一種基于無線輸電的智能魚缸控制系統

商振翔　張興強

【摘 要】主要介紹了一種在單板機控制下的無線輸電的智能魚缸控制系統的設計與實現。該系統以單板機為核心控制器，以XKT-409-25、UC3842電源芯片為電源核心，實現了大功率無線輸電，防止漏電，自動控制，恒溫，自動照明，自動水循環，自動泵氧等功能。這使得魚缸更安全，更人性化，更方便易用。

【關鍵詞】STC89C52單板機；XKT-409-25電源芯片；UC3842電源芯片；無線輸電；磁耦合；智能魚缸；繼電器

0 引言

美好的環境可以讓人心曠神怡，很多人喜歡在室內養魚，給單調的生活帶來些許生機。如今不論在商場、辦公室還是家里很多人都喜歡擺上一個魚缸，既可提供觀賞，又能增添雅興。這不失為一種好的擺設。但現在的魚缸里有魚缸燈、換氧機以及溫度調節器，容易漏電極不安全，每年都有很多報道因為魚缸漏電導致的安全事故。采用先進的無線輸電技術，將魚缸的有線供電方式改為無線輸電方式，可以更方便的實現魚缸內部器件的防水密封，提高用電的安全性，并對其他的水下設施的供電提供一個新的解決方案，具有較廣闊的應用前景。

1 系統的基本結構介紹

該系統的主要功能有：電能的無線傳輸，防止漏電，自動燈光照明，自動輸送氧氣，自動溫度調節，自動水循環等功能。本系統采用200V市電供電，以可靠的單板機作為核心控制器，能穩定實現各部分功能。硬件部分主要有電源部分，單板機最小核心板，溫度控制部分，氧氣控制部分，燈光控制部分，無線傳輸模塊，按鍵控制部分，顯示部分。

1.1 無線輸電功能

這種無線傳輸電能的系統由電源、電磁波震蕩器、發射線圈、接收線圈、高頻電磁波整流器、電能變換和集成電路組成，其大致流程如下：電源→電磁波震蕩器→發射線圈 接收線圈→整流器→變換→集成電路

為了獲得無線供電能方便地傳輸較大的功率，我們將發射線圈將電能轉化為磁場，然后由接收線圈將磁場轉化為電能再由接收部分接收。電磁諧振的傳輸距離可以最高可達到五米。

1.2 溫度控制功能

當主系統正常工作時，該部分是當檢測到水溫不適合，單板機自動控制加熱棒加熱，使水溫達到適宜魚類生存的溫度。

1.3 氧氣控制功能

當系統正常運行時，實時監測水中的氧氣濃度，當檢測到水中的氧氣低于我們所設定的值時（即魚類適合的環境），水中的泵氧機自動泵氧，補充水中的氧氣。

1.4 人機控制功能

即用戶可以通過紅外遙控裝置自己設置魚缸的溫度及LED燈光的樣式。

2 系統硬件設計

2.1 無線輸電芯片選擇

電能的無線輸送有四種方式，分別為電磁感應原理無線輸電、諧振式無線輸電、磁耦合共振無線輸電、微波無線輸電。在考慮電能的質量、電能傳輸的效率、安全性等問題，我們經過討論后選擇了磁耦合式無線輸電。

由于我們需要功率大的，效率高的無線電能傳輸方式，所以選用XKT-409-25系列芯片，該芯片使用了最先進的寬電壓自適應技術芯片設計工藝，不用變動原來電路設計即可使其在任意電壓范圍內工作，具有穩定性高等特點。XKT-409-25系列芯片專門用于無線感應智能輸電、供電管理系統中，可靠性高。XKT-409-25系列芯片負責處理無線的電能傳輸的系統，并且接收部分采用電磁能實時轉換電能轉換原理且控制； 智能控制部分為快速充電電池，XKT-409-25只能與外部組件組合，成為一種快速可靠的無線充電器無線電源。

2.2 降壓模塊的芯片的選擇

由于給單板機提供電源，所以選擇的方案輸出電壓必須穩定，紋波極小，效率不能損失過大，所以我們挑選了UC3842作為降壓芯片，UC3842芯片是一種性能較高的電流控只型脈寬調制芯片。調制器http：//baike.baidu.com/view/1654807.htm單端輸出可直接驅動場效應管或雙極型的功率管。

它有以下幾個優點：1、可利用高頻變壓器實現系統與電網的隔離。2、UC3842芯片電壓調整率可達0.01%，可以再高達500KHz的頻率下工作。3、該芯片管腳效應少，外圍電路簡單。4、啟動電流小于1mA，正常工作電流為5mA。

該芯片集成了真蕩器、具有高溫補償的高增益誤查放大器、電流檢測比較器、圖騰主輸出電流、輸入和基準欠電壓所定電路以及PWM所存器電路[1]。

2.3 單板機的選擇

單板機的品種多樣，如果按照單板機數據總線的位數進行分類的話，主要分為四位單板機、八位單板機、十六位單板機和三十二位單板機。其中四位機結構最簡易，成本很低，但指令簡單，且編程繁瑣，可以用于簡單的校制；十六位機和三十二位機為高檔單板機，集成度較高，性能優越，其性價比目前比較貴，從而限制了廣泛的應用。

經綜合考慮，選擇性價比極高的STC12C5A60S2系列單板機。 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單板機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單板機是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單板機指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S，即25萬次/秒），針對電機控制，強干擾場合。完全能滿足系統要求。

2.4 溫度檢測模塊的選擇

本系統選擇DS18B20芯片，DS18B20芯片是DALLAS公司生產的一種線性數字溫度傳感器，為小體積的3引腳T0-92封裝形式；可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，溫度測量范圍為-55℃～+125℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到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，可節省大量的引線和邏輯電路[3]。符合系統要求。

3 軟件系統設計

本系統的軟件設計包括主系統的程序設計和子系統的程序設計。這兩部分的程序設計都采用了標準程序開發的模塊化設計規范，提高程序的可讀性和可維護性，為以后的系統功能添加和完善提供了方便。

整個軟件采用C語言進行代碼的編寫，使用Keil C51集成環境開發軟件進行編譯， C語言與匯編相比，C語言在可維護性、可讀性、結構上、功能上上有以下明顯的優勢：1、Keil C51軟件有強大的集成開發調試工具和龐大的函數庫。2、相對于DOS界面，Keil C51 為Windows界面。3、與匯編相比，Keil C51軟件有較高的效率生成目標代碼，生成的匯編代碼很規范，容易理解[4]。

4 總結

該無線輸電的智能魚缸控制系統具有以下優點：

（1）無線輸電，防止漏電帶來的傷害，確保安全；

（2）單板機智能控制的水族箱；

（3）恒定的溫設計，具有低于設定溫度時加熱功能；

（4）燈光照明可以自由設定啟動和停止時間以及燈光亮度的樣式；

（5）使用液晶屏，顯示工作狀態更直觀；

【參考文獻】

[1]UC3842 Datasheet （PDF）.Texas Instruments，2007.

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3]DS18B20 Datasheet （PDF） Maxim Integrated Products，2008.

[4]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2010.endprint