基于ATmega64智能鱼缸控制系统的设计

孔得丰

无锡城市职业技术学院现代教育技术中心

摘要：

随着科学技术的进步, 人们的生活水平不断提高, 对养殖观赏鱼和种植水草等提出了更高的要求。根据现阶段国内外智能鱼缸行业的发展状况, 结合鱼缸的日常养护需求, 开发了基于ATmega64微控制器的智能鱼缸。其除了实现鱼缸环境温度调节功能、定时投饵功能、定时换水功能和定时照明功能外, 还增加了鱼缸及装饰石子等物体自动清洗功能。

关键词：

单片机; 智能鱼缸; 控制系统;

作者简介： 孔得丰 (1980—) , 男, 江苏淮安人, 本科, 讲师。研究方向:计算机应用。;

Design of Intelligent Fish Tank Control System Based on ATmega64

Kong Defeng

Modern Education Technology Center, Wuxi City College of Vocational Technology

Abstract：

With the advancement of science and technology, people's living standards have been continuously improved, and higher requirements have been put forward for the cultivation of ornamental fish and aquatic plants. According to the development status of intelligent aquarium industry at home and abroad at this stage, and combined with the daily maintenance needs of aquarium, an intelligent aquarium based on ATmega64 microcontroller is developed. In addition to realizing the function of adjusting the temperature of the fish tank environment, feeding regularly, changing water regularly and lighting regularly, it also adds the function of automatic cleaning of the fish tank and decorative stones.

Keyword：

single chip microcomputer; smart fish tank; control system;

1 研究背景

鱼缸又称水族箱, 主要是用来饲养金鱼、热带鱼或水生动植物的透明容器, 发挥观赏作用。通常鱼缸四周至少有一侧为透明玻璃或高强度的透明塑料。水族箱一词诞生于英国, 已使用150多年。水族馆养殖是世界上最受欢迎的产业之一, 全世界有超过六千万水族馆爱好者。水族箱的类型有很多, 有简单的小鱼缸, 只能容纳1～2条鱼, 也有具有复杂生态模拟系统的水族箱^[1]。

随着科技的进步, 人们的生活水平不断提高, 对养殖观赏鱼和种植水草的要求不断提高。鱼缸不仅仅被视为养观赏鱼的一种容器, 还被认为是一个天然的微观世界, 是一个相对完整的生态系统。初始, 水族箱多数用于公园、海洋馆等公共场所供人们观赏, 随着人们生活水平的提高, 科学技术迅速发展, 水族养殖产业随之快速发展, 水族箱已成为普通家庭室内装饰选择之一^[2]。目前, 市场上鱼缸种类繁多, 有的可以调节鱼缸水温, 有的可以通过加注新水改善水质, 有的具有定时投饵装置, 逐渐向自动化、智能化方向发展^[3], 满足人们对鱼缸的需求。但是, 人们认为鱼缸换水、鱼缸及缸内物件清洗过于繁琐。基于此, 设计了一种智能鱼缸控制系统, 能够解决传统鱼缸的不足, 为人们养鱼提供便利。

2 发展现状

通过查阅相关文献, 当前智能鱼缸大部门由中心控制功能、投食功能、环境温度调节能、换水功能、灯光控制功能、显示功能以及按键功能等模块组成, 通过按键设定, 控制鱼缸环境温度, 定时投食、定时换水, 根据时间及环境光线自动调节光线强弱, 并在显示模块上显示相关信息。根据现阶段国内外智能鱼缸行业的发展现状, 结合智能鱼缸日常维护保养需要, 开发设计了基于ATmega64的智能鱼缸控制系统。除以上功能外, 其还增加了鱼缸及装饰石子等物体自动清洗功能。

3 设计方案

       3.1 工作原理

基于ATmega64的智能鱼缸控制系统主要功能模块有电源调压、主板控制、开关按键、时钟控制、水位监测、水温控制、清洗功能、电动驱动、显示模块、亮度调节、电磁阀控制、彩灯控制、温度监测、供氧控制、语音播报和计算机通信等。其具有自动换水功能, 可自动清洗鱼缸及装饰石子等物体, 精准掌握喂饵时间, 提醒用户喂食, 恒温控制鱼缸, 并及时对鱼缸中的水供氧。系统硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构

基于ATmega64的智能鱼缸控制系统中, 电源模块使用VIPER22A开关电源变换器设计的12 V开关电源^[4], 通过调压模块, 将12 V电压转换为+5 V和+3.3 V电压为系统供电, 保证系统正常工作。通过开关按键开启鱼缸控制系统, 同时, 主控模块驱动彩灯发光, 表示系统开启, 营造灯光效果。鱼缸系统通过通信总线与计算机相连, 由计算机向主控模块发送控制指令, 从而实现鱼缸的换水、清洗功能。

鱼缸需要换水时, 主控模块向排水电磁阀模块发送控制指令, 排水电磁阀模块打开排水电磁阀。为了避免鱼缸中的鱼从排水电磁阀中流出, 在排水电磁阀上放置过滤网。水位检测模块中的低水位检测探头向主控模块传送低电平信号, 主控模块判断鱼缸中的水排放完毕, 驱动抽水电机模块进行抽水工作。抽水电机模块将储水箱中的水抽送到鱼缸中, 当水位检测模块的高水位检测探头向主控模块传送低电平信号时, 主控模块判断鱼缸中的水装满, 停止抽水工作。测温模块用于检测鱼缸中的水温, 当温度低于设定值时, 主控模块驱动控温模块加热;当达到设定温度值时, 主控模块驱动控温模块停止工作。当鱼缸放满水后, 主控模块控制供氧模块接通, 通过增氧泵和气石为鱼缸中的水增氧。亮度模块用于监测鱼缸四周环境的光线强弱, 根据检测的光线强弱信息调节背光亮度强弱, 使显示模块能够清晰显示数据。时钟模块为系统提供实时时间, 并通过显示模块显示, 同时, 时钟模块为系统提供定时功能, 用户根据需要通过计算机端设定喂食时间。当喂食时间到达时, 主控模块驱动语音模块播放“请及时喂食”的语音提醒, 提醒用户喂食。

鱼缸长时间使用后, 鱼缸及装饰石子等物体会变脏, 影响鱼儿的生存环境和美观, 需使用清洁功能清洁鱼缸。将鱼缸中的鱼捞出, 计算机控制主控模块驱动清洁模块工作, 清洁模块发射超声波, 对鱼缸及装饰石子等物体进行振荡清洗。超声波在液体中传播时, 声音聚变使液体发生强烈空化和乳化现象, 产生的微小空化气泡爆破, 产生强大的冲击力和负压吸力, 剥离顽固污垢并杀死细菌、病毒。超声波清洗后, 驱动电动刷驱动模块工作。电动刷清洁鱼缸及装饰石子等物体, 打开排水电磁阀排水, 同时, 清洁排水阀上的过滤网, 保证脏水顺利排出。

电动刷驱动电路的输入端连接主控模块的输出端, L298N驱动芯片用于电动刷驱动模块。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装, 主要特点是工作电压高, 最高工作电压可达46 V;输出电流大, 瞬间峰值电流可达3 A, 持续工作电流为2 A;额定功率为25 W。芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器, 可用来驱动直流电动机、步进电动机、继电器线圈等负载, 采用标准逻辑电平信号控制, 具有两个使能控制端, 在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端, 使内部逻辑电路在低电压下工作, 可以外接检测电阻, 将变化量反馈给控制电路。通过L298N芯片驱动电机, 可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机, 也可以驱动两台直流电机。电动刷驱动模块的OUT₁端和OUT₂端与电机相连, 用于驱动电机工作, 电机的转轴带动刷头转动, 从而清洗排水电磁阀上的过滤网。自动清洗电路如图2所示。

图2 自动清洗电路

      3.2 系统设计

主控模块采用ATmega64单片机。抽水电机模块的输入端、排水电磁阀模块的输入端、彩灯模块的输入端、温控模块的输入端、供氧模块的输入端和语音模块的输入端, 都与主控模块的输出端连接, 并通过通信总线连接计算机。通信总线采用MAX232电平转换芯片, 使用高精度10μF/50 V的钽电容完成电平转换, 转换后的串行信号TXD、RXD直接与主控模块的串口连接。

电源模块采用VIPER22A开关电源变换器, 应用单片VIPER22A开关电源变换器制作12 V开关电源, 电源模块将220 V市电转换为12 V直流电, 并传送给调压模块。电源模块启动过程为接通电源瞬间, VIPER22A变换器内的高压电流源投入运行, 并自动启动电源。当来自高压电流源的UDD端电压达到开启电压值Vdd (on) =14.5 V时, 高压电流源被关断;当U_DD端电压降为芯片关断值Vdd (off) <8V时, 高压电流源自动开启。该集成电路结构精练, 稳定可靠程度高。输出电压反馈端FB的电压为0～1 V。单端反激式变换器的整流脉宽超过1/2周期, 故在市电波动较大的场所仍能保有良好的电压调整率。当输出端的负载电流发生变化时, 输出电压随之变化, 引起N₃输入端电压变化。N₃输出端的变化通过光耦N₂使N₁的FB电压变化, N₁内的功率MOSFET的栅极脉宽反向变化, 最终引起输出端电压反向变化。稳压器的源电压调整率通常优于负载调整率, 对于开关稳压器亦是如此。应用VIPER22A器件制作的稳压器, 负载调整率低于源电压调整率, 一般应用于输出电流固定或变化不大的场合。电源电路如图3所示。

图3 为电源电路

亮度模块采用LX1970光亮传感器进行检测。LXl970是一种可见光亮度传感器, 能实现人眼仿真集成化的可见光亮度, 峰值发光波长为520 nm, 电流灵敏度为0.38μA/lx, 暗电流为10 nA, 非线性误差小, 重复性好。两个互补输出端的电流不对称度仅为±0.5%, 可任选一端作为输出。外围电路简单, 使用方便, 价格低廉, 低压供电, 微功耗。采用2～5.5 V电源, 电源电流可低至85μA (典型值) , 工作温度为-40～+85℃^[5]。LX1970光亮传感器将采集到的显示模块界面光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端SRC和SNK, 主控模块通过判断SRC和SNK电流的大小, 得到环境亮度值, 实现显示模块背光亮度的自由调节。亮度检测模块的电流输出端SRC通过电阻R₂与显示模块的LED端相连, 通过OUT₁＿LCD、OUT₂＿LCD、OUT₃＿LCD端与主控模块的PC₇、PC₆、PC₅脚相连, 控制亮度检测模块的SRC端、SNK端与显示模块间的电流通断, 利用src端输出光-流转换的结果, 实现流压转换。该芯片性能稳定, 灵敏度极高。

电动刷驱动模块采用L298N驱动芯片。L298N驱动芯片是SGS公司的产品, 内部包括4通道逻辑驱动电路。L298N是一种二相和四相电机的专用电机驱动器, 即双H桥的高电压大电流双全桥驱动器。它接收标准TTL逻辑电平信号, 可驱动电机低于46 V、2 A。1、15和8引脚直接接地;4引脚VS接2.5～46 V的电压, 用来驱动电机;9引脚接4.5～7V的电压, 给L298芯片提供电源;6和11引脚是两个使能端, 分别控制两个电机, 当管脚电压为高电平时, 两个电机才可能工作;5、7、10和12引脚是L298N的信号输入端, 与主控模块的I/O口相连;输出端为2、3、13和14引脚, 输出端2引脚和3引脚受输入端5引脚和7引脚的控制, 输出端13引脚和14引脚受输入端10引脚和12引脚控制。

供氧模块采用SY-Q2增氧气泵。SY-Q2增氧气泵, 2.5W低功率, 省电, 寿命长, 运行稳定, 锥形消音垫脚, 减少接触面积, 最大限度减少震动噪音。增氧泵是否静音的一个关键部件是皮碗, 皮碗柔软度越好, 震动产生的噪音越小。SY-Q2增氧泵具有出气量调节旋钮, 分段微调式调节出气量大小, 可根据需要自行调节。SY-Q2增氧气泵工作原理是当电磁铁线圈通电时, 电磁铁由电生磁产生磁力, 磁力吸合铁片, 反复驱动皮碗运动, 同时, 打开常闭触点, 使电磁铁断电失去磁力, 铁片因弹簧弹力恢复原位, 常闭触点恢复闭合状态, 线圈得电, 电磁铁产生磁力, 铁片吸合。连续重复上述动作, 连续驱动皮碗吸气、排气, 空气通过气管传入到鱼缸的气石上, 再通过气石送到鱼缸中, 达到增加氧气的功能。

测温模块采用FH-BWF104F3990FB-R热敏电阻。广东肇庆风华电子工程开发有限公司开发的热敏电阻是一种玻封NTC高精度热敏电阻器, 标准阻值为100 kΩ。利用35 kΩ的电阻分压, 通过模数转换采样热敏电阻端的电压。由于温度传感器为非线性传感器, 因此温度值通过查表形式。无源低通滤波电路由R₉和C₁₄构成, ADC端传送给ADC0832的CH0端, ADC0832芯片将模拟信号转换为电信号, 并传送给主控模块进行处理。

4 结语

基于ATmega64的智能鱼缸控制系统设计, 开发过程中, 阅读了大量智能鱼缸养护方面的资料, 并做了充分的市场调研, 最终确定该系统的基础功能。围绕自动清洗鱼缸中装饰石子等物体的功能提出详细方案, 并围绕该方案开展系统开发。目前, 该系统已获得国家实用新型专利证书 (ZL201721901701.8) 。电子技术的更新速度快, 该智能鱼缸控制系统还存在很大改进空间, 如智能手机功能日渐强大, 可以利用手机随时监控智能鱼缸参数和实时画面等。