智能魚缸的設計

張偉昊

（鄭州市第二中學，河南鄭州，450000）

0 前言

隨著科學技術的發展進步，生活中的各種器具都帶上了智能、全自動的標簽，例如智能家居、全自動洗衣機等，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大的器件發揮作用。如今很多家庭里邊都有魚缸進行裝飾，各種觀賞魚對于水的溫度等環境信息都很敏感，但顯然并不是每個人都能準確的掌握這些信息，并且人為的進行換水以及調節水溫這些操作也略顯復雜。而本設計就是在這樣的背景之下產生的。

智能魚缸要完成的工作主要包括水溫的自動調節以及自動換水，針對這些工作，本設計要解決的問題主要有以下幾個方面：①水溫的檢測問題；②水溫的調節問題；③水位的檢測問題；④自動換水的實現問題。

1 總體設計

智能魚缸涉及自動控制的領域，一切工作都要在無人的情況下按照預先的設計準確的進行下去。目前，關于自動控制的實現方面，只要有單片機以及PLC兩類設計方案，PLC多用于生產車間，在體積、成本以及能耗等方面并不具備優勢，所以本設計采用單片機控制的方法。本設計的目標是自動的調節水溫到適合魚的范圍，要解決的問題主要有溫度的檢測與調節以及自動的完成換水的工作，為此本設計設置了中央控制系統、傳感器系統以及執行系統。其中中央控制系統由單片機構成，主要負責信息的接收與轉化以及命令的發布的工作。傳感器系統包含溫度傳感器以及液位傳感器，其主要工作為監測環境信息并將該信息傳遞給中央控制系統。執行系統包括加熱棒以及水泵，其要完成的任務為水溫的調節以及自動換水的工作。本設計的結構框圖如圖1所示。

本設計中單片機的型號為STC89C52，溫度傳感器的型號為DS18B20，對于液位的檢測，本設計利用兩個紅外傳感器代替液位傳感器對液位的上限以及下線進行監視。由于單片機的輸出功率很小，難以直接啟動加熱棒，因此本設計中利用繼電器作為二者之間命令傳輸的橋梁。本設計中的抽水泵電機為伺服電機。本設計的原理圖如圖2所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件設計

單片機：單片機在控制領域的應用非常廣泛，自其誕生之日起就受到了廣泛的關注，其應用已經滲透到了社會的方方面面。單片機經過這近50年的發展，技術日趨成熟。本設計利用的為STC89C52，該種單片機屬于51系列單片機，其在功耗、操作操作方面優勢明顯，很適合初學者。

溫度傳感器：溫度傳感器用于測量溫度并將該信息進行轉換和傳遞，其測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，并且其對應關系為一對一的關系，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。本設計中采用的為DS18B20。其主要性能如下：

接線方式：單口接線；

測量范圍：-55～+125℃；

工作電源：3.0～5.5V/DC；

分辨率：0.0625℃。

紅外傳感器：由于本設計的特點，本設計中的液位傳感器由兩個紅外傳感器代替，分別監測液位的上限和下限。本設計中的紅外傳感器的作用有點類似于行程開關。紅外傳感器是由紅外線作為介質的測量系統。本設計采用反射式紅外傳感器，型號為E18-D80NK，其具體的性能指標如下：

感應距離：80cm可調；

輸入電壓：5VDC；

圖2 系統原理圖

檢測物體：透明或不透明體；

輸出：低電平；

標準檢測物體：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行電路之間的橋梁。本設計利用的是電磁繼電器。一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。在線圈的兩端加上電壓，就會產生電磁效應，銜鐵在電磁力吸引下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動觸點吸合。當線圈斷電時，電磁力消失，觸點被釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。本設計利用的是Risym 1路 5V繼電器模塊，由于其已經將三極管集成在一起，故只需要單片機對其輸入高低電平就可實現吸合的控制。

3 軟件設計

本設計要實現的目標是水溫的自動調節以及自動換水，具體的實施為：

（1）定時的進行換水工作。

（2）檢測水溫，當水溫高于設定值時，進行換水工作進行降溫。當水溫過低時，啟動加熱棒進行升溫，直到水溫達到設定值為止。

對于換水工作的完成，主要利用單片機內部的計時器進行計時，當時間到達設定時間時，抽水電機啟動，水位減低，直到紅外傳感器1檢測到水位下降到設定值時，抽水電機停止工作。此時放水電機工作，水位上漲，直到紅外傳感器2檢測到水位上升到設定值時，放水電機停止工作。

圖3 程序流程圖

本設計利用DS18B20檢測水溫，當水溫過高時，啟動換水工作，直到水溫正常。當水溫過低時，單片機命令繼電器吸合，進而控制加熱棒電路開啟進行加熱，直到水溫達到預定值。

本設計的流程圖如圖3所示。其中的水溫調節模式的流程圖如圖4所示。

圖4 水溫調節模式流程圖

4 總結

該設計是目前智能家居的一個具體的體現，在日常生活中的可適用范圍非常廣泛。該設計也是自動控制的一個具體的案例，本設計的思想在自動控制領域應用也非常廣泛，是一個成功的設計。