1 绪论

1.1 选题背景

“鱼缸”又称“水族箱”，“水族箱”一词起源于英国，沿用至今已超过了150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“草枯鱼亡”。

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、充氧以及 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、灯光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箱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。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

随着经济水平的突飞猛进，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13.8%，仅北京就由传统的几个小市场，发展成8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、温度及饲养的、鱼的多少而不同,

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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，特别是水草的光照需求；时间长了超过水草光照需求，不仅不利于水草生长，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，由于加热器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100～200元，如果配齐整套控制设备，价格大概在1000～1500元之间；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，多功能鱼缸智能控制器的研发生产仍处于初步时期，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、自动水位控制进排水、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。 1.3 相关参数分析 1.3.1温度

鱼类是冷血动物，也就是说它们需要从周边环境吸收热量以供给自身新陈代谢。鱼类在水中不断用腮过滤水，进行呼吸，这就导致了它们新陈代谢产生的热量会很快散失在水中，体温也和周围水温相似。

鱼类大多数喜欢生活在水温为78oF—84oF(25.5oC—28.8 oC)的水中。温度或热量是影响鱼类新陈代谢的重要因素，如果温度过高，鱼类体内的酶将停止工作；而如果温度过低，鱼类体内的酶的结构将会被破坏。此外，如果水温过低，热带鱼很可能会丧失其意识，鱼内的活跃的寄生虫和细菌会伺机侵害鱼类的健康。随着水温的升高，氧气的溶解

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度会降低，而鱼类则需要更多氧气进行新陈代谢，从而导致鱼类因缺氧而立即死去。 1.3.2水位

本系统主要控制鱼缸内的水位。水泵主要是将储水箱中的水抽送到鱼缸中。并运用碳棒检测水位，当水位到达碳棒所在位置时，单片机控制水泵停止工作。 1.3.3光

鱼缸里不仅仅只有鱼类，同时也生存着植物。光是植物健康生长的必要因素，并且使得你可以看清楚鱼的游弋。鱼类吸入氧气，同时呼出二氧化碳。

绿色植物是唯一能提供氧气和能量的植物，我们称这一过程为光合作用。此过程发生在有叶绿素的叶绿体中，叶绿素吸收光能，与二氧化碳和水产生化学反应生成糖和氧气。绿色植物能将糖转化为淀粉、脂肪和蛋白质。二氧化碳和氧气分别通过气孔出入。基于植物能产生氧气，光将是人们控制的一个重要因素。

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2 鱼缸智能控制系统的总体设计

本系统的硬件由AT89S52单片机控制，由输入输出部分和控制部分组成。输入输出部分主要完成数据的采集、输入和输出控制等；控制部分主要完成系统参数和控制参数的设定、数据存储、复位、时钟电路、LCD液晶显示和按键处理以及各路输入和输出指示等。 2.1 概述

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

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，自80年代初起步以来，以INTEL公司的

MCS-48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。80年代中期以来，随着性能更强，速度更快的MCS-51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16位和32位已为人们熟悉和了解，但在我国目前和今后一段时间内，8位单片机仍是实际应用中的主导品种。 2.2 系统的设计要求

系统的总体设计要求如下：

（1）能够对鱼缸温度进行自动检测，并能手动调节被检测温度的促发值。 （2）用LCD1602液晶显示温度值。 （3）用碳棒检测水位情况。

（4）由单片机控制的水泵能自行给水。 2.3 鱼缸控制系统的功能组成

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，整个系统共分为以下几个功能模块：即主电路控制模块、温度检测模块、水位检测模块、水泵给水模块、温度显示模块、继电器控制模块以及供电模块等。这些子系统都有各自的信号检测输入以及控制输出功能，共同集成为一套功能完善的智能控制系统。 2.4 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，以提供鱼类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、水位的高低、鱼缸灯光情况等。系统能够自动检测并显示鱼缸内水温的温度值，利用碳棒可以检测水位的高低，并控制水泵进行供水，通过时钟芯片设置开关灯的时间。

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依据同一设计原理和方法，针对其他的不同的环境要求，还可以进行不同环境参数的控制与设定，以达到统一的设计，提高扩展能力。 2.5 主要元器件的选取 2.5.1单片机的选取

单片机按照其基本操作处理的位数可分为：1位机、4位机、8位机、16位机、32位机等。其中1位机和4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：16位机和32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;而8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60%以上份额，可以说8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INTEL公司，MOTOROLA公司，TI公司，MAXIM公司，NS公司，ATMEL公司等

近年来，随着美国ATMEL公司的AT89系列单片机的推出和单片机C语言的广泛应用，MCS-51单片机有了进一步的活力。AT89系列以MCS-51为内核，兼容了MCS-51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(4K字节存贮器编程约3秒，擦除时间10ms)，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。产品中的20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。

AT89系列单片机主要产品类型和特点如表2.1

表2.1 AT89系列单片机主要产品类型和特点

单片机型号/存储容量和类型 AT89C51/4KEPROM AT89C52/8KEPROM RAM 128 256 16位定时器 个数 2 3 2 2 中断源个数 5 8 5 5 最高晶振频率/MHZ 24 24 24 24 封装引脚个数 40 40 20 20 [6]

AT89C1051/1KEPROM 256 AT89C20512KEPROM 256 经综合考虑，本系统决定选用美国ATMEL公司生产的AT89S52型单片机作为主控制器芯片，AT89S2051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睐。 （1）AT89S52芯片介绍

AT89S52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为开发者提供许多较复杂系统

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