設備才能實現行走軌跡的更改，而且只能訂制，不便投入批量生產.而單片機的片內含可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和隨機存取數據存儲器，可以通過簡單的改變程序實現行走軌跡的變化.本設計采用可改變的滑動軌道，可以根據不同的魚缸進行重組軌道，從而大大增加了產品適用性和可操作性.

全自動智能魚缸清理器的工作步驟如下：LCD1602顯示時間，水體的溫度，手動設定清理器開始工作的時間，當時間與設定時間一致時，魚缸清理器自動開始工作，清理器工作一個周期后回到原位.本設計要實現的技術要求是：（1）溫度檢測：對水體溫度進行測量并且反應到顯示器上.（2）顯示部分：顯示當前時間、當前水體溫度、定時設置.（3）鍵盤控制：在電動機停止工作的時候可以手動控制電動機的移動.（4）電機軌道：根據魚缸的規格形狀設定，確保能夠讓其清理到整個魚缸底面.

圖1 系統設計的方塊圖

圖2DS18B20實物

1 總體設計

1.1 系統設計的方塊圖及其說明

系統設計的方塊如圖1所示.由AT89C52控制的魚缸清理器系統的設計說明.溫度傳感器18B20把檢測到的溫度轉化成數據傳輸給單片機，單片機控制LCD顯示出當前的溫度.而顯示部分包括DS1302時鐘芯片，所以可以把當前時間顯示在LCD屏上.接近開關是在魚缸的軌道的四個方位上，當清理器移動到靠近接近開關時，接近開關就可以把信號傳送給單片機，單片機控制步進電機的行走方向.水泵由單片機控制，當系統啟動的時候，單片機I/O口給出高電率水泵部分的繼電器，即可讓繼電器合上常開開關，讓水泵通電即可運作.鍵盤部分是控制電機的運轉方向的，鍵盤的信號通過單片機傳給電機進行控制.

1.2 顯示部分

顯示部分是由LCD1602液晶顯示器，DS1302芯片和輕觸開關組成，主要是起到顯示當前時間和當前水體溫度的作用.輕觸開關主要是用于調節時間，設定清潔時間.

本設計使用的LCD1602液晶顯示器為5V電壓驅動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口.

1.3控制部分

控制部分是由4個輕觸開關組成.當清理器出現故障時，可手動控制清理器回到原點，重啟機器，則運行將恢復正常.

1.4 溫度檢測部分

溫度檢測部分功能主要是由DS18B20，32 KHz晶振，紐扣電池等元件組成.本設計使用的DS18B20是帶有金屬外殼的，具有防水功能.DS18B20是一種具有體型小、低能耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優點的溫度傳感器，可以檢測的溫度范圍是-55℃～125℃，在-10℃～85℃時精確度為±0.5℃.DS18B20的實物如圖2所示.

1.5 電機軌道設計

假設本次設計是基于一個長方體的魚缸，則電機的行走軌跡如圖3所示.接近開關是安裝在軌道的拐彎處的軌道壁上.

圖3 電機行走軌跡

2 系統的電路設計

2.1 最小系統電路原理圖

最小系統的核心就是AT89C52芯片，可以通過Keil C軟件編譯所需的程序，然后生成有效文件.hex，通過燒錄系統直接把程序載入到AT89C52芯片中.

2.2 顯示部分以及時鐘芯片部分電路

圖4 顯示部分電路原理圖

圖5 時鐘芯片部分電路原理圖

顯示部分主要顯示當前時間、溫度和定時設置，其中按鍵S1、S2、S3、S4用來設置時間，功能分別是選擇、增加、減少、取消.系統基本能通過這4個按鍵實現時間的設定.顯示部分電路原理如圖4所示，時鐘芯片部分電路原理如圖5所示.

2.3 電機部分控制電路

光電隔離電路主要是由TLP521，三極管電路等組成，主要用于電動機的供給電控制.當單片機發出高電平給光電隔離器時，繼電器的常開處會閉合形成回路，則電機與外接電路中的開關電源（24 V）接通.光電隔離的作用是保護最小系統中的89C52，以免因為電路中的電壓不同而受到干擾，甚至損壞單片機.帶有光電隔離的開關電路的步進電機控制電路原理圖如圖6所示.

圖6 帶有光電隔離的開關電路的步進電機控制電路原理圖

圖7 帶步進電機的滑臺組合電路實物

兩個滑臺分別模擬軌道的水平方向和豎直方向，在滑臺上裝有4個接近開關，分別模擬軌道的上、下、左、右4個方位的壁.電機的速度由單片機控制.帶步進電機的滑臺組合電路實物如圖7所示.

3 軟件系統設計

圖8 主程序流程

圖8 溫度檢測程序流圖

圖10 LCD1602液晶顯示模塊程序流程

首先進行所有數據的初始化，啟動水泵，LCD顯示當前時間，18B20檢測水溫，反饋給LCD顯示出來；判斷當前時間是否與設定清理時間一致，若一致，開始檢測接近開關數據，若靠近步進電機，則步進電機執行命令，清理器開始運行.主程序流程如圖8所示.

圖9為溫度檢測的程序控制流程.溫度控制主要是由18B20采集數據，然后經過自身對數據的處理，轉化為計算機可以識別的編碼傳輸給單片機，單片機傳送給LCD即可實現溫度的可讀性.

圖10為LCD1602液晶顯示模塊程序流程.首先初始化顯示器的數據，并且定義時間設置按鍵S1、S2、S3、S4，其功能分別是選擇、增加、減少、取消.單片機必須檢測是否有按下按鍵，按鍵消抖后，若檢測到有按下按鍵，就開始根據按鍵的次數來調整數據，把BCD碼轉換數據，存入單片機寄存器，LCD1602寫出命令，最后顯示出來.

圖11為步進電機運行程序流程，該流程是根據圖3的軌跡設定的.電機1是指沿Y軸方向上下移動的步進電機，電機2是指沿X軸方向左右移動的步進電機.其中電機1的正轉是指向Y軸的負方向移動的轉向，反之，電機1的反轉是指向Y軸的正方向移動的轉向.電機2的正轉是指向X軸的正方向移動的轉向，反之，電機2的反轉是指向X軸的負方向移動的轉向.接近開關1,2,3,4分別是軌道的上，左，下，右壁.當前時間與設定清理時間一致時，單片機發送信號給步進電機，電機接收信號后，開始判斷清理器的位置，如果不是在原點，則可以通過鍵盤控制，使其回到原點；若在原點，則是按照程序的設計運行，運行的軌跡按圖3設定.清理器碰到接近開關時，改變自身運行方向，使其可以完成設定軌跡的運動.

圖11 步進電機運行程序

4 結語

該系統的設計能夠實現魚缸底面的清潔的，而且操作比較簡單，只需設定清潔時間即可.當單片機檢測到設定時間與當前時間一致時，清潔器就可以開始運行.清潔器的運行軌跡是根據魚缸的形狀設定的，若改變魚缸的形狀，可以通過改變單片機程序來改變清潔器軌跡，使其盡最大的可能使其軌道覆蓋整個魚缸.在設計硬件時，引入接近開關，使整個設計的復雜度大大的降低，接近開關模擬魚缸軌道的拐點，單片機可以通過接近開關傳送的信號改變步進電機的相序，從而改變電機的轉動方向.

［1］宋建永,張金柱.基于MCS-51與8279的智能時控開關設計［J］.電腦與電信，2008(9),106-107.

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Automatic Intelligent Fish Tank Cleaning Device Based on SCM Control Technology

FENG Ya-li,HAO Ning-sheng*
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The cleaning device consists four parts:AT89C52 of STC series,stepper motor slide unit,timing system and the controlling part.The STC contains a memory inside which the data can be repeatedly written and erased as well as a random access memory.There are two slide units in the device,standing for the x-axis and y-axis in rectangular coordinate system respectively.A shaft,powered by the four-phrase steeper motor is placed inside the slide unit.Rotated by the shaft a mental block,it indicates the position of the cleaning device in the fish tank.The timing system combines a chip DS1302 for timing,a chip 18B20 for temperature testing and a LCD screen LCD1602.The device is developed for multi-functions such as cleaning the tank automatically in specific time;removing the impurity in water;adding oxygen to the water and adjusting the position of the stepper motor intelligently when accident occurs.

AT89C52;slide unit;four-phrase steeper motor;DS1302;18B20;LCD1602

TP23

：A

：1007-5348（2015）04-0022-05

（責任編輯：李婉）

2015-02-20

廣東省大學生創新創業訓練項目（1057613-012）.

馮雅莉（1991-），女，廣東廣州人，韶關學院物理與機電工程學院學生；研究方向：自動化控制.*通訊作者.