智能魚缸的設(shè)計(jì)

張偉昊

（鄭州市第二中學(xué)，河南鄭州，450000）

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，生活中的各種器具都帶上了智能、全自動(dòng)的標(biāo)簽，例如智能家居、全自動(dòng)洗衣機(jī)等，這些都為人們的生活提供了極大地便利，漸漸地人們也開始依賴這些器件，并且期待功能更加強(qiáng)大的器件發(fā)揮作用。如今很多家庭里邊都有魚缸進(jìn)行裝飾，各種觀賞魚對(duì)于水的溫度等環(huán)境信息都很敏感，但顯然并不是每個(gè)人都能準(zhǔn)確的掌握這些信息，并且人為的進(jìn)行換水以及調(diào)節(jié)水溫這些操作也略顯復(fù)雜。而本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景之下產(chǎn)生的。

智能魚缸要完成的工作主要包括水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及自動(dòng)換水，針對(duì)這些工作，本設(shè)計(jì)要解決的問題主要有以下幾個(gè)方面：①水溫的檢測(cè)問題；②水溫的調(diào)節(jié)問題；③水位的檢測(cè)問題；④自動(dòng)換水的實(shí)現(xiàn)問題。

1 總體設(shè)計(jì)

智能魚缸涉及自動(dòng)控制的領(lǐng)域，一切工作都要在無人的情況下按照預(yù)先的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的進(jìn)行下去。目前，關(guān)于自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方面，只要有單片機(jī)以及PLC兩類設(shè)計(jì)方案，PLC多用于生產(chǎn)車間，在體積、成本以及能耗等方面并不具備優(yōu)勢(shì)，所以本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制的方法。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是自動(dòng)的調(diào)節(jié)水溫到適合魚的范圍，要解決的問題主要有溫度的檢測(cè)與調(diào)節(jié)以及自動(dòng)的完成換水的工作，為此本設(shè)計(jì)設(shè)置了中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)。其中中央控制系統(tǒng)由單片機(jī)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)信息的接收與轉(zhuǎn)化以及命令的發(fā)布的工作。傳感器系統(tǒng)包含溫度傳感器以及液位傳感器，其主要工作為監(jiān)測(cè)環(huán)境信息并將該信息傳遞給中央控制系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)包括加熱棒以及水泵，其要完成的任務(wù)為水溫的調(diào)節(jié)以及自動(dòng)換水的工作。本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的型號(hào)為STC89C52，溫度傳感器的型號(hào)為DS18B20，對(duì)于液位的檢測(cè)，本設(shè)計(jì)利用兩個(gè)紅外傳感器代替液位傳感器對(duì)液位的上限以及下線進(jìn)行監(jiān)視。由于單片機(jī)的輸出功率很小，難以直接啟動(dòng)加熱棒，因此本設(shè)計(jì)中利用繼電器作為二者之間命令傳輸?shù)臉蛄骸１驹O(shè)計(jì)中的抽水泵電機(jī)為伺服電機(jī)。本設(shè)計(jì)的原理圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，自其誕生之日起就受到了廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到了社會(huì)的方方面面。單片機(jī)經(jīng)過這近50年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。本設(shè)計(jì)利用的為STC89C52，該種單片機(jī)屬于51系列單片機(jī)，其在功耗、操作操作方面優(yōu)勢(shì)明顯，很適合初學(xué)者。

溫度傳感器：溫度傳感器用于測(cè)量溫度并將該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞，其測(cè)量溫度的主要原理為金屬的電阻值隨著溫度的變化而變化，并且其對(duì)應(yīng)關(guān)系為一對(duì)一的關(guān)系，并且其有兩種變化類型，一種是電阻隨著溫度的升高而變大，另外一種正好相反。本設(shè)計(jì)中采用的為DS18B20。其主要性能如下：

接線方式：?jiǎn)慰诮泳€；

測(cè)量范圍：-55～+125℃；

工作電源：3.0～5.5V/DC；

分辨率：0.0625℃。

紅外傳感器：由于本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中的液位傳感器由兩個(gè)紅外傳感器代替，分別監(jiān)測(cè)液位的上限和下限。本設(shè)計(jì)中的紅外傳感器的作用有點(diǎn)類似于行程開關(guān)。紅外傳感器是由紅外線作為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用反射式紅外傳感器，型號(hào)為E18-D80NK，其具體的性能指標(biāo)如下：

感應(yīng)距離：80cm可調(diào)；

輸入電壓：5VDC；

圖2 系統(tǒng)原理圖

檢測(cè)物體：透明或不透明體；

輸出：低電平；

標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物體：太陽光10000LX以下、白熾燈3000LX以下。

繼電器：繼電器是連接小電流控制電路與大電流執(zhí)行電路之間的橋梁。本設(shè)計(jì)利用的是電磁繼電器。一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。在線圈的兩端加上電壓，就會(huì)產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵在電磁力吸引下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁力消失，觸點(diǎn)被釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。本設(shè)計(jì)利用的是Risym 1路 5V繼電器模塊，由于其已經(jīng)將三極管集成在一起，故只需要單片機(jī)對(duì)其輸入高低電平就可實(shí)現(xiàn)吸合的控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及自動(dòng)換水，具體的實(shí)施為：

（1）定時(shí)的進(jìn)行換水工作。

（2）檢測(cè)水溫，當(dāng)水溫高于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行換水工作進(jìn)行降溫。當(dāng)水溫過低時(shí)，啟動(dòng)加熱棒進(jìn)行升溫，直到水溫達(dá)到設(shè)定值為止。

對(duì)于換水工作的完成，主要利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，抽水電機(jī)啟動(dòng)，水位減低，直到紅外傳感器1檢測(cè)到水位下降到設(shè)定值時(shí)，抽水電機(jī)停止工作。此時(shí)放水電機(jī)工作，水位上漲，直到紅外傳感器2檢測(cè)到水位上升到設(shè)定值時(shí)，放水電機(jī)停止工作。

圖3 程序流程圖

本設(shè)計(jì)利用DS18B20檢測(cè)水溫，當(dāng)水溫過高時(shí)，啟動(dòng)換水工作，直到水溫正常。當(dāng)水溫過低時(shí)，單片機(jī)命令繼電器吸合，進(jìn)而控制加熱棒電路開啟進(jìn)行加熱，直到水溫達(dá)到預(yù)定值。

本設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。其中的水溫調(diào)節(jié)模式的流程圖如圖4所示。

圖4 水溫調(diào)節(jié)模式流程圖

4 總結(jié)

該設(shè)計(jì)是目前智能家居的一個(gè)具體的體現(xiàn)，在日常生活中的可適用范圍非常廣泛。該設(shè)計(jì)也是自動(dòng)控制的一個(gè)具體的案例，本設(shè)計(jì)的思想在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛，是一個(gè)成功的設(shè)計(jì)。