河北工程大学毕业设计说明书
工作环境的生动化、温馨化也越来越和人的精神、情操、新的生活观念紧密地联系在一起。休闲水族行业也正是在人类的这种需求下应运而生，并且近年来其快速发展之状况使其已经成为一股新兴的经济力量受到经济界及业内人士的关注，据最新资料显示：水族产品的日渐丰富，水族市场更加繁荣昌盛，水族行业产业规模的年增长率达到13.8%，仅北京就由传统的几个小市场，发展成8个大规模的市场。其市场空间的拓展速度也昭示着将有更多的投资机会点在这种新的经济形势下诞生。如今是国际水族产品看中国，许多国外大的采购公司都盯准中国这个市场，把长远的目标放在中国[2]。随着鱼缸产业迅猛发展，巨大的鱼缸市场的需求也极大推动了国内外各种鱼缸控制设备的研发和生产。
传统的鱼缸需经常换水和补充氧气，常配备两种设备：水泵和空气泵，用以清洁水体和补充氧气。但这些设备的工作时间会因季节、温度及饲养鱼的多少而不同。每天需要进行多次开停操作，这样的连续工作，会缩短设备的寿命，更不利于节能。
在观赏鱼饲养过程中的实践表明：市场上现有的鱼缸控制系统都是功能较简单的设备。
如灯光照明控制，只能人为的进行开关控制，光照时间短了就不能很好的满足鱼缸中鱼类，特别是水草的光照需求；时间长了超过水草光照需求，不仅不利于水草生长，而且还造成电力资源的浪费。如温度的控制，采用加热棒进行加热控制，由于加热棒本身采用双金属片温控以及手工控制加热棒的启停，造成温控精度较差，很难达到恒温效果。鱼缸的充氧，由于水溶解氧的特性决定，当水中溶解的氧气达到一定程度，或者鱼缸内鱼的密度不是太大，即使是在夏天也不必要一直充氧，可以采用间隔充氧和换水，否则再进行充氧都是多余的，也必然是浪费大量的电力资源。
因此，一些电路简单，能可靠工作和“自动间歇”的控制器也随之产生。扩展到鱼缸内其他参数的控制，市场上陆续出现了与鱼缸相关的控制设备。如鱼缸间歇充氧定时器、鱼缸自动恒温器、鱼缸灯光自动控制器等。由于这些设备的均各自独立工作，独立控制相应的环境参数，所以一个鱼缸中需配置几个独立的控制设备；而这些独立控制设备的价格一般都在100~200元，如果配齐整套控制设备，价格大概在1000~1500之间；因此，多功能型的鱼缸控制器的开发也受到了很多厂商的关注，陆续出现了多种为水族行业优化制作的多功能控制器，这些仪器集温度、灯光、充氧、报警等控制功能于一体。功能设计上追求性能稳定可靠安装、调试、维护方便。此外，这些控制器不仅可以广泛应用于家庭观赏鱼缸的养护管理；而且也适用于水族养殖业，尤其是宾馆、饭店、展厅、居家等对水系要求较高的观赏和经济水生物的养护。
1.3主要研究内容
本课题拟议ATMEL公司生产的AT89C52单片机为核心，同时结合传感器技术，设计
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一套适合各类水族箱的水位高度、水温度和水中氧气浓度为主要控制对象的水族箱智能控制系统。
本课题的主要任务是研制一套单片机系统，并使这套单片机系统可实现对水族产品进行智能控制和管理。整套系统能够完成鱼缸水质及环境参数的自动测量和智能控制。 本课题研究设计的控制系统主要特点是：
1．采用单片机控制设计，实现水族箱自动充氧、自动换水、冷热自动恒温、状态显示。大大提高智能化控制的能力，不仅降低了资源耗费，同时也降低了人力的付出。
2．人机操作界面采用数码、LED指示显示；操作设置实现多级菜单显示的方法。操作简单、方便，极具人性化特点。
3．产品整体设计具有技术的通用性，贴近实际的应用，易于推广和大规模生产。 根据系统要求和拟完成的功能特点，本课题研究的主要内容有：
1．总体设计：首先按照系统的应用场合，工作环境，控制对象等确定合理的设计方案，权衡利弊，仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能，形成系统的研究模型。
2．硬件设计：由于现在市场上各种芯片种类繁多，而且不断在推陈出新，因此必须按照系统要求，根据“性价比最高”原则，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，进而设计出最合理的硬件电路，通过实验随时对电路图进行修改，最终调试无误后，再制成印制电路板。
3．软件设计：利用模块化的程序设计方法，把系统应用程序按照整体功能划分为若干相对独立的程序模块，绘出程序流程图，各个模块单独进行设计，利用单片机C语言编程。
1.4课题研究的步骤
在设计开发过程中，严格遵循科学的研究方法，从课题的选择、系统功能规划、电路原理图设计、电路板设计、软件控制流程设计、软件程序设计等几大步骤逐一完成。具体的步骤分析如下所示。 课题的分析
1．总体论证：项目调研，可行性分析选定系统组成方案 2．总体设计：系统功能分配单片机系统的选型
3．硬件开发：元器件的配置，绘制硬件原理图设计印制电路板图，电气检查 4．软件开发：绘制软件功能框图，确定算法系统资源分配，编程，调试
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2 系统的总体设计
本系统的硬件由输入输出部分和控制部分组成。输入输出部分主要完成数据的采集、输入和输出控制、串口通信等；控制部分主要完成系统参数和控制参数的设定、数据存储/复位、时钟电路、LED显示和按键处理以及各路输入和输出指示等。
2.1概述
单片微型计算机简称单片机，又称微控制器或嵌入式控制器。它将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU，ROM，RAM，并行I/O口，定时计数器，中断控制，时钟系统及总线等。它是工业控制和智能化控制系统中应用最多的一种模式。这种模式的最大特点是设计者可根据自己的实际需要开发，设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，成本更低。其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于模拟/数字转换的A/D，D/A接口，用于人机对话的键盘处理接口，LED和LCD接口，用于输出控制的电机接口等。然后再开发一些应用软件就可组成完整的单片机系统。
单片机有着体积小，功耗低，功能强，性能价格比高，易于推广应用等显著特点，在自动化装置，智能化仪器仪表，过程控制和家用电器等许多领域获得了广泛的应用。
从国内开发应用单片机的情况来看，自80年代初起步以来，以INTEL公司的MCS-48系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，取得了一定的应用成果。80年代中期以来，随着性能更强，速度更快的MCS-51系列的加入，单片机得到了更为迅速的推广和广泛的应用。目前，尽管16位和32位已为人们熟悉和了解，但在我国目前和今后一段时间内，8位单片机仍是实际应用中的主导品种。
2.2系统的设计要求
系统的总体设计要求如下：
1．鱼缸环境参数检测范围：由于鱼缸里各种鱼类和水草生长需要相对稳定的环境参数，这些环境参数包括：水位，含氧量，水温等。为了尽可能的保证环境参数在稳定的范围内波动，使鱼缸内的各种环境参数可以及时调整控制，本系统可预置温度上限为35°C，同时预置了水循环、充氧模式和恒温控制模式等。
2．实时显示温度，当前操作状态及当前系统时间。
3．当鱼缸里环境参数超过所设定的上下限时，能够发出声光报警信号，同时启动相
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应的执行机构动作，以完成对应环境参数的改变。
4．能够随时设置参数的上下限，能够设置系统的日期和时间。 5．能够将系统设置为自动和手动状态，以适应不同的需求。
2.3 系统总体方案功能
2.3.1 系统的功能组成与控制参数
1. 系统功能组成
该系统的开发是在充分了解并分析目前各类鱼缸控制器的前提下进行的，整个系统共分为以下几个功能子系统：即自动加热、自动/定时充氧系统、水位控制系统、自动水循环系统、自动照明系统。这些子系统都有各自的信号检测输入以及控制输出功能，并结合系统的时钟电路、数据存储电路/看门狗/复位电路以及各子系统的功能参数的设置与LCD显示电路，共同集成为一套功能完善的智能控制系统。
2. 系统控制参数
该系统的控制对象为鱼缸，控制的目的是能使系统自动调节，以提供水族最适宜的水质及生活环境。设计时需要注意的水质及环境参数有：水的温度，水的溶氧量，水位的高低，环境灯光，鱼的饵料等参数。下表2-1显示该控制系统对各项参数的处理。
表2-1 系统控制参数 项目 1 2 3 控制参数 水温 水位 水溶氧量 相应的处理措施 根据系统设定的温度范围控制加热器的启动、停止 根据水位高低控制进出水阀门的启动、停止 根据系统时间定时进行启动、停止 依据同一设计原理和方法，针对其他的环境要求，还可以进行不同环境参数的控制，以达到统一的设计，提高扩展能力。
2.3.2 系统的硬件结构框图
本系统以单片机为核心CPU，组成一个可以放置在鱼缸外独立运行，实现各路水质及环境检测信号的输入及各路控制信号的输出，从总体上讲，该系统硬件设计共包括两大部分：控制部分和输入输出部分，如图2-1所示。
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键盘设定数据采集电源电路时钟图2-1 系统硬件结构图
数码显示ＡＴ８９C５２单片机越限报警控制电路 其中控制部分包括：
1．中心控制模块。主要以单片机为核心，包括晶振，复位电路，扩展存贮器等。该模块的主要功能是将A/D转换器送来的数字信号进行运算处理，从而发出各种控制信号。
2．人机交互按键控制模块：实现系统各项功能的按键设置以及设置过程中的LED显示控制，以达到良好的人机交互功能。1）通过LED数码管显示参数值。2）通过键盘设定参数上下限。3）通过LED数码管和蜂鸣器产生超限声光报警。
3．时钟控制电路模块：实现系统绝对时钟和相对时钟的同步控制，是定时进行环境参数检测和各项控制器件启、停操作的关键。
4．数码显示模块：显示当前工作状态（用各种编号表示当前的温度、日期时间等），以及参数设置过程中的相应控制显示。
5．数据存储/复位模块：实现关键参数的存储，系统工作过程的监测以及异常情况的复位重启。
其中输入输出部分包括：
1．各路检测信号的输入模块：实现水族箱中各种检测传感器的信号输入，如温度检测、水位高低检测；该模块完成数据采集功能，主要由传感器，放大器，多路开关，A/D转换器等组成。传感器用来感应鱼缸环境参数的变化，并把非电量的变化为电信号。多路开关的作用是分时的选通某一路信号，将模拟电信号传输给A/D转换器，从而将模拟信号转化为单片机可以识别的数字信号。
2．各子系统的控制输出模块：根据检测到的各路信号分别控制相应的子系统进行工作，且各子系统的工作互不干扰，同时带相应的输出指示灯显示。该模块主要由光电隔离和各参数相应的执行机构组成。单片机通过将采集值进行比较处理，发出控制信号，传输给执行机构，从而对环境参数进行调节。其中执行机构是由双向可控硅进行控制，输出光电隔离与驱动部分完成弱电信号到强电信号的隔离与放大。
2.4 本章小结
本章论述了多功能鱼缸智能控制系统的总体设计要求，介绍了系统总体方案和功能组
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