多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计

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1、多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计 东南大学硕士学位论文多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计姓名:葛华申请学位级别:硕士专业:机械工程指导教师:蒋全兴;钱国宝20070501中文摘要多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计工程硕士研究生:葛华指导老师:蒋全兴教授东南大学机械工程学院摘要:随着人们物质生活的改善和欣赏能力的提高,观赏鱼缸之类的工艺产品逐渐进入了家庭和宾馆、商场等公共场所。但是,目前市场上的观赏鱼缸的水温检测、液位控制、水循环、喂食等操作都需要人为的手工进行,这就给人们带来了很大的麻烦和不便。本文通过对目前大多数水族箱控制设备应用现状的分析和研究,提出了一种多功能的观赏鱼缸智能控制系统的设计方案

2、。该控制系统以单片机为控制核心,结合传感器技术,集多种控制功能于一体,包括恒温、自动照明、自动换水、自动喂食、自动水循环等,并可根据需要增加控制参数,通过选择不同元器件控制成本,同时在系统中设计一个通信模块,可实现对鱼缸的远程控制和管理。整个系统分为两个部分:第一部分是以为核心的控制部分,实现对各种控制参数的设置、存储、显示和处理。第二部分是以为核心的输入输出部分,用于采集由传感器传送过来的各种检测信号,并输出多路信号实现对鱼缸相应功能的实时控制,两部分之间以串口进行通讯。为实现多台鱼缸控制器的集中管理,提出基于总线的上下位机的通信结构,设计硬件电路原理图,并进行了程序设计。本文从功能设计、元

3、器件选择、硬件电路设计和软件设计等几个方面对该控制系统进行阐述。通过较长时间的运行测试,表明该控制系统运行稳定可靠、操作简单方便、具有多种节电工作模式。同时该系统设计灵活、结构简单、成本低廉,易于规模化生产,可广泛用于家庭和宾馆等安装观赏鱼缸的场所。关键词:鱼缸;自动控制;单片机;串口通讯;总线英文摘要:. ,:、榭. . , ,. ? . ,?, ,. 仃 .,. .,:;. . ,. , , . , ., ,. ,.;:; ; ;东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其

4、他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。第一章绪论第一章绪论.选题背景随着我国经济的发展和人民生活水平的大幅度提高,人们的消费观念变

5、化很大,消费档次与水平都在提高.人们的生活品位越来越高,环境的个性化,环保化也越来越受到人们的重视,与之相关的休闲、居家装饰等行业相应地日显蓬勃发展之势。工作生活在“钢筋水泥丛林”里的都市人承受着种种压力,心底里无不渴望寻回那身处自然的宁静与和谐,而一个生机盎然、苍翠欲滴的鱼草水族箱不但可以给人带来无比宽松舒适的美感,更能调节居室环境,使人寻回那久违的绿色、鲜活的鱼类,让大自然的美景在自己的身边长存?。“水族”行业正是在这种需求下应运而生的。“鱼缸”又称“水族箱”,“水族箱”一词起源于英国,沿用至今己超过了年。当时的定义仅仅是一个养动植物的水容器,而随着科技水平的不断进步,以及人们养殖观赏鱼和

6、种植水草的水平的不断提高,水族箱不仅被认为是一个养动植物的容器,而且被认为是自然域的一个缩影,是一相对完备的生态系统。在早期,水族箱多用于展览馆、公园等大众化的场所供大家观赏,随着生活水平的提高,科技和水族养殖业的快速发展。水族箱已成为普通家庭的室内装饰。近年来,这种以水草、金鱼为主的水族箱被称作“水中微缩的鱼草园林”,深受人们的喜爱,但由于人们缺乏养护的技艺或者是由于时间原因不能及时进行养护,往往“好景不长”,最后的结局多是“草桔鱼亡”。针对水族箱的养护问题,市场上也陆续出现了各种控制鱼缸水温、排水、充氧和照明的设备,如过滤器、加热器、加氧泵等改善水质的设备。但是由于产品繁多。功能不统一,而

7、且大多是非智能化的、单一的恒温控制、充氧或是照明的系统。如果要组成一套完整的集恒温、充氧和照明功能为一体的控制系统,往往需要购置多个设备分别安装.需要投入的费用较大.同时多个单一系统机械化的组装之后,也存在一定的资源浪费。这样不仅增加了成本,重复投资,影响美观,而且功能使用不灵活、不方便,整体性能也无法得到提升。因此,本文以家庭中鱼缸的日常养护为背景,以鱼缸中的水位、水温、溶氧量等的控制为研究对象,对日常养护过程中的综合自动化及其应用技术展开研究,这对利用高新技术改造原有的家庭水族以及传统规模化水产养殖产业的自动化发展具有较大的实际意义和研究价值。.国内外研究现状及发展趋势随着经济水平的突飞猛

8、进,装饰业的日趋兴起,人们对生活、家居品位的追求愈加重视,体现在经济形态中就是与之相关的休闲、居家装饰等行业日显蓬勃发展之势。居住、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.%,仅北京就由传统的几个小市场,发展成个大规模的市场。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

9、购公司都盯准中国这个市场,把长远的目标放在中国。随着水族箱产品迅猛发展,巨大的水族箱市场的需求也极大推动了国内外各种水族箱控制设备的研发和生产。传统的水族箱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,特别是水草的查堕查兰三堡堡主兰竺堡奎光照需求;时间长了超过水草光照需求,不仅不利于水

10、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、鱼缸自动水循环控制器、鱼缸自动喂食器、鱼缸灯光自动控制器等。由于这

11、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元.如果配齐整套控制设备,价格大概在之间;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、过滤、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。相对于目前的水族行业市场的极大需求,多功能鱼缸控制器的研发生产仍处于初步时期

12、,相应的产品也处于供不应求的阶段。因此,本课题根据目前国内外水族行业的发展状况,结合水族箱的养护需求,同时分析行业中水族箱控制设备的研发和产品的特点,进行总结,自主设计开发了价格低廉,操作简单,节能环保,集恒温控制、自动充氧、自动水位控制进捧水、自动照明和自动喂食等多功能与一体的鱼缸智能控制系统。.主要研究内容本课题拟以公司生产的单片机为核心,同时结合传感器技术,设计一套适合各类水族箱的以水位高度、水温度,水中氧气浓度、灯光和鱼饵料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

13、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:采用单片机控制设计,实现水族箱节电模式、自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、水溶解氧自动检测、自动照明、状态显示、掉电保护和数据存储、网络远程集中管理扩展等功能。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。人机操作界面采用数码、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。设计上下位机通讯端口,通过总线实现远程数据采集、显示和控制管理。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:总体设计:首先按照系统的应用场

14、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。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,从而设计出最合理的硬件电路,并用电路设计软件画出正确的电路图,然后在单片机开发装置的面包板上搭出实验电路,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。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,利用单片机语言编程。单片机与

15、机通讯。包括通讯接口电路的设计.通讯协议的确定以及通讯软件的编程。第一章绪论系统的调试与运行。在单片机开发装置上,用调试软件对程序进行调试,查错和修改.然后把调好的程序联成一个完整的系统程序,再进行联机调试,在线仿真,最后组装样机,脱机运行,通过试运行对系统进行检测,以验证系统的功能。.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、软件程序设计以及样机制作调试,整机运行测试等几大步骤逐一完成。具体的步骤分析如图.所示“。课题的提出上总体论证:项目调研,可行性分析选定系统组成方案上总体设计:系统功能分配单片机系统

16、的选型上上 硬件开发: 软件开发:元器件的配置,绘制硬件原理图 绘制软件功能框图.确定算法设计印制电路板图.电气检查 系统资源分配,编程,调试上联机调试:检查硬件.排除故障装入软件反复调试上脱机运行考核:模拟现场运行考核系统的稳定性和可靠性图.课题研究的步骤. 第二章鱼缸智能控制系统的总体设计第二章鱼缸智能控制系统的总体设计本系统的硬件采用双结构设计.由输入输出部分和控制部分组成主从机模式。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/看门狗/复位、时钟电路、数码管显示和按键处理以及各路输入和输出指示等。.概述单片微型计算机简称

17、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。,并行/,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/,/接口,用于人机对话的键盘处理接口,和接口,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

18、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,年代初起步以来,以公司的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。年代中期以来,随着性能更强,速度更快的系列的加入,单片机得到了更为迅速的推广和广泛的应用。目前,尽管位和位已为人们熟悉和了解,但在我国目前和今后一段时间内,位单片机仍是实际应用中的主导品种.系统的设计要求系统的总体设计要求如下: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,溶氧量,照明,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

19、制,本系统可预置温度上限为,同时预置了种水循环、充氧模式,照明模式和恒温控制模式等。实时显示温度,湿度,当前操作状态及当前系统时间。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,同时启动相应的执行机构动作,以完成对应环境参数的改变。能够随时设置参数的上下限,能够设置系统的日期和时间。能够将系统设置为自动和手动状态,以适应不同的需求。设计通信接口,实现上位机通过通信接口远程监测鱼缸中的各种环境参数并进行远程控制。.系统总体方案与功能.鱼缸智能控制系统的功能组成与控制参数系统功能组成东南大学工程硕士学位论文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

20、以下几个功能子系统:即自动加热/制冷恒温控制、自动/定时充氧系统、自动水位控制系统、自动水循环系统、自动照明系统、自动喂食控制系统等。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显示电路.共同集成为一套功能完善的智能控制系统“。”。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。下表显示该控制系统对各项参数的处理。表系统控制参数项目 控制参数 相应的处理措施水温根

21、据系统设定的温度范围控制加热器的启动、停止根据含氧量控制氧气泵启动、停止水溶氧量或者根据系统时间定时进行启动、停止水位 根据水位高低控制进水阀的启动、停止灯光 根据系统设定时间定时控制灯的开启与熄灭鱼饵料 根据系统设定时间定时控制投放饵料,也可手动控制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。.系统的硬件结构框图本系统以单片机为核一,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.所示。此外还设计通信接口电路,可以实现单

22、片机与计算机通讯,由远程计算机进行集中的控制管理。一一?一?一。图.系统硬件结构框图咖“鹏. 其中控制部分包括: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/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。第二章鱼缸智能控制系统的总体设计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相应数码管的显示控制,以达到良好的人机交互功能。通过数码管实时显示参数值。通过键盘设定参数上下限。通过管和蜂鸣器产生超限声光报警。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。数码显示

23、模块:显示当前工作状态用各种编号表示当前的温度、工作模式,日期时间等,以及参数设置过程中的相应控制显示。数据存储/看门狗/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: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、溶解氧浓度捡测等;该模块完成数据采集功能,主要由传感器,放大器,多路开关,/转换器等组成。传感器用来感应鱼缸环境参数的变化,并把非电量的变化转化为电信号。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/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。各子系统的控制输出模块:根据检

24、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与设定值进行比较处理,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。.主要元器件的选取.单片机的选取。?“”单片机按照其基本操作处理的位数可分为:位机、位机、位机、位机、位机等。其中位机和位机结构简单,成本很低,但指令不丰富.且编程复杂,可用于简单的校制:位机和位单片机集成度高,性能优越.但是其价格目前比较贵,从而限制了广泛的应用:

25、而位单片机小巧灵活,指令丰富,性价比极高的优势使其产品占领目前整个单片机市场的%以上份额,可以说位单片机将在今后一段时间内仍是工业检测控制的主流机型。现在世界上比较著名的单片机生产厂家有美国公司,公司,公司,札公司,公司,公司等。近年来,随着美国公司的系列单片机的推出和单片机语言的广泛应用,一单片机有了进一步的活力。系列以一为内核,兼容了一的硬件和软件,其主要优点在于:片内的程序存贮器采用闪烁存贮技术,具有电可擦除,电可编程,且编程和擦除时间短字节存贮器编程约秒,擦除时间.并可反复编程,数据不易挥发,而且加密功能也大大增强了,能有效的防止用户程序被复制。时钟频率的提高使运算速度也加快了。产品中

26、的脚封装形式的机种。使其体积更小,更具应用灵活性,可方便的应用于家电产品及小型仪器仪表。系列单片机主要产品类型和特点如下表?。表? 系列芯片 单片机型号/存贮容量 为定时器最高晶振频 封装引脚个中断源个数和类型 个数 蛊/ 数/旺叫/ /。 / 东南大学工程硕士学位论文经综合考虑,本系统决定选用美国公司生产的型单片机作为主控制器主芯片.作为输入输出控制器的主芯片。这两种机型是该公司近几年推出的机型,其市场价仅几元/片左右,性价比极高,所以一经推出就得到了广大用户的青昧,芯片介绍是一个低电压,高性能 位单片机,片内含的可反复擦写的只读程序存储器和的随机存取数据存储器,器件采用公司的高密度、非易失

27、性存储技术生产,兼容标一指令系统.片内置通用位中央处理器和存储单元,功能强大的单片机可为开发者提供许多较复杂系统控制应用场合。有个引脚,个外部双向输入/输出/端口,同时内含个外中断口,个位可编程定时计数器,个全双工串行通信,个读写口线,可以按照常规方法进行编程.也可以在线编程。其将通用的微处理器和存储器结合在一起,特别是可反复擦写的存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如图.所示.其主要功能特性?兼容指令系统可反复擦写次?个双向/口 ?内部?个位可编程定时/计数器中断 ?时钟频率?个串行中断?可编程串行通道?个外部中断源?共个中断源?个读写中断口线?级加密位?低功耗空阑和掉电模式?软件设置睡眠和

28、唤醒功能由于单片机内部片内资源丰富,有字节的闪烁存贮器,而本系统下位机程序主要用单片机语言编写,编译后生成的代码较为简短,效率较高。字节的程序空间足够使用,且多余的程序存贮空间可作为将来扩展系统所用,故选此机型可以不必在外部再扩展程序存贮器,这样可以简化系统电路,减少系统成本。. . .,. ,.们眦们吖丽. .,阿屯【. ., 巾;吖日拍伯”佰”他”鸭.岛捕:”:”:“” 即邮”即即即瓦”盯”盯”门” 巾仙仙仙”仙仙仙仙”啊。仙仙仙仙仙仙仙 仆九川”町图.引脚图图. 引脚图. 芯片介绍是一个低电压,高性能 位单片机,片内含的可反复擦写的只读程序存储器和的随机存取数据存储器,器件采用公司的高密

29、度、非易失性存储技术生产,兼容标准一指令系统,片内置通用位中央处理器和存储单元,功能强大单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。其引脚图如图.所示。是一个功能强大的单片机。但它只有个引脚,个双向输入/输出/端口,其第二章鱼缸智能控制系统的总体设计中是一个完整的位双向/口,两个外中断口,两个位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口,一个模拟比较放大器。同时的时钟频率可以为零,即具备可用软件设置的睡眠省电功能,系统的唤醒方式有、定时/计数器、串行口和外中断口,系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中,片内将被冻结,时钟停止振荡,所有功能停止工作,直至系统被硬件复位方可继续运行。主要功能特性:?兼容

30、指令系统可反复擦写次?个双向/口 ?个中断源?两个位可编程定时/计数器 ?.的宽工作电压范围?时钟频率? ?内部?两个外部中断源 ?两个串行中断?可直接驱动 ?两级加密位?低功耗睡眠功能?内置一个模拟比较放大器?可编程通道 ?软件设置睡眠和唤醒功能.键盘控制和数码显示驱动芯片的选取“”键盘控制和显示处理时与智能控制器交互过程中非常重要的两个部分,它的选择对整个智能控制系统至关重要,它的性能的好坏,直接影响了整个控制系统的操作性能的优劣。本控制系统共设计了个按键进行键盘控制,采用数码管进行显示,综合各种因素,本系统选择了控制芯片。控制芯片具有串行接口功能的可同时驱动位共阴式数码管或只独立的智能显

31、示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达键的键盘矩阵,单片即可完成显示,键盘接口的全部功能,而且还具有多种控制指令,如消隐,闪烁.左移.右移.段寻址等;此外,具有片选信号,可方便地实现多于位的显示或多于键的键盘接口。芯片描述是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片,可直接驱动位共阴式数码管或只独立,同时还可以扫描管理多达“只按键。内部含有显示译码器,可直接接受码或进制码,并同时具有种译码方式。此外,还具有多种控制指令,如消隐,闪烁,左移.右移,段寻址等。采用串行总线与微控制器接口,仅占用少数几根/口线。利用片选信号,多片丑由还可以并接在一起使用,能够方便地实现多于位的

32、显示或多于“只按键的应用。可广泛地应用于仪器仪表,工业控制器。条形显示器,控制面板等领域。芯片引脚图和功能说明芯片引脚图,如图.所示。一旦配立;之:叮 /;三 堡: .一 删%图. 引脚图 图. 引脚图. .东南大学工程硕士学位论文芯片的引脚功能如暑所示:表 引脚功能引脚序号 引脚名称 功能描述接电源电源,.悬空接地悬空/ 总线片选信号.低电平有效总线时钟输入信号,上升沿有效总线数据信号,双向,玎键盘中断请求信号,低电平下降沿有效 ,数码管嘏/键盘行信号,数码管段/键盘行信号 ,数码管字选信号/键盘列信号晶振输出信号晶振输入信号/复位信号,低电平有效.输出控制开关模块的选取“在单片机应用系统中

33、,由于输出设备往往需大电压或者电流来控制,而单片机系统输出的开关量大多为电平,这种电平一般不能直接驱动外部设备开启或关闭。另一方面,许多外部设备,如大功率电机,接触器等在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号,如果不加以隔离,可能会使微机控制系统造成误动作或损坏。因此,在接口设计处理时,一要放大,二要隔离。在传统的继电器控制中,由于采用电磁吸合方式,在开关瞬间,触点容易产火花.从而引起干扰:对于交流高压场合,触点还容易氧化,影响系统的可靠性。而固态继电器则不存在这些缺陷。固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触开关,由于它的输入控制电流小,输出无触点,所以与电磁式继电器相比,具有体积小,重量轻,无

34、机械噪音,无抖动和回跳.开关速度快,工作可靠等优点。因在微机控制系统中得到了广泛的应用,大有取代电磁继电器之势。常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系,易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响,为解决同步问题,往往又使电路较为复杂。公司生产的?器件可以很好地解决这些问题。该器件用于触发晶闸管,具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。本控制系统选用可控硅光电耦合器 一封装,次极为双向可控硅。通过简单编程控制、的电平高低来实现控制开关的状态。选用的触发晶闸管,强、弱电之间在电气上完全隔离.且可以直接可靠地触发或更大功率的晶闸管。其内部有过零触发电路,使开关在电压过零时导通或截止,这样可以减少对负载的

35、冲击和对电网的污染。的内部结构及管脚排列见图.,它采用双列直插脚封装。;超阻断电压:重复冲击电流主要性能参数:可靠触发电流 ;保持峰值;关断状态额定电压上升率/为/ 。的管脚排列如下:、脚为输入端;、为输出端;、脚悬空。第二章鱼缸智能控制系统的总体设计.语言工具的选取常用的编程语言有二种,一种是汇编语言,一种是语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强,复杂一点的程序就更是难读懂,而语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当,但可读性和可移植性却远远超过汇编语言,而且语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说,中大型的软件编写用语言的开发周期通常要小于汇

36、编语言很多。而随着单片机开发技术的不断发展,目前已有越来越多的人从普遍使用汇编语言过渡到逐渐使用高级语言进行开发,其中以语言为主,而且市场上几种常见的单片机均有其语言开发环境。综合以上语言的优点,本系统选择了语言进行开发,而且选用软件开发环境。软件是目前最流行开发系列单片机的软件,提供了包括编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起?。.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成,提出了系统的硬件结构框图:阐述了主要元器件的选取原则,并对主要芯片做了简要介绍;最后给出了软件设计

37、方法和编程语言的选择。第三章系统的硬件设计第三章系统的硬件设计本章详细介绍多功能鱼缸智能控制器的硬件结构和设计。主要包括主从机电路模块设计、数据存储/看门狗/复位电路模块设计、时钟电路模块设计、系统电源模块设计、键盘控制与显示模块设计、温度控制模块设计、输出控制电路模块设计、通讯控制模块以及电路原理图与电路板设计等。详细阐明各电路设计中芯片的选型,芯片的内部组成、性能参数和功能特点,并设计出具体的硬件电路。本系统整体电路图详见附录一,下面就各部分主要电路作介绍。.硬件总体结构硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。本章主要论述该系统的硬件电路设计。本系统在硬件电路设计时,主要从以下原则出发:

38、硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现,反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时,其响应时间比用硬件实现长.还要占用时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构,提高硬件电路的可靠性,系统升级简化等优点,还可降低成本,因此在本系统的设计过程中,在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论,系统所用芯片数量越少,系统的平均无故障时间越长,而且所用芯片数量越少,地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少,因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线

39、路,系统选用的数字温度传感器也基于这方面的考虑。本系统大都采用了功能先进的器件,因此从组件数、电路板空间、功耗、抗干扰及系统成本上都得以大幅度改善。灵活的功能升级及系统扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面,系统需要不断完善,需要进行功能升级:并且,在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。功能扩展时系统应在原设计不需做很大变动的情况下,修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指针。例如,本系统总共可以控制路输出.目前主要的控制部分只占用了路,如果将来需要增加多路控制时,系统的硬件扩展非常方便,且只需对软件稍做修改就可完成。根据系统要求及上

40、面几个硬件设计原则,确定系统硬件原理图如附录一所示“”。系统以单片微棚为中央处理单元,由感温元件、水位传感器、数码管显示、声光报警,信号输出等单元电路组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。.主从机电路设计“为了方便控制鱼缸,系统设计时考虑到主控制部分与输入输出控制部分功能板分别放置在鱼缸的不同位置,也为了进一步提高控制的稳定性,分别设计了主控制器即主机和输入输出控制器即从机两部分电路,这两部分电路中分别使用了两块单片机作为主芯片,同时通过串口连接方式进行通信。在本系统的主控制器硬件电路中,选用了作为主控芯片,实现中心控制、人机交互按键控制模块、时钟控制电路模块、数码显示模块、数据存储/看门狗/

41、复位模块:在输入输出控制器中选用作为输入输出控制芯片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。双接口电路结构图,如图.所示。东南大学工程硕士学位论文图.主从机接口电路结构图. .主机电路模块设计主机以为核心构成了主控制器的硬件电路,如图.所示。图.主控制器硬件电路图&. 本硬件电路构成第三章系统的硬件设计实时时钟电路:由的、脚与的.连接组成;上电复位/掉电保护/数据存储/硬件看门狗电路:由的,、脚与的.连接组成;与各路指示灯的接口电路:由主的.与路输出指示灯连接组成;与键盘和显示控制芯片的接口电路:由主的.与控制芯片的脚连接组成;温度检测电路:由的端与.连接组成。.从机电路模块设计

42、从机电路模块实际包含两个部分:一为电源部分,为两部分控制电路提供电源:二为以为核心构成的输入输出控制部分,即从机电路.如图.所示:从机电路通过的.、.与主机电路的.,.连接,实现串口通信。巧 弭时. . 一一竺制器电路图. /本系统利用芯片内部的振荡电路,在和两端跨接晶体振荡器和两个电容、就构成了一个稳定的自激振荡器,电容值取,晶振频率.。.主从机的串口通讯接口电路们肌圈.串口通讯接口电路 .东南大学工程硕士学位论文因为主从机之间的距离比较短.因此直接将主从机的通信端连接即可。的数据发送端、数据接收端引脚分别连接的、引脚,同时的端为的端提供的电压。在的稳压电路中使用了一个三端集成稳压器,为主控

43、制器提供的工作电压。.各模块硬件设计.数据存储/看门狗/复位电路本系统采用集成芯片结合外部电路完成系统数据存储、系统看门狗、掉电保护以及上电复位的功能。功能介绍:为增强系统的可靠性和安全性,本系统采用为记忆存储元件,系统参数、温度、控制信息等所有信息都不会因为电源失去而变动。是美国公司低功耗内含可编程的串行位的产品备用电流,工作电流,它把看门狗定时器、监控电路和三种常用功能组合在单个封装内,增大了电路密度,减少了体积。提高了系统的可靠性。芯片介绍”引脚,如图.所示。的引脚如图所示.共由个引脚。为串行数据输出引脚。在读周期内,数据在上由串行时钟的下降沿同步移出。为串行数据输入引脚。指令码、字节地

44、址和写入的数据在上输入,并由的上升沿锁存到。为串行时钟输入引脚。控制串行数据图. 引脚图包括指令码、字节地址的输入输出。./为芯片选择输入引脚。当/为“”时,输出引脚处于高阻状态即不选中;/为“”选中。应当注意,在对的读写操作之前需要/从“”至“”的跳变,在读写期间保持/为“”,读写结束置/为“”。另外,/的下降沿可复位看门狗定时器,即输出低电平。/为写保护输入引脚。当/为“”时,禁止写操作,但其它功能正常;当/为“”时,所有的功能含写操作都正常。为复位信号输出引脚漏极开路的输出端。当检测电路检测到降到晟小工作电压以下时,变为高电平,直到返回到正常值为止。因此,若把接到单片机的复位端,则可把单

45、片机系统复位,从而使系统免受低电压的影响。如果允许看门狗定时器工作,当/保持。”或“”的时间长于看门狗超时周期时,也变为高电平,同样能使系统复位,这为单片机提供了独立的保护系统。当单片机因受干扰信号而不能执行工作程序含复位看门狗程序时,/将保持不变,就会变高电平从而把单片机系统复位,待干扰消失后系统重新开始工作。寄存器包含一个写使能锁存器,在对状态寄存器、写操作之前必须用指令设置写使能锁存器,否则不允许写操作.指令能复位写使能锁存器。另外.若/变为“”,写使能锁存器也被复位.一旦写使能锁存器被复位,就禁止写操作。这些都是保护内数据的措施。还包含一个位状态寄存器。位为只读位,称为位,它表示芯片是

46、否忙于写操作,若为“”。表示写操作正在进行。位为只读位,称为位,它表示写使能锁存器的状态,若该第三章系统的硬件设计位为“”,则说明写使能锁存器被置位,否则说明写使能锁存器被复位。位、位为可写位,称为块保护程。.表示被保护的地址范围。当位位为时,表示无块保护可读可写:当位位为“”时。表示被保护的范围为.可读不可写:当位位为“”时,表示被保护的范围为?:当位位为。”时,表示被保护的范围为.。这是对内的数据采取的另一个保护方法。位、位为可写位,称为看门狗定时器位 ,用于设置看门狗的超时周期。当位位为“”时.禁止看门狗工作:当位位分别为。”,”,”时,看门狗超时周期分别为.,。指令介绍对的操作是通过执

47、行条指令表.实现的。指令码通过引脚送的位指令寄存器,指令码由的上升沿锁存到指令寄存器,此时必须为“”且为“”。指令码、地址、数据都以最高位在前的方式传送,读写指令的位包含了高地址位。表. 的指令表?指令名 指令码 指令功能设置写使能锁存器写允许、 复位写使能锁存器写禁止读状态寄存器写状态寄存器设置看门狗,块保护从开始于所选地址的存储器中读出数据口、加把数据写入开始于所选地址的存储器硬件接口电路本系统中芯片用于存储系统时钟、运行状态、系统温度等致据信息。与单片机的接口电路如图.所示。单片机的.与的端相连,用于片选;.与的串行输出引脚相连,用于读出数据:.与串行时钟输入脚相连,作为串行数据输入和输

48、出的时钟信号;.与的串行输入脚相连,用于输出操作码、字节地址以及写入数据。由于的复位输出信号为高电平有效,因此和复位方式一致,可将图.与单片机的接口电路它的复位端直接和单片机的同名引脚相连。.的.为漏极开路的输出端,应接上拉电阻。.时钟电路设计本系统采用芯片完成系统绝对时钟和相对时钟电路的设计。芯片介绍“是公司推出的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和字节静态,通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整,时钟操作可通过/指示决定采用或小时格式。与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个

49、口线:/数据线, 串行时钟。时钟的读/写数据以一个字复位,节或多达个字节的字符组方式通信。作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于。东南大学工程硕士学位论文管脚描述?.晶振管脚一地凡一复位脚一数据输输出引脚一串行时钟, 一电源供电管脚时钟电路时间显示系统设计该时钟电路,主要用于鱼缸智能控制系统主机的时钟显示,时钟晶振采用.提供 图.时钟电路图.的备用电池,一旦外部电源中断,系统由该备.用电池保证时钟正常运行。时钟电路图如图.所示。相对时钟作为控制鱼缸各种操作的相对时钟,用来实现加热/冷却操作的时间控制,换气的时间控制。时间处理闹钟,定时,备忘录同时,也可作为系统扩展其他功能时使用,如闹钟提醒,

50、事件定时,信息备忘,并为事件查询提供时钟.系统电源模块设计系统电源电路由保险丝、电源噪声滤波器、模块、滤波电容、电源指示灯组成。其中电源噪声滤波器由扼流电感,串模滤波电容与、共模滤波电容与构成,可以去除外界电网与单片机硬件系统的相互干扰。电路中、选择,;、选择/。输出的两路系统稳压电源和。具体电路原理图如图.所示咖。图.系统电源模块电路图.本系统使用了交流电源滤波器,图中为共模扼流圈,具有抑制低频共模噪声的作用;电容和具有抑制低频常模噪声的作用:旁路电容、具有抑制高频共模和常模噪声的作用。这种滤波器不仅能阻止来自电网的噪声干扰进入电源.而且能阻止电源本身的噪声返回到电网。为系统硬件中各芯片提供

51、电源滤波。具体电路原理图如图.所示。第三章系统的硬件设计图.电源滤波电路图.键盘控制与显示模块设计该电路中采用了芯片,用于键盘控制和数码显示控制。具体电路设计该键盘控制与显示电路包含了复位电路、晶振电路、位显示电路和按键控制电路四大部分。很好的实现了各功能参数的设置。具体电路设计如图.所示。鞴酬 聿荆日日日臼尸 日目日日尸 一产嘲?。?一/? /。? ? 。图.键盘控制与显示电路设计图.为了使电源更加稳定,一般要在之间接入的电解电容。脚是与微控制器的接口。晶振取本系统选择.,调节电容和通常取值在左右。复位信号是低电平有效,一般只需外接简单的复位电路,也可以通过直接拉低引脚的方法进行复位。数码管

52、必须是共阴式的,不能直接使用共阳式。和是位联体式数码管,共同组成完整的位当然还可以采用其它的组合方式,如只双联体式数码管。数码管在工作时要消耗较大的电流,、是限流电阻,典型值是 。如果要增大数码管的亮度,可以适当减小电阻值.最低。为了使键盘扫描得以正常进行,下拉电阻、,、和位选电阻、是必须的。它们之间还要遵从一定的比例关系.比值在:到:之间,典型值是:。下拉电阻取值范围在,位选电阻取值范围在。在多数应用当中可能用不到太多的按键.建议按列裁减键盘,则相应列的位选电阻可以省略本电路中采用了两个位选电阻。但是下拉电阻一个都不能省去,除非完全不使用键盘.东南大学工程硕士学位论文串行接口信号翟与微控制器

53、的接口采用线制串行总线,由、和这根信号线组成。和是输入信号,由微控制器提供。信号是双向的,必须接到微控制器上具有双向功能的/上。信号线的具体意义请参见表。操作总线的时序图请参见图.、图.和图.。其中图.是读按键值的时序图,只有当引脚出现下跳沿时才允许去读取按键值,否则将得不到有意义的数据。表?串行接口信号信号名称 引脚序号描述/ 总线片选输入信号,低电平有效总线时钟输入信号,上升沿有效总线数据信号,双向蕾”?量匕豆匕量亘口亟口匣口叵口匝.图.纯指令时序图单字节命令瑶, 唾卵 肥以?互亡?匕虽重匕?匕量匕?图.带数据指令时序图命令字在前,输入数据在后. 订 妇,图,读指令时穿圈命令字在前,键值在

54、后姐. 册.温度控制模块芯片介绍“”是公司生产的一线唣 .式数字温度传感器,具有引脚位弋小体积封装形式:温度测量范围为一搿一一,可编程为位位/境上转换精度,测温分辨率可达.,口被测温度用符号扩展的位数字量方、医.矗融瘫广式串行输出:其工作电源既可在远端引入。也可采用寄生电源方式产生:多个,。.,.。嚣点燃:嚣髫气,略,蚴。,第三章系统的硬件设计可以并联到根或根线上,只需一根端口线就能与诸多通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。内部结构如图.所示.主要由部分组成:位、温度传感器、非挥发的温度报警触发器和、配置寄存器。的管脚排列是:为数字信号输入/输出端;为电源地:为外接供电电

55、源输入。中的位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该的地址序列码,每个的位序列号均不相同。位的的循环冗余校验码。的作用是使每一个都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个的目的。温度检测电路“芯片的引脚与单片自连接。使用外部电源供电,为保证在有效的时钟周期内。提供足够的电流.需要接.上拉电阻。电路图如图.所示。图.温度检测电路图.输出控制开关电路设计在鱼缸生态环境检测中,被测参数经采样处理之后,还需要计算并输出控制相应的控制设备,达到自动控制的目的。输出控制分两种:模拟量控制和开关量控制。模拟量控制通常是自/转换器输出开控制;开关量控制是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目

56、的”。本系统采用开关量控制,控制开关电路图如图.。图.光电耦合器组成的控制开关电路图 .在开关量控制中,最常用的器件是光电隔离器。光电隔离器的种类繁多,常用的有发光二极管/光敏三极管、发光二极管/光敏复合晶体管、发光二极管/光敏电阻,以及发光二极管/光触发可控硅等。本电路使用了光耦合器。当的脚置低电平时,光电耦合器内发光管发光,光敏晶闸管导通,并触发双向可控硅导通,即该控制开关处于工作状态。.输入和输出指示电路设计该硬件电路设计图,如图.所示。包含路输出和路输入的信号灯指示,其中.为路输出指示灯接口,.为路输入指示灯接口。每路指示灯串联一个的电阻,并外接到电源,为提供的工作电流。东南大学工程硕士学位论文 .舢? 四 “且 . 曼胛:,。 而婶射铋 铋 丽间铋珏 武司铋铋一 一图.输入输出指示电路图喀.州.单片机与通信电路设计.上下位机通信原理以上所介绍的鱼缸控制器的设计主要是针对家庭中单台鱼缸所作的自动化控制。随着水族产品的日益推广和普及,在一些公共的场所,如宾馆、饭店、展厅等提供水族养殖的地方,也经常见到观赏鱼缸等水族设备。如果