MCU的智能魚缸換水系統

陳露

摘 要：目前，家用或者商用中型魚缸的換水仍采用人工方式，不但費時費力，難免對魚缸周圍造成污染，還極容易傷及所養殖的活魚。本發明為MCU的智能魚缸換水系統，由控制裝置、水位自動檢測裝置和棄注水裝置三個部分組成，實現了魚缸的定時全自動換水，方便快捷，完全克服了現有的人工方式換水費時費力、對魚缸周圍造成污染和傷及活魚的缺點。

關鍵詞：單片機；步進電機驅動器；整流電路板

中圖分類號：TS959.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0083-02

Abstract： At present， the replacement of water in domestic or commercial medium-sized fish tanks is still manual， which is not only time-consuming and laborious， but also inevitably pollutes the surrounding of the fish tanks， and it is also very easy to hurt the live fish raised. The invention relates to an intelligent fish tank water exchange system of MCU， which is composed of a control device， an automatic water level detection device and an abandoned water injection device， and realizes the timing automatic water exchange of the fish tank， which is convenient and fast， thus completely overcoming the shortcomings of the existing manual methods， such as time-consuming and laborious replacement， pollution around the fish tank and injury to the live fish.

Keywords： single chip microcomputer； stepper motor driver； rectifier circuit board

1 本設計的組成部分及各部分構成

1.1 水位自動檢測裝置

水位自動檢測裝置如圖1所示，其主要由標桿、觸點A、觸點B、觸點C、浮球、支架a和支架b構成，觸點A安置在支架b的上橫梁的一端，觸點B安置在支架b的下橫梁的一端，由此形成水位自動檢測裝置的一個組成部分，標桿彎曲部分的一端安置浮球，標桿另一端安置觸點C，支架a位于標桿中部，標桿能夠以支架a為中軸做上下自由轉動，由此形成水位自動檢測裝置的另一個組成部分，在MCU的智能魚缸換水系統整體安裝時，觸點C置于與觸點A和觸點B之間不相接觸的位置，控制裝置被安置在位于觸點A和觸點B中間部位的支架上。

1.2 控制裝置

控制裝置其主要由單片機、單片機所存儲的換水控制程序、棄水電機的兩相四線步進電機驅動器、注水電機的兩相四線步進電機驅動器、整流電路板、以及其控制裝置外殼的面板上設置液晶顯示器、棄水電機轉動狀況指示發光二極管、注水電機轉動狀況指示發光二極管、220伏市電接入端子、+12伏電機電源出線端子、+5伏電源出線端子、外接棄水電機輸出端子、外接注水電機輸出端子和手動換水按鈕構成。

1.3 棄注水裝置

棄注水裝置其主要由棄水電機、棄水閥門、注水電機、注水閥門、棄水電機的兩相四線步進電機驅動器和注水電機的兩相四線步進電機驅動器構成。

2 整體設計方案

該MCU的智能魚缸換水系統全部的電源線路接線方式如圖2所示。220伏交流市電接到整流電路板上，并通過整流電路板將交流市電轉換為+12伏直流電和+5伏直流電；+12伏直流電并聯接到棄水電機的兩相四線步進電機驅動器的電源驅動端口和注水電機的兩相四線步進電機驅動器的電源驅動端口分別作為棄水電機與注水電機的電源；+5伏直流電的正極性端與觸點A和觸點B同時相連，觸點A和觸點B又分別與單片機的中斷端口P3.2和中斷端口P3.3相連，+5伏直流電的正極性端與單片機的P1.4端口之間連接一個手動換水按鈕，+5伏直流電的負極性端與單片機接地端口和觸點C同時相連；單片機的P1.0，P1.1端口分別與棄水電機的兩相四線步進電機驅動器的使能端相連，單片機的P1.2，P1.3端口分別與注水電機的兩相四線步進電機驅動器的使能端相連；單片機的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3端口分別與棄水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入端口相連，棄水電機的兩相四線步進電機驅動器的輸出端與棄水電機的四個端口相連；單片機的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7端口分別與注水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入端口相連，注水電機的兩相四線步進電機驅動器的輸出端與注水電機的四個端口相連；單片機的P1.5端口與棄水電機轉動狀況指示發光二極管一端相連，單片機的P1.6端口與注水電機轉動狀況指示發光二極管一端相連，兩個發光二極管的另一端與單片機接地端口相連接[2]。

3 定時全自動換水操作過程

定時全自動換水操作過程為采用單片機內部的定時/計數器，通過定時程序實現定時，定時時間為兩次換水之間的時間間隔，本實例設定換水時間間隔為三天，即72：00：00小時；單片機中斷端口P3.2設置為下降沿中斷，單片機中斷端口P3.3設置為低電平中斷。單片機上電后，單片機進行初始化，其內部的定時程序自動運行，并通過液晶顯示器顯示計時時間為72：00：00，此時棄水電機與注水電機均未工作[3]，棄水電機轉動狀況指示發光二極管和注水電機轉動狀況指示發光二極管均不發光，觸點C位于觸點A與觸點B之間，但不與觸點A或觸點B接觸，單片機的兩個中斷管腳P3.2，P3.3均為高電平。上述初始設定完成之后，單片機的定時/計數器進入倒計時并實時地通過液晶顯示器顯示倒計時時間；當液晶顯示器顯示計時時間為00：00：00時，即計時時間到，單片機開始執行換水程序，此時單片機的P2端口中的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3管腳給棄水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入驅動脈沖并開始對脈沖計數，棄水電機轉動狀況指示發光二極管隨即點亮，表示棄水電機正轉逐步打開棄水閥門，當驅動脈沖計數到30時棄水閥門完全打開，此時棄水電機12停轉，開始放水，魚缸27中水位逐漸下降，浮球20向下移動，標桿逆時針旋轉，觸點C向上移動；當水位下降到一定值時觸點C與觸點A接觸，導致單片機的中斷端口P3.2變為低電平，單片機響應中斷端口P3.2下降沿中斷，使得單片機的P2口的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3再次給棄水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入驅動脈沖并開始對脈沖計數，棄水電機反轉關閉棄水閥門，當驅動脈沖計數到30時棄水閥門完全關閉，棄水電機轉動狀況指示發光二極管滅，表示棄水電機停止工作，放水完畢；之后單片機的P2端口的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7管腳給注水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入驅動脈沖并開始對脈沖計數，注水電機轉動狀況指示發光二極管隨即點亮，表示注水電機正轉逐步打開注水閥門，當驅動脈沖計數到30時注水閥門完全打開，此時注水電機停轉，開始注水，魚缸中水位逐漸上升，浮球向上移動，標桿順時針旋轉，觸點C向下移動；當水位上升到一定值時觸點C與觸點B接觸，導致單片機的中斷端口P3.3變為低電平，單片機響應中斷端口P3.3下降沿中斷，使得單片機P2口的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7再次給注水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入驅動脈沖并開始對脈沖計數，注水電機反轉關閉注水閥門，當驅動脈沖計數到30時注水閥門完全關閉，注水電機轉動狀況指示發光二極管滅，表示注水電機停止工作，注水完畢；此時單片機程序又做如下的自動運行：單片機的P2端口中的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3管腳再次給棄水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入驅動脈沖并開始對脈沖計數，棄水電機轉動狀況指示發光二極管隨即點亮，表示棄水電機正轉逐步打開棄水閥門，當驅動脈沖計數到30時棄水閥門完全打開，此時棄水電機停轉，開始放水，魚缸中水位逐漸下降，浮球向下移動，標桿逆時針旋轉，觸點C向上移動，使觸點C與觸點B分離，單片機的中斷端口P3.3變為高電平，之后單片機的P2口的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3再次給棄水電機的兩相四線步進電機驅動器輸入驅動脈沖并開始對脈沖計數，棄水電機反轉關閉棄水閥門，當驅動脈沖計數到30時棄水閥門完全關閉，棄水電機轉動狀況指示發光二極管滅，表示棄水電機停止工作，觸點C回復到初始位置。

4 結論與展望

本發明MCU的智能魚缸換水系統得以實現魚缸的定時全自動換水，或根據情況需要的人工手動的實時自動換水，方便快捷，完全克服了現有的人工方式換水費時費力、對魚缸周圍造成污染和傷及活魚的缺點。本發明MCU的智能魚缸換水系統制作簡單，成本較低，不但可以用于魚缸換水，也可以推而廣之用于其他需要水位控制和需要定時或經常換水的設施。

參考文獻：

[1]王珍娟，宋正剛.魚缸智能控制器的設計[J].甘肅科技，2012（09）：72-74.

[2]張毅剛.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱工業大學出版社，2003，5：142-169.

[3]趙坤，張偉.積分分離PID算法在直流電機中的研究應用[J].物聯網技術，2016（2）：65-66.