前言隨著生活水平的不斷提高，人們將許多時間投入到了自己的興趣愛好上，智能家居的概念也逐漸進入我們的生活，為生活帶來了許多便利。國內外觀賞魚市場發(fā)展迅速，智能水族箱系統(tǒng)作為家裝與智能技術的相互結合，受到了越來越多人的關注。然而，養(yǎng)好觀賞魚類并不容易，養(yǎng)殖過程中需要為魚提供適宜的內部水環(huán)境，這就增加了時間和精力的投入，也提高了大眾進入觀賞魚養(yǎng)殖的門檻。市面上許多的智能水族箱系統(tǒng)遵循一個設計思路：首先保證水族箱的觀賞功能，隨后利用傳感器技術讓人們輕松獲取魚缸內部的環(huán)境信息，最后借助相關執(zhí)行設備實現(xiàn)對水族箱內部環(huán)境的調節(jié)。而本設計關注于基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)，旨在深入探討其設計理念、實現(xiàn)技術，并展現(xiàn)其在實際應用中的卓越優(yōu)勢。通過傳感器精確捕捉魚缸的關鍵數(shù)據(jù)，并對這些信息進行高效處理，我們的系統(tǒng)不僅降低了觀賞魚飼養(yǎng)的技術門檻，更讓用戶在享受養(yǎng)魚樂趣的同時，深刻體驗到傳統(tǒng)魚缸飼養(yǎng)方式所無法比擬的便捷與智能。在設計階段中，我們特別注重確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，引進了尖端的傳感器技術與算法優(yōu)化措施，致力于讓智能水族箱對環(huán)境變化的感知和響應更加準確和快速，同時也注重用戶體驗，通過人性化界面設計和便捷操作方式，讓用戶輕松上手，享受智能水族箱帶來的樂趣和便利?；赟TM32的智能水族箱系統(tǒng)在實際應用中顯示出了許多可觀的優(yōu)點。它極大地降低了用戶的管理成本，有效避免了因疏忽而導致魚類死亡等問題。該系統(tǒng)具備智能調節(jié)水族箱環(huán)境的能力，能夠顯著提升魚類的生長速度和健康水平，讓水族箱內部環(huán)境更加穩(wěn)定。綜上所述，基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)通過不一樣的設計理念，展現(xiàn)了令人關注的的市場前景和發(fā)展?jié)摿?，未來將會為用戶帶來更輕松便捷的生活體驗。隨著科技的不斷進步和市場需求的增長，智能水族箱系統(tǒng)必將得到越來越多用戶的關注和選擇。

1概述1.1選題背景及意義隨著生活水平的日漸提高，人們的消費水平也得到了大大提升，生活環(huán)境開始個性化和舒適化，水族箱開始進入人們的生活中，一款能夠集成多種功能，實現(xiàn)對水質、水溫等多種參數(shù)檢測、控制且成本較低的智能水族箱系統(tǒng)。其不僅能提高水族箱的適居性和維護效率，降低養(yǎng)魚成本和精力，還可以減少一些資源的浪費，使得人們在家庭和休閑娛樂場所中能更好地享受養(yǎng)魚的樂趣。水族箱也可以被稱為魚缸，是屬于觀賞魚產業(yè)中的一種。其歷史可追溯古希臘文明時期，那時人們將魚、貝殼和其他海洋生物裝入透明的玻璃或水晶容器中觀察[1,2]。然而，現(xiàn)代水族箱的出現(xiàn)是在19世紀，在歐洲和北美洲出現(xiàn)了一種叫做“海洋世界”的展覽，使用玻璃箱展示各種海洋生物。到了20世紀初，有人開始在家里使用魚缸來養(yǎng)魚和觀察海洋生物，這標志著水族箱作為一個家庭或辦公室裝飾的出現(xiàn)。但早期的水族箱市場價格非常昂貴且人們消費水平有限，普通人無法購買這種中高檔的消費品。隨著社會經濟發(fā)展和工業(yè)技術的提高，水族箱的制作技術得到改進，使得價格下降，同時住房逐漸繁榮，為人們提供了更大的居住空間，這也就助推了水族箱市場。從2016年《全國漁業(yè)發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》的發(fā)布可以看出水族企業(yè)的關注在逐漸增高[3]。水族市場行業(yè)也得到快速發(fā)展，市場活力得到很大激勵，特別是廣東省這樣的經濟發(fā)達地區(qū)，水族產業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)[4]。目前市場上的魚缸控制系統(tǒng)普遍存在功能單一，智能化程度不足和綜合性能欠缺的問題。許多產品無法將水質檢測、溫度控制、智能投料等多種智能功能集成在一起，這可能是由于技術限制、成本考慮[5]。此外，用戶需要購買多個設備獨立安裝，無法遠程控制，增加了時間和資源的浪費。為了解決這些問題，必須開發(fā)推進集成技術，以全面提升產品的綜合性能[6]。本研究旨在研究和設計一款智能水族箱系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)魚缸中存在的問題，1.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢根據(jù)相關資料了解，目前水族產品逐漸增多，水族市場更加多樣繁華。北京等地傳統(tǒng)水族市場已經發(fā)展成規(guī)模較大的市場，國內外企業(yè)推出了智能水族箱產品，具有溫度、充氧、報警等控制功能，性能較穩(wěn)定且安裝方便。此外，這些產品不限于只用在觀賞魚缸，也可以在水族箱養(yǎng)殖產業(yè)中廣泛應用[7]。國內水族箱產業(yè)在2016年得到最初發(fā)展，開始涌現(xiàn)出知名品牌，如成都可麗愛等，開始投入大量資金用于產品開發(fā)和技術創(chuàng)新，顯示出國內水族箱行業(yè)對技術創(chuàng)新的重視。在2010年代，在這一時期，國內開始有少量關于智能水族箱的研究，一些企業(yè)開始嘗試在魚缸中引入傳感器，實現(xiàn)對水質等參數(shù)的實時監(jiān)測，但整體技術尚不成熟，市場接受度也相對較低[8]。在2020年，隨著智能技術的快速發(fā)展，國內智能水族箱進入了一個新的階段。研究人員開始探索如何通過物聯(lián)網技術實現(xiàn)魚缸的遠程控制、智能喂食等功能。在2023年，隨著智能科技的應用，智能水族箱開始進入一個相對成熟的階段[9]。它開始具備水質、溫度和光照等多項關鍵指標的實時監(jiān)測功能，從而實現(xiàn)了飼養(yǎng)與管理的全面自動化。同時，隨著環(huán)保意識的日益增強，可持續(xù)發(fā)展已成為行業(yè)發(fā)展的核心要素，推動了節(jié)能、環(huán)保的過濾系統(tǒng)和照明設備的研發(fā)和推廣?，F(xiàn)今智能恒溫魚缸行業(yè)的發(fā)展受到廣泛關注，研究者們分析了市場需求、產業(yè)集群等因素，預測了行業(yè)的發(fā)展趨勢。同時，國內水族箱市場也呈現(xiàn)出激烈的競爭格局，國內企業(yè)努力提高產品質量和技術水平，增加品牌知名度和銷售范圍。在國外水族箱最早出現(xiàn)在1665年，外國作者記述了一件作品，玻璃缸中可以飼養(yǎng)魚，這一記錄雖然難以準確確定為智能水族箱的起始，但水族箱飼養(yǎng)魚的概念已經在近代產生。在2016年，國外智能水族箱行業(yè)已經相對成熟，一些知名品牌已經推出了具有創(chuàng)新功能的產品，如自動清潔、智能光照等。同時，國外也更加深入研究智能水族箱，包括水質監(jiān)測、生態(tài)平衡等多個方面[10]。在2020年代，隨著人工智能技術的不斷進步，智能水族箱在國外的研究領域受到越來越多的關注。利用人工智能技術，智能水族箱能夠實現(xiàn)多種智能防護功能，甚至可以通過圖像識別技術自動識別魚類的種類和數(shù)量。這些高端產品的出現(xiàn)為魚缸管理帶來了全新的可能性，使得飼養(yǎng)魚類變得更加便捷和智能化。在2022年，國外智能水族箱行業(yè)在技術創(chuàng)新和產品設計方面取得了顯著進展，推出了一系列具有創(chuàng)新產品。同時，國外企業(yè)也開始注重與研究機構的合作，加強技術人才培養(yǎng)[11]。在2023年，國外智能水族箱行業(yè)已經形成了較為完善的技術體系和產品體系，產品功能更加多樣智能。同時，國外企業(yè)也開始注重將智能水族箱與家居裝飾相結合，加強產品的美觀性和實用性?，F(xiàn)今，國外智能水族箱行業(yè)推出許多具有創(chuàng)新性和實用性的產品。國外企業(yè)也更加重視產品質量和服務，給用戶帶來更加優(yōu)質的體驗?？偟膩碚f，智能水族箱技術已經得到了國內外廣泛關注和研究，智能水族業(yè)的發(fā)展不僅在生活上給人們提供了更舒適的藝術體驗感，也因其系統(tǒng)具有監(jiān)控功能，自動管理的特性，應用在水產養(yǎng)殖模式上也起到了極大的突破和改變，使我國水產養(yǎng)殖走進世界前列[12]。1.3本課題主要內容本課題是基于嵌入式的智能水族箱系統(tǒng)，它是以STM32為核心處理器，主要由水溫檢測、水質檢測、水位檢測模塊作為外接傳感器進行水族箱情況的數(shù)據(jù)采集，時鐘模塊作為定時投喂，再結合繼電器控制喂食模塊、供氧模塊、加熱模塊，以此來完成水溫控制、水質監(jiān)測、自動喂食、自動供氧、水循環(huán)功能。并通過顯示屏實時顯示溫度，水質參數(shù)以及當前系統(tǒng)時間[13]。水溫檢測通過傳感器檢測水溫，當超過閾值時，則啟動降溫水泵繼電器，實現(xiàn)降溫；當?shù)陀陂撝禃r則啟動加熱繼電器，實現(xiàn)升溫[14]。水質檢測借助濁度傳感器實時檢測水質狀況，一旦水濁度超過一定閾值則會觸發(fā)蜂鳴器模擬報警，由于喂食時存在濁度誤判可能，因此會考慮將兩個功能設計為不同優(yōu)先級[15]。水位檢測通過濕度傳感器檢測水位，當?shù)陀陂撝禃r則啟動水泵繼電器進行補水，控制出入水量在魚缸的三分之一左右[16]。自動喂食和供氧模塊結合相關時鐘和按鍵模塊運行，根據(jù)設定時間間隔投放食物，開啟供氧。實現(xiàn)魚類定時投食以及避免魚類因水溶氧問題造成損失[17]。

2系統(tǒng)總體設計2.1設計思路基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)主要是通過三個部分連接完成，分別傳感器模塊負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)，主控模塊則接收數(shù)據(jù)并進行處理，執(zhí)行器模塊接收輸出指令執(zhí)行動作，從而實現(xiàn)對水族箱內環(huán)境的調控。本系統(tǒng)的設計實現(xiàn)首先用傳感器采集水族箱內部各種參數(shù)，再通過傳感器模塊的獨立信號輸入輸出功能與由單片機的數(shù)據(jù)存儲電路、控制運算電路共同集成的主控模塊相結合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行設備根據(jù)設定的控制邏輯結構執(zhí)行相關操作。為了能夠觀察檢測到的水族箱內部數(shù)據(jù)值，所以本設計采用了屏幕顯示。2.2方案確定和硬件器件選擇2.2.1主控制器方案選擇用于控制整個系統(tǒng)的運行，能夠識別判斷來自其他部件的訊號，處理系統(tǒng)相關指令并執(zhí)行控制命令完成相應操作。目前市場上有許多主控制器，例如基于8051內核的51系列單片機，STM32系列單片機，DSP,FPGA等處理器?？晒┛紤]的方案有兩種：51系列單片機和STM32單片機。1.51系列單片機因其強大處理能力，可以實現(xiàn)多種功能，具有結構緊湊等特點。但是其單片機的處理性能有限，實時性差，不適合處理一些復雜的任務。2.STM32單片機采用了ARMCortex-M內核，具備單周期乘法和硬件除法等高級功能，可以滿足許多高性能的需求。這種系列單片機配有較大的Flash和SRAM存儲器，且具有許多外設接口可以方便使用，因此可以靈活應對許多復雜程序[18]。綜上所述，STM32單片機可以更加輕易的實現(xiàn)從各個傳感器模塊那里收集不同的水質參數(shù)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預設的算法或參數(shù)設置來控制電機、蜂鳴器以及相關的繼電器等設備。根據(jù)本設計要求，所以采用STM32單片機。2.2.2溫度傳感器方案選擇檢測水族箱內部水溫可以使用溫度傳感器，現(xiàn)今可選的有數(shù)字溫度傳感器和模擬溫度傳感器兩種。經過相關調查研究，數(shù)字溫度傳感器有DS18B20等，而模擬溫度傳感器有PT100鉑電阻、NTC熱敏電阻等[19]。本設計可供選擇的方案有兩種：DS18B20數(shù)字溫度傳感器和NTC熱敏電阻。1.NTC熱敏電阻，其電阻值與溫度之間存在一種特定的負相關關系，這種電阻隨溫度變化的特性使得NTC熱敏電阻成為一種理想的溫度傳感器。通過測量NTC熱敏電阻的電阻值變化，可以精確地得到被測物體的溫度變化，且價格低廉、響應速度快，可以滿足嚴格要求的溫度檢測。但它是雖然成本較低，但可能需要更復雜的電路設計和校準[20]。2.DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采用半雙工通信方式，與STM32直接實現(xiàn)通信，不需要使用AD轉換電路，并支持連接多個DS18B20，提供極大靈活性。同時，它還具有數(shù)字輸出、內部存儲和低功耗，抗干擾能力強等特點。綜上所述，為了方便實現(xiàn)本次系統(tǒng)設計，因此這里選擇DS18B20溫度傳感器進行水溫檢測。2.2.3濁度傳感器方案選擇本次設計需要相關的傳感器進行水渾濁度檢測，根據(jù)調查濁度傳感器類型有散射光濁度傳感器和透射光濁度傳感器。1.透射光濁度傳感器運用光的透射原理來測定水的濁度，主要通過測量光線穿過水樣后的透射強度，來間接計算出水中的濁度水平。這種傳感器結構簡單，成本相對較低，但可能會受到水色和氣泡等因素的干擾。2.散射光濁度傳感器憑借散射光原理，實現(xiàn)對水濁度的精準測量和計算，廣泛應用于水族箱等小型水環(huán)境，而且具有高準確性和快速相應特點。綜上這兩種類型的傳感器都可以檢測水質的情況，但為了方便研究，本設計選用散射光式TSW-30濁度傳感器模塊，該模塊通過測量水中光線的透射和散射程度來評估水質的濁度狀況。簡言之，水質越渾濁，透過的光線量就越少，從而實現(xiàn)濁度檢測。并通過對其進行轉換為電流大小，來判斷水中的濁度情況，同時具有測量準確性高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，且它與STM32連接簡單，所以選擇它。2.2.4水位傳感器方案選擇本設計可以采用濕度傳感器和水位傳感器對其水位進行檢測，因為濕度傳感器相較于水位傳感器，其響應速度更快，可以對多個水位點進行檢測，因此這里選擇使用濕度傳感器。其中濕度傳感器包括電容濕度傳感器和電阻濕度傳感器。1.電容濕度傳感器在不同濕度下，利用電容值不一樣來檢測濕度情況。同時擁有響應速度快、精度較高等特點。對于大多數(shù)水族箱可以進行檢測，且能夠穩(wěn)定可靠地檢測濕度數(shù)據(jù)。2.電阻濕度傳感器在不同濕度下，通過電阻變化來實現(xiàn)濕度檢測，價格低廉，被廣泛用于各種場合。同時，其擁有靈敏度高、穩(wěn)定等優(yōu)點。以上兩種傳感器都滿足設計要求，為了便于研究并節(jié)約成本，本設計選擇電阻式土壤濕度傳感器。2.2.5步進電機方案選擇本設計中的定時喂食部分，采用步進電機進行定時旋轉模擬喂食場景.現(xiàn)今有許多種步進電機，其中包括二相步進電機、四相步進電機、三相步進電機等。這里有兩種方案供選擇：42兩相步進電機和四相步進電機28BYJ-48。1.42兩相步進電機可以長時間保持穩(wěn)定運行，并且42兩相步進電機的成本通常低于一些高性能步進電機。四相步進電機28BYJ-48在運行過程中不容易受到外界干擾，可具有抗高溫高濕等惡劣環(huán)境的特性，可以實現(xiàn)精準的角度控制。此外，它能夠效率高地節(jié)約能源，降低運行過程中的能耗，減少對環(huán)境的負面影響。綜上兩種方案，兩種步進電機都可以滿足要求，但轉矩更大的會更方便模擬喂食，所以本設計選擇四相步進電機28BYJ-48。2.2.6顯示方案選擇為了實時顯示水族箱中檢測到的數(shù)據(jù)，還需要一個屏幕。有兩種選擇：LCD1602顯示器和點陣式數(shù)碼管。1.LCD1602顯示器是一種字符液晶顯示設備，其擁有顯示質量高、接口簡單可靠、體積小、功耗低等特點。它被應用在各種自動化設備和系統(tǒng)中。2.點陣式數(shù)碼管是一種高對比度顯示設備，通過點陣排列的發(fā)光器件展示字符，確保在各種環(huán)境下都能清晰顯示。同時，由于其點陣結構，點陣式數(shù)碼管可以實現(xiàn)自定義字符或圖形的顯示。綜上通過對比兩個方案，本設計因為涉及到大量的顯示問題并且需要高清晰度，所以本次設計選擇LCD1602顯示屏。2.2.7蜂鳴器方案選擇為了進行在濁度傳感器檢測到濁度過高時進行報警提醒，本設計還需要一個蜂鳴器進行模擬報警。蜂鳴器根據(jù)不同分類方法有許多種類，如壓電蜂鳴器和電磁蜂鳴器、有源蜂鳴器和無源蜂鳴器等?？晒┛紤]的有兩種方案：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。1.有源蜂鳴器，通過內置的振蕩器實現(xiàn)發(fā)聲功能，無需外部信號源的驅動，因此也被稱為主動式蜂鳴器。其能夠產生特定頻率的聲波，使蜂鳴器發(fā)出清晰的聲音，一般具有較高的聲音頻率，廣泛應用于各種需要聲音提示或報警的場合。2.無源蜂鳴器，因其無振蕩器，所以需要利用電磁效應發(fā)聲，形成電磁鐵與永磁鐵吸引實現(xiàn)發(fā)聲。因此也被稱作被動式蜂鳴器因為本設計只是完成簡單的報警功能，綜合考慮可知有源蜂鳴器更加適合作為本系統(tǒng)器件，這樣可以更加簡單方便的實現(xiàn)報警功能。2.2.8繼電器方案選擇為了可以在一定閾值內控制相關動作，本設計還需要繼電器?，F(xiàn)今了解到的繼電器有許多種，包括電磁繼電器、固態(tài)繼電器、熱繼電器等?？晒┻x擇的方案有兩種：電磁繼電器和固態(tài)繼電器。1.固態(tài)繼電器是種不需要觸點，可以在高速、低噪音的情況下工作，控制負載的開關。它利用半導體器件來實現(xiàn)對負載的控制，以實現(xiàn)電路的通斷。2.電磁繼電器利用電磁原理控制觸點開合，實現(xiàn)控制，通常用于較低電壓、電流的場合。，而且電磁繼電器工作可靠，控制精度高。綜合兩種方案并對其進行相關因素的考慮，電磁繼電器控制精度更高跟符合本系統(tǒng)設計的要求，價格也相對較低。所以本設計選擇電磁繼電器。2.3系統(tǒng)整體實現(xiàn)框圖本系統(tǒng)以STM32F407ZGT6芯片作為核心控制器，通過傳感器模塊對水環(huán)境進行檢測，這些傳感器采集的數(shù)據(jù)經過ADC（模數(shù)轉換器）傳輸給主控制器處理，將信號傳給繼電器控制開關閉合執(zhí)行相關操作。主控制器根據(jù)按鍵操作設定定時器，實現(xiàn)定時對魚缸進行喂食和供氧操作，同時系統(tǒng)具有報警和顯示模塊。系統(tǒng)的整體框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)框圖

3系統(tǒng)的硬件設計在前一章中，首先對整個系統(tǒng)實現(xiàn)的總體思路和方案進行了構思，同時對實驗中所需要的器件做出了方案并進行了選擇。本設計以STM32F407ZGT6芯片為主控制器進行核心處理，利用溫度傳感器DS18B20、濁度傳感器TSW-30和土壤濕度傳感器收集水族箱內數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給STM32芯片，由芯片做出相應判斷，從而控制繼電器的開關，來控制外部的喂食、供氧、加熱等設備的工作。其中涉及到STM32主控電路，DS18B20模塊電路，TSW-30濁度傳感器模塊電路以及繼電器等。3.1主控模塊電路設計為了更好的實現(xiàn)智能水族箱的功能，本系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6芯片作為主控模塊。該系統(tǒng)的主控電路如圖3.1所示，按照系統(tǒng)實現(xiàn)的方案來看，其需要用到的STM32外圍電路包括系統(tǒng)穩(wěn)壓供電，RTC時鐘，濾波電容和TFT液晶屏，以及下載電路，復位開關等。同時，還需要用到LED指示燈電路，以此來更好的判斷單片機的工作狀態(tài)方便更好監(jiān)控。為了實現(xiàn)定時設置還增加了一個按鍵模塊，以便操作。該單片機存在多個外設，I/O外引接口以及多種通道；其中用到它的GPIO配置引腳，ADC采樣通道進行數(shù)據(jù)的采集轉換，方便對智能水族箱內部環(huán)境數(shù)據(jù)的采集觀察。同時也用到了STM32的PWM信號輸出，以此測量數(shù)據(jù)的傳輸。其中通過顯示屏實時顯示水族箱中的各種參數(shù)。本系統(tǒng)用到的STM32F407ZGT6可以方便用戶進行程序編寫并實現(xiàn)相應的功能。圖3.1STM32原理圖3.2水環(huán)境檢測模塊電路設計3.2.1水溫檢測模塊電路設計本系統(tǒng)設計中采用可以檢測-55℃至+125℃的DS18B20溫度傳感器來檢測水族箱內水溫。DS18B20溫度傳感器模塊核心為場效應管。如圖3.2DS18B20原理圖所示。從圖中可以看出，DS18B20的VDD引腳連接電源正極，GND連接地，DQ引腳連接到了STM32的PB13，而且DQ引腳連接了阻值為4.7K歐姆的上拉電阻，這是因為DS18B20接收和發(fā)送數(shù)據(jù)只需要一個通信引腳，這種單線通信結構非常的簡單，便于使用。在接收數(shù)據(jù)時，表現(xiàn)出高輸入電阻模式，確保數(shù)據(jù)的準確接收；而在發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會切換到開漏輸出模式，即當輸出為0時呈現(xiàn)低電平狀態(tài)，而輸出為1則切換為高阻態(tài)，此時需要依賴外部電路的上拉電阻來實現(xiàn)高電平輸出1，從而完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。圖3.2DS18B20原理圖3.2.2水質檢測模塊電路設計在本系統(tǒng)中進行水質檢測的是TSW-30濁度傳感器模塊，該模塊的輸出有AO（模擬量）和DO（數(shù)字量），可以實現(xiàn)電流與電壓的信號轉換，隨后將這一電壓信號傳遞給主控模塊。主控模塊接收到信號后，進行數(shù)據(jù)處理和模數(shù)轉換（AD轉換），以便進一步分析。其相關原理圖如下圖3.3濁度傳感器模塊，從中可以看出，電路中存在擁有反相和同相引腳的電壓比較器LM393芯片；上電后，比較電壓值。如果輸入反相端電壓高于同相端，運放輸出接地，電流從正極經內部電路流向地線。反之，若反相端電壓低于同相端，則運放輸出維持正極電壓，此時負載兩端無電位差，無電流流過。各引腳功能如表3.1。表3.1TSW-30傳感器引腳功能表編號名稱功能1GND電源負極2VCC電源正極3DO數(shù)字輸出4AO模擬輸出圖3.3濁度傳感器原理圖其中濁度值與模塊輸出電壓關系滿足如下公式（3-1）所示：（3-1）上式中TU為當前濁度值，U為當前溫度條件下模塊的輸出電壓值，K為截距值，需通過標定方法得到。3.2.3水位檢測模塊電路設計系統(tǒng)檢測水位采用的是土壤濕度傳感器。該模塊具有兩個部分，一個叉形探針，其上面的電阻隨水分多少而變化。另一部分隨電阻變化輸出電壓，并可以被模擬輸出（AO）使用。如圖3.4電阻式土壤濕度傳感器原理圖。從圖中可知LM393比較器為主要芯片，信號被輸入到此比較器中實現(xiàn)數(shù)字化轉換。經過比較器處理后，數(shù)字結果可以在數(shù)字輸出（DO）引腳上直接獲取。此外，該模塊還配備了一個內置的電位計，可以根據(jù)實際需要調節(jié)控制數(shù)字輸出（DO），以便更精確地控制數(shù)字化過程的結果。AO連接輸入引腳，其主要功能是提供連續(xù)模擬信號。DO同樣與STM32單片機的引腳相連，輸出的是數(shù)字信號。它可以用于控制其他數(shù)字設備，例如，與繼電器的IN引腳連接時，通過輸出數(shù)字信號來控制繼電器的開關狀態(tài)。VCC引腳是電源正極的連接點，GND接地連接。圖3.4電阻式土壤濕度傳感器原理圖將電源接入傳感器，電源燈亮表示其可以正常工作，濕度的變化可以改變DO的輸出值和指示燈的亮滅。AO與單片機的ADC口連接檢測水位數(shù)值。3.3繼電器控制模塊電路設計繼電器的工作原理基于電磁效應，線圈通電后形成磁場，吸引銜鐵避免移近鐵芯，同時使動靜觸點連接，進而實現(xiàn)電路接通。如圖3.5一路繼電器原理圖，由圖中可知主要由二極管和三極管組成，其中二極管主要是用來限制反向電壓的峰值和反向流動電流，確保電路可以穩(wěn)定運行。三極管主要作用是實現(xiàn)對繼電器開關的控制，并放大電流信號以及保護控制信號源。高電平狀態(tài)時，三極管的基極電壓會高于發(fā)射極電壓，而后三極管導通。在導通狀態(tài)下，三極管能夠放大電流信號，并驅動繼電器閉合。各引腳功能如表3.2。表3.2繼電器引腳功能表引腳功能VCC電源正極GND電源負極IN信號輸入NO常開端COM不同狀態(tài)下與NO、NC的導通狀態(tài)不同NC常閉端圖3.5一路繼電器原理圖3.4電機驅動電路設計基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)中的喂食模塊和時鐘模塊相互結合模擬喂食。這里采用四相步進電機28BYJ-48來模擬向水族箱中投食，通過交替通電使電機旋轉。電機完成一個步進角度需要經歷八個不同信號狀態(tài)。本設計中，選用ULN2003驅動板來驅動電機。其原理圖如圖3.6所示，從圖中可知該驅動板的根本組件是ULN2003芯片，由七個復合晶體管組成。驅動板在電壓作用下可以與數(shù)字電路相連接，無需額外的轉換電路，是因其晶體管均配有一個2.7K的基極電阻。在實際使用中，ULN2003驅動板的IN1至IN4引腳與單片機的IO口連接配置使用，就能實現(xiàn)對電機的控制，進行模擬喂食。在這其中有反相器、電阻器和電容器的配合，從而獲得穩(wěn)定的輸出信號，精準地控制電機的旋轉。圖3.6ULN2003驅動板原理圖3.5顯示模塊電路設計本系統(tǒng)中顯示模塊主要用于實時顯示水族箱檢測出的相關參數(shù)，以便更好的進行判斷。在STM32微控制器中自身配有顯示模塊，所以在這里可以對其直接進行編程使用。如圖3.6TFT液晶屏原理圖。通過STM32微控制器直接調用相關程序函數(shù)控制TFT液晶屏的顯示。微控制器通過其GPIO口與TFT液晶屏進行通信，以驅動屏幕顯示。由于TFT液晶屏都是主動發(fā)光的像素點，因此不需要背光源，使得它廣泛應用于各類系統(tǒng)顯示。圖3.7TFT液晶屏原理圖

4系統(tǒng)的軟件設計本文研究了基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用編寫相關程序得以控制幾個模塊對其內部水環(huán)境進行檢測并實時顯示，采集數(shù)據(jù)，再對其檢測到的值進行范圍控制，設定相應閾值，當其超過或低于閾值時，進行相應執(zhí)行操作，從而穩(wěn)定水族箱內部環(huán)境，達到目標要求。4.1系統(tǒng)主程序設計本系統(tǒng)設計采用STM32F407ZGT6芯片作為主控，然后在keil中進行相應程序編寫，先初始化程序，然后進入程序循環(huán)，隨后進行相應程序的判斷。如下，單片機通過對矩陣鍵盤的掃描程序中檢測到有按鍵被按下時設置定時投放，當單片機接收到定時器達到預設值時，則驅動步進電機將魚食投入魚缸中，若未到達則直接返回繼續(xù)循環(huán)。 濁度傳感器檢測水族箱中渾濁度的數(shù)據(jù)，當傳回的濁度數(shù)據(jù)超過預設數(shù)據(jù)時，單片機會通過配置的蜂鳴器引腳口來觸發(fā)蜂鳴器報警，同時將濁度傳感器檢測到的數(shù)值通過顯示屏顯示；當清除雜物后數(shù)值變?yōu)轭A設范圍內，則停止報警；若未超標則直接返回繼續(xù)檢測。通過土壤濕度傳感器檢測水位數(shù)據(jù)，當單片機接收到水位傳感器的數(shù)值低于預設范圍內，則通過繼電器驅動水泵進行加水功能，同時顯示屏會同步顯示當前狀態(tài)，當水位在正常范圍后再返回循環(huán)；若在則直接返回循環(huán)。水溫傳感器會返回此時魚缸中的水溫，當單片機接收到的溫度低于預設值時，則開關繼電器開啟加熱棒，進行加熱，同時返回的溫度在顯示屏上實時顯示，當溫度到達預設溫度則停止加熱，并實時顯示溫度情況。具體主程序工作流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序4.2溫度傳感器程序設計DS18B20溫度傳感器采用的是一種半雙工通信方式，需要一方接受到數(shù)據(jù)后再進行下一次操作。DS18B20共有6種信號類型。復位脈沖和應答脈沖：在通信時，主機持續(xù)拉低總線狀態(tài)至少480微秒以產生一個復位脈沖，然后釋放拉高總線。將其變?yōu)橐粋€高電平，進行一個短暫延時15-60us后切換為接收模式，準備接受數(shù)據(jù)；然后檢測DS18B20低電平是否維持在60-240us時間內，以此判斷其產生應答脈沖。其中檢測程序，需要先設置引腳為輸入，等待低電平應答信號，并判斷其是否為低電平并在60-240us，若不在則返回1，反之返回1。寫時序：單片機與DS18B20通過DQ總線連接，設置其引腳為輸出，進行寫1和0時序。在寫時序1時序時，主機先發(fā)送一個持續(xù)2us的低電平信號，然后釋放對總線的控制，使其變?yōu)楦唠娖?，隨后延時60us。而在寫時序0時，主機先發(fā)送一個低電平信號。隨后進行延時60us，結束后釋放總線，將其變?yōu)楦唠娖?，延時2us。通過延時時間不一樣判斷寫1還是寫0。其中數(shù)據(jù)一共有8位，所以對其進行循環(huán)，依次寫入。讀時序：主機先輸出低電平信號并維持這一狀態(tài)2us，然后釋放對總線的控制，變?yōu)楦唠娖?，隨后主機在將引腳切換為輸入模式后，需要延時12us來確?？偩€上的電平穩(wěn)定后再進行讀取，然后再延時50us后返回數(shù)據(jù)。讀取DS18B20溫度數(shù)值的過程包括復位、發(fā)送SKIPROM命令（0xcc）和開始轉換命令（0X44）、等待轉換完成、再次發(fā)送SKIPROM命令（0Xcc）和讀存儲器命令（0XBE）、讀取兩個字節(jié)數(shù)據(jù)、完成讀取。其中讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)為高字節(jié)，一個為低字節(jié)。高字節(jié)數(shù)據(jù)中五個S為符號位，剩下高字節(jié)和低字節(jié)的11位為數(shù)據(jù)位。當符號位為0時，直接將后11位二進制轉換為十進制再乘以0.0625即可得到正值溫度；當符號位為1時，將后11位二進制轉換為負數(shù)的原碼再進行相應計算即可得到負值溫度。程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2DS18B20程序流程圖4.3濁度傳感器子程序設計濁度傳感器模塊將輸出電流轉換為電壓信號，再通過單片機對數(shù)據(jù)進行AD轉換處理。模擬量（AO）與單片機ADC引腳口連接進行水濁度檢測采集數(shù)據(jù)，在keil5中通過Debug獲取水族箱的污濁度，并記錄下來。濁度傳感器的觸發(fā)閾值可以由電位器改變，以此控制數(shù)字輸出信號(DO)的狀態(tài)。當水的濁度高于設定閾值時，輸出低電平信號并指示燈亮。單片機能夠通過監(jiān)測電平變化，識別水的濁度是否已經達到設定數(shù)值。若達到則觸發(fā)蜂鳴器模擬報警。在應用中用到了ADC轉換，所以在編寫程序時，需要對ADC和GPIO進行配置，然后在主程序中進行ADC和GPIO初始化，對相應程序進行調用。本次實驗用到的是PA引腳和ADC1，配置ADC時，要使能PA口的時鐘和ADC的時鐘，并將PA口配置為模擬輸入模式。接著，需要進行ADC配置的復位操作，設定ADC的分頻因子并初始化各種通用參數(shù)。最后，初始化ADC1的規(guī)則通道。配置完成后，可以在main函數(shù)中對其進行直接調用，從而對數(shù)據(jù)進行AD轉換為電壓，表示水濁度情況。根據(jù)所測量的電壓值與渾濁度的關系得到電壓值與渾濁度的關系如表4.1所示，渾濁度越高，電壓值越小。程序流程圖如圖4.3所示。表4.1電壓值與渾濁度的關系渾濁度等級電壓參數(shù)值1級2.96V-5V2級2.64V-2.96V3級1.84V-2.64V4級0-1.84V圖4.3濁度傳感器程序流程圖4.4濕度傳感器子程序設計本設計測量水位情況的時土壤濕度傳感器。其中主要運用模擬量（AO）輸出和數(shù)字量(DO)輸出。模擬量輸出與單片機上的AO口連接，然后單片機對采集的數(shù)據(jù)進行AD轉換；數(shù)字量輸出與單片機GPIO引腳口連接，檢測高低電平輸出。因此，在編寫程序時，需要對ADC和GPIO應用配置，其相關的ADC配置參照上一節(jié)；然后在主程序中進行ADC和GPIO初始化，對其進行應用?？梢岳肁DC1的12位轉換精度和參考電壓3.3V的特性，通過計算AD轉換值乘以(3.3/4096)的方式來得出對應的電壓值。這樣就可以方便地將AD轉換值轉換為實際的電壓值輸出。最后計算結果要強制轉換為浮點類型，否則得不到小數(shù)點后面的數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖4.4所示。圖4.4土壤濕度傳感器程序流程圖這其中用到的ADC轉換是負責將模擬信號轉換成數(shù)字信號。在STM32的ADC轉換過程中，整個流程主要是四個步驟。首先，采樣階段中，ADC利用內置采樣電路，迅速捕獲模擬信號的瞬時值，以此準確反映模擬信號在某一時刻的狀態(tài)。緊接著，保持階段將這一瞬時值穩(wěn)定地保持一段時間，確保在后續(xù)的轉換過程中不會發(fā)生變化。隨后，量化階段開始，將連續(xù)的模擬信號量化為離散的數(shù)字信號。最后，在編碼階段，這些數(shù)字碼被整理并存儲在數(shù)據(jù)寄存器中，以便后續(xù)的數(shù)字處理或輸出。此外，STM32的ADC支持多通道轉換，可以同時從多個模擬輸入通道采集數(shù)據(jù)，這樣就可以同時得到水位和濁度兩個模擬信號轉換得到的數(shù)字結果。轉換完成后，得到的結果可以被存儲在一個數(shù)據(jù)寄存器中，這個寄存器可以通過ADC的配置，選擇是左對齊或右對齊的。通過選擇不同的ADC配置和輸入通道，轉換結果可以精確地表示不同范圍的模擬電壓值，從而實現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路之間的轉換。4.5繼電器子程序設計編寫繼電器程序時，其中主要配置的是信號輸入引腳IN；在正常狀態(tài)下，NC（常閉端）是閉合的，所以需要將電路連接到NO，通過控制IN引腳的電平狀態(tài)，我們可以控制電路的閉合與斷開，進而實現(xiàn)所需的功能。在編寫程序時，需要配置相應GPIO引腳，在主程序中被調用，以此傳輸給繼電器高或低電平，從而實現(xiàn)對繼電器開關的控制，實現(xiàn)對其余設備的控制。程序流程圖如圖4.5所示圖4.5繼電器程序流程圖4.6步進電機程序設計系統(tǒng)中定時喂食系統(tǒng)采用的是ULN2003驅動板控制步進電機進行模擬喂食。在編寫程序時，首先需要對STM32進行初始化，包括系統(tǒng)時鐘、GPIO引腳、中斷等，方便進行程序調用。其中需要設置GPIO引腳為輸出模式，并配置相關的時鐘源和中斷服務程序，只需配置ULN2003驅動板上的四個引腳，并對這幾個引腳進行編寫程序，以此來驅動電機。接下來，再編寫步進電機的控制邏輯。其中包括編寫電機的轉動方向、速度等參數(shù)。程序中使用定時器或者PWM來控制電機的轉動速度，通過改變占空比從而控制電機的轉動。通過編寫相關按鍵程序，初始化時鐘、按鍵程序，在判斷按鍵按下后進行按鍵處理，接著判斷是否到時間，若到達則電機處理PWM值后驅動電機轉動，若未到達則電機停止。如下圖4.6程序流程圖所示。這其中用到的PWM，是利用不同比例的方波信號高電平持續(xù)時間（占空比）來模擬出不同的電壓水平的數(shù)字信號，可以通過調節(jié)其持續(xù)時間改變電機轉速方向。圖4.6步進電機程序流程圖

5系統(tǒng)調試與實現(xiàn)為了對基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)的功能進行驗證，首先對各個硬件模塊進行檢驗測試，保證其檢測到的值是正確的；然后調試相關程序，確保程序可以實現(xiàn)相關功能；最后檢測整個系統(tǒng)是否達到目標。各個模塊之間相互獨立，其中傳感器模塊下還驅動著幾個子模塊，各模塊之間需要相互調用，例如繼電器模塊的程序需要被多次調用使用，因此需要對整個系統(tǒng)測試，由此保證智能水族箱系統(tǒng)的正常運行。5.1硬件調試在最初階段，需要對智能水族箱的結構搭建進行設計以保證其電路穩(wěn)定、美觀，其次需要對STM32微控制器、傳感器模塊、執(zhí)行設備、等硬件設備進行詳細的檢查和測試。其中包括確認線路連接是否正確、電源是否穩(wěn)定供應、傳感器和執(zhí)行設備是否可以正常工作等。如圖5.1所示，為水族箱整體架構。圖5.1系統(tǒng)總體框架圖首先，從使用萬用表開始，測量傳感器引腳間是否存在短路現(xiàn)象，確保電路的安全。隨后，將幾種傳感器模塊與單片機相互連接，為測試做好準備。接下來，對各個模塊和單片機接上電源，點亮LCD顯示屏，觀察是否有數(shù)據(jù)顯示，單片機是否可以正常工作。接著，調整水族箱內的溫度、渾濁度以及水位，觀察數(shù)值變化。通過觀察這些數(shù)值是否隨著環(huán)境條件的改變而相應變動，判斷傳感器是否工作正常。最后測量喂食模塊和換水模塊中的硬件，將步進電機和水泵接上電源，通電后仔細觀察它們的運行狀態(tài)，觀察其是否正常運行。通過這樣的檢測流程，確保整個系統(tǒng)硬件可靠性?；A電路測試完后，確保各類元器件都可以正常運行。然后就可以對智能水族箱系統(tǒng)的整體模塊連接進行測試，根據(jù)各類模塊的功能，改變水中環(huán)境和預定數(shù)值，來對整體的功能模塊進行測試，觀察各類執(zhí)行模塊是否能根據(jù)所設計的功能做出相應動作。5.2軟件調試在確保各個硬件模塊調試準確后，接下來對系統(tǒng)進行軟件調試。采集水族箱中的各類參數(shù)，以便實現(xiàn)對水族箱內部環(huán)境的控制。首先，需要編寫和測試STM32的驅動程序，確保微控制器能夠正常運行，控制各個模塊。其次，實現(xiàn)水位監(jiān)測、水泵控制等功能的軟件代碼，并進行充分的測試，以確保其準確可靠。在調試過程中，如果遇到異常情況，如顯示屏無值顯示等，需要先檢查硬件連接無問題后檢查程序是否編寫正確，以此確保系統(tǒng)的安全性。5.2.1渾濁度模塊測試渾濁度模塊測試，當水族箱內水質渾濁度超過預設值時，會觸發(fā)蜂鳴器進行模擬報警，當清理后渾濁度到達預設值，則停止報警。表5.1為單片機檢測到的渾濁度數(shù)據(jù)。其測試過程如圖5.2，圖5.3，圖5.4。表5.1濁度檢測數(shù)據(jù)ADC檢測數(shù)據(jù)轉換電壓值temp（V）第一組數(shù)據(jù)40953.299第二組數(shù)據(jù)7860.63第三組數(shù)據(jù)1750.14表中的第一組數(shù)據(jù)是水清時濁度傳感器檢測到的值，temp為其ADC轉換后得到的電壓值，第二個數(shù)據(jù)和第三個數(shù)據(jù)是當水中有不同程度雜物時傳感器檢測到的值。水越渾濁檢測到的電壓值temp值越小。圖5.2清水中濁度傳感器測試數(shù)據(jù)1圖5.3水中有雜質濁度傳感器測試數(shù)據(jù)2圖5.4水中有雜質濁度傳感器測試數(shù)據(jù)35.2.2溫度模塊測試溫度模塊測試，當水族箱內水溫度低于預設值時，會觸發(fā)繼電器打開加熱棒進行工作，對水族箱進行加熱，當水溫到達預設值后繼電器會控制加熱棒停止工作。表5.2單片機檢測到的水溫數(shù)據(jù)。其測試過程如圖5.5，圖5.6，圖5.7.表5.2溫度檢測數(shù)temp(未轉為溫度)temperature第一組數(shù)據(jù)0.1595214920第二組數(shù)據(jù)0.35932618424表中的第一組數(shù)據(jù)是溫度傳感器檢測到的水族箱中的水溫，其中temperature值是已經進行轉換后得到的溫度值，可以通過此值判斷水溫是否過低，從而實現(xiàn)控制操作。第二數(shù)據(jù)是探測頭在空氣中檢測時的數(shù)據(jù)，以此來進行對比判斷。圖5.5溫度傳感器測試數(shù)據(jù)1圖5.6水溫測試計檢測圖5.7空氣中溫度傳感器測試數(shù)據(jù)及水溫測試計值5.2.3水位模塊測試水位模塊測試，當水族箱內水位比預設值低時，會控制繼電器閉合開關打開水泵進行加水，當水位到達預設值后水泵會停止工作。表5.3單片機檢測到的水位數(shù)據(jù)。其測試過程如圖5.8，圖5.9，圖5.10.表5.3水位檢測數(shù)據(jù)ADC檢測數(shù)據(jù)轉換電壓值temp（V）第一組數(shù)據(jù)40953.30第二組數(shù)據(jù)35722.88第三組數(shù)據(jù)34332.77圖中temp為ADC轉換得到的電壓值，第一個數(shù)據(jù)為水位傳感器檢測到的最低水位時的值，當傳感器檢測到此值時，將會觸發(fā)水泵工作進行加水，當加到預設值后停止。第二個數(shù)據(jù)是檢測到的不同水位時的值，圖5.8空氣中水位傳感器測試數(shù)據(jù)1圖5.9水中水位傳感器測試數(shù)據(jù)2圖5.9水中水位傳感器測試數(shù)據(jù)3在完成硬件和軟件調試后，需要將全部模塊組合到一起，形成完整的智能水族箱系統(tǒng)。如圖5.10傳感器整體測試數(shù)據(jù)。再將編寫的程序下載到STM32單片機，對模塊中進行全面的系統(tǒng)測試并檢測是否完成相應目標功能。圖5.10傳感器模塊整體測試數(shù)據(jù)

總結本次基于STM32的智能水族箱系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，成功地構建了一個集環(huán)境監(jiān)測、智能控制于一體的智能家居設備。該系統(tǒng)不僅提升了水族箱的管理效率，也為用戶帶來了更加便捷與舒適的使用體驗。其實現(xiàn)對水族箱中水位，水溫，渾濁度情況的檢測，并將其實時顯示在顯示屏上，并當水質情況超過一定范圍時，通過微控制器打開相應繼電器設備，實現(xiàn)水族箱的智能化，使水族箱中的水質情況保持穩(wěn)定。在硬件方面，本文采用了STM32F407ZGT6微控制器作為核心，通過連接多種傳感器、繼電器設備和執(zhí)行設備，實現(xiàn)了對水族箱環(huán)境的全面監(jiān)測和智能控制。STM32的優(yōu)異性能保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和快速響應，為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了強有力的支持。在軟件方面，我們編寫了針對STM32F407ZGT6的驅動程序和應用程序，實現(xiàn)了水位監(jiān)測、水質檢測、溫度控制、定時喂食供氧等功能。通過不斷的調試和優(yōu)化，確保了軟件的穩(wěn)定性和準確性，為用戶提供了可靠的服務。在實際應用中，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。首先，它