水族箱自動投料系統設計

周學禮 ，陳加勇 李興江

（1.常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500；2.上海大學 通信與信息工程學院 上海 200072）

隨著生活的富裕和水族業的快速發展，水族箱已進入普通家庭，成為主要的室內裝飾產品.目前市場上銷售的水族器材品種繁多，但功能不全且不統一，并且多數都是非自動化的，所以繁瑣的喂食環節和溫度保持以及不定期出差等各種原因都給生活帶來諸多不便.本文設計實現了能夠自動完成投食和溫度保持功能的水族箱自動投料系統.

1 水族箱自動投料系統總體結構

1.1 設計要求

本系統的主要任務是以單片機為核心，實現水族箱自動投料.系統包含控制、顯示與監控等幾個主要模塊，欲實現如下功能：

（1）實現自動喂食和溫度調節功能的自由選擇；

（2）可以選擇高低檔位進行喂食；

（3）定時間歇性投放，每次喂食采用“少量多次”的方式達到總投量的全部投放；

（4）“少量”可以通過延時函數實現，“多次”可以通過按鍵設置；

（5）可以實現當前系統狀態的顯示以及相關參數值的顯示；

（6）實現水體溫度的監測，當溫度低于設定下限溫度時，啟動加熱功能；

（7）余料不足（或者不多）時有燈光報警提示功能.

1.2 功能組成

水族箱溫度、投放次數、定時時間等是本系統主要的控制對象，通常情況下包括按鍵控制模塊、液晶顯示模塊、溫度采集模塊、定時中斷模塊、余料檢測模塊和外部輸出電路.其中外部動作電路包括喂食動作電路和水體加熱電路兩部分，系統總體設計框圖如圖1所示.

2 系統硬件電路設計

2.1 溫度采集電路設計

2.1.1 傳感器選取

DS18B20是集傳感原件和轉換電路于一體的芯片，支持“一線總線”接口，其測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為±0.5℃，可以對系統水體溫度進行準確有效地測量，因此溫度采集模塊采用DS18B20作為系統溫度傳感器[1]105-109.

DS18B20溫度傳感器只有3個引腳，不需要外部元件，一條數據線可以進行通信.但使用一根I/O線通信時，其電源電壓是以寄生方式供電的，因此，只需要將其電源（VDD）和地線（GND）端接地即可[2].DS18B20由只讀存儲器、隨機存儲器、溫度傳感器、溫度數字轉換電路和串行I/O口等幾部分組成[3].

2.1.2 傳感器電路設計

該溫度采集電路是將DS18B20的2號引腳和單片機P3.7端口相連，使用5 V的電源，為了確保在DS18B20有用的時鐘周期內能夠提供充足的電流，該引腳還需要接阻值為4.7 K的上拉電阻.

圖1 系統結構框圖

2.2 按鍵控制電路設計

該系統設置了4個按鍵，從左往右分別為K1、K2、K3和K4，其中K1和K2分別為控制數值的加和減按鈕，K3和K4分別為溫度下限值的設定和喂食動作運行次數設定的選擇按鈕，只有當K3或者K4中有一個保持閉合狀態時，K1和K2按鍵按下才會起作用，否則不會改變系統的設定參數.這樣的一種設計思路既保證了系統各參數值的設定，而且簡化了系統的按鍵設計，又起到了對系統按鍵保護的功能.不會因為誤操作或者兒童的好奇無心之舉而影響了系統的正常運行.其硬件電路連接圖如圖2所示.

圖2 按鍵控制模塊接線圖

2.3 液晶顯示電路設計

2.3.1 顯示器選取

常見的液晶顯示器有1602和12864等多種型號.1602屬于字符型顯示器件，可顯示2行共16個字符.12864芯片是128×64點陣的漢子圖形型液晶顯示模塊，可顯示4行8列漢字以及圖形，內置8192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）[4].可與CPU端口直接接口，提供兩種界面來連接微處理器：8位的并行及串行兩種連接方式.本系統采用12864液晶芯片作為本次設計的顯示芯片.

2.3.2 顯示器電路設計

該系統使用單片機P2口的8個I/O端口線作為數據線與12864芯片的數據口相連，工作電壓采用5V電源，其他功能引腳分別與單片機P1口相應端口連接[1]275-284.

2.4 外部動作電路設計

2.4.1 加熱電路

此功能可以采用光電耦合電路和開關電路（如可控硅）來實現.本設計采用過零型固態繼電器來實現，這是一種更為簡單實用的設計方案.固態繼電器一般由五部分組成，其中耦合隔離器的作用是在輸入與輸出兩端電氣完全隔離下傳遞信號，控制觸發器是為后級開關電路提供觸發，吸收保護電路采用R-C串聯網絡或壓敏電阻，是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關電路造成損壞，零壓檢測器用于控制開關開通時刻消除射頻干擾，開關電路是用來接通或關斷直流和交流負載的大功率器件[5].本設計采用交流過零型固態繼電器GJH5-W，其為4端元件，兩個輸入端、兩個輸出端，輸出端串聯水體加熱電路，電路如圖3所示.輸入端一端接+5 V電源，一端接三極管發射極.當單片機P0.4輸出低電平時，PNP三極管導通，輸入端滿足固態繼電器GJH5-W的輸入參數（控制電壓3～12 VDC），輸出端開關閉合，接通加熱模塊（H代表加熱器件）；當單片機P0.4輸出高電平時，PNP三極管截止，輸出端開關斷開，關閉加熱模塊[6].為了防止魚類與加熱器件直接接觸，要在其外部小范圍內采用防護設備.

2.4.2 投料電路

系統在一定的等待后，將進入運行狀態，這時系統將通過P0.0口輸出一個控制信號，通過它的高低電平來控制繼電器的開與閉，進而達到控制喂食用的動作器件的相關動作，以滿足系統喂食功能.具體電路同樣可以參照圖3進行接線.其中控制信號的間隔長短可以根據投料口徑的大小進行合理設置，并通過按鍵設置投放次數來完成一次喂食環節.

2.4.3 余料不足報警電路

這部分電路在于保證系統中有足夠的食料，該電路在余料足夠的情況下，處于開路狀態，當余料不足時，料盤里的金屬球就會隨著余料的減少而下降，當金屬球與底部的金屬底座相觸時，該電路就會處于接通狀態，此時LED顯示燈將處于常亮狀態，提醒主人適時添加餌料[7].

圖3 加熱電路圖

3 系統軟件設計

為了實現水族箱自動投料，根據系統功能的要求，以系統硬件電路為基礎進行系統的軟件設計，主要內容包括：主程序、溫度檢測與處理、按鍵控制、液晶顯示等，主程序流程圖如圖4所示[8].

主程序中的一些信息，一是放在顯示間隙完成的，二是放在中斷中完成的.系統利用定時器T0，在工作方式1下進行60 ms的定時，然后由T0中斷對其進行6萬次的計數，以達到時長1 h的定時[9].

在T0中斷時進行定時、計數、方波輸出等操作，中斷流程圖如圖5所示.圖中glucCounter和a分別為以60 ms為定時單位的計數變量和以小時為單位的計數變量，P0.7口輸出周期為2 h的方波信號，與LED燈相連，以方便觀察定時器運行狀況.

圖4 單片機主程序流程圖

4 系統功能說明

主要功能模塊的功能分布示意圖如圖6所示，圖中共有四個部分：顯示部分、按鍵部分、LED提示部分和功能選擇接口部分.

液晶顯示屏的四行顯示內容分別為：設定的溫度下限、水體的當前溫度、設定的喂食參數值和系統當前的狀態顯示.按鍵部分的K1、K2分別為加、減按鍵，可以進行相關參數的設置與修改；K3、K4分別為溫度下限調整和喂食初值設定的功能選擇按鍵.只有當K3或者K4處于閉合的情況下，才能通過K1和K2按鍵實現對相應的參數值進行修改，否則按鍵K1、K2沒有響應.LED部分的4個LED燈的狀態分別表示：系統正在喂食、系統正在加熱、定時器中斷產生的方波信號和系統余料不足的報警狀態.4個功能選擇接口分別為A、B、C和D，其中前三個的通斷分別表示“系統是否開啟全部功能”、“是否開啟自動喂食功能”、“是否開啟溫度調節功能”，它們接通時均表示開啟此項功能，斷開則表示關閉該功能；當D接口處于默認斷開時，系統采用低檔喂食，當D接口接通時，系統采用高檔喂食.

5 系統調試

硬件調試電路主要包括溫度檢測模塊、按鍵控制模塊、液晶顯示模塊、余料監測模塊和外部動作電路.軟件調試是系統調試的重點和難點，軟件調試主要有：溫度采集處理程序調試、按鍵控制程序調試、液晶顯示程序調試.

系統調試完成后運行正常，為了獲得溫度檢測的可靠性，我們在不同溫度段對溫度參數進行實測，每一分鐘記錄一次該系統測得的溫度，每個溫度段測量三次并與上海滋源公司生產的水溫溫度計同時測得的數據進行比較，具體數據如表1所示.

從表1的數據對比可知，本系統對溫度的控制精度高，溫度同比偏差小于0.1℃，控制精度完全達到系統的要求.

圖6 系統功能分布圖

表1 溫度值對比數據

6 結論

本文針對觀景水族箱在溫度保持、余料不足監測及自動喂食等方面的實際需求，做了廣泛的調查研究.詳細地分析了該系統應有的功能，并從硬件設計和軟件設計兩個方面，對該控制系統的實現提出了詳細的設計方案.此方案可以自由設置溫度下限參數值并能進行溫度調節，還可以實現對擁有不同魚類數量的水族箱進行不同的喂食參數設置，從而滿足不同情況下的喂食餌料量的要求.系統按鍵模塊只有在正確的操作下，才能進行參數值的修改，在一定程度上起到了對參數的保護作用.由于系統架構設計合理，功能電路實現良好，系統性能優良、穩定，較好地達到了各項指標的預期要求，具有較好的推廣使用價值.

[1]李靜，程安宇，陳卓.快速學通51單片機C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]劉亞利.基于MSP430F149型單片機智能溫度控制系統[J].計算機工程與設計，2006，27（6）：1062-1065.

[3]呂俊亞.一種基于單片機的溫度控制系統設計與實現[J].計算機仿真，2012，29（7）：230-233.

[4]余華芳，劉健.單片機與液晶顯示模塊的軟硬件接口技術[J].液晶與顯示，2003（2）：125-129.

[5]周學禮，陳飛.基于MSP430風扇速度自調裝置的實現[J].常熟理工學院學報，2009，23（8）：87-88.

[6]康光華，陳大欽，張林.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：198-233.

[7]陳建元.傳感器技術[M].北京：機械工業出版社，2008：11.

[8]蔡美琴，張為民，何金兒，等.MCS-51系列單片機系統及其應用[M].北京：高等教育出版社，2004：8-44.

[9]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：86-114.