曹益豪

聊城大学东昌学院机电工程系

山东 聊城 252000

摘  要：为满足热带鱼的饲养要求，设计了一种基于AT89C52单片机的小型智能温控鱼缸系统。该系统利用DS18B20传感器检测水温，并通过测量温度与设定温度的对比控制加热装置的通断。现详细介绍了鱼缸系统的各部分硬件构成以及控制部分的程序设计，仿真软件模拟的结果证明该设计能够达到预期效果。

关键词：AT89C52单片机；水温控制；DS18B20传感器；Proteus模拟

0  引言

随着科学技术的不断发展和国民生活水平的不断提高，消费者需求的差异性趋势愈发明显。传统的鱼缸由于在体积、售价、保养成本以及适用品种等方面的相对劣势，其市场份额逐渐被更小型的观赏鱼缸所占据。目前市场上的观赏鱼缸通常具有保温、过滤、制氧和投食等功能，但往往是各自独立的非智能化整体控制系统^[1]。该系统从温度控制入手，利用单片机收集处理水温传感器的检测数据，并根据具体情况决定加热器以及报警电路的开启和关闭，形成一套完整的智能鱼缸温控系统。

1  系统功能与总体结构

市场上的观赏鱼种多是热带鱼，水缸温度是其生长的关键因素之一。以月光鱼为例，其适宜的生活温度为18～25 ℃，在水温高于30 ℃或者低于10 ℃的环境中也可短期存活^[2]。因此，当传感器检测到水体温度超出10～30 ℃的温度区间时，报警系统开始工作，指示灯点亮，蜂鸣器开启。当水体温度处于正常区间时，系统默认的初始控制温度在20 ℃，另设有增温与减温的按键，方便用户以人工调节温度的方式来适应月光鱼的不同生长阶段。为满足设计功能要求，智能鱼缸应由按键模块、温度检测模块、控制模块、报警模块、加热模块以及显示模块构成，系统整体结构框图如图1所示。

2  硬件电路设计

2.1  控制模块设计

智能鱼缸采用的核心控制芯片为AT89C52单片机，该型号的单片机具有成本低廉、性能可靠和兼容性好等优点，在市场上得到了广泛应用。其内部集成8 kB的ROM空间，足够支持智能鱼缸系统的程序编写，并且提供40个引脚与外部电路相连，满足系统性能的扩展需求^[3]。本次设计中涉及到的单片机主要引脚及其功能如表1所示。

2.2  温度检测模块设计

智能鱼缸采用的温度检测传感器为DS18B20温度传感器。该型号的温度传感器采用导热性高的密封胶灌封，因而具有灵敏度高和延迟度小等优点，同时其测量温度范围较大(-55～+125 ℃)，满足系统功能需求。由于DS18B20采用了“1-wire”单线技术(即在1根I/O线上读写数据)，因此传感器与外部电路的连接较为简单(图2)，但同时也对读写的数据位提出了严格的时序要求^[4]。

2.3  加热模块设计

本次设计选择的加热器件为单U型加热管，其额定工作功率为2 kW，经测量满足鱼缸水体加热要求，同时其长度为250 mm，宽度为50 mm，尺寸符合鱼缸设计要求。由于加热器的额定工作电压为市电(220 V)，远高于单片机的驱动电压(5 V)，因此U型加热管的通断电由继电器电路控制。

2.4  按键模块设计

按键模块由3个按键构成，分别起到系统复位、升高温度和降低温度的功能。由于机械按键都会产生抖动的现象，所以需要特定设计来消除抖动带来的系统误动作^[5]。常规的消抖手段有硬件消抖和软件消抖两种，出于简化电路结构方面的考虑，本设计采用的是软件消抖的方式，即在单片机模块中加入延时程序，只有在延时的前后都检测到同一高电平才表明按键被按下。

2.5  报警模块设计

本设计采用的报警电路如图3所示，主要由三极管、蜂鸣器和指示灯组成。当温度传感器检测到温度超出10～30 ℃的区间时，单片机I/O口输出电流，在上拉电阻的作用下使三极管导通，蜂鸣器和指示灯得电示警。

2.6  显示模块设计

显示模块主要由4位共阳极数码显示管构成。当水体温度正常时，数码管的前两位分别显示鱼缸水温值的十位数值和个位数值，后两位则显示小数点之后的温度值。当示警电路接通时，若温度过高，则数码管首位显示字母“H”，若温度过低，则数码管首位显示字母“L”。

3  软件程序设计

本次设计系统除了控制主程序之外，还有报警子程序、按键子程序、继电器子程序、延时子程序和显示子程序等，程序设计流程如图4所示。

4  结语

本次设计利用Keil软件进行单片机编程，并且借助Proteus软件进行仿真模拟，其模拟结果符合预期设想。该设计结构简单，功能完整，控制方便，既节省了鱼缸的空间，又满足了用户饲养热带鱼宠物的爱好。由于采用了单片机控制，系统还有更大的扩展空间，如增加食物投放功能和水体含氧量智能控制等。

[参考文献]

[1] 孔祥洪，王伟杰，宋连伟，等.观赏鱼缸智能控制器的仿真设计[J].实验室研究与探索，2013，32(5)：12-15.

[2] 施振宁.月光鱼的生物学特性及饲养繁育[J].水产科技情报，2002，29(5)：235-236.

[3] 曹旻罡.基于AT89C52单片机的水温控制系统的设计[J].数字技术与应用，2017(7)：9-10.

[4] 李建兰，邵建龙.数字温度传感器DS18B20的关键时序研究[J].电子测试，2018(1)：114-116.

[5] 熊中刚，刘小雍，李青，等.基于单片机的饮水机水温控制系统设计[J].信息技术与信息化，2018(4)：47-48，52.

 作者简介 

曹益豪(1991—)，男，山东聊城人，助教，研究方向：机电一体化。