魚缸供氧量和溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作

1、魚缸供氧量和溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作馮飛飛 曹開軍 湯美玲（陜西漢中，陜西理工學院物理系，723000）摘要：針對家養(yǎng)觀賞魚對溫度的敏感性以及供氧量的需求，設(shè)計出以ATS89c52為核心，基于定時器和中斷系統(tǒng)的魚缸供氧量和溫度自動控制系統(tǒng)。在溫度測量中采用DS18b20為溫度傳感器，通過按鍵對溫度進行設(shè)定，控制溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。而魚缸供氧周期方式自動供氧。實驗表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，顯示穩(wěn)定，而且具有價格低廉，節(jié)約電能等特點。關(guān)鍵詞：單片機，定時器，溫度傳感器Abstract: For pet fish sensitive to temperature and the dema

2、nd for oxygen. The two effects, the key factor domestic fish together research . Designed to ATS89c52 as the core Based on the timer and interrupt system for the aquarium air-supply and temperature automatic control system. In temperature measurement for temperature sensor DS18b20 adopt. The tempera

3、ture setted by buttons way. For the safety of fish ,the temperature setting the range of 0 32 degrees Celsius. And oxygen supplied by five minutes automatic oxygen. Experiments show that, This control system has stable performance, reliable , display stability, and the price is low, energy-saving.Ke

4、ywords: MCU, timer, Temperature sensor引言經(jīng)過市場調(diào)查和分析，目前市場上出售的魚缸加熱系統(tǒng)都帶有自動恒溫功能制作相當簡單，而且使用不穩(wěn)定，往往達不到養(yǎng)魚愛好者預(yù)期的效果，使用壽命也較短而且價格昂貴。對于魚缸供氧基本上沒有智能化的供氧泵，都采用即插即用的方式為魚缸供氧，這就給用用戶產(chǎn)生許多不便和問題。一，用戶如何知道觀賞魚需要氧而及時給魚缸供氧，避免魚缸缺氧給魚造成傷害。二，什么時候魚缸含氧量達到最大值拔掉電源線，如果長時間供氧無疑是一種浪費。而且魚缸的加熱裝置和供氧裝置都是分時獨立工作的，占地面積大，極不方便用戶管理。眾所周知對于嬌貴的觀賞魚來說，魚缸溫度

5、和含氧量無疑是影響它們生存的兩個至關(guān)重要的因素，本設(shè)計正是基于讓這兩個毫不相干的功能集于一體，用一個單片機控制加熱棒和供氧泵的工作，用戶通過一個簡單直觀的鍵面設(shè)定觀賞魚所需要的理想溫度，以五分鐘為間隔向魚缸不間斷的供氧，這樣既保證了觀賞魚對氧的需求，還避免了讓供氧泵長時間處于供氧的狀態(tài)，不但節(jié)約的電能，也增長了它的使用周期。1 系統(tǒng)功能描述系統(tǒng)分為魚缸溫度控制和魚缸供氧兩部分，魚缸溫度控制部分可以作為獨立的模塊使用主要完成實時魚缸水溫的測量，顯示以及控制功能。供氧部分主要以五分鐘為一個間隔不間斷的對魚缸進行供氧，只要給單片機提供電源就能實現(xiàn)此功能，而且不影響溫度的控制，兩個功能相對是獨立的。操

6、作者既可以單獨給魚缸供氧，也可以讓供氧與溫度控制同時進行，由于采取了新的供氧方式，再確保供氧的前提下也相對節(jié)約資本。系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過自制5V直流電源為單片機供電通過指示燈判斷，而加熱棒和氧氣泵直接使用220V供電。溫度傳感器與單片機相連，通過程序?qū)崿F(xiàn)溫度的實時采集和處理，并顯示到數(shù)碼管上，通過按鍵實現(xiàn)溫度的設(shè)定。圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器、濾波電路和穩(wěn)壓器等部分組成。電路如圖2所示。采用9V交流變壓器實現(xiàn)對220V交流電源的變壓，用四個二極管組成整流橋電路將電路整流成直流電路，輸入電容C1=1000uF，C3=0.1uF，用于抑制紋

7、波電壓，輸出電容C2=100uF用于消振，穩(wěn)壓電路采用5V穩(wěn)壓管LM7805，LM7805集成穩(wěn)壓三極管輸出電流可達1A,，輸出電壓5V，具有過熱保護，過流保護，輸出晶體管SOL保護等功能。圖2 穩(wěn)壓電源電路圖2.2溫度采集電路溫度采集電路采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20中DQ腳與單片機P3.7口相連，VCC腳接5V直流電源，GND腳接地，如圖3所示。DS18B20是一個單總線的數(shù)字溫度計，它將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理，從DS18B20讀入或?qū)懗鲋恍枰桓诰€。DS1820單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。系統(tǒng)對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進行

8、。操作協(xié)議為：初始化DS1820（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機逐個與DS1820掛接，讀出其序列號。其工作過程為：主機Tx發(fā)一個脈沖，待“0”電平大于480s后，復(fù)位DS1820，待DS1820所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機Rx接收后，主機Tx再發(fā)讀ROM命令代碼33H（低位在前），然后發(fā)一個脈沖（15s）再并接著讀取DS1820序列號的一位。圖3 DS18B20和單片機連接電路圖2.3溫度顯示電路圖4所示為溫度實時顯示電路，設(shè)計只顯示溫度的十位和個位，單片機P0口和P2口分別向十位數(shù)碼管和個位數(shù)碼管

9、輸入，十位顯示數(shù)碼管與P0口相連，個位顯示數(shù)碼管接在單片機的P2口，采用共陰極數(shù)碼管，公共端都接地，通過對數(shù)碼管的編碼讓單片機輸出高電平“1”讓數(shù)碼管顯示溫度。圖4溫度顯示電路圖2.4溫度設(shè)定電路圖5為按鍵設(shè)定溫度電路，分別起到升溫，降溫，確定三個作用。由于C51單片機的只有二個外中斷源，不能滿足本設(shè)計要求，所以我們采用一個與非門芯片74LS00擴展外中斷，當P3.2口檢測到一個低電平即有按鍵按下時，啟動中斷。通過加鍵與減鍵執(zhí)行相對的溫度設(shè)定程序，達到操作者設(shè)定要求。當確認鍵按下后，中斷返回。圖5 按鍵電路2.5繼電器電路與指示電路因為供氧和加熱裝置功率比較大，由交流220V市電驅(qū)動，單片機不

10、能直接驅(qū)動，所以采用繼電器控制。由于單片機輸出電流很小，不能直接驅(qū)動繼電器，所以外接NPN型三極管增大輸出電流，進而間接驅(qū)動加熱和供氧設(shè)備。三極管基極與單片機相連，集電極接地，發(fā)射極與繼電器相連。二極管1N4148是線圈斷開時的續(xù)流二極管，防止涌浪。圖6為繼電器電路與指示電路，繼電器電路控制氧泵和加熱棒的工作狀態(tài)，指示電路指示它們的工作狀態(tài)，兩個電路的連接方式一樣。圖6繼電器電路與指示電路圖3 軟件設(shè)計軟件部分包括主程序及中斷處理子程序。采用C語言編寫，模塊化程序設(shè)計，可讀性強。主程序流程圖如圖7所示。對單片機供電后給變量c裝入初值5攝氏度，溫度傳感器DS18B20初始化后，實時采集魚缸溫度，

11、單片機處理并顯示實時水溫。采用外中斷方式對溫度進行設(shè)定，返回顯示實際溫度，單片機對用戶設(shè)定值與實際水溫比較后并保持恒溫。定時供氧采用定時器加中斷的方式以五分鐘的間隔對魚缸間斷的供氧。圖7 主程序流程圖圖8為中斷服務(wù)程序，當通過按鍵進人中斷后，首先進行按鍵的判斷。如果是加鍵按下每按下一次讓初始值c的值加一并保留讓數(shù)碼管顯示，但是溫度的上限不能超過32攝氏度。如果是減鍵按下每按下一次讓c的值減一并保留讓數(shù)碼管顯示，溫度的最低溫度不能低于0攝氏度。設(shè)置好所需要的溫度后按下確定鍵進行設(shè)定溫度與實際溫度的比較控制加熱棒的工作狀態(tài)。然后退出中斷返回顯示實時溫度。圖8中斷處理程序4 系統(tǒng)的調(diào)試與測試設(shè)計在p

12、roteus中仿真，并使用keil軟件加載程序運行仿真，開啟電源后，單片機采集實時溫度并且溫度值顯示于數(shù)碼管上，同時定時器5分鐘定時向魚缸通氧，當按下溫度設(shè)置鍵（加鍵或減鍵）開始進行調(diào)溫，當用戶調(diào)試好溫度后，按下確定鍵，設(shè)置完成。單片機開始加溫（降溫），當溫度上升（下降）到用戶設(shè)置溫度值時，停止加溫（降溫）。此時單片機開始監(jiān)測溫度，當溫度低于設(shè)定值2度時，又開始加溫，這樣使水溫一直保持在恒定范圍內(nèi)。在實驗室環(huán)境下，用1升水測試，測試結(jié)果如下：設(shè)置溫度（）顯示溫度（）水銀溫度計（）定時時間測定值（秒）無設(shè)置15（空氣中）15（空氣中）30141111304101011300161616.5299

13、201921300252626.5301282728302從測試結(jié)果來看，在無設(shè)置時，置溫度探頭與空氣中顯示室溫與水銀溫度計相符，在設(shè)定值小于5攝氏度時電熱管不加熱，水溫值和水銀溫度計相符。當設(shè)定值大于5攝氏度時，開始加熱，最后恒溫時與設(shè)定范圍相符，在設(shè)定值上下浮動1攝氏度。從打開電源開始計時，定時時間與實際測得的時間誤差小于0.5%，滿足設(shè)計要求。5 結(jié)束語該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，人性化，穩(wěn)定性好，從節(jié)能考慮，經(jīng)濟實用，適用于家庭熱帶觀賞魚養(yǎng)殖的輔助使用。從測試結(jié)果來看，溫度的設(shè)定可以滿足熱帶魚類的生存需要。供氧采用定時自動供氧，避免了不必要的浪費。目前市面上的魚缸大多是加熱和供氧分立的，或者價格時

14、高昂的自動控溫設(shè)備，不便于家庭魚缸的推廣。本設(shè)計有很高的使用前景，價格低廉，使用便捷，具有很高的推廣價值。參考文獻：1 盧超分布式礦井溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 煤炭科學技術(shù).2007,12:51-542 童詩白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M 高等教育出版社.2009,073 求是科技.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航M.人民郵電出版社.2007.074李朝青.單片機原理及接口技術(shù) 北京航空航天大學出版社（第三版）.2010,055 羅劍基于80C51單片機超溫報警溫控器 湖南科技學院學報.2009,047 胡洪波基于單片機控制的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 邯鄲學院學報.2009,097 郭天祥等.新概念51單片機c語言教程M.電子工業(yè)出版社，2009.279頁378頁.附錄