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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
