一种智能化功能集成的设计方法及实例

一种智能化功能集成的设计方法及实例

作者：王汉森

来源：《科技与创新》2016年第01期

摘要：在现代生活中，智能化占有非常重要的位置，而智能化功能集成对产品创新有非常重要的意义。通过观察市场上观赏鱼缸控制系统的设计发现，在现有的观赏鱼缸中，给鱼喂食和鱼缸换水等操作只能由用户完成，这给人们带来了很多麻烦。因此，将智能化功能集成的设计方案应用于观赏鱼缸上，并完成了实物制作，实现了鱼缸自动投食、自动水循环、自动杀菌、水温检测和自动照明的多种功能。这些功能的集成既减少了观赏者喂鱼的麻烦，又保证了水质和卫生状况。另外，灯光智能控制不仅提高了观赏质量，还满足了节能环保的要求。

关键词：智能控制；功能集成；单片机；串口通讯

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.01.010

媒体资料显示，近年来，水族产品备受人们的青睐，大家对其的需求量也持续增长。随着这项事业市场空间拓展速度的加快，将会出现更多的投资机会。鱼缸产业的蓬勃发展和观赏者对观赏要求的逐步提高，带动了国内外各种先进鱼缸控制系统的研究和生产。

传统的鱼缸需要人工换水、补充氧气，而所用的水泵和空气泵等设备难以适应季节和温度的变化。同时，每天重复操作，不仅不利于节能，还大大缩短了设备的使用寿命。虽然市场上现有的鱼缸克服了传统鱼缸存在的缺陷，但是，它仍然是功能单一的简单设备。比如，无法实现灯光照明和温度的自动控制、鱼缸换水程序烦琐，所以，急需一种能把温度、灯光、充氧、自动投食等控制功能整合在一起的系统。在设计系统时，要考虑产品的实用性，要求功能设计稳定、可靠、操作简单、维护方便。因此，根据当前的市场需求，以鱼缸中的水温、溶氧量和光照等控制为研究对象，开发了一套集多种功能于一体的控制系统，并探讨了观赏鱼缸智能化功能集成的设计方法。

1 系统总体设计方案

此次设计的智能鱼缸有多种功能，用模块化的思路实现了整体鱼缸的设计需求。该系统包括主控、按键、显示、温度、红外、时钟和外设等7个模块。按键模块用来设置当前时间、投食时间和系统杀菌过滤时间；温度模块用来测量环境温度；红外模块用来检测是否有人靠近。在这个设计中，单片机通过输出各种信号来控制外设模块，而系统时间、温度和设置参数等数据则通过液晶模块显示出来。系统的整体设计如图1所示。

该控制系统将单片机作为控制核心，利用传感器技术集多种智能化控制功能于一体，包括自动照明、换水、投食、水循环过滤和水温检测等，并且可以根据实际需要增加控制参数、增强系统的灵活性。第一部分是利用STC89C51单片机实现各种控制参数的设置、存储和显示；

第二部分是输入和输出部分，用来采集由传感器传送过来的各种信号，并输出多路信号实时控制鱼缸的相应功能，两部分之间通过串口实现通讯。

2 智能鱼缸硬件模块设计

该系统以STC89C52单片机为控制核心，它具有在线编程功能，而且功耗低，能在3.3 V 的超低压下工作。将DS1302作为时钟芯片，它自带的RAM实时时钟具有使用寿命长、精度

高、功耗低和掉电自动保存等优点，并且计时精度可以精确到秒，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5 V。使用DS18B20构成温度检测模块，但它只需要一个端口引脚即可实现通讯，具有测量精度高、测量范围广等优点，测温范围为-55～+125 ℃，工作电压为3～5.5 V。显示部分采用的是1602液晶显示屏，它具有低功耗、寿命长、可靠性高的特点，工作电压为5 V。人体红外感应模块则采用HC-SR501，它是基于红外线技术的自动控制产品，工作电压为4.2～20 V，具有灵敏度高、可靠性强、超低功耗和超低电压工作模式等优点。

2.1 单片机主控制模块的设计

单片机最小系统的设计如图2所示。

2.2 时钟电路模块的设计

图3为DS1302的引脚排列，其中，VCC1为后备电源，VCC2为主电源。X1和X2是振荡源，外接32.768 kHz晶振，用来为芯片提供计时脉冲。RST是复位/片选线，通过RST输入驱动开启置高电平，从而完成数据传送工作。

2.3 温度传感器电路设计

温度传感器电路设计采用的是DS18B20外部电源供电。当工作电源由VDD引脚接入时，I/O线不需要强上拉就能解决电源电流不足的问题，保证了转换精度。同时，外部电源供电也是DS18B20最佳的工作方式，它可以保证工作的稳定性和可靠性，具有较强的抗干扰能力。另外，温度传感器的电路也比较简单，可以开发出稳定、可靠的多点温度监控系统。该部分电路设计如图4所示。

2.4 显示模块设计

在设计显示模块时，分别将L1602的RS端与P2.0、R/W端与P2.1、E端和P2.2相连。对于RS的控制，当RS=0时，LCD1602写入指令；当RS=1时，向LCD1602写入数据。对于

R/W的控制，当R/W端接高电平时，芯片处于读数据状态；当R/W端接低电平时，处于写数据状态，并且E端为使能信号端。由此可知，当R/W为高电平、E端为高电平、RS为低电平时，LCD1602写入指令，芯片处于读数据状态，液晶显示屏即显示示数。1602显示电路设计如图5所示。

2.5 独立式键盘设计

当单片机正常工作时，经常会执行按键操作，所以，编程控制方式会使CPU处于高强度的工作中。而此次设计只涉及到切换、加、减和移位4个功能，所以，按键设计功能比较简单。按键设计如图6所示。

2.6 红外模块设计

该系统采用HC-SR501模块，它较为简单，有三管脚，一个接电源，一个接地中间，输出管脚接单片机，具体如图7所示。

2.7 外设模块设计

外设部分是单片机通过继电器控制的投食、照明灯、杀菌过滤设备。该系统采PNP管直接驱动继电器，如图8所示。

3 智能鱼缸软件模块设计

系统接通电源后启动，实现初始化操作。当设置键按下时，系统进入了修改时间模式。在修改时间模式下，设置时间完成后再将数据传输到液晶显示屏显示。当无按键按下时，读取时间、温度等数据将会被输送到液晶显示屏。

3.1 时钟程序流程图

当DS1302开始计时后，随即进入了系统初始化、开中断过程中。当有中断信号时，将读取到的时钟芯片数据送入液晶显示屏。此时，如果按下设置键，则修改当前的时间，完成后将数据送入时钟芯片；如果没有按下按键，则直接存入EPROM，并送入液晶屏显示。整个控制流程如图9所示。

3.2 温度程序流程图

温度程序流程是开始就进入DS18B20初始化，通过主机拉低单线产生的复位脉冲，从而完成观察任务。如果有应答脉冲，则发起SkipRom命令。成功跳过ROM命令后，发起了Convert T命令开始温度转换。等待1 s的温度转换后再开始初始化DS18B20，观察是否有应答脉冲——如果没有，则不断初始化，直到有应答脉冲为止；如果有，就发起Read Scratchpad （读取暂存器和CRC字节）命令，然后同时读取第一、第二个字节，即为温度数据。最后，初始化DS18B20实现循环程序流程。这样做，可以实现温度的实时检测。整个控制流程如图10所示。

3.3 显示程序流程图