基于51單片機的智能水族箱設計

武夷學院機電工程學院 王明發 邵海龍 陳 偉 賴富東

1 引言

當下越來越多的人開始在家中和辦公場所布置水族箱，但是大部分人卻沒有養殖經驗或者疏于管理，導致水族生物的死亡。為了提高大眾的養殖樂趣和解決水生物存活率等問題，智能化控制被應用在水族箱設計中。但是當前市場上的水族箱內部設備并非全部的智能化、各控制部分相互獨立工作，維護管理工作量大，而且造成資源的浪費。基于此，從系統集成開發的角度，進行智能水族箱操作系統設計，形成一套基于STC12C5A60S2單片機控制的氧氣檢測、自動投食、燈光、溫度控制、水循環、酸堿度監測的智能化操作系統；該系統制造成本低、智能程度較高、可遠程控制、便于管理等優勢，可廣泛安裝于家庭、賓館、高級寫字樓等場所。

2 系統總體結構設計

智能水族箱控制系統以STC12C5A60S2單片機為主控制芯片，外圍電路由溫度傳感器、藍牙通訊模塊、時鐘控制電路模塊、燈光控制模塊、供氧模塊、喂食模塊、水循環模塊、酸堿度檢測模塊、手機端控制界面等組成。系統結構框圖如圖1所示。

3 系統硬件電路設計

智能水族箱控制系統的硬件共由九部分組成，分別為主控單元、溫度采集電路、投食模塊、供氧模塊、酸堿度檢測與水循環、無線通信電路、電源電路模塊、時鐘控制電路、燈光控制模塊和液晶顯示模塊。

3.1 主控單元設計

該系統主控采用單時鐘周期的STC12C5A60S2單片機完成， 該款單片機比普通51單片機運行速度快8-12倍，具有多路AD轉換器，I/O口具有四種狀態選擇，從而增加了端口的使用方案。便于后面的外設掛接。

圖1 智能水族箱控制系統框圖

3.2 溫度采集電路設計

溫度采集選擇DS18B20單總線數字溫度傳感器，該傳感器單一數據總線，其與單片機的I/O口連接，實現微處理器與 DS18B20 的通訊。采集溫度時，僅需通過單片機讀取I/O口的輸入數據，進行數據轉化，即可得到實時溫度，實現對環境溫度的檢測。當溫度低于設定的下限時，啟動加熱棒對水進行升溫操作；當溫度超過上限時，啟動換水電機，進行換水操作。

3.3 投食模塊設計

水族箱投食設計兼顧自動與手動兩種方式。用戶在家時可通過手動投食方式增加養殖樂趣。其中投食模塊中的儲物盒、投食裝置采用3D打印技術自行設計完成，自動投食裝置利用直流電機進行控制。當用戶繁忙或外出無閑暇時間進行喂養時，可設置自動喂食時間（三檔的功能：即時投喂、12小時投喂、24小時投喂），根據水族箱的魚類數量，可以改變投食口的大小，進而控制單次投食的量，使魚類正常生長和發育。該模塊實物圖如附件圖2所示。

3.4 供氧模塊設計

氧氣為水族箱的生機來源，該養殖箱系統供氧采用低壓（12v）供氧電機完成，用戶可通過氣閥開關量的大小調節氧氣進氣氣量大小，利用遠程APP、定時、手動三種方式完成氧氣泵的開停。從而保證水族箱溶解氧的濃度，為魚兒的正常生長提供必需的氧氣。

3.5 酸堿度檢測與水循環裝置設計

水族箱酸堿度檢測，主要完成養殖箱水PH值檢測、采集模塊檢測水質的酸堿度，利用ADC0809將采集到的數據進行轉換，得到實時水質酸堿度，當水質酸堿度超出設定范圍時，系統發出警告信號同時向手機APP發送相關信息，以便養殖者時時了解水族箱相關信息。同時控制系統自動打開水泵，對魚缸進行換水，使水族箱的酸堿度保持在合適的范圍內。考慮到水族箱不能一次對全部原態水的換水而保證魚兒無法適應水族箱環境的突變，引發魚兒的死亡。當完成換水水族箱水容量1/3水位后，如果PH值還是無法達到設定標準的情況，系統不會繼續換水，而是延時6個小時后繼續水PH值的調節。這樣保證不會因為大量換水，從而造成魚兒的死亡。

3.6 無線通信

本設計中采用HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊，負責單片機與手機之間的數據傳輸，實現手機端對水族箱各項數據的實時監控和操作，為用戶的操作和監管提供了便利。

3.7 電源電路設計

本系統采用12V/5V直流電源供電，12v為外置電源輸入，為驅動、電機提供所需電壓，利用穩壓電路將12v電壓轉為5v，為電路供電。該電壓在人體安全電壓范圍內，具有較大的安全性，同時使系統功率不會過高，節約能源消耗。

3.8 時鐘控制電路設計

該系統采用DS1302時鐘控制模塊負責提供水族箱的時鐘參數，該時鐘與現實時間吻合，為系統的定時自動操作、喂食時間、充氧時間和換水時間等提供了一個參照，并且，在有需要時，可設定鬧鐘提醒，利于水族箱監管。

3.9 燈光控制設計

燈光控制模塊由日常照明燈帶、裝飾燈帶及紅外傳感器構成，日常照明燈帶的特定波長燈光有利于水草光合作用，增加水族箱的含氧量，同時，紅外傳感器智能檢測水族箱附近是否有人，若有則觸發裝飾燈帶的工作，使水族箱更具觀賞性同時更大程度節約能源。

3.10 液晶顯示模塊設計

為了養殖者能夠時時清楚了解水族箱的水環境參數，系統設計了液晶顯示模塊，該顯示系統利用LCD1602完成。

4 系統軟件設計

系統軟件基于標準C語言完成程序設計，系統整體軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統控制流程圖

5 結論

該智能水族箱控制系統，以STC12C5A60S2單片機為主控，現場利用溫度傳感器技術、酸堿度傳感器技術、智能控制技術以及無線通信技術等實現對水族箱的實時監管、遠程控制及定時自動控制功能。同時又兼顧手動操作，符合水族箱養殖實際。縱觀該控制系統，本系統擁有一體化、設計靈活、設計成本低、可手機端遠程控制等優勢，從監測運行效果看，該智能養殖箱有著廣泛的應用前景和商業價值。

附圖：

附圖1 水族箱整體效果圖

附圖2 投食模塊組裝圖