一種基于單片機控制系統的智能水族箱設計

摘" 要：隨著生活水平的提高，養魚也成了豐富人們精神層面的一種方式。于是智能水族箱多功能化應運而生。因此，優化出多種優秀的水魚行業相關控制器，通過大量數據分析處理，基于單片機控制的這些儀器集溫度控制、充氧、照明、換水、過濾、消毒及報警等功能于一身，不僅僅要求在可以平穩操作各種設備的同時，實現自動化操作，也從性能上要求安全、準確和方便。

關鍵詞：智能水族箱；多功能；數據分析；單片機；自動化操作

中圖分類號：TH122" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0058-03

Abstract： With the improvement of living standards， fish farming has also become a way to enrich people's spiritual level. As a result， the multi-functionality of smart aquariums came into being. Therefore， a variety of excellent controllers related to the aquatic fish industry are optimized. Through a large number of data analysis and processing， these instruments based on single-chip microcomputer control integrate the functions of temperature control， oxygenation， lighting， water exchange， filtration， disinfection， alarm and so on. This is supposed to help realize automatic operation by smoothly operating a variety of equipment and pose requirements of safety， accuracy and convenience in terms of the performance.

Keywords： smart aquarium; multi-function; data analysis; single chip microcomputer; automatic operation

隨著水族制品的蓬勃發展，龐大的水族箱市場的需求也大大促進了國內各類水族箱相關裝置的開發與制造。設計的智能水族箱針對喂養魚，給魚缸換水，控制溫度等制造簡單的設備來解決自動投食、換水、控制溫度等簡單問題。運用新型單片機控制系統，大量數據化設計，構造一款較為完善的智能水族箱，為豐富人們精神生活的同時提供便利。

1" 總體設計

結合調研分析出市面上常見的類似產品的不足之處，總結其所存在的共同缺陷；從外形、構造、結構、空間上進行創新改進，針對智能水族箱解決問題不全面的不足進行產品研制、開發、設計和制造。

系統總控模塊下分有子模塊，其基于系統總控模塊工作，有溫度控制模塊、水位控制過濾塊、定時增氧模塊和自動定時喂食模塊等。這些子模塊系統均受單片機的控制，有獨立的信號輸入功能和信號輸出功能，結合單片機的數據儲存電路，運算電路，復位電路及數碼管顯示電路共同集成為系統總控模塊。智能水族箱的總體設計如圖1所示。

2" 硬件設計

此系統作用于水族箱，其目的是為了實現水族箱的智能化系統控制，提供自動管理的可檢測智能水族箱，設計時有多個涉及的參數。各個參數及其相應的處理機制見表1。

2.1" 水溫、水位控制設計

系統在使用過程中設置定時的投食與換水，可自動按照所設置的參數來進行工作，水溫監測系統定時多次采樣數據，使用多個MY18E20溫度檢測模塊來確保數據的準確性。利用熱泵對水族箱進行加熱，熱泵在工作時同時存在冷端和熱端，在用熱端對水族箱中的水加熱的同時，利用冷端進行制冷和降低房間溫度[1]。溫度傳感器可以選用防水的DS18B20型，其器件是一種數字式集成型溫度傳感器，檢測范圍在-55～125 ℃，檢測精度約±0.5 ℃，完全符合要求[2]。水位監測模塊通過平行的導線線跡就可以測出水位的變化。水溫監測系統有效地解決了因溫度差異所帶來的的細菌滋生問題，同時也改善了水質，創造適合魚生理活動的環境。

2.2" 自動投食裝置的設計

通過光學傳感器、濃度其他傳感器來收集、分析及處理傳出來的信息，監測魚的攝食行為，實現對魚的自動投喂。如圖2所示，自動投食設備可提前設置每次投食的時間周期和投食量，經過設定的時間驅動裝置會帶動儲料箱旋轉，每旋轉一周期可投食一定量的魚食。可通過每周期投食量的控制裝置，設定每周期的投食量，精準的控制魚的每一次美味，以保證魚的健康成長。通過單片機控制實現：①實現自動喂食；②可以選擇高低檔位進行魚料的投喂；③定時間歇性投放；④當剩余的魚料不足或不多時會有燈光報警提示。

2.3" 自動換水裝置的設計

系統通過采集箱體內部水位高度和水體渾濁度數據，實現補水和水循環，Water Sensor水位傳感器通過一系列暴露的平行導線線跡測量水位高低，TDS傳感器用于檢測水體水質，測量時采用交流信號激勵源，可有效防止探頭極化，提高水質檢測精度[3]。如圖3所示，自動換水時，魚缸的排水裝置會將魚缸內的臟水排出，當水位一定低時，此時會停止排水，以保證魚的基本生存環境。同時加水泵啟動，把干凈的水源換入魚缸中，當水位一定高時，水位探頭會檢測到水位已達到適量的高度，就會停止加水，避免水的溢出。

2.4" 智能控制系統設計

STC12C5A60S2系列單片機是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器、程序存儲器、數據存儲器、定時/計數器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗和片內R/C振蕩器及外部晶體振蕩電路等模塊。相比普通的STC89C52而言，具有下載速度更快、容量更大、I/O接口更多的優勢，同時還不需要外部晶振[4]。以STC12C5A60S2單片機為主要控制系統，結合各種傳感器技術，集合多種控制功能，形成一套由單片機控制的自動供氧、喂食、燈光、溫度的控制、水的循環、酸堿度監測的智能化操作控制系統。保證了對環境的實時監控，使得水族箱系統可以穩定、高效、智能化運行。基于Android和WiFi無線通信技術的智能水族箱監控系統，時刻采集現場水族箱環境參數，再由通信系統設備傳輸至Android用戶端顯示。控制裝置包括微控制器、兩路繼電器、在線編程接口、A/D轉換接口、接口擴展模塊、異步串口、I2C接口；單片機分別與兩路繼電器、在線編程接口、接口擴展模塊、傳送帶電機電連接，兩路繼電器分別與抽水泵電機、 濾槽電機連接，接口擴展模塊分別與異步串口、A/D轉換接口、I2C接口電連接[5]。由單片機將所需要的運算指令編寫好之后放入儲存器當中。開始工作后，內部的控制器開始對指令進行分析并進行一系列的邏輯運算。

3" 軟件設計

主程序是對水族箱內的各種環境數據進行記錄并加以監控，進而完成對水泵、加熱器、投食器和增氧機等部件的控制來維持水族箱內環境的平衡，具體流程如圖4所示。

3.1" 自動控制和手動控制

自動控制多種傳感器各司其職地監測著魚缸內的環境狀況，將所監測的參數經由接口傳輸到了內核控制模塊，而核心內部模塊則針對所傳來的信號做出了適當的控制。在手動開關打開后，此時在核心控制器模塊中開啟了板層控制驅動程式的最初化，時鐘控制使用功率狀態，定時器的最初化等動作。控制單元在接到指令后，將單片機轉入正常狀態，并繼續執行main函數。在main函數中要實現對各個功能的初始化操作，在這里還包含了數據最初化和中斷優先級最初化以及這一切的在正常運行中，對所有使用單片機功能的最初化，main函數將調出每個系統工作時所必須的子程序，例如水溫監測子程序、判別水溫是不是過低或偏高的子程序等，并對每個魚缸中的感應器所傳回的信號加以確定，經過確定后回到相應的返回值，然后再按照返回值的差異讓中心控制模塊執行不一樣的運算，自動操作時當核心的控制功能在對4×4矩陣按鍵的掃描過程中探測到有按鍵需要按下后，控制系統就會自動轉換為手工操作。通過使用外置的矩陣按鈕，來設定魚缸內所要求的水溫最高溫度和水溫最低溫度、手動調整喂食間隙、換氧機的開啟、溫度最低閾值和最大閾值、自來水泵的開啟等功能，以優先級為最高。

4" 結束語

本課題設計了一個基于單片機控制系統，大量使用傳感器模塊與優質可靠的程序設計及算法，運用多種傳感器及檢測控制手段實現水族箱水位、水過濾、投食和加氧等自動控制，運用各種傳感器技術，建立了一個采用單片機控制技術來自動供氧、喂食、溫度和水循環等的智能水族箱，如圖5所示。

參考文獻：

[1] 陳森林，何衛建，熊成龍，等.熱泵余溫加熱水族箱設計方法及節能性分析[J].今日制造與升級，2022（10）：84-86.

[2] 林天翔，謝欣辰，黃炳曉，等.帶有智能溫度控制的水族箱系統設計[J].科技視界，2020（22）：19-22.

[3] 黎穎聰，陳耀林，鐘佳才，等.基于物聯網的智能水族箱系統設計[J].海峽科技與產業，2021，34（11）：36-39.

[4] 楊子淵，翟娟，章伯兆，等.基于單片機的智慧水族箱生態養殖系統[J].工業控制計算機，2022，35（4）：122-123，128.

[5] 孫思文，邢佳銘.一種智能化水族箱設計[J].現代信息科技，2020，4（14）：172-174.