-緒論選題背景隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長和民眾生活品質(zhì)提升，人們的消費(fèi)觀念發(fā)生了巨大變化，對(duì)生活的品質(zhì)要求上升，注重環(huán)境個(gè)性化和環(huán)?；Ｔ诖吮尘跋?，休閑和家居裝飾行業(yè)迎來強(qiáng)勁發(fā)展，其中觀賞魚成為受歡迎的裝飾元素之一。隨著時(shí)間推移，人們對(duì)大自然的渴望日益增加。鮮艷的魚草水族箱不僅提供舒適的視覺體驗(yàn)，還為居住環(huán)境增添自然之美，滿足人們對(duì)大自然的向往。水族市場因此成為具有巨大開發(fā)潛力和市場前景的產(chǎn)業(yè)之一，水族產(chǎn)品需求持續(xù)增長?！棒~缸”，即水族箱，最早起源于英國，并在過去150年中廣泛應(yīng)用。最初被視為養(yǎng)殖水生生物的容器，如今已發(fā)展成為反映自然生態(tài)系統(tǒng)的裝飾品。隨著科技進(jìn)步和養(yǎng)殖技術(shù)提高，水族箱不僅作為裝飾品，而且成為家居的一部分，走進(jìn)普通家庭，發(fā)揮著重要作用。無論在家庭還是休閑娛樂場所，魚缸的種類繁多，提供合適的生活環(huán)境成為人們的追求。市場上有各種魚缸控制系統(tǒng)，如水溫調(diào)節(jié)、氧氣注入控制和過濾控制等，但多為單一功能，難以滿足多樣化需求。針對(duì)此現(xiàn)狀，研究融合多功能的綜合控制系統(tǒng)，特別關(guān)注魚缸的水溫、換水和增氧等方面，以提高魚類存活率、降低養(yǎng)魚成本，滿足市場需求REF_Ref14261\r\h[1]。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速增長，裝飾行業(yè)也發(fā)展迅速，人們對(duì)生活品質(zhì)的追求不斷提升，休閑家居裝飾成為新寵。在這個(gè)背景下，休閑水族產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，以滿足人們對(duì)于生活品質(zhì)的需求。近年來，休閑水族產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，其年增長率高達(dá)13.8%。在北京等地，水族市場迅速擴(kuò)張，從幾個(gè)傳統(tǒng)小型市場擴(kuò)展至8個(gè)大型市場。隨著人們生活質(zhì)量要求的提高，對(duì)綠色消費(fèi)的倡導(dǎo)以及對(duì)自身健康的重視，水族產(chǎn)品市場吸引了更多的投資者目光。全球水族產(chǎn)品市場都在關(guān)注中國，許多外國大型采購企業(yè)將中國視為長期戰(zhàn)略目標(biāo)。這為國內(nèi)水族企業(yè)提供了前所未有的機(jī)遇，同時(shí)也帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著裝飾行業(yè)的快速發(fā)展，家用魚缸龐大的市場需求推動(dòng)了國內(nèi)外各類魚缸控制設(shè)備的創(chuàng)新和發(fā)展。傳統(tǒng)魚缸設(shè)備需要手動(dòng)進(jìn)行換水補(bǔ)氧等操作，操作繁瑣且不利于節(jié)能，不符合市場需求。因此，出現(xiàn)了簡易、穩(wěn)定且具有定時(shí)功能的新型控制器，使得魚缸環(huán)境管理更加便捷。市場上陸續(xù)推出了與魚缸相關(guān)的各種控制設(shè)備，如間歇充氧計(jì)時(shí)器、自動(dòng)恒溫器和自動(dòng)燈光控制器等，以滿足不同需求。多功能魚缸控制器成為制造商關(guān)注的焦點(diǎn)，融合了溫度、換水、充氧和報(bào)警等多種功能，適用于各種魚缸系統(tǒng)，包括家庭觀賞和商業(yè)水族養(yǎng)殖場所。這些控制器不僅提高了魚缸管理的效率，還降低了能源消耗，為水族產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了支持REF_Ref14839\r\h[2]。主要研究內(nèi)容本研究以STC89C52單片機(jī)為核心，結(jié)合傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套智能魚缸控制系統(tǒng)，用于監(jiān)測水族箱的環(huán)境參數(shù)、自動(dòng)換水、增氧和喂食。該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)組成，能自動(dòng)檢測和智能管理魚缸的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)。核心特性包括：使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，減少資源消耗和人力投入；采用LCD1602人機(jī)交互界面，操作簡潔便捷；利用繼電器進(jìn)行控制和管理；整體設(shè)計(jì)具備普適性，適合大規(guī)模推廣和生產(chǎn)。在總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景、工作環(huán)境和控制目標(biāo)確定合適設(shè)計(jì)方案。在硬件設(shè)計(jì)方面，選擇功能完善和高性價(jià)比的元器件，設(shè)計(jì)合適的硬件電路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與修改，確保調(diào)試無誤后制作印制電路板。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化編程方法，將系統(tǒng)應(yīng)用程序劃分為多個(gè)獨(dú)立的模塊，然后使用單片機(jī)C語言進(jìn)行編程。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和完善。使用調(diào)試軟件對(duì)程序進(jìn)行細(xì)致調(diào)試、錯(cuò)誤檢查和完善，將調(diào)試好的程序整合為完整系統(tǒng)程序。構(gòu)建模擬魚缸環(huán)境離線試運(yùn)行，驗(yàn)證系統(tǒng)性能和功能。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以下是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：（1）魚缸環(huán)境參數(shù)監(jiān)控：考慮到多樣魚種及水生植物對(duì)生存環(huán)境的嚴(yán)格要求，穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)顯得尤為關(guān)鍵REF_Ref14989\r\h[3]。本系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)追蹤魚缸中的溫度、水質(zhì)清澈度、水位等關(guān)鍵參數(shù)，并利用相應(yīng)的溫度、水位、混濁度傳感器進(jìn)行采集。系統(tǒng)允許操作者通過按鈕設(shè)定各參數(shù)的安全閾值。一旦監(jiān)測到的數(shù)值超出預(yù)定范圍，警報(bào)系統(tǒng)即會(huì)啟動(dòng)，蜂鳴器發(fā)出聲響，并激活相關(guān)的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制。（2）自動(dòng)替換水功能：本設(shè)計(jì)結(jié)合了兩臺(tái)水泵，可以設(shè)定周期自動(dòng)操控繼電器的通斷，以驅(qū)動(dòng)水泵執(zhí)行啟動(dòng)或關(guān)閉動(dòng)作，完成水換過程。（3）補(bǔ)氧功能：增氧操作能夠通過實(shí)體按鍵來激活，從而控制連接至增氧泵的繼電器。如此一來，魚缸內(nèi)的氧氣水平得以依用戶需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，為水生生物提供必要的氧氣供給。（4）投喂機(jī)制：系統(tǒng)配備了設(shè)定按鈕，用戶借此按鈕可設(shè)定投喂周期，進(jìn)而通過ULN2003驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)定時(shí)投喂任務(wù)。（5）數(shù)據(jù)展示模塊：采用LCD1602顯示屏來展示監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，使用戶能夠即時(shí)觀察魚缸的實(shí)時(shí)狀態(tài)并適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置，提升了操作的便捷性和效率。（6）操作控制：利用3路繼電器來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)水泵進(jìn)行換水，同時(shí)驅(qū)動(dòng)增氧泵以實(shí)現(xiàn)增氧和溫度加熱的功能。（7）關(guān)于濁度：利用濁度傳感器來獲取當(dāng)前的濁度數(shù)據(jù)，當(dāng)濁度較高時(shí)，通過繼電器啟動(dòng)水泵以進(jìn)行換水操作。（8）關(guān)于光照：使用光敏傳感器來測量當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，并據(jù)此啟動(dòng)補(bǔ)光燈。（9）關(guān)于溫度的收集：使用DS18B20防水型溫度傳感器來監(jiān)測當(dāng)前的水體溫度，溫度低于閾值則啟動(dòng)加熱片。（10）無線傳輸功能：利用HC05模塊進(jìn)行無線傳送，包括當(dāng)前的溫度、是否存在缺水或濁度等相關(guān)信息。魚缸智能控制系統(tǒng)的功能組成與控制參數(shù)在智能魚缸的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)現(xiàn)存多種魚缸控制裝置進(jìn)行了全面審視與深入分析。該系統(tǒng)由幾個(gè)關(guān)鍵的功能性模塊構(gòu)筑而成：包括溫度檢測、混濁度檢測、定時(shí)控制器、自動(dòng)更新水系統(tǒng)、聲音警示、無線數(shù)據(jù)傳輸、液晶數(shù)據(jù)顯示以及繼電器操控模塊。這些分支模塊一道，形成了一個(gè)整合單片機(jī)技術(shù)的先進(jìn)魚缸智能管理解決方案。該系統(tǒng)主要檢測魚缸內(nèi)的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參數(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，以確保為水族提供最佳的水質(zhì)和居住環(huán)境。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，其核心部分采用單片機(jī)作為控制器。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要特別關(guān)注的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)包括：濁度、自動(dòng)更換水質(zhì)、自動(dòng)喂食功能、自動(dòng)增加氧氣供應(yīng)、水位評(píng)估以及蜂鳴器的提醒功能。本文將介紹各主要參數(shù)在本系統(tǒng)中如何設(shè)置并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也說明了各個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系以及與之有關(guān)的一些問題。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)以單片機(jī)作為其核心的CPUREF_Ref18646\r\h[4]，構(gòu)建了一個(gè)可以獨(dú)立放置在魚缸外部運(yùn)行的系統(tǒng)，它能夠接收各種水質(zhì)和環(huán)境的檢測信號(hào)輸入，并輸出控制信號(hào)。從宏觀角度看，這個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為兩大模塊：控制模塊和輸入輸出模塊，硬件是由輸入與輸出模塊以及控制模塊共同構(gòu)成的。輸入內(nèi)容包括：DS18B20的溫度收集、按鈕配置、濁度、光線、水面高度以及按鈕的配置。輸出功能包括：LCD1602的液晶顯示屏、步進(jìn)電機(jī)的喂食功能、加熱功能、照明、更換水、提高氧氣供應(yīng)以及蜂鳴器的提醒功能?？刂颇K包括：蜂鳴器的報(bào)警提醒功能、3路繼電器用于控制水泵、增氧功能以及WIFI的無線傳輸控制。如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)這一章節(jié)深入闡述了多功能魚缸智能控制器的硬件配置及其設(shè)計(jì)思路。在分析了各種傳感器后，對(duì)其進(jìn)行分類，然后根據(jù)不同類型的傳感器設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。主要內(nèi)容涵蓋了時(shí)鐘電路模塊的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電源模塊的設(shè)計(jì)、鍵盤控制與顯示模塊的設(shè)計(jì)、溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)、濁度數(shù)據(jù)采集、繼電器輸出控制電路模塊的設(shè)計(jì)，以及電路原理圖和電路板的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。其中重點(diǎn)講述了溫度采集電路設(shè)計(jì)，溫度檢測原理及實(shí)現(xiàn)方法，并給出了相關(guān)軟件流程圖。本文詳盡地解釋了在電路設(shè)計(jì)中如何選擇芯片，芯片的內(nèi)部構(gòu)造、性能指標(biāo)以及功能特性，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具體的硬件電路，接下來將對(duì)各主要電路部分進(jìn)行介紹。硬件總體結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)聚焦于單片機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性和靈活性。硬件設(shè)計(jì)主要基于以下三個(gè)原則：1.融合硬件與軟件設(shè)計(jì)，以簡化架構(gòu)、增強(qiáng)穩(wěn)定性，并降低成本。2.采用更少數(shù)量的芯片和電路，提高系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力，如DS18B20數(shù)字溫度傳感器。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有靈活性，可根據(jù)用戶需求隨時(shí)增減模塊，實(shí)現(xiàn)功能更新和擴(kuò)充。硬件電路包括感溫元件、無線信號(hào)傳輸、水位、濁度、光照、繼電器控制、LCD顯示和蜂鳴器報(bào)警等部分，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作可靠、成本低廉等優(yōu)勢。圖3.1硬件總體結(jié)構(gòu)圖各模塊硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)單片機(jī)是一種微型計(jì)算機(jī)，它將處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口整合到一個(gè)模擬電路中。在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，包括主程序和各功能模塊子程序。該設(shè)備是由CPU系統(tǒng)、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、各類輸入輸出端口以及基礎(chǔ)功能單元共同構(gòu)成的.單片機(jī)主要用來執(zhí)行指令、處理信息和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并通過通信與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在軟件的指導(dǎo)下，單片機(jī)能夠以準(zhǔn)確、快速和高效的方式完成程序設(shè)計(jì)師所期望的任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)也得到了越來越大的普及與使用。單片機(jī)因其出色的性價(jià)比、極低的能耗、極高的穩(wěn)定性以及卓越的控制和擴(kuò)展功能，被視為電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵工具。單片機(jī)作為一種通用智能器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件電路或軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與自動(dòng)控制，使之成為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)REF_Ref15603\r\h[5]。單片機(jī)的誕生極大地簡化了復(fù)雜電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并提升了系統(tǒng)的智能化水平。它已經(jīng)在科技進(jìn)步和人們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用，并且正朝著更高的性能和更多種類的產(chǎn)品方向發(fā)展，具有巨大的應(yīng)用潛力。圖中展示了其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖：圖3.2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖在硬件上只需把這些數(shù)據(jù)寫入一個(gè)地址即可，軟件上只要將該地址與主存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較便可知道是否需要修改。數(shù)據(jù)在停電之后會(huì)自動(dòng)消失不見。單片機(jī)的操作電壓約為5V，其工作頻率范圍在0~40Hz之間，而用戶的程序空間則有從4KB到64KB的多種規(guī)格選擇。由于單片機(jī)內(nèi)部沒有提供給輸入口及輸出管工作所需要的電源，因此必須用外接電源線將它們與外部電路相連。在輸入輸出口中，P0口作為一個(gè)開漏輸出，可以作為中線進(jìn)行擴(kuò)展，無需添加拉電阻，但在作為輸入輸出口時(shí)，拉電阻是必須添加的。由于采用了這種形式的輸入口后，單片機(jī)的外圍電路結(jié)構(gòu)簡化，使系統(tǒng)成本大大降低。單片機(jī)內(nèi)部裝有三個(gè)16位的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。單片機(jī)的外圍電路中沒有串行接口或外設(shè)端口，只有一個(gè)通用異步串行通信端口。通用異步串口允許用戶通過P3.0和P3.1串口直接下載程序，下載速度極快，僅需幾秒鐘即可成功完成。單片機(jī)內(nèi)部沒有任何中斷源，所以其應(yīng)用非常廣泛。該設(shè)備具有廣泛的工作溫度范圍，非常適合在大多數(shù)工作環(huán)境中使用。表1.1STC89C52芯片的引腳介紹引腳類型引腳名稱引腳號(hào)引腳功能主電源引腳VCC40+5V電壓GND20接地外接晶體引腳XTAL119外接晶體XTAL218外接晶體控制及電源復(fù)用引腳RST/VPD9復(fù)位ALE/PROG30地址鎖存PSEN29外部程序存儲(chǔ)EA/VPP31使能輸入輸出引腳P039~32雙向8位I/O口P11~8準(zhǔn)雙向8位I/O口P221~28準(zhǔn)雙向8位I/O口P310~17準(zhǔn)雙向8位I/O口P3口被設(shè)計(jì)為準(zhǔn)雙向的8位輸入輸出接口，并且這8個(gè)引腳還具備特定的復(fù)用特性。該芯片具有功耗低、速度快、可靠性高、編程簡單等特點(diǎn)。當(dāng)它被用作第一功能時(shí)，它會(huì)被當(dāng)作常規(guī)的輸入和輸出口來使用；在進(jìn)行擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)其他功能時(shí)僅用作一個(gè)輸入/輸出端口。在作為第二個(gè)功能的情況下，各個(gè)引腳都具有不同的作用，具體的功能描述如下所示表格：表1.2單片機(jī)P3口功能介紹引腳口線引腳號(hào)引腳名稱引腳功能P3.010RXD串型輸入口P3.111TXD串型輸出口P3.212INT0外部中斷0P3.313INT1外部中斷1P3.414T0定時(shí)器0外部輸入P3.515T1定時(shí)器1外部輸入P3.616WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖P3.717RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖在單片機(jī)操作中，時(shí)鐘電路至關(guān)重要，提供基礎(chǔ)時(shí)鐘以執(zhí)行指令的序列化。可通過內(nèi)部和外部兩種方式產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。內(nèi)部時(shí)鐘機(jī)制利用晶振構(gòu)建穩(wěn)定自激振蕩器，無需外部電源。外部時(shí)鐘模式則通過連接穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)源至單片機(jī)。時(shí)序描述單片機(jī)執(zhí)行命令時(shí)CPU控制信號(hào)的排列順序。機(jī)器周期指單片機(jī)執(zhí)行基礎(chǔ)任務(wù)所需時(shí)間，由多個(gè)狀態(tài)組成。指令周期則是執(zhí)行特定指令所需時(shí)間。理解這些概念能幫助計(jì)算指令執(zhí)行時(shí)間。復(fù)雜系統(tǒng)可采用雙模并行工作方式提高速度，如晶振電路示例。圖3.3系統(tǒng)晶振電路圖復(fù)位電路單片機(jī)在上電或故障時(shí)需復(fù)位，確保其內(nèi)部狀態(tài)恢復(fù)至預(yù)設(shè)值并重新啟動(dòng)。復(fù)位可通過保持RST引腳高電平2μs以上實(shí)現(xiàn)，常采用上電復(fù)位或按鍵復(fù)位方式。按鍵釋放后，RST引腳電位轉(zhuǎn)高，完成復(fù)位。復(fù)雜系統(tǒng)通常采用雙模并行工作以提高速度。單片機(jī)復(fù)位電路需與最小系統(tǒng)連接，電容C1大小影響復(fù)位時(shí)間，通常選擇10~30uF。為確保單片機(jī)準(zhǔn)確供電且不損壞器件，需合理設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)。圖3.4復(fù)位電路液晶顯示在這個(gè)電路設(shè)計(jì)中，LCD1602按鈕與常規(guī)按鈕是相結(jié)合的。這個(gè)鍵盤的控制和顯示電路由復(fù)位電路、晶振電路、LCD顯示電路以及按鍵控制電路這四個(gè)主要部分組成。在對(duì)上述四個(gè)電路進(jìn)行合理地電路設(shè)計(jì)之后，通過軟件編程完成了各功能模塊的仿真調(diào)試工作，并最終制作出實(shí)物樣機(jī)，經(jīng)測試各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。成功地完成了各種功能參數(shù)的配置。詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)請參考圖3.5圖3.5顯示電路的設(shè)計(jì)圖本系統(tǒng)選擇LCD1602液晶顯示器作為顯示電路，帶來幾個(gè)明顯的優(yōu)勢：（1）出色的顯示品質(zhì)，無閃爍，畫面隨時(shí)變換；（2）數(shù)字接口直觀穩(wěn)定，操作簡便；（3）小巧輕便，重量較傳統(tǒng)顯示器輕；（4）極低的能耗，由內(nèi)部電極和驅(qū)動(dòng)IC消耗。液晶顯示技術(shù)利用液晶的物理特性，調(diào)整電壓控制顯示，支持黑白、灰度和彩色顯示。點(diǎn)陣圖液晶由M×N顯示單元構(gòu)成，顯示內(nèi)容與RAM區(qū)對(duì)應(yīng)。字符顯示復(fù)雜，每個(gè)字符由6×8或8×8的點(diǎn)陣構(gòu)成，需根據(jù)RAM區(qū)設(shè)置光標(biāo)和發(fā)送字符代碼。漢字展示采用圖形化方法，通過字模提取軟件預(yù)先提取漢字的點(diǎn)陣碼，按行列號(hào)對(duì)應(yīng)地址設(shè)置光標(biāo)并發(fā)送字節(jié)，直到完整漢字顯示在LCD上。DS18B20溫度采集DS18B20是一款單總線可編程溫度傳感器，簡化了電路復(fù)雜性和算法需求。它可測量電壓、電流等物理量，具有自檢功能，廣泛用于工控、家電、儀器等領(lǐng)域REF_Ref17236\r\h[6]。DS18B20特色在于其三個(gè)可編程引腳，其內(nèi)置結(jié)構(gòu)由64位ROM、溫度感應(yīng)單元、非易失性的溫度警戒上下限TH與TL，加上相關(guān)配置寄存器組成。該傳感器的引腳配置涵蓋了GND（地線）、DQ（數(shù)據(jù)傳輸線）、以及VDD（電源輸入）端口，可通過數(shù)據(jù)線或外部供電。可自行設(shè)置報(bào)警上下限溫度，測溫范圍為-55~+125℃，在-10℃至+85℃精度為±0.5℃。圖3.6DS18B20的外形及管腳圖（1）該傳感器能通過程序控制以9至12位的精度來讀取溫度，并且能在不超過750毫秒的時(shí)間內(nèi)完成溫度到12位數(shù)值的轉(zhuǎn)換，達(dá)到最小0.0625℃的分辨率溫度測量。（2）該傳感器擁有一種獨(dú)特的單線總線接口方案，在與微處理器對(duì)接時(shí)，僅需一條導(dǎo)線便能完成與處理器的數(shù)據(jù)雙向交流。（3）此外，該傳感器可直接輸出數(shù)字化的溫度信息，并通過單線總線方式以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理單元（CPU），伴隨著循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼，這體現(xiàn)了它在抗干擾性和錯(cuò)誤糾正方面的優(yōu)異性能。（4）關(guān)于負(fù)壓特性：當(dāng)電源的極性發(fā)生反向連接時(shí)，芯片不會(huì)因?yàn)檫^熱而損壞，但它將無法正常運(yùn)行。DS18B20具備支持多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的特性，多個(gè)DS18B20能夠在一個(gè)獨(dú)特的三線系統(tǒng)中并聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)測溫功能。DS18B20內(nèi)部功能模塊如圖3.7所示，圖3.7DS18B20原理圖DS18B20與DS1820在讀寫時(shí)間序列及溫度檢測的基本原理上保持一致。然而，DS18B20能提供9位到12位的模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換精度范圍，與此相比，DS1820的精度僅為9位。雖然DS18B20采用了更高精度的技術(shù)，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景中，由于一些技術(shù)挑戰(zhàn)，溫度寄存器里記錄的依然是實(shí)際測量到的溫度值。為克服這一挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種新型電路設(shè)計(jì)——斜率累積型溫度傳感器。該累積器的核心作用是對(duì)測量過程中的非線性偏差進(jìn)行補(bǔ)償與校正，其輸出用來調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器1的初始設(shè)定值。當(dāng)測量到某一時(shí)刻后，將該時(shí)刻前的讀數(shù)減去當(dāng)前的數(shù)據(jù)并進(jìn)行求和處理即得該點(diǎn)的溫度值。下面的圖3.8溫度測量原理圖有所不同，并且在溫度轉(zhuǎn)換過程中，延遲時(shí)間從2秒縮短到了750毫秒。因此可以將該電路作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于其它類型溫度傳感器中，使之能夠準(zhǔn)確地測量出被測件的實(shí)時(shí)溫度。圖3.8展示了DS18B20的測溫原理。圖3.8DS18B20的測溫原理框圖繼電器控制設(shè)計(jì)方案中利用繼電器操控魚缸設(shè)備，包括水泵和氣泵。繼電器通過負(fù)載電路實(shí)現(xiàn)控制REF_Ref19551\r\h[7]。當(dāng)繼電器關(guān)閉時(shí)，首先開啟一個(gè)水泵，經(jīng)過一段時(shí)間后關(guān)閉，再開啟另一個(gè)水泵。氣泵工作時(shí)向魚缸內(nèi)抽入空氣，增加氧氣。繼電器是一種電氣控制設(shè)備，工作原理類似于傳統(tǒng)接觸器，用小電流控制大電流運(yùn)行REF_Ref29516\r\h[8-9]。它自動(dòng)調(diào)整、安全防護(hù)、轉(zhuǎn)換電路功能。繼電器通過內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)使輸出特性改變，當(dāng)輸入?yún)?shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)通或斷開輸出電路。用于自動(dòng)化控制設(shè)備和工業(yè)過程控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)包括快速響應(yīng)、穩(wěn)定性、長壽命和小體積。一種新型加濕器能根據(jù)濕度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于電力防護(hù)、自動(dòng)化技術(shù)、通訊等領(lǐng)域。圖3.9繼電器原理圖電磁繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵和觸點(diǎn)簧片構(gòu)成。當(dāng)線圈兩端有電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流引發(fā)電磁效應(yīng)，使銜鐵吸引鐵芯，觸點(diǎn)閉合。線圈斷電后，電磁吸力就會(huì)消失，銜鐵由于彈簧的反作用力返回原位，觸點(diǎn)打開，完成分?jǐn)嗖僮?。這一過程實(shí)現(xiàn)了電路的導(dǎo)通和切斷功能。繼電器的工作是通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)的，通常由低壓控制電路和高壓操作電路組成。蜂鳴器報(bào)警在溫度未達(dá)到預(yù)設(shè)范圍時(shí)，必須配置一個(gè)警報(bào)提醒電路。由于線圈是靠電磁鐵本身所具有的磁力來驅(qū)動(dòng)，因此它不需要外加電源，而是依靠電磁鐵自身固有的吸引力使之閉合。利用蜂鳴器能夠?qū)崿F(xiàn)聲音和光線的報(bào)警功能。如果有高溫或潮濕等情況發(fā)生時(shí)，也能及時(shí)地進(jìn)行報(bào)警信號(hào)輸出，以避免火災(zāi)的進(jìn)一步擴(kuò)大REF_Ref29647\r\h[10]。選擇使用5V的電磁有源蜂鳴器，是因?yàn)榇祟惙澍Q器在運(yùn)行時(shí)需要的工作電流比較高，超過了單片機(jī)I/O端口的直接驅(qū)動(dòng)能力。這就要求通過晶體管開關(guān)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。如果選擇普通晶體管作為開關(guān)，可能導(dǎo)致線路設(shè)計(jì)變得復(fù)雜且增加成本。因此，本設(shè)計(jì)采用了型號(hào)為8550的PNP晶體管。通過1kΩ的電阻將基極串聯(lián)到單片機(jī)I/O口，可實(shí)現(xiàn)基極電壓的調(diào)控。當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，8550晶體管被激活，蜂鳴器便會(huì)發(fā)聲；相反，當(dāng)I/O口輸出高電平時(shí)，晶體管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲，從而達(dá)到控制蜂鳴器工作狀態(tài)的目的。如果在此情況下再接入電阻則會(huì)使蜂鳴器工作正常。蜂鳴器的電路設(shè)計(jì)如圖3.10所示。圖3.10蜂鳴器電路設(shè)計(jì)ULN2003喂食控制電路為了實(shí)現(xiàn)模擬喂食功能，采用了ULN2003來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，并用此實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮報(bào)警燈的簡便方法。ULN2003特征為其擁有耐高壓和大電流能力的硅NPN達(dá)林頓晶體管陣列，包含了七個(gè)達(dá)林頓對(duì)。這些晶體管對(duì)自帶2.7K歐姆的基極電阻，并且每對(duì)之間設(shè)有兩個(gè)共用的終端，但彼此互不連接。在5伏工作電壓下，ULN2003能夠直接與TTL及CMOS電路接口，以處理原先需標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的信號(hào)。得益于獨(dú)立通道設(shè)計(jì)，ULN2003展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和相互干擾極小的優(yōu)點(diǎn)。此組件不僅支持高至500mA的電流輸出，并且在非導(dǎo)通狀態(tài)下能夠耐受高達(dá)50V的電壓，且在高負(fù)載電流情況下能夠?qū)崿F(xiàn)輸出并聯(lián)，這使其特別適合于高壓大電流系統(tǒng)的應(yīng)用。封裝方面，ULN2003提供了DIP-16和SOP-16兩種塑封形式供選擇。圖3.11DIP—16和SO—16ULN2003是一個(gè)雙列16腳封裝的NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)電壓50V，電流500mA，適用于TTLCOMS。它包括達(dá)林頓管和具有消線圈反電動(dòng)勢的二極管，使整個(gè)系統(tǒng)更緊湊易制造。驅(qū)動(dòng)電路通過繼電器控制外部設(shè)備，如繼電器、燈泡等。ULN2003有三個(gè)二極管，輸出電流最大約為200mA，耐壓約為36V。通過配合上拉電阻，它可以直接連接到單片機(jī)，輸出穩(wěn)定的正極性直流電流。ULN2003的結(jié)構(gòu)允許直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固態(tài)繼電器。它常用于單片機(jī)、PLC等控制電路，適合大功率應(yīng)用。ULN2003系列產(chǎn)品具有高電流增益、高工作電壓和出色的帶負(fù)載能力，非常適合需要大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。圖3.12ULN2003芯片引腳圖步進(jìn)電機(jī)通過將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械角度移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了通過雙極性切換方式對(duì)電源進(jìn)行正反向供電的控制。通過調(diào)控發(fā)給電機(jī)的脈沖數(shù)，可以精確地控制角位移，而脈沖的頻率則用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，從而達(dá)到精確控制電機(jī)的位置和速度的效果。28BYJ48是一個(gè)四相八拍的步進(jìn)電機(jī)，可以在DC5V到DC12V的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，通過連續(xù)的脈沖輸入實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。其工作機(jī)制是在電機(jī)的三個(gè)相上產(chǎn)生變化的電流脈沖，在每個(gè)電流周期內(nèi)生成四個(gè)具有不同極性和頻率的方波脈沖。這造成步進(jìn)電機(jī)繞組的通電狀態(tài)發(fā)生變化，使得轉(zhuǎn)子按照特定的步進(jìn)角進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。在完成一個(gè)周期的脈沖后，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒輪的距離。圖3.13驅(qū)動(dòng)方式圖 這樣步進(jìn)電機(jī)在P1的正轉(zhuǎn)順序?yàn)镃W[]={0xf6，0xf7，0xf3，0xfb，0xf9，0xfd，0xfc，0xfe};//正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)就是正轉(zhuǎn)的逆過程代碼為CCW[]={0xfe，0xfc，0xfd，0xf9，0xfb，0xf3，0xf7，0xf6};//反轉(zhuǎn)這樣按一定的時(shí)間直行就會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。電源電路設(shè)計(jì)由于這次的設(shè)計(jì)方案中，所有電器均采用5V供電模式，無需進(jìn)行降壓或升壓操作，因此，用戶可以直接通過手機(jī)充電器頭或充電器來方便地供電。單片機(jī)使用的是5V的直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了一個(gè)三腳式的電源接口與一個(gè)六腳式的電源切換裝置。電源接口的主要職責(zé)是提供外部電源的連接點(diǎn)，其中的第一個(gè)腳與電源切換裝置的第三腳連接。電源切換裝置的第一腳和第三腳功能上與第四腳和第六腳相同，它們主要承擔(dān)電源正極輸出的任務(wù)。同時(shí)，第二腳和第五腳設(shè)為單片機(jī)系統(tǒng)的地線。在具體操作中，如果選擇第一腳和第三腳作為輸出，則第五腳作為地線端口；若選擇第四腳和第六腳為輸出，則第二腳將作為地線端口。在此次設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)中，無論是傳感器還是無線傳輸模塊，它們所需的供電電壓都維持在5V的范圍之內(nèi)。，因此5V的電壓是完全可以接受的。如果存在12V或其他電壓級(jí)別的傳感器，那么可以使用升壓模塊將5V電壓提升至更高水平以供應(yīng)電力。圖3.14電源電路設(shè)計(jì)圖按鍵設(shè)置電路在這個(gè)系統(tǒng)里，總共采用了四個(gè)獨(dú)立的按鍵，分別是K1、K2、K3以及K4。這次的設(shè)計(jì)按鈕主要用于功能的配置。當(dāng)你按下K1按鈕，可以去切換要調(diào)整的數(shù)據(jù)；K2按鈕實(shí)現(xiàn)加功能，K3按鈕實(shí)現(xiàn)減功能，K4按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)模式切換。實(shí)際上，單片機(jī)的按鍵電路是用于檢測高低電平的。當(dāng)按鈕被按下，單片機(jī)的IO接口會(huì)顯示為低電平狀態(tài)。單片機(jī)將依據(jù)電平的特性來確定程序應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的各種操作。然而，在編寫按鍵函數(shù)時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要特別留意。當(dāng)你按下按鈕時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，因此需要編寫一個(gè)用于消除這種震動(dòng)的函數(shù)。另外，還需要有一段時(shí)間的推遲。如圖展示的是按鍵與電路的連接引腳：圖3.15按鍵與電路的連接引腳圖濁度/光照采集電路設(shè)計(jì)濁度傳感器的工作原理是利用TS-300B濁度傳感器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以此來評(píng)估當(dāng)前的水體環(huán)境的濁度狀況。濁度儀的光學(xué)原理如圖3.16：圖3.16濁度儀的光學(xué)原理圖3.17濁度與電壓關(guān)系圖根據(jù)給定信息，通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)可以確定各種濁度對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值。在光照采集中，利用ADC0832完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，可通過電位器校正光照強(qiáng)度。光敏電阻基于光電效應(yīng)工作，其阻值隨光照強(qiáng)度變化。當(dāng)光照增加時(shí)，阻值降低，最低可達(dá)1KΩ以下；暗電阻通常為1.5MΩ。光敏電阻器常用于光測、調(diào)控和光電轉(zhuǎn)換，將光變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。硫化鎘光敏電阻器是一種常見類型，對(duì)于可見光敏感，與人眼感知光譜相似。在光控電路設(shè)計(jì)中，通常使用白熾燈泡或自然光作為光源，簡化了設(shè)計(jì)流程。圖3.18光控電路設(shè)計(jì)圖ADC0832是由美國國家半導(dǎo)體公司制造的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，它因其出色的兼容性、小巧的體積和高度的穩(wěn)定性而受到廣大用戶的喜愛，它是一款8位雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能傳送至單片機(jī)。ADC0832是一款具有8位分辨率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它特色在于雙通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力、與TTL/CMOS兼容的輸入輸出電壓水平，以及在5伏供電下0至5伏的輸入電壓范圍。此外，該轉(zhuǎn)換器在250千赫茲的頻率下工作，擁有32微秒的轉(zhuǎn)換速度，并且在正常運(yùn)作時(shí)僅需大約15毫瓦的功耗。，被認(rèn)為是本系統(tǒng)的理想選擇，因此選擇ADC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。表2.3A/D芯片引腳功能端口引腳功能CS片選使能，低電平芯片使能CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用DI數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制D0數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出CLK芯片時(shí)鐘輸入VCC/REF電源輸入及參考電壓（復(fù)用）GND接地在設(shè)計(jì)階段，A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0832與單片機(jī)連接的四個(gè)引腳分別是CS、CLK、DO和DI。單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后會(huì)切換到另一個(gè)端口進(jìn)行處理，并將結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。DO和DI并行連接在單片機(jī)上，因?yàn)樗鼈儾荒芡瑫r(shí)起作用。為了進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了保持通信有效，CS端必須維持在低電平狀態(tài)，同時(shí)單片機(jī)需要向CLK端傳遞時(shí)鐘脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)信號(hào)的選擇是通過DI端實(shí)現(xiàn)的。在時(shí)鐘信號(hào)的首個(gè)下降邊緣到來時(shí)，需要確保信號(hào)處于高電平狀態(tài)，并在隨后的第二個(gè)和第三個(gè)下降邊緣到來之前，輸入兩位數(shù)據(jù)以選定工作通道。連接濁度傳感器的輸出引腳與AD的任意通道0或1相連是可行的。ADC0832的8位分辨率可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以進(jìn)行精確分析。其緊湊、兼容、低成本和長壽命的特點(diǎn)使其適合作為智能電表。圖3.19濁度和光照強(qiáng)度檢測設(shè)計(jì)電路圖無線傳輸電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中，采用了HC05藍(lán)牙模塊作為無線通信的核心元件。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)的無線傳送至手機(jī)，并允許用戶通過手機(jī)實(shí)時(shí)操作物理設(shè)備，兼具主從功能且效率高。它支持一系列廣泛的波特率（從4800到1382400）。在建立微型網(wǎng)絡(luò)之前，該設(shè)備會(huì)處于待機(jī)模式，每隔1.28秒進(jìn)行一次消息監(jiān)聽。一旦設(shè)備被喚醒，它可以根據(jù)預(yù)設(shè)的32個(gè)頻率來監(jiān)聽信息。在主設(shè)備完成初始化并開始連接過程后，用戶可以通過查閱頁面信息來實(shí)現(xiàn)與已知設(shè)備的連接，或者利用廣播信息與未知設(shè)備建立連接。設(shè)備間通過信令傳輸信息，完成網(wǎng)絡(luò)通信和控制功能。設(shè)備可進(jìn)入節(jié)能模式，但需在主設(shè)備的配置中設(shè)置。低能耗操作模式有保持、休眠和監(jiān)聽。藍(lán)牙技術(shù)包括跳頻和時(shí)分多址，通過開關(guān)隔離電源，可切換電路輸入輸出。跳頻接收機(jī)基于單片機(jī)控制，跳頻器由跳頻指令生成器和頻率合成器組成。時(shí)分多址將時(shí)間和幀分割成不重疊的信道，實(shí)現(xiàn)多址連接。圖3.20藍(lán)牙模塊圖水位采集電路設(shè)計(jì)LM393主要特點(diǎn)如下：

（1）工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源：±1～±18V；

（2）消耗電流小，Icc=0.8mA；

（3）輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV；

（4）共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；

（5）輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

（6）輸出可以用開路集電極連接“或”門；采用雙列直插8腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8腳塑料封裝（SOP8）。LM393引腳圖及內(nèi)部框圖如圖3.21所示：圖3.21LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖LM393是一種高增益、寬頻帶的設(shè)備，但在比較器狀態(tài)變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)輸出電壓的過渡間隙，因寄生電容的耦合會(huì)導(dǎo)致振蕩。為避免這種情況，可使用補(bǔ)償電路調(diào)整反饋信號(hào)和微小的正反饋量，以實(shí)現(xiàn)快速信號(hào)轉(zhuǎn)換。LM393的輸出組件為NPN輸出晶體管，具有高靈敏度、輸出阻抗大、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。其飽和電壓受輸出晶體管的γSAT制約。在設(shè)計(jì)中，使用LM393電壓比較器進(jìn)行電壓比對(duì)，當(dāng)水位傳感器檢測到水位時(shí)，LM393輸出低電平，單片機(jī)據(jù)此判斷水位。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)被視為核心和焦點(diǎn)，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)的功能需求，并以系統(tǒng)的硬件電路作為軟件設(shè)計(jì)的基石。軟件設(shè)計(jì)要遵循軟件工程理論的基本思想，并結(jié)合具體的應(yīng)用需求，確定軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊，然后再按照軟件程序流程圖來編制出完整的系統(tǒng)軟件。為了確保所設(shè)計(jì)的軟件具有清晰的功能、便于閱讀和調(diào)試，以及良好的健壯性和可靠性，通常會(huì)選擇使用結(jié)構(gòu)化的編程方法。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循一定的原則。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)涵蓋了三個(gè)主要方面的任務(wù)：從上到下的設(shè)計(jì)、模塊化的編程以及結(jié)構(gòu)化的編程方法。另外，為了增強(qiáng)程序的穩(wěn)定性，有時(shí)還需對(duì)軟件的抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行加強(qiáng)。單片機(jī)系統(tǒng)的程序是用單片機(jī)C編程語言開發(fā)的REF_Ref29758\r\h[11]，整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的程序被分為六個(gè)模塊，分別是單片機(jī)數(shù)據(jù)處理、繼電器控制、溫度采集模塊、屏幕顯示模塊、蜂鳴器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在每個(gè)功能模塊中都有一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立子程序包。主程序中調(diào)用了子程序。軟件設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)軟件的核心設(shè)計(jì)理念是模塊化設(shè)計(jì)，這是將軟件分解為多個(gè)功能模塊以滿足不同用戶需求的關(guān)鍵。這一理念基于分解、信息隱藏和模塊獨(dú)立性。分解是將復(fù)雜問題分解為較小問題以降低總體工作量的常見方法REF_Ref31950\r\h[12]。在軟件系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)或部分可以被看作是由相對(duì)獨(dú)立的子功能模塊組成。模塊的數(shù)量越多，相互聯(lián)系就越緊密，但同時(shí)模塊接口的工作量也會(huì)增加。因此，需要合理劃分模塊數(shù)量和分配工作量，以確保整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)工作維持在最低水平。模塊獨(dú)立性是評(píng)估模塊結(jié)構(gòu)合理性的準(zhǔn)則，它涉及模塊內(nèi)部的內(nèi)聚性和模塊間的耦合。內(nèi)聚性指模塊內(nèi)部各部分在功能上相互獨(dú)立而不是互相依賴，而耦合描述的是模塊與其他模塊之間的聯(lián)系。模塊獨(dú)立性的評(píng)估有助于確保模塊的可重用性和系統(tǒng)的可維護(hù)性。另外，軟件開發(fā)過程中的文檔創(chuàng)建至關(guān)重要。文檔記錄了開發(fā)過程中涉及的各種數(shù)據(jù)、圖表等信息，有助于提升開發(fā)流程的可見性。軟件文檔對(duì)于需求理解、系統(tǒng)性能評(píng)估、錯(cuò)誤修復(fù)等方面都具有重要意義。通過編寫軟件文檔，開發(fā)者可以更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而提高開發(fā)效率。在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，選用KeilC51作為開發(fā)環(huán)境能夠顯著提升工作效率。KeilC51是與51系列微控制器兼容的一個(gè)C語言開發(fā)環(huán)境，它提供了廣泛的庫函數(shù)與一站式的開發(fā)及調(diào)試功能。此開發(fā)工具能夠高效生成目標(biāo)代碼，并且生成的匯編代碼緊湊、清晰，便于開發(fā)者理解與維護(hù)。利用KeilC51，開發(fā)人員可以更加方便地編輯、調(diào)整及執(zhí)行匯編語言程序，極大地提升了軟件開發(fā)的效率與便捷性。綜上所述，模塊化設(shè)計(jì)、模塊獨(dú)立性和軟件文檔的創(chuàng)建是系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中的重要方面。KeilC51作為一個(gè)優(yōu)秀的軟件開發(fā)平臺(tái)，為開發(fā)者提供了豐富的工具和便捷的開發(fā)環(huán)境，有助于提升軟件開發(fā)的效率和質(zhì)量。主程序工作流程圖系統(tǒng)軟件的主程序負(fù)責(zé)監(jiān)測魚缸內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)魚缸的智能控制。遵循軟件模塊化的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)功能被細(xì)分為多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)都由相應(yīng)的子程序來執(zhí)行；同時(shí)還對(duì)各功能模塊之間的相互關(guān)系進(jìn)行了描述，并給出各個(gè)模塊的程序清單。進(jìn)一步地，這些子程序被有機(jī)地融合在一起，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、顯示和時(shí)間等多個(gè)參數(shù)的有效采集REF_Ref20162\r\h[13-15]。通過對(duì)硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，最終得到了一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)REF_Ref29846\r\h[16]。這種設(shè)計(jì)方式，不僅有助于明確設(shè)計(jì)師的思維方向，同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也使得編寫和調(diào)試程序變得更為簡便。圖4.1主程序工作流程圖液晶顯示程序流程圖當(dāng)LCD1602液晶顯示屏啟動(dòng)后，首要步驟是初始化，確保屏幕和內(nèi)部存儲(chǔ)都被重置為零。同時(shí)還對(duì)各功能模塊之間的相互關(guān)系進(jìn)行了描述，并給出各個(gè)模塊的程序清單。隨后，該系統(tǒng)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向通訊，單片機(jī)負(fù)責(zé)控制顯示屏的亮度和顯示內(nèi)容，經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，檢測到的溫度和定時(shí)等信息會(huì)被展示在液晶顯示屏上。通過設(shè)定不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度值和計(jì)時(shí)間隔，可以對(duì)投喂過程中所需要的食物量做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。在確定投食的時(shí)間范圍和轉(zhuǎn)換時(shí)間時(shí)，可以根據(jù)按鈕的操作來實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)值。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制寫入引腳以寫入顯示內(nèi)容的指令。隨后，顯示屏?xí)?zhí)行命令，展示相關(guān)內(nèi)容。通過以上工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)食物量的自動(dòng)調(diào)整以及定時(shí)控制功能。LCD1602的顯示流程圖如3-2所示。圖4.2LCD1602初始化流程圖按鍵設(shè)置程序流程圖在按鍵設(shè)置程序的設(shè)計(jì)中，按鍵電路的功能并不豐富，但它配備了四個(gè)引腳。其中的兩兩是一樣的。當(dāng)需要連接電路時(shí)，只需連接兩個(gè)引腳即可。該工作的本質(zhì)是對(duì)于電信號(hào)的電平狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)用戶操作按鍵時(shí)，相應(yīng)的微控制器引腳(IO端口)將檢測到一個(gè)低電平信號(hào)。此時(shí)端口電平發(fā)生的變化會(huì)引起對(duì)應(yīng)的功能響應(yīng)。這些按鍵包括四個(gè)功能：增加、減少、確認(rèn)和切換工作模式。按鍵的功能隨著用戶處于的界面而異。按鍵程序流程圖如圖所示：圖4.3按鍵流程圖步進(jìn)電機(jī)程序流程圖將電動(dòng)機(jī)的正反方向轉(zhuǎn)換為本次設(shè)計(jì)中的自動(dòng)翻蓋部分。一個(gè)是電源控制引腳，另兩個(gè)分別為顯示和聲音控制引腳。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，它會(huì)判斷電機(jī)是否需要進(jìn)行正轉(zhuǎn)。如果需要，系統(tǒng)會(huì)依次為AB、BC、CD、DA通電以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)結(jié)束后，3S電機(jī)開始進(jìn)行反轉(zhuǎn)，即依次為AD、DC、CB、DA進(jìn)行充電。在每次啟動(dòng)過程中檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流信號(hào)，并將其反饋到單片機(jī)上進(jìn)行比較計(jì)算以達(dá)到自動(dòng)控制。圖4-4展示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)子的流程圖。攆鮪圖4.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序流程圖鈣薊糾廟。DS18B20溫度采集流程圖在電源激活之后，溫度監(jiān)測設(shè)備立即開始工作。該設(shè)備被安置于水體之中以監(jiān)控溫度變化，并將其轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)輸出。微控制器接收到這些信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理計(jì)算，并將處理后的數(shù)據(jù)展示在LCD1602顯示屏上。系統(tǒng)通過對(duì)比實(shí)時(shí)測量的環(huán)境溫度和預(yù)設(shè)定的目標(biāo)溫度值的差異來確定是否需要啟動(dòng)加熱機(jī)制，并予以相應(yīng)提示。在DS18B20數(shù)字溫度傳感器模塊投入使用之前，必須先進(jìn)行一次初始化過程。初始化完成后，模塊會(huì)讀取并記錄自己的唯一序列號(hào)，并發(fā)送一個(gè)指令來略過存取內(nèi)部存儲(chǔ)器的步驟。接著模塊啟動(dòng)溫度測量轉(zhuǎn)換，一旦完成轉(zhuǎn)換動(dòng)作，模塊會(huì)接收到一個(gè)復(fù)位信號(hào)。該傳感器會(huì)持續(xù)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取，除非遭遇干擾而被迫重新開始復(fù)位程序。DS18B20是程序的WENDU(inttemperature)；顯示溫度傳感器經(jīng)過短暫的延遲750usvoiddelay(uintcount)，然后發(fā)送復(fù)位信號(hào)voiddsreset(void)，readabit讀取一位字節(jié)，寫入一個(gè)直接到DS18B20里voidtmpwritebyte(uchardat)for(j=1;j<=8;j++){testb=dat&0x01;dat=dat>>1};發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，tmpwritebyte(0xcc);tmpwritebyte(0x44);最后獲取溫度。圖4.5溫度采集流程圖無線串口程序流程圖用戶可以用手機(jī)藍(lán)牙對(duì)附近設(shè)備進(jìn)行搜索，設(shè)備的默認(rèn)名稱是“HC-05”，添加藍(lán)牙設(shè)備后，輸入相應(yīng)的配對(duì)密碼，默認(rèn)設(shè)置為“1234”。點(diǎn)擊“下一步”按鈕，如果密碼設(shè)置正確，那么單片機(jī)與手機(jī)將會(huì)建立通訊連接，并在手機(jī)上選擇9600的波特率，圖4-6是HC-05藍(lán)牙通信模塊配對(duì)流程圖：圖4.6HC-05藍(lán)牙通信流程圖在本次設(shè)計(jì)中，選擇了HC-05藍(lán)牙模塊作為單片機(jī)與手機(jī)之間的主要通訊手段。首先為藍(lán)牙透傳模塊供電，這時(shí)候LED開始閃爍。單片機(jī)上的藍(lán)牙模塊也開始工作，藍(lán)牙的主要功能是通過串口來傳輸數(shù)據(jù)，首先是將voiduart_init（unsignedintbaud）初始化；接下來，設(shè)定了9600的設(shè)置率，并確定總斷EA=1；從串口開始，數(shù)據(jù)字符串被發(fā)送：voiduart_send（unsignedchar*bufsunsignedcharlen）bufs是一個(gè)字符串，其中l(wèi)en代表字符串的長度；請耐心等待while（len--）的發(fā)送完成圖4.7藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸流程圖濁度/光照程序流程圖在獲取濁度或光照強(qiáng)度的模擬信號(hào)之后，這些信號(hào)會(huì)被傳輸給adc0832進(jìn)行后續(xù)處理。對(duì)ADC0832進(jìn)行初始化完成后，鑒于其具備兩個(gè)輸入通道的特性，需要進(jìn)行通道選擇操作。在本設(shè)計(jì)中，選定了通道0來進(jìn)行信號(hào)讀取，且每個(gè)獲取的數(shù)據(jù)以8位字節(jié)形式存在。通過這一過程，最初的模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行讀取。首先對(duì)adc0832的引腳進(jìn)行初始化，其中ADC0832_DIO等于Ch；從CH=0的選擇通道0adc0832開始，你可以讀取ad_value_temp=Read_ADC0832的數(shù)據(jù)；在讀取經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，從其最高位置開始，依次輸出（D7~D0）for（i=0；i<8；i++）dat<<=1；//左移運(yùn)算符，例如c<=c=c<<<2，將c左移2位得度到的值給c。dat=dat<<1，將dat左移1位得度到的值給dat；dat|=ADDO；///C語言中的|=解釋為：按位或后賦值。C語言中的^=解釋為：根據(jù)位異或后賦值。C語言中的&=ADDO；//C語言中的|=端拉值/表示：按位與后賦值ndat。圖4.8濁度/光照程序流程圖

蜂鳴器報(bào)警流程圖在設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，采用了蜂鳴器作為警報(bào)裝置，它與家用電器中的揚(yáng)聲器具有一定的相似性。蜂鳴器的運(yùn)行電流通常較高，導(dǎo)致其不易直接通過TTL邏輯電平的電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此，必須引入一個(gè)電流增強(qiáng)電路來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。這也就意味著，要驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，僅靠微控制器的某個(gè)引腳是不足夠的。為此，設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)三極管來提高流經(jīng)蜂鳴器的電流。蜂鳴器的正極連接至三極管，同時(shí)，為防止三極管直接飽和導(dǎo)通，還串聯(lián)了一只限流電阻。該電阻通過微控制器的IO口向三極管提供高電平信號(hào)。當(dāng)該IO口輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，使得電流能夠在蜂鳴器形成閉環(huán)，進(jìn)而產(chǎn)生聲音。反之，當(dāng)三極管的控制引腳處于低電位時(shí)，蜂鳴器則停止工作。該設(shè)計(jì)的電路圖詳見圖4.9單片機(jī)輸出高電平蜂鳴器報(bào)警單片機(jī)輸出高電平蜂鳴器報(bào)警是否觸發(fā)報(bào)警條件報(bào)警程序入口返回YNY圖4.9報(bào)警流程圖系統(tǒng)調(diào)試只需將所有的器件焊接在板上，系統(tǒng)就可以開始調(diào)試。這一過程的核心目標(biāo)是解決系統(tǒng)中的硬件問題，優(yōu)化其硬件架構(gòu)，測試并執(zhí)行設(shè)計(jì)的程序，糾正程序中的錯(cuò)誤，調(diào)整程序結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的功能，從而實(shí)現(xiàn)軟件的固化和產(chǎn)品化。系統(tǒng)硬件調(diào)試在控制系統(tǒng)中，硬件和軟件的調(diào)試是相互交織的，但通常首先需要解決系統(tǒng)的硬件問題，特別是電源問題，這樣才能確保連接的安全性并進(jìn)行全面的測試REF_Ref31950\r\h[16]。1.連線錯(cuò)誤、電路斷開、以及短接問題：此類故障常因設(shè)計(jì)不當(dāng)或制造過程中的技術(shù)失誤而發(fā)生，主要表現(xiàn)為連線錯(cuò)誤、電路未正確連接或短接等情況。解決方法：在制作原理圖時(shí)，通過細(xì)致審核和調(diào)整，可有效避免這些問題。2.元器件損傷：由于對(duì)元器件的使用標(biāo)準(zhǔn)不夠熟悉，以及在制造和調(diào)試階段操作失誤，導(dǎo)致了元器件的損壞。解決方案：在設(shè)計(jì)階段，需要明確各個(gè)元器件的工作環(huán)境，并嚴(yán)格遵循制造規(guī)范進(jìn)行操作。任何損壞的元器件都應(yīng)及時(shí)替換，以防止對(duì)其他元件造成損害或妨礙電路功能的正常運(yùn)行。3.電源問題：在設(shè)計(jì)階段，電源出現(xiàn)了故障，這意味著一旦通電，元器件可能會(huì)受損，導(dǎo)致供電中斷，從而使電路無法正常運(yùn)行。電源故障分為內(nèi)部故障與外部故障兩類。電源可能出現(xiàn)的問題有：電壓與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不匹配，電源的引出線與插座不匹配，不同檔次的電源發(fā)生短路，變壓器的功率不達(dá)標(biāo)，內(nèi)部電阻過大，以及負(fù)載承受能力不足等。解決方案：在將電源添加到系統(tǒng)的各個(gè)組件之前，必須對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)試。在本設(shè)計(jì)方案中，由于電源問題已經(jīng)出現(xiàn)，因此需要多次更換電源以確保其正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件調(diào)試設(shè)計(jì)軟件部分出現(xiàn)這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象：在設(shè)計(jì)軟件的過程中，出現(xiàn)了這樣的錯(cuò)誤情況：當(dāng)目標(biāo)系統(tǒng)以斷點(diǎn)或連續(xù)的模式運(yùn)行時(shí)，它可