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摘 要
随着社会经济的迅速发展，生活质量的提高，人们对家庭休闲娱乐设施的需求也不断增加，水族宠物行业也因此蓬勃发展。由于当前市场上常见的智能鱼缸的科技属性和便捷程度并不高，因此设计一个节能高效的智能鱼缸是有必要的。本课题研究的内容为智能多功能鱼缸设计。该套系统主要由温度模块、水位、舵机、STM32单片机、水泵、OLED屏幕、继电器、按键等部分组成，采用单片机技术处理对温度、水位等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用舵机模拟喂食，按键用来调整模式。样机测试结果表明: 该装置设计合理，动作准确，技术上可行、可靠，具有应用推广价值。
关键词：温度模块；传感器；STM32单片机
ABSTRACT
With the rapid development of social economy and the improvement of life quality, people’s demand for family leisure and entertainment facilities is also increasing, so the aquarium pet industry is booming. Due to the scientific and technological attributes and convenience of the smart fish tank commonly seen in the market at present, it is necessary to design an energy-saving and efficient smart fish tank. The content of this research is the design of intelligent multi-function fish tank. The system consists of temperature module, water level and rudder. Machine, STM32 microcontroller, water pump, OLED screen, relay, keys and other parts of the system, using single-chip technology to deal with the temperature, water level sensor parameters for processing, with relay control circuit to control the water pump water, oxygen, heating, with the steering gear simulation feeding, keys used to adjust the mode. The test results of the prototype show that the device is reasonable in design, accurate in action, technically feasible and reliable, and has the value of application and promotion.
Keywords: temperature module; sensor; STM32 microcontroller
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 主要研究内容 2
第2章 系统总体结构 4
2.1 设计方案 4
2.2 元器件选型 4
2.2.1单片机型号选择 4
2.2.2通信模块选择 5
2.2.3显示模块选择 6
第3章 系统的硬件部分设计 8
3.1系统总体设计 8
3.2系统的主要功能模块设计 8
3.2.1 温度采集模块设计 8
3.2.2 水位采集模块设计 9
3.2.3溶解氧采集模块设计 10
3.2.4 显示模块设计 11
3.2.5 舵机模块设计 11
3.2.6 蓝牙模块设计 12
3.2.7 蜂鸣器模块设计 13
3.2.8 电源接口模块设计 14
第4章 系统的软件设计 15
4.1 软件主流程图 15
4.2 温度采集模块的软件设计 15
4.3显示模块软件的设计 16
4.4 水位采集模块软件的设计 17
4.5溶解氧采集模块软件的设计 18
4.6 舵机模块软件的设计 19
4.7 蜂鸣器模块软件的设计 20
第5章 系统测试 22
5.1 系统实物图 22
5.2 自动加水模式测试 22
5.3 自动打氧模式测试 23
5.4自动加热模式测试 24
5.5 自动喂食模式测试 26
第6章 结论 27
参考文献 28
致谢 29
附录 30
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
随着社会经济的迅速发展，生活质量的提高，人们对家庭休闲娱乐设施的需求不断增加，水族宠物行业也因此蓬勃发展。据《2021年中国宠物消费趋势研究报告》中显示，2020年在我国因养宠物的人数日益增多所拉动的宠物行业的消费规模已经在向3000亿元靠拢。 疫情所带来的影响甚至影响了宠物主人的情感消费，预计到2023年宠物行业的消费规模将达到 4456 亿元。在大城市生活的居民和90后、00后的年轻一代因不同身份和不同个性等原因，养殖的宠物种类也逐渐增多，由猫、犬等常规宠物转移到圈养水族类宠物或异宠。据统计，2021年养殖宠物的类别结构中，水族类宠物的占比达到了16%，成为了宠物养殖者除猫、犬等宠物中的第一选择，而且有接近两成的宠物养殖者开始“智能养宠”，他们使用科技的力量来养殖宠物。智能宠物用品在两个方面受到主要的关注，一个是宠物用品的科技属性和便捷程度，另一个则是宠物用品的安全性能。智能宠物用品既能使宠物养殖者省时省力，还能更好的照顾宠物。
由于当前市场上常见的智能鱼缸的科技属性和便捷程度并不高，为了能给观赏鱼养殖者提供一种便捷程度高、自动化程度高、成本低、节能且高效的智能鱼缸。因此基于STM32单片机设计了一种智能鱼缸，该鱼缸可以控制鱼缸测温和加热、定时投食、水位检测和自动加水。
1.2 国内外研究现状
在2021年王燕平等人《基于蓝牙技术的智能鱼缸控制系统设计》[1]中基于蓝牙技术，从而实现鱼缸与智能手机等电子设备的智能互联，能实现对鱼缸环境、各参数的远程智能监测和控制。控制系统可以以单片机为中心CPU，加上各种控制电路和传感器技术，以实现对鱼缸内水位、水温、含氧量等参数的智能控制，以及实现一键投食、自动加热、自动加水、打氧等智能化功能，整个智能鱼缸系统除了以单片机芯片构成的信息处理设备，还包括手机等设备的App控制。该文章从鱼缸的控制系统、水情监测系统，对水位、pH值、喂食等具体的监测与控制功能的实现等方面，探究基于蓝牙的智能鱼缸系统设计与实现，以方便人们对鱼缸进行准确、便捷的远程智能化控制。在2022年，赵冬明、宋子博，王浩哲等人的团队在《智能鱼缸控制系统设计》[4]中针对市场上出现了一些多功能的鱼缸产品，多是简单功能组合，自动化程度不足等问题，从系统集成、自动控制、性价比等方面提出了一套完整的智能鱼缸控制系统解决方案。该方案以STC89C52单片机为控制核心，结合传感器技术，集多种功能于一体，包括水循环过滤、温度控制、自动投食、水位报警、状态显示等功能。硬件上，对主控模块、温度采集模块、水位采集模块、时钟模块、按键模块、显示模块、投食模块、水循环模块、加热模块、报警模块等进行设计。软件上，对主程序和初始化、时间采集、温度采集、水位采集、显示、水循环、投食、温度控制、水位报警、中断等子程序进行设计。经过测试，系统稳定可靠，操作简洁方便，能够实现鱼缸的自动管理。 同年，国内的研究人员王勋、康荣显、王玥、张新宇、刘小龙、王晓童等人在《基于STM32 单片机的智能鱼缸设计》[16]中针对前国内市场上常见智能鱼缸的功能性并不强，自动程度较低，控温模块、加氧模块、自动投喂和水位调节模块采用的是互相独立的组件，不但使用时不方便，而且成本比较高的问题，设计了一款可以根据需要自动调节水温，自动加氧、自动喂食和远程控制与管理的智能鱼缸，在节省经济的同时降低了养殖难度。
在2022年Costa Annamaria等人的团队在《From Photocatalysis to Photo-Electrocatalysis: An Innovative Water Remediation System for Sustainable Fish Farmingl》[20]中在这项研究中，光电催化反应( PEC )的效果被评估为传统光催化( PC )的创新应用，以多学科方法修复虹鳟鱼(金鳟)养殖循环系统中的水，与鱼类福利和健康有关。该项研究中使用了三个水箱，配备了传统的生物过滤器作为控制系统，三个水箱配备了PEC净化系统。监测水体中检测氨、亚硝酸盐和硝酸盐离子的浓度，并平行评估鱼体的氧化损伤和应激反应。经PEC处理的实验组的水显示出更低的氨( TAN )和亚硝酸盐浓度和更高的硝酸盐浓度，可能是由于TAN通过PEC氧化。组织学分析显示，两组鳃和肝脏均未见任何病理改变。对照组的超氧化物歧化酶( sod1 )、谷胱甘肽还原酶( GR )、谷胱甘肽过氧化物酶( GPx1 )和肿瘤坏死因子( TNFα )基因表达量显著高于PEC处理组，而热休克蛋白70 ( Hsp70 )基因表达量在两组间无显著差异。这些结果表明，与使用传统的生物过滤器相比，使用PEC过滤器对水质有积极的影响，从而使O . mykiss的福利水平很高。同年的2月Ortiz Inmaculad他的研究团队在《Intensified fish farming. Performance of electrochemical remediation of marine RAS waters》[21]报告了一个RAS示范工厂的性能分析，其目的是养殖金枪鱼(金头鲷)和海鲈鱼(舌齿鲈)，并提供了对养殖水的电化学修复。这份报告突出了创新的电化学修复RAS水的好处和优势。
1.3 主要研究内容
本课题研究的内容为智能多功能鱼缸设计。该套系统主要由温度模块、超声波测距、电机、单片机STM32、水泵、LCD1602屏幕、继电器、按键等部分组成；该套系统采用单片机技术来对温度、超声波测距等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用电机模拟喂食，按键用来调整模式。该设计能实现的预期结果如下：该套系统可以显示当前的时间；系统可以实时监测当前的温度并进行显示；系统可以实时监测当前的水位并显示；系统可以设置水位阈值，并且在系统监测水位不足时，可以自动加水，在系统检测水位足够时，停止加水；系统可以设置温度阈值，并且在系统监测温度过低时，加热继电器开始进行加热，温度高于设定阈值时，加热继电器停止加热；系统可以自由切换自动模式或手动模式：在手动模式下可以按键控制喂食和按键控制打氧，在自动模式下可以设置自动打氧时间、喂食时间，在到系统设置的时间时，系统可以自动打氧、自动喂食。
第2章 系统总体结构
2.1 设计方案
本课题研究的内容为智能多功能鱼缸设计。该套系统主要由温度模块、水位模块、电机、STM32单片机、水泵、OLED屏幕、继电器、按键等部分组成；采用单片机技术处理对温度、水位等传感器的参数进行处理，用继电器控制电路从而控制水泵的加水出水、打氧、加热，用电机模拟喂食，按键用来调整模式。
图2-1 系统整体结构框图
2.2 元器件选型
2.2.1单片机型号选择
方案一：51单片机是一款广泛应用于各个领域的基础入门单片机，然而，与其他单片机相比，51系列的单片机存在一些局限性。首先，它一般不具备自编程能力，这意味着在开发过程中，无法灵活地更新和修改程序，限制了其扩展性和适应性。其次，51单片机的运行速度较慢，特别是在处理双数据指针时，性能不够强大。这在一些需要高效处理数据的应用中可能会成为瓶颈。此外，51单片机内置的一些功能如AD转换、EEPROM存储等需要通过扩展模块来实现，这增加了软硬件的负担和开发成本。与一些现代化的单片机相比，51单片机的自我保护能力较差，容易因不当操作而烧坏芯片。
方案二：STM32系列单片机是一款性能出众、功能强大的系列单片机。它被广泛应用于低成本、高性能和低功耗的嵌入式应用程序中，并且在功耗和集成度方面也表现出色。STM32单片机具备强大的处理能力和丰富的外设接口，适用于各种
