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单片机控制下的鱼缸水循环系统设计

摘要：随着科技的不断开展，智能化产品越来越多融入到居家生活中。本文设计了一种

基于单片机控制的鱼缸水循环系统，利用超声波测距模块得到实时水位高度，将水位高度实

际值送入单片机进行处理比拟，进而控制注水、排水水泵的工作，实现智能化管理。本文详

细阐述了系统的硬件结构与软件编程的过程，经过仿真软件模拟与实际成品测试均得到预期

效果。

关键词：智能化；水循环系统；超声波测距

随着人们生活水平居住环境的提高和改善，养鱼成为日常生活中陶冶情操的一种乐趣，

越来越多的家庭以及办公场所均能看见鱼儿的身影，但是往往观赏的背后却要付出很多辛苦

劳动。市面上的鱼缸多采用背部过滤设计，可以在过滤的同时给鱼缸加氧，这需要时常向鱼

缸背部添水，由于养鱼者忙碌或出差不在家不能及时给鱼缸添水导致过滤系统损坏，或者要

经常给鱼缸换水费时费劲，所以普通鱼缸无法满足人们对智能化产品的需求，特别对于忙碌

的上班族来说，养鱼往往是赏心悦目，却要被这些繁琐事情牵绊。所以设计一款鱼缸的自动

水循环系统是非常必要的，为人们自动控制管理鱼缸水位高度，清理鱼缸提供了很大的便利。

1系统总设计

该设计是以STC89C51单片机芯片为整体控制中心，总体设计框图如图1所示。由超声

波测距模块、LCD液晶显示模块、按键电路模块、以及水位高度测量电路、报警电路等结构

组成得以实现鱼缸水循环系统。该设计实现了实时监测显示鱼缸水位高度，并兼具两种控制

鱼缸水位的模式：自动模式、手动模式。自动模式主要适用于无人看守鱼缸并需要实时向鱼

缸里加水情况，在无人看守下，可以设定系统为自动模式。背部过滤设计的鱼缸水分蒸发较

快，由于养鱼者没有及时向鱼缸添水，可能会导致过滤系统烧坏。在自动模式下，利用软件

编程可以设置最高水位值和最低水位值，也可以通过单片机上设置按键改变水位高度设定值，

当鱼缸水分蒸发低于设定最低值时，系统自动报警，红灯指示灯亮同时注水水泵工作，向鱼

缸里加水。手动模式更适用于清理鱼缸时自动换水情况，在手动模式下，实时显示鱼缸液位

高度，但是报警电路不工作，当鱼缸需要换水时，可以切换成手动模式，按下设置键选择排

水，当鱼缸水抽净后通过按键控制而停止抽水，再按下设置键选择注水，由此实现了自动水

循环过程。

2硬件设计计划

根据上述对系统的设计要求，具体实施过程与元器件选择如下：

2.1单片机最小系统：

首先考虑系统应有掉电爱护的功能，所以在选取单片机上选择了内部含有EEPROM的存

储空间的芯片【1】，对每次设定好的水位数据值进行记忆存储，在单片机第二次开机时，系

统首先读取EEPROM的上一次记忆存储值显示在屏幕上，不会因为忽然掉电、上电改变高度

值从而影响鱼缸水位。由于51系列单片机内存为4K可以满足鱼缸整体程序的存储空间，加

之本钱低、可在线编程下载、可靠性高、市场应用高的特点，综合决定选取STC89C51为主

控芯片。最小系统还包含了电源电路、复位电路和时钟电路。考虑到51单片机的工作电压

是5V左右，本次供电方式采用5V移动电源供电。对于时钟电路主要是单片机晶振的选取，

由于本次设计对系统的实时性要求不高，再考虑到功耗，本钱的问题时，11.0592M晶振足

以满足系统需求。

2.2显示模块：

由于设计要求需要，显示模块需要显示实时鱼缸液位高度、显示设置的液位最高值和最

低值以及模式状态，显示内容较多。LCD1602液晶显示屏完全可以合乎设计需求。LCD1602

的八位数据端口〔D0-D7〕分别连接单片机P0.0-P0.7端口，RS、R/W、使能端E分别连接单

片机P1.0-P1.2端口，经过软件编程对液晶显示屏控制后，在液晶屏第一行显示模式状态和

水位高度，第二行显示液位设置最高值最低值高度。

2.3超声波测距模块：

此模块是设计的核心，主要功能是实时测量液位高度。对于测量液位高度，国内外有二

十几种检测方式，如电阻式、光纤式液位测量等【2】，最终选取超声波测量主要考虑的是尽

量不选择在鱼缸的水中放入传感器，而超声波测量办法是非接触式测量【3】，利用超声波脉

冲反射和脉冲反射回波进行相应计算得到测量结果。超声波模块选取的是HC-SR04，其最大

探测范围是4m，如图2为超声波模块接口图，GND、VCC分别接地和5V电源，Trig为控制

端口连接单片机P2.6接口，工作时需要单片机给该端口一个高电平