一種智能化功能集成的設(shè)計方法及實例

王漢森

摘 要：在現(xiàn)代生活中，智能化占有非常重要的位置，而智能化功能集成對產(chǎn)品創(chuàng)新有非常重要的意義。通過觀察市場上觀賞魚缸控制系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的觀賞魚缸中，給魚喂食和魚缸換水等操作只能由用戶完成，這給人們帶來了很多麻煩。因此，將智能化功能集成的設(shè)計方案應(yīng)用于觀賞魚缸上，并完成了實物制作，實現(xiàn)了魚缸自動投食、自動水循環(huán)、自動殺菌、水溫檢測和自動照明的多種功能。這些功能的集成既減少了觀賞者喂魚的麻煩，又保證了水質(zhì)和衛(wèi)生狀況。另外，燈光智能控制不僅提高了觀賞質(zhì)量，還滿足了節(jié)能環(huán)保的要求。

關(guān)鍵詞：智能控制；功能集成；單片機；串口通訊

中圖分類號：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.010

媒體資料顯示，近年來，水族產(chǎn)品備受人們的青睞，大家對其的需求量也持續(xù)增長。隨著這項事業(yè)市場空間拓展速度的加快，將會出現(xiàn)更多的投資機會。魚缸產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和觀賞者對觀賞要求的逐步提高，帶動了國內(nèi)外各種先進(jìn)魚缸控制系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的魚缸需要人工換水、補充氧氣，而所用的水泵和空氣泵等設(shè)備難以適應(yīng)季節(jié)和溫度的變化。同時，每天重復(fù)操作，不僅不利于節(jié)能，還大大縮短了設(shè)備的使用壽命。雖然市場上現(xiàn)有的魚缸克服了傳統(tǒng)魚缸存在的缺陷，但是，它仍然是功能單一的簡單設(shè)備。比如，無法實現(xiàn)燈光照明和溫度的自動控制、魚缸換水程序煩瑣，所以，急需一種能把溫度、燈光、充氧、自動投食等控制功能整合在一起的系統(tǒng)。在設(shè)計系統(tǒng)時，要考慮產(chǎn)品的實用性，要求功能設(shè)計穩(wěn)定、可靠、操作簡單、維護方便。因此，根據(jù)當(dāng)前的市場需求，以魚缸中的水溫、溶氧量和光照等控制為研究對象，開發(fā)了一套集多種功能于一體的控制系統(tǒng)，并探討了觀賞魚缸智能化功能集成的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

此次設(shè)計的智能魚缸有多種功能，用模塊化的思路實現(xiàn)了整體魚缸的設(shè)計需求。該系統(tǒng)包括主控、按鍵、顯示、溫度、紅外、時鐘和外設(shè)等7個模塊。按鍵模塊用來設(shè)置當(dāng)前時間、投食時間和系統(tǒng)殺菌過濾時間；溫度模塊用來測量環(huán)境溫度；紅外模塊用來檢測是否有人靠近。在這個設(shè)計中，單片機通過輸出各種信號來控制外設(shè)模塊，而系統(tǒng)時間、溫度和設(shè)置參數(shù)等數(shù)據(jù)則通過液晶模塊顯示出來。系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示。

該控制系統(tǒng)將單片機作為控制核心，利用傳感器技術(shù)集多種智能化控制功能于一體，包括自動照明、換水、投食、水循環(huán)過濾和水溫檢測等，并且可以根據(jù)實際需要增加控制參數(shù)、增強系統(tǒng)的靈活性。第一部分是利用STC89C51單片機實現(xiàn)各種控制參數(shù)的設(shè)置、存儲和顯示；第二部分是輸入和輸出部分，用來采集由傳感器傳送過來的各種信號，并輸出多路信號實時控制魚缸的相應(yīng)功能，兩部分之間通過串口實現(xiàn)通訊。

2 智能魚缸硬件模塊設(shè)計

該系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制核心，它具有在線編程功能，而且功耗低，能在3.3 V的超低壓下工作。將DS1302作為時鐘芯片，它自帶的RAM實時時鐘具有使用壽命長、精度

高、功耗低和掉電自動保存等優(yōu)點，并且計時精度可以精確到秒，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。使用DS18B20構(gòu)成溫度檢測模塊，但它只需要一個端口引腳即可實現(xiàn)通訊，具有測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點，測溫范圍為-55～+125 ℃，工作電壓為3～5.5 V。顯示部分采用的是1602液晶顯示屏，它具有低功耗、壽命長、可靠性高的特點，工作電壓為5 V。人體紅外感應(yīng)模塊則采用HC-SR501，它是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，工作電壓為4.2～20 V，具有靈敏度高、可靠性強、超低功耗和超低電壓工作模式等優(yōu)點。

2.1 單片機主控制模塊的設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計如圖2所示。

2.2 時鐘電路模塊的設(shè)計

圖3為DS1302的引腳排列，其中，VCC1為后備電源，VCC2為主電源。X1和X2是振蕩源，外接32.768 kHz晶振，用來為芯片提供計時脈沖。RST是復(fù)位/片選線，通過RST輸入驅(qū)動開啟置高電平，從而完成數(shù)據(jù)傳送工作。

2.3 溫度傳感器電路設(shè)計

溫度傳感器電路設(shè)計采用的是DS18B20外部電源供電。當(dāng)工作電源由VDD引腳接入時，I/O線不需要強上拉就能解決電源電流不足的問題，保證了轉(zhuǎn)換精度。同時，外部電源供電也是DS18B20最佳的工作方式，它可以保證工作的穩(wěn)定性和可靠性，具有較強的抗干擾能力。另外，溫度傳感器的電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定、可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該部分電路設(shè)計如圖4所示。

2.4 顯示模塊設(shè)計

在設(shè)計顯示模塊時，分別將L1602的RS端與P2.0、R/W端與P2.1、E端和P2.2相連。對于RS的控制，當(dāng)RS=0時，LCD1602寫入指令；當(dāng)RS=1時，向LCD1602寫入數(shù)據(jù)。對于R/W的控制，當(dāng)R/W端接高電平時，芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)；當(dāng)R/W端接低電平時，處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，并且E端為使能信號端。由此可知，當(dāng)R/W為高電平、E端為高電平、RS為低電平時，LCD1602寫入指令，芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，液晶顯示屏即顯示示數(shù)。1602顯示電路設(shè)計如圖5所示。

2.5 獨立式鍵盤設(shè)計

當(dāng)單片機正常工作時，經(jīng)常會執(zhí)行按鍵操作，所以，編程控制方式會使CPU處于高強度的工作中。而此次設(shè)計只涉及到切換、加、減和移位4個功能，所以，按鍵設(shè)計功能比較簡單。按鍵設(shè)計如圖6所示。

2.6 紅外模塊設(shè)計

該系統(tǒng)采用HC-SR501模塊，它較為簡單，有三管腳，一個接電源，一個接地中間，輸出管腳接單片機，具體如圖7所示。

2.7 外設(shè)模塊設(shè)計

外設(shè)部分是單片機通過繼電器控制的投食、照明燈、殺菌過濾設(shè)備。該系統(tǒng)采PNP管直接驅(qū)動繼電器，如圖8所示。

3 智能魚缸軟件模塊設(shè)計

系統(tǒng)接通電源后啟動，實現(xiàn)初始化操作。當(dāng)設(shè)置鍵按下時，系統(tǒng)進(jìn)入了修改時間模式。在修改時間模式下，設(shè)置時間完成后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏顯示。當(dāng)無按鍵按下時，讀取時間、溫度等數(shù)據(jù)將會被輸送到液晶顯示屏。

3.1 時鐘程序流程圖

當(dāng)DS1302開始計時后，隨即進(jìn)入了系統(tǒng)初始化、開中斷過程中。當(dāng)有中斷信號時，將讀取到的時鐘芯片數(shù)據(jù)送入液晶顯示屏。此時，如果按下設(shè)置鍵，則修改當(dāng)前的時間，完成后將數(shù)據(jù)送入時鐘芯片；如果沒有按下按鍵，則直接存入EPROM，并送入液晶屏顯示。整個控制流程如圖9所示。

3.2 溫度程序流程圖

溫度程序流程是開始就進(jìn)入DS18B20初始化，通過主機拉低單線產(chǎn)生的復(fù)位脈沖，從而完成觀察任務(wù)。如果有應(yīng)答脈沖，則發(fā)起SkipRom命令。成功跳過ROM命令后，發(fā)起了Convert T命令開始溫度轉(zhuǎn)換。等待1 s的溫度轉(zhuǎn)換后再開始初始化DS18B20，觀察是否有應(yīng)答脈沖——如果沒有，則不斷初始化，直到有應(yīng)答脈沖為止；如果有，就發(fā)起Read Scratchpad（讀取暫存器和CRC字節(jié)）命令，然后同時讀取第一、第二個字節(jié)，即為溫度數(shù)據(jù)。最后，初始化DS18B20實現(xiàn)循環(huán)程序流程。這樣做，可以實現(xiàn)溫度的實時檢測。整個控制流程如圖10所示。

3.3 顯示程序流程圖

顯示程序的運行流程是先初始化1602顯示屏（寫入顯示設(shè)置命令），5 ms過后檢查忙信號。如果BF=0，則獲得顯示RAM的地址，再延時5 ms后寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)；如果BF=1，則代表模塊正在進(jìn)行內(nèi)部操作，并且不斷檢查忙信號，直至BF=0為止。最終，數(shù)據(jù)顯示完畢，程序流程結(jié)束。顯示程序流程如圖11所示。

4 結(jié)論和展望

本文從解決傳統(tǒng)魚缸使用不便的實際需求出發(fā)，深入思考了魚缸智能化功能集成的可行性，詳細(xì)研究了各種智能化功能對魚類造成的影響，并設(shè)計完成了魚缸智能化控制系統(tǒng)。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)魚缸水溫自動檢測顯示、自動水循環(huán)過濾和自動殺菌控制，這對魚類在無人監(jiān)管的環(huán)境中生存至關(guān)重要。整個方案實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的自動化，不僅節(jié)省了人力，避免了人對傳統(tǒng)魚缸的不精確操作，還使觀賞魚類處于良好的生存環(huán)境中，實現(xiàn)了對其的高效管理。

這個魚缸有別于其他傳統(tǒng)魚缸，它的優(yōu)勢不僅表現(xiàn)在多種智能化功能集成方面，還在魚缸的節(jié)能環(huán)保理念上有前瞻性構(gòu)想——它實現(xiàn)了根據(jù)自然光強度自動調(diào)節(jié)亮度和“人來燈開，人走燈滅”的自動照明設(shè)計。希望未來的智能魚缸能注重節(jié)能環(huán)保方面的要求，在廢物處理等方面有所作為。

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〔編輯：白潔〕