鱼缸自动换水系统研究_李学勤
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作者简介
李学勤（198Biblioteka Baidu-），男，山西吕梁人，2009 年毕 业于大连大学，现就职于临汾电校科信部。
董晶晶（1986-），女，河北人，现就学于大连 理工大学信息学院研究生部。 参考文献
[1]李建新、李跃新，ADC 0832 构成单片机 串行 AD 电路，湖北大学成人教育学院学报， 2006 年 6 月。
系统软件设计
系统的软件由主程序模块、功能实现 模块组成。
主程序模块。 在主程序中首先初始化 8255、定时器 T0，开中断，然后循环读 0832 并送显示、读 键盘查询是否有键按下。 功能实现模块。 功能实现模块主要由 A/D 转换子程 序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显 示子程序等部分组成。
系统可实现的功能
[2]张毅刚，MCS- 51 单片机应用设计.哈尔滨 工业大学出版社，2003 年 5 月，142- 169。
[3]卢艳军，单片机基本原理及应用系统，机 械工业出版社，2005 年 2 月。
企业家天地 2010 年 10 月 59
手动控制换水时间。 先按键盘上的功能键“设置”键，可以 通过显示器获知此时系统的定时换水时 间，然后通过键盘上的数字键输入定时时 间，最后按功能键“定时”完成设置。 手动恢复系统默认换水时间。 控制键盘上的功能键“自动”，观察电 路板上的红色发光二极管，如果观察到短 暂的发光，“自动”设置生效，便可恢复系统 默认的定时换水时间。 实时显示。 除了手动设置定时换水这一环节外， 显示器总在实时显示鱼缸的水位和温度， 数码管的最左边一位为标志位，“H”代表此 时显示为鱼缸的水位，“C‘代表此时显示为 鱼缸的温度，键盘上的功能键”换屏“可实 现二者的切换。 越限报警。 当系统出现故障，使得水位高于设定 值 1.47 米时，便会蜂鸣报警。 人为排水。 控制键盘上的功能键”排水“、”停止“， 可以对鱼缸的水位进行控制。此功能用在 两种情况下，①系统出现故障时，水位高于 安全限，可能会溢出，污染墙壁；②用户想 排掉鱼缸内更多的水，进行彻底的换水。 系统复位。 控制电路板上的复位键，即可进入系 统的正常初始化。当程序运行出错或操作 错误使系统处于死锁状态时，为摆脱死锁 状态，也可按复位键使 RST 引脚为高电平 使 MCS- 51 重新启动。
技术 Technology
鱼缸自动换水系统研究
□李学勤 董晶晶
内容摘要 本系统以 AT89C51 单片机系统为控制中心，采用其内部定时／计数器 定时给鱼缸换水，用串行输入输出 8 位逐次逼近模数转换器 0832 将鱼缸温度和水位的 电压信号转换为数字信号，实时显示，并通过键盘上的功能键和数字键手动控制此系统。
近年来随着人们生活水平的日益提 高，对家居休闲产品的多元化需求越来越 高，壁挂式鱼缸就是其中之一。由于鱼缸处 于墙壁上，换水就成了一个大问题，既不能 污染墙面，还要排除鱼缸底层的粪便并及 时补给清水。为此我们进行壁挂式鱼缸自 动给排水控制系统的研究。
由于要受到居室面积、价格成本、用户 知识水平等各种因素的限制，我们开发的 壁挂式鱼缸自动给排水控制系统必须具有 体积小、成本低廉、控制方便、易于应用的 优点，才能倍受推崇。
硬件电路设计
硬件电路主要由模拟和数字两大部分组 成。从功能模块上来分有：主机电路、数据采 集电路、键盘显示电路、控制执行电路以及掉 电保护电路。硬件结构框图如图 1 所示。
A/D 转换器 复位电路 时钟电路
单片机 89C51
8255
报警 控制
显示 键盘
图1 主机电路的设计。 主机选用 Intel 公司的 MCS- 51 系列单 片机 AT89C51 来实现，利用单片机软件编 程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善 各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的 89C51 芯片时钟频率为 6MHz, 能够准确的 定时，控制功能完善。其内部具有 128RAM，而且内部含有 4KB 的 EPROM， 不需要外扩展存储器，可使系统整体结构 更为简单、适用。 I／O 通道硬件电路的设计。 就本系统来说，需要实时将鱼缸水温和 水位的电压信号转换为数字信号，送入单片 机中的特定单元，然后一部分送显示；另一 部分与设定值进行比较，通过蜂鸣器越限报 警，将来系统继续外扩时，也可以通过 PID 算法得到控制量并经由单片机输出去控制 电磁阀排水或给水、电炉加热或风扇降温。 还需要实时监测键盘，实现其各种功能。 模数转换器（A/D）的选择： 本系统采用美国半导体公司生产的 ADC 0831／2／4／8 系列产品 ADC0832， 它是带有串行输入输出 8 位逐次逼近模数 转换器。采用在外部时钟控制下边转换边 输出。输入输出与 TTL 和 CMOS 兼容。时
定时换水。 利用单片机内部的定时器，设计每两 分钟换一次水。换水的过程为：先排去鱼缸 内的一部分水，此系统设计为 1 米以上的 水全部排掉，然后给水，到 1.44 米左右停 止。排水的过程中黄色的发光二极管点亮， 接近排完时，二极管闪烁，排水过程结束，
黄色发光二极管灭。给水的过程中绿色的 发光二极管点亮，给水过程结束，绿色发光 二极管灭，蜂鸣器报警。
钟频率为 250KHZ 时, 转换时间为 32us。 控制电路。 由于此系统的核心任务是鱼缸自动给
排水，所以此单片机系统免不了要对电磁 阀、加热棒、风扇等电气设备进行控制。
报警电路。 此鱼缸自动给排水系统中，当水位高 于设定值 1.47 米时，或换水完毕时，就会发 出提醒人们警觉的蜂鸣音报警信号。蜂鸣 音报警接口电路设计购买了市售的压电式 蜂鸣器，然后通过 MCS- 51 的 P3.0 口线经 驱动器驱动蜂鸣器发声。由于压电式蜂鸣 器约需 10mA 的驱动电流，所以我们使用 了 TTL 系列集成电路 7406。 时钟电路。 MCS- 51 单片机各功能部件的运行都 是以时钟控制信号为其准，有条不紊地一 拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单 片机的速度，时钟电路的质量也直接影响 单片机系统的稳定性。此系统采用内部时 钟方式。晶振的振荡频率为 6MHz。 复位电路。 复位是单片机的初始化操作，只需给 MCS- 51 的复位引脚 RST 加上大于 2 个机 器周期的高电平就可使单片机复位。此系 统采用按键电平复位电路，其是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。由于 此 系 统 时 钟 频 率 选 用 6MHz， 所 以 C 取 22F，电阻分别取 200、1k。
李学勤（198Biblioteka Baidu-），男，山西吕梁人，2009 年毕 业于大连大学，现就职于临汾电校科信部。
董晶晶（1986-），女，河北人，现就学于大连 理工大学信息学院研究生部。 参考文献
[1]李建新、李跃新，ADC 0832 构成单片机 串行 AD 电路，湖北大学成人教育学院学报， 2006 年 6 月。
系统软件设计
系统的软件由主程序模块、功能实现 模块组成。
主程序模块。 在主程序中首先初始化 8255、定时器 T0，开中断，然后循环读 0832 并送显示、读 键盘查询是否有键按下。 功能实现模块。 功能实现模块主要由 A/D 转换子程 序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显 示子程序等部分组成。
系统可实现的功能
[2]张毅刚，MCS- 51 单片机应用设计.哈尔滨 工业大学出版社，2003 年 5 月，142- 169。
[3]卢艳军，单片机基本原理及应用系统，机 械工业出版社，2005 年 2 月。
企业家天地 2010 年 10 月 59
手动控制换水时间。 先按键盘上的功能键“设置”键，可以 通过显示器获知此时系统的定时换水时 间，然后通过键盘上的数字键输入定时时 间，最后按功能键“定时”完成设置。 手动恢复系统默认换水时间。 控制键盘上的功能键“自动”，观察电 路板上的红色发光二极管，如果观察到短 暂的发光，“自动”设置生效，便可恢复系统 默认的定时换水时间。 实时显示。 除了手动设置定时换水这一环节外， 显示器总在实时显示鱼缸的水位和温度， 数码管的最左边一位为标志位，“H”代表此 时显示为鱼缸的水位，“C‘代表此时显示为 鱼缸的温度，键盘上的功能键”换屏“可实 现二者的切换。 越限报警。 当系统出现故障，使得水位高于设定 值 1.47 米时，便会蜂鸣报警。 人为排水。 控制键盘上的功能键”排水“、”停止“， 可以对鱼缸的水位进行控制。此功能用在 两种情况下，①系统出现故障时，水位高于 安全限，可能会溢出，污染墙壁；②用户想 排掉鱼缸内更多的水，进行彻底的换水。 系统复位。 控制电路板上的复位键，即可进入系 统的正常初始化。当程序运行出错或操作 错误使系统处于死锁状态时，为摆脱死锁 状态，也可按复位键使 RST 引脚为高电平 使 MCS- 51 重新启动。
技术 Technology
鱼缸自动换水系统研究
□李学勤 董晶晶
内容摘要 本系统以 AT89C51 单片机系统为控制中心，采用其内部定时／计数器 定时给鱼缸换水，用串行输入输出 8 位逐次逼近模数转换器 0832 将鱼缸温度和水位的 电压信号转换为数字信号，实时显示，并通过键盘上的功能键和数字键手动控制此系统。
近年来随着人们生活水平的日益提 高，对家居休闲产品的多元化需求越来越 高，壁挂式鱼缸就是其中之一。由于鱼缸处 于墙壁上，换水就成了一个大问题，既不能 污染墙面，还要排除鱼缸底层的粪便并及 时补给清水。为此我们进行壁挂式鱼缸自 动给排水控制系统的研究。
由于要受到居室面积、价格成本、用户 知识水平等各种因素的限制，我们开发的 壁挂式鱼缸自动给排水控制系统必须具有 体积小、成本低廉、控制方便、易于应用的 优点，才能倍受推崇。
硬件电路设计
硬件电路主要由模拟和数字两大部分组 成。从功能模块上来分有：主机电路、数据采 集电路、键盘显示电路、控制执行电路以及掉 电保护电路。硬件结构框图如图 1 所示。
A/D 转换器 复位电路 时钟电路
单片机 89C51
8255
报警 控制
显示 键盘
图1 主机电路的设计。 主机选用 Intel 公司的 MCS- 51 系列单 片机 AT89C51 来实现，利用单片机软件编 程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善 各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的 89C51 芯片时钟频率为 6MHz, 能够准确的 定时，控制功能完善。其内部具有 128RAM，而且内部含有 4KB 的 EPROM， 不需要外扩展存储器，可使系统整体结构 更为简单、适用。 I／O 通道硬件电路的设计。 就本系统来说，需要实时将鱼缸水温和 水位的电压信号转换为数字信号，送入单片 机中的特定单元，然后一部分送显示；另一 部分与设定值进行比较，通过蜂鸣器越限报 警，将来系统继续外扩时，也可以通过 PID 算法得到控制量并经由单片机输出去控制 电磁阀排水或给水、电炉加热或风扇降温。 还需要实时监测键盘，实现其各种功能。 模数转换器（A/D）的选择： 本系统采用美国半导体公司生产的 ADC 0831／2／4／8 系列产品 ADC0832， 它是带有串行输入输出 8 位逐次逼近模数 转换器。采用在外部时钟控制下边转换边 输出。输入输出与 TTL 和 CMOS 兼容。时
定时换水。 利用单片机内部的定时器，设计每两 分钟换一次水。换水的过程为：先排去鱼缸 内的一部分水，此系统设计为 1 米以上的 水全部排掉，然后给水，到 1.44 米左右停 止。排水的过程中黄色的发光二极管点亮， 接近排完时，二极管闪烁，排水过程结束，
黄色发光二极管灭。给水的过程中绿色的 发光二极管点亮，给水过程结束，绿色发光 二极管灭，蜂鸣器报警。
钟频率为 250KHZ 时, 转换时间为 32us。 控制电路。 由于此系统的核心任务是鱼缸自动给
排水，所以此单片机系统免不了要对电磁 阀、加热棒、风扇等电气设备进行控制。
报警电路。 此鱼缸自动给排水系统中，当水位高 于设定值 1.47 米时，或换水完毕时，就会发 出提醒人们警觉的蜂鸣音报警信号。蜂鸣 音报警接口电路设计购买了市售的压电式 蜂鸣器，然后通过 MCS- 51 的 P3.0 口线经 驱动器驱动蜂鸣器发声。由于压电式蜂鸣 器约需 10mA 的驱动电流，所以我们使用 了 TTL 系列集成电路 7406。 时钟电路。 MCS- 51 单片机各功能部件的运行都 是以时钟控制信号为其准，有条不紊地一 拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单 片机的速度，时钟电路的质量也直接影响 单片机系统的稳定性。此系统采用内部时 钟方式。晶振的振荡频率为 6MHz。 复位电路。 复位是单片机的初始化操作，只需给 MCS- 51 的复位引脚 RST 加上大于 2 个机 器周期的高电平就可使单片机复位。此系 统采用按键电平复位电路，其是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。由于 此 系 统 时 钟 频 率 选 用 6MHz， 所 以 C 取 22F，电阻分别取 200、1k。