贾高峰，郝巍魏，王晓倩，任恒阳，于禾苗，梁丽华

河北农业大学城乡建设学院，河北保定 071001

自动化控制水族箱的设计与实现

贾高峰，郝巍魏，王晓倩，任恒阳，于禾苗，梁丽华

河北农业大学城乡建设学院，河北保定 071001

随着市场上各式各样水族箱的出现，功能也在不断地提高完善。但是，经过不断地创新和改造，仍然避免不了水族箱自动化程度低的缺点。结合当今先进的电子技术，创新型的设计了一个基于单片机的水族箱自动控制系统，充分解决了在控制水温、时间测定、照明系统，定时投料等方面的问题，并且可以将信息及时回馈到显示液晶屏上，便于对数据进行实时调整。过滤系统是水族箱保证水质稳定的关键环节，选取合适的过滤方式以及优良的滤材就需要对其有全面充分的认识，根据水族箱内水质的变化合理安排过滤的流程，实现水族箱自动化控制的最终目的。

水族箱；自动控制；单片机；过滤系统

1 系统总体设计

本系统采用单片机为主芯片，实现了水族箱的自动化控制，通过按键实现人机交互界面的切换。在水温控制中使用温度传感器对水温进行实时检测，并控制加热器保持水温恒定。投料模块利用单片机控制伺服舵机精确控制投料量。系统的核心控制采用单片机实现对数据的处理和各模块的协调配合。利用液晶显示水温，时间，菜单，设置选项等。在水循环控制中利用定时器精确的控制环氧泵来净化水质，增加水的溶氧量，系统采用时钟芯片对时间进行实时更新。主控制板的硬件主要包括，温度控制模块、时钟模块、投料模块、循环氧泵控制模块、光照控制模块[1]。见图1。

图1 水族箱内部总体设计图

2 系统功能模块设计

2.1 温度模块

温度模块是由温度传感器和加热棒组成。温度传感器将温度转化为数字信号供处理器处理，通过单片机对温度传感器对数据进行处理，进而控制加热器工作，保持水族箱温度恒定。在水族箱内将加热棒斜放或者平放在靠近缸底的位置，这样散热效果更好，因为水加热后会上升。垂直放置的加热棒，棒下部产生的热水与棒上部的温差相对较小，热传导就会慢些，这无疑降低了加热的效率，延长了加热时间，浪费了能源。并且温控装置在加热棒上端，会导致加热棒提前停止加热。

2.2 投料模块

投料模块是对精确度要求较高的部分。本水族箱采用伺服电机控制投料面的开闭。伺服电机能比较准确的控制输出的转动角度，对于投料量能精确控制。投料舱根据输入的命令，利用单片机实现定时定量投喂。投料舱设置在水族箱顶部，根据鱼的生活习性。鱼喜欢吃漂浮在水中的事物，这样设置有利于鱼类进食。

2.3 时钟模块

时钟模块设置与单片机上，可提供时钟、日历、定时闹钟等功能，采用双重供电模式，当断电时，由备用电源临时供电。

2.4 过滤模块

在水族箱底部，设置一个百叶窗。平时百叶窗开启，鱼的残饵粪便通过百叶窗漏到下方收集区，当经过一定时间后，关闭百叶窗，过滤系统启动，将收集区的残饵粪便吸入过滤系统清除。收集区设置成倾斜样式，将入水口设在斜坡顶部，对斜坡冲刷，有利于残饵粪便的收集。过滤模块可通过设置单片机定时定长供断电，来实现定期对水族箱的清理，实现自动化清理效果。

2.5 环氧泵模块

环氧泵设置在水族箱底部，氧气可以自下而上充满整个缸体。环氧泵也可设置供氧时间供养量，根据不同的鱼类，设置不用的供养时间，实现水中含氧量的多少。

2.6 光照控制模块

光照强度对于鱼儿生存的适宜性具有明显作用，有些品种的鱼更适合生存在光照时间较长的地方，因此，对于不同品种的鱼水族箱要采取不同的控制处理措施。系统通过光敏电阻来控制高亮LED，光线变暗的时候进行自动开启光照系统对水族箱照明。灯光的效果给水族箱也增添了一抹靓色。

3 过滤模块具体设计

3.1 过滤装置的顺序

一般情况无论是何种位置的过滤器，其按水流方向滤材的设置顺序大致相同。水流通过进水口由水泵将水流带到过滤装置中，首先是物理过滤，水流通过两层的粗滤棉，去除掉水中的部分固体杂质；其次是化学过滤，水流通过软水树脂、草泥丸等将部分可溶性杂质进一步去除；最后是生物过滤，水流通过玻璃环等滤材，通过消化细菌的硝化作用除去其中的有毒性的杂质。通过三次过滤水质基本达到一个较好的效果，最终水流通过水泵再回到出水口完成一次过滤循环。

需要注意的是生物过滤中的硝化细菌为好氧细菌，在缺氧的状态下，会迅速死亡，甚至造成生物过滤系统的崩溃[2]。另外，反硝化细菌在无氧的情况下，还会释放出硫化氢；化学过滤中的大部分滤材，如软水树脂、草泥丸等，在使用的时候，要配合相应的检测仪器，才能更好地控制水质，不至于调节过度。

3.2 滤材的选取

过滤过程中需要的过滤材料叫做滤材。这种材料种类各异，在水处理中的效果也各有不同。

过滤棉是放在过滤系统的最前面，并保证足够厚度。当水流通过滤材的时候可以滤掉水中直径较大的固体颗粒物，将水中的杂质吸附，同时通过水流运动，加大水中溶氧量，防止硝化细菌缺氧死亡。滤材一般为人工合成材料，不易腐烂，比较耐用，当污垢在其中积存过多时，清洗后仍可继续使用，但需要定期更换，建议至少每周清洗两次。

生化球是人工制作的塑料球，是人工生物滤材。它具有交错的网孔结构，氧气交换时对流效果好，能提供最大的生化表面积，有利于硝化细菌的繁衍、生长。但因为放在水里会漂浮起来，不适合用在沉水型过滤器。最好的办法是将它放在高于水族箱的过滤器内，并且让水流均匀的从它们表面流过，这种办法被称为滴流过滤器。但由于其所占的面积比较大，也不太美观，目前已很少有人使用。

离子交换树脂物理和化学性质都极其稳定，它不仅能够有效降低pH，还能够迅速的进行阳离子交换作用。目前，已在众多行业应用，当然，它也常用于水族箱养水的材料，使水质的硬度与PH更适合种植水草。

4 结论

本设计综合应用了温度传感器，光敏传感器等设备，以单片机为控制中心，实现了对鱼类生活环境的温度，光照，投料，供养的自动化控制，操作简单，具有普遍试用性，应用范围广。选择合适的滤材，达到充分过滤，做好水族箱中的水处理工作，才能为水族箱生物提供一个稳定、洁净的生存环境，给家庭生活创造一个轻松愉悦的休息氛围。

[1]王永和.水族箱自动控制系统设计与开发[J].科技博览，2011，38：184-185.

[2]占家智，羊茜.淡水观赏鱼饲养金典[M].福建科学技术出版社，2011：35-36.

表3 信号组合

2.2 试验结果

将该系统同一试验轨道上运行，系统受强光、轨旁树木花草、户外高温、不规则的风、振动、防护栅栏、弯道等干扰小，能保证无误动作，且其测量距离误差为±25mm，满足高架单轨观光车的要求。

雨雾情况下，在能见度50m时，能有效识别并准确动作。

3 结论

高架单轨观光车的防撞存在难点，主要是由其运行环境因素造成的，传统的防撞方式在一般工业环境中均可以有效地进行防撞，器件应用跟环境的匹配极其重要。

通过试验研究，机器视觉在高架单轨观光车防撞系统中具有优越性，尤其是在前后车更换时，无需调整高度，均能有效地识别前车特定标识物，即本公司的logo。同时具有准确性，可以准确排除其他的干扰物，即保证车辆运行的安全距离同时也能防止误动作。继电器输出采用常闭信号，且组合输出，有效避免了因器件、线路故障而带来影响。准确、可靠的高架单轨观光车防撞系统为旅客安全、无恐慌的观光旅程提供了保障。

参考文献

[1]段峰，王耀南，雷晓峰，等.机器视觉技术及其应用综述[J].自动化博览，2002，19（3）；59-62．

[2]马志溪．电气工程设计[M].北京：机械工业出版社，2002．

TP3

A

1674-6708（2015）148-0120-02