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基于单片机的鱼缸监测与远程管理系统设计

news 2025/10/25 10:15:46

基于单片机的鱼缸监测与远程管理系统设计

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1. 系统功能概述

本设计的目标是实现一个集水质监测、设备自动控制和远程管理于一体的智能鱼缸监测系统。系统以单片机作为核心控制单元，通过集成温度传感器、pH传感器和水质传感器，实时采集鱼缸的环境参数，并通过LCD液晶显示屏显示相关信息。用户可以通过串口通信实现远程监控和设备管理，从而实现对鱼缸环境的智能化维护。

系统主要功能如下：

水质监测：实时采集鱼缸内水温、pH值和溶解氧浓度等关键指标，并对异常数据进行提示。
自动控制：系统能够根据监测到的参数自动调节制氧机和加热器的启停状态，维持水质稳定。
远程通信：通过串口通信或WiFi模块（如ESP8266）实现远程数据传输，用户可在上位机或手机端查看实时数据并下发控制命令。
状态显示：LCD显示屏实时显示水温、pH值、氧气浓度及设备状态，让用户对鱼缸情况一目了然。
安全报警：当监测到温度过高、pH值异常或溶解氧过低时，系统会触发蜂鸣器报警，提示用户采取措施。

本系统具有可靠性高、成本低、功能完善的特点，适合家庭及社区水族场景使用。

2. 系统电路设计

系统以单片机（如STC89C52或STM32F103C8T6）为核心控制单元，外围电路包括传感器采集模块、LCD显示模块、通信模块、执行控制模块及报警模块。电路设计的整体思想是模块化、低功耗和高可靠性。

2.1 单片机最小系统

单片机作为整个系统的核心部分，主要负责传感器数据采集、逻辑判断、显示控制、通信以及设备驱动。
单片机最小系统包括：

时钟电路：使用12MHz或11.0592MHz晶振提供系统主时钟。
复位电路：上电自动复位，并可手动复位以保证系统稳定运行。
供电模块：采用稳压芯片（如7805）提供稳定的5V电源给单片机及外设使用。

单片机通过I/O口与各个传感器、执行器以及显示模块相连，实现协调控制。

2.2 温度检测模块

温度检测模块采用DS18B20数字温度传感器。该传感器采用单总线通信，精度高达±0.5℃，适用于水温测量。
系统通过单片机的I/O口读取DS18B20的温度数据，再经过处理后送入显示模块与控制逻辑。

主要特性：

采用单线通信，节省I/O资源；
防水封装可直接浸入水中；
可设置报警温度上下限。

系统可根据测得的温度自动控制加热器启停。例如，当温度低于25℃时，自动打开加热器；高于30℃时自动关闭。

2.3 pH值检测模块

pH传感器模块用于检测水质的酸碱度，输出模拟电压信号，经ADC模块采样后送入单片机进行处理。
通常pH探头的输出电压在0~5V范围内，pH值与电压呈线性关系，系统通过公式进行标定和换算。

例如：

pH = 7 + (2.5 - 电压值) × 3.5

该模块对于鱼缸系统至关重要，pH值偏离正常范围（6.5~8.5）会导致鱼类应激或死亡，系统检测到异常时会发出报警。

2.4 水质检测模块

水质检测模块包括溶解氧传感器或TDS（水质硬度）检测模块，用于综合判断水体健康状态。
传感器输出模拟信号，经过A/D转换后由单片机采集。系统将监测结果与设定阈值比较，若溶解氧低于设定值，则自动开启制氧机。

该部分的设计提高了系统的智能化程度，实现了对鱼缸环境的闭环控制。

2.5 显示模块

显示部分采用LCD1602液晶显示模块，用于实时显示水质参数和系统运行状态。LCD1602为字符型液晶显示屏，可显示两行字符，每行16个字符，支持显示水温、pH值、溶氧浓度、设备状态等信息。

显示示例：

Temp: 27.5C  pH:7.2
O2: 6.8mg/L  Heater:ON

LCD通过并行接口与单片机相连，系统在主循环中实时刷新显示内容，保证数据更新及时。

2.6 执行与控制模块

执行模块包括加热器控制和制氧机控制两部分。

加热器控制：
单片机通过继电器或MOS管控制加热器通断。当温度低于设定值时，单片机输出高电平驱动继电器闭合，开启加热器；反之则关闭。
制氧机控制：
当检测到溶解氧浓度低于阈值，系统自动开启制氧机，通过继电器输出控制端实现设备通断。

为了安全考虑，电源与负载部分采用光耦隔离，避免高压电干扰单片机。

2.7 串口通信模块

通信部分采用UART串口实现数据交互，可通过上位机软件（如串口调试助手）实现远程监控与控制。
系统周期性发送监测数据（如温度、pH值、溶解氧浓度、设备状态）到上位机，同时接收用户指令控制设备开关。

若采用ESP8266 WiFi模块，则可以进一步扩展为云端远程管理系统，实现APP端查看实时数据和报警信息。

2.8 报警模块

报警部分由蜂鸣器与LED指示灯组成。
当系统检测到异常（如温度过高、pH值偏离正常范围、水质污染严重）时，蜂鸣器响起并闪烁红色LED，以提醒用户及时处理。

3. 程序设计

系统软件采用C语言编写，基于模块化结构，主程序实现任务调度，各功能模块独立运行。主要程序包括主控程序、温度采集子程序、pH值采集与换算子程序、控制逻辑模块、显示驱动模块和通信模块。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、任务调度与主循环运行。系统采用轮询方式，不断采集传感器数据并更新显示与控制逻辑。

示例代码如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "ds18b20.h"
#include "adc0832.h"
#include "uart.h"void main() {float temp, ph, o2;unsigned char heater = 0, oxygen = 0;LCD_Init();DS18B20_Init();ADC0832_Init();UART_Init();while(1) {temp = DS18B20_ReadTemp();ph = ADC0832_Read(0);o2 = ADC0832_Read(1);if(temp < 25) heater = 1;else if(temp > 30) heater = 0;if(o2 < 5.0) oxygen = 1;else oxygen = 0;LCD_ShowFloat(1,1,temp);LCD_ShowFloat(1,10,ph);LCD_ShowFloat(2,1,o2);UART_SendData(temp, ph, o2, heater, oxygen);DelayMs(500);}
}

该程序实现了实时采集、控制与显示的核心功能，并通过UART周期性发送数据。

3.2 温度检测程序模块

温度检测程序通过单总线协议与DS18B20通信，读取当前温度数据并返回浮点值。

float DS18B20_ReadTemp(void) {unsigned int temp;unsigned char low, high;DS18B20_Start();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0x44);DelayMs(750);DS18B20_Start();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0xBE);low = DS18B20_ReadByte();high = DS18B20_ReadByte();temp = (high << 8) | low;return (float)temp * 0.0625;
}

该模块精度高，响应快，可用于长期连续测量。

3.3 pH值检测与换算程序

pH值传感器输出电压信号，经过ADC0832采集并换算为具体pH值。

float Get_pH_Value(void) {float voltage = ADC0832_Read(0) * 5.0 / 255.0;float pH = 7 + (2.5 - voltage) * 3.5;return pH;
}

系统通过该函数获取pH值，并在主程序中进行显示与判断。

3.4 显示模块程序

LCD显示函数负责在液晶上实时更新温度、pH值、氧气浓度等参数。

void Display_Data(float temp, float ph, float o2, bit heater, bit oxygen) {LCD_SetCursor(0,0);LCD_Printf("T:%.1fC  pH:%.2f", temp, ph);LCD_SetCursor(1,0);LCD_Printf("O2:%.2fmg/L", o2);if(heater) LCD_Printf(" H:ON");else LCD_Printf(" H:OFF");
}

显示模块采用定时刷新机制，避免闪烁现象。

3.5 控制逻辑模块

控制逻辑根据设定阈值自动启停制氧机与加热器，并触发报警。

void Control_Devices(float temp, float ph, float o2) {if(temp < 25) Heater_On();else if(temp > 30) Heater_Off();if(o2 < 5) Oxygen_On();else Oxygen_Off();if(ph < 6.5 || ph > 8.5) Alarm_On();else Alarm_Off();
}

该部分逻辑保证了鱼缸环境的动态平衡与安全运行。

3.6 通信模块程序

UART通信模块用于实现与上位机的数据交互。

void UART_SendData(float temp, float ph, float o2, bit heater, bit oxygen) {char buf[50];sprintf(buf, "T=%.1f,pH=%.2f,O2=%.2f,H=%d,O=%d\r\n", temp, ph, o2, heater, oxygen);UART_SendString(buf);
}