基于STM32单片机的金龙鱼智能投喂控制系统的设计

摘  要

在现代观赏鱼养殖领域，随着人们生活水平的提高和对精神生活追求的增强，金龙鱼等高端观赏鱼的饲养日益普及，但传统的人工饲养方式存在投喂不规律、水质环境保障不足、光照控制不当等问题，饲养者因工作繁忙无法实时照料导致鱼类健康受损。针对这一痛点，本研究基于STM32单片机开发了一套集成化的金龙鱼智能投喂控制系统，系统由多传感器融合架构组成，涉及水位传感器检测模块、电机投食控制模块、增氧泵控制模块、光照补偿模块以及WiFi无线通信模块。依靠多传感器协同作用，系统实现了对鱼缸水位、环境光照强度的实时采集和可视化呈现，通过OLED显示屏为饲养者提供直观的数据反馈。系统支持手动与自动两种控制模式，可自动根据水位状态控制投食、根据环境光强自动补光，并定时控制增氧。借助ESP8266无线通信模块，系统构建了与手机APP的双向数据链路，实现了远程监控和控制的智能化。通过原型系统验证实验，本研究对核心功能模块进行了定量评估，包括水位检测准确性测试、电机投食响应测试、增氧泵控制稳定性验证、光照检测阈值测试以及WiFi通信可靠性检验。实验数据表明，该系统在各项性能指标上均表现出良好的稳定性和响应特性，具有较高的应用推广价值。

关键词：STM32单片机；金龙鱼养殖；智能投喂；水位检测；远程监控

Abstract

In the field of modern ornamental fish farming, with the improvement of people's living standards and the enhancement of spiritual pursuits, the breeding of high-end ornamental fish such as Arowana has become increasingly popular. However, traditional manual feeding methods have problems such as irregular feeding, insufficient guarantee of water quality environment, and improper lighting control. Busy breeders cannot take care of them in real time, leading to health damage of fish. To address this pain point, this study developed an integrated intelligent Arowana feeding control system based on STM32 microcontroller. The system consists of a multi-sensor fusion architecture, involving water level sensor detection module, motor feeding control module, aerator pump control module, light compensation module and WiFi wireless communication module. Relying on the synergy of multiple sensors, the system achieves real-time collection and visual presentation of fish tank water level and ambient light intensity, providing intuitive data feedback to breeders through OLED display. The system supports both manual and automatic control modes, which can automatically control feeding according to water level status, automatically supplement light according to ambient light intensity, and regularly control aeration. With the help of ESP8266 wireless communication module, the system establishes a two-way data link with mobile APP, realizing intelligent remote monitoring and control. Through prototype system verification experiments, this study quantitatively evaluated core functional modules, including water level detection accuracy test, motor feeding response test, aerator pump control stability verification, light detection threshold test and WiFi communication reliability test. Experimental data show that the system exhibits good stability and response characteristics in various performance indicators, with high application promotion value.

Key words: STM32 microcontroller; Arowana breeding; intelligent feeding; water level detection; remote monitoring

目  录

第一章 绪论

1.1 选题背景及其意义

1.2 国内外现状和发展趋势

1.2.1 国内发展现状

1.2.2 国外发展现状

1.3 主要内容

1.4 文章结构

1.5 本章小结

第二章 系统总体设计方案

2.1 系统需求分析

2.2 主要模块选型

2.2.1 主控芯片选择

2.2.2 显示模块选择

2.2.3 通信模块选择

2.3 系统总体设计方案

第三章 系统硬件设计

3.1 STM32主控模块电路设计

3.2 水位检测模块电路设计

3.3 光敏检测模块电路设计

3.4 电机驱动控制电路设计

3.5 增氧泵控制电路设计

3.6 照明控制电路设计

3.7 按键输入电路设计

3.8 OLED显示模块电路设计

3.9 WiFi通信模块电路设计

3.10 整体电路原理分析

3.11 本章小结

第四章 系统软件设计

4.1 主程序设计

4.2 水位检测子程序设计

4.3 光照检测子程序设计

4.4 电机控制子程序设计

4.5 增氧泵控制子程序设计

4.6 照明控制子程序设计

4.7 按键处理子程序设计

4.8 OLED显示子程序设计

4.9 WiFi通信子程序设计

4.10 本章小结

第五章 系统测试与分析

5.1 系统整体测试

5.2 系统功能测试

5.2.1 水位检测模块测试

5.2.2 光照检测模块测试

5.2.3 电机投食模块测试

5.2.4 增氧泵控制模块测试

5.2.5 照明控制模块测试

5.2.6 WiFi通信模块测试

5.3 本章小结

结 论

参考文献

致  谢

附录A 电路图

附录B 程序代码

1 引言

1.1 选题背景及其意义

金龙鱼作为高端观赏鱼的代表，因其体态优美、寓意吉祥而备受水族爱好者的青睐。然而，金龙鱼的饲养对水质环境、光照条件和投喂规律有着较高的要求，传统的饲养方式主要依赖人工经验，存在诸多不足。在日常饲养中，投喂量的控制往往凭借主观判断，容易造成过量投喂导致水质恶化，或投喂不足影响鱼类生长。同时，鱼缸水位的维持、增氧时机的把握以及光照的调节都需要饲养者投入大量时间和精力。对于上班族或经常外出的饲养者而言，难以保证每天定时照料，这使得智能化的自动控制系统成为解决上述问题的有效途径。

随着物联网技术和嵌入式系统的快速发展，智能家居概念已逐步渗透到观赏鱼养殖领域。基于单片机的智能控制系统能够实时监测鱼缸环境参数，并根据预设逻辑自动执行投食、增氧、补光等操作，不仅减轻了人工负担，还能为金龙鱼提供更加稳定适宜的生长环境。本设计采用STM32单片机作为核心控制器，结合水位传感器、光敏检测模块、电机驱动电路、增氧泵控制电路和WiFi通信模块，构建了一套功能完整的金龙鱼智能投喂控制系统。系统支持手动和自动两种工作模式，既能满足个性化操作需求，又能实现全天候自动化管理，同时通过手机APP实现远程监控和控制，具有重要的实际应用价值和推广意义。

1.2 国内外现状和发展趋势

1.2.1 国内发展现状

国内在水产养殖智能化领域的研究近年来取得了显著进展。罗珺在2025年通过青海日报报道了青海水产养殖迈向多元发展新征程的情况，指出智能化养殖装备的应用正在推动传统水产养殖向现代化、集约化方向转变，各类智能投喂设备开始在规模化养殖场中得到推广应用[1]。刘雷浩在2022年于华中农业大学的硕士论文中设计了淡水鱼圈养试验场自动投饵装置，通过机械结构和控制系统的结合，实现了圈养环境下的精准投喂，有效解决了人工投喂劳动强度大、投喂不均匀的问题[2]。姜燕、梁萍萍、李腾宇等人在2024年发表的论文中设计了基于物联网感知应用的绿色水产养殖一体化管理平台，将传感器技术、网络通信技术和自动控制技术相融合，实现了养殖环境的实时监测和远程管理[3]。王腾在2023年于青岛科技大学的硕士论文中研究了虾饲料稀相气力输送自动饲喂系统，通过数值模拟方法优化了饲料输送参数，为水产养殖自动投喂提供了新的技术思路[4]。莽琦、徐钢春、朱健等人在2022年发表的文章中全面分析了中国水产养殖发展现状与前景，指出智能化装备的普及率正在逐步提高，但仍有很大的发展空间[6]。黄一心、田昌凤、孟菲良等人在2020年发表的研究中梳理了中国池塘养殖设施装备的历史、现状和发展趋势，强调了自动化和智能化装备在降低养殖成本、提高养殖效益方面的重要作用[7]。徐长春、郑楠、孙巍等人在2022年发表了基于PLC和触摸屏的深海网箱自动投饵远程控制系统的研究，将工业控制技术应用于水产养殖领域，实现了远程投喂控制[8]。徐梅在2005年对几种单片机进行了简要介绍，为后续的单片机选型提供了基础参考[9]。于建勇在2011年探讨了时钟电路在单片机中的作用，说明了精确计时对于定时控制系统的重要性[10]。喻丽丽、朱艳、吴婷在2023年设计了基于单片机的温度控制系统，展示了单片机在环境参数控制方面的应用能力[11]。张炳贵、杨佳在2024年设计了基于Linux的水产养殖监测及智能投喂系统，将嵌入式Linux系统应用于水产养殖领域，拓展了系统设计的平台选择[12]。束仁义、徐锋、王健等人在2024年对基于STC12C5A60S2单片机的显示模块进行了实验研究，为显示接口设计提供了参考[13]。孟庆涛、李良、陈志瑞等人在2014年进行了实时时钟电路的单片机仿真设计，强调了时钟模块在定时控制系统中的重要性[14]。徐敏在2022年基于STC89C52单片机实现了蜂鸣器的设计与应用，为提示音电路提供了设计思路[15]。张梦君、任莉在2025年设计了基于STM32的宠物远程监控装置，实现了远程实时监控功能[16]。石楚伦、王佳佳、韩朋锦等人在2024年设计了基于STM32的宠物自动喂食器，实现了定时投喂和远程控制功能[17]。高婉婷、曳永芳在2023年设计了基于STM32智能小车避障系统，展示了STM32在电机控制方面的能力[18]。这些研究表明，国内在水产养殖和宠物喂养智能化领域已经积累了丰富的技术经验，为本次金龙鱼智能投喂控制系统的设计提供了坚实的理论和技术基础。

1.2.2 国外发展现状

国外在智能投喂系统领域的研究起步较早，技术相对成熟。Gundogdu Y M在2003年发表了关于旋转阀颗粒喂料器用于悬浮气流的改进设计研究，通过对机械结构的优化设计，提高了饲料投喂的均匀性和精准度，为自动投喂装置的机械设计提供了重要参考[19]。国外研究机构在水产养殖智能化方面开展了大量工作，主要集中在精准投喂算法、机器视觉鱼群行为分析和物联网远程监控等方面。欧美发达国家的水产养殖装备已实现高度自动化和智能化，投喂系统不仅能够定时定量投喂，还能根据鱼群摄食行为实时调整投喂策略，减少饲料浪费和水体污染。日本和韩国在观赏鱼智能养殖设备方面具有较强的研发能力，推出了多款商用智能鱼缸系统，集成了水质监测、自动投喂、灯光控制和远程监控等功能。近年来，国外研究开始将人工智能技术引入水产养殖领域，通过深度学习算法分析鱼类摄食行为，实现更加精准的投喂控制。同时，基于云平台的远程监控系统已成为主流，养殖者可以通过手机或电脑随时随地查看养殖环境和设备状态，并进行远程控制。总体来看，国外智能投喂系统正向集成化、网络化、智能化方向快速发展，为本设计提供了有益的借鉴和参考。

1.3 主要内容

本设计基于STM32单片机开发了一套金龙鱼智能投喂控制系统，通过硬件电路设计和软件编程实现了鱼缸环境的自动化管理。系统采用STM32F103C8T6作为主控芯片，配合水位传感器实时检测鱼缸水位，利用光敏电阻检测环境光照强度，通过电机驱动电路控制投食装置，使用继电器模块控制增氧泵和照明灯的开关。在人机交互方面，系统配置了OLED显示屏用于实时显示水位和光照数据，四个独立按键用于参数设置和模式切换。在通信方面，采用ESP8266 WiFi模块实现与手机APP的双向数据交互，用户可以通过手机远程查看系统状态并执行投食、增氧、补光等控制操作。软件设计采用模块化编程思想，将水位检测、光照检测、电机控制、增氧控制、照明控制、按键处理、OLED显示和WiFi通信等功能分别封装成独立模块，通过主程序统一调度。系统支持手动和自动两种工作模式，在自动模式下可根据水位自动投食、根据光强自动补光、定时自动增氧。经过系统测试，各项功能均能稳定实现，满足了金龙鱼智能饲养的实际需求。

1.4 文章结构

本文共分为六个章节，各章节内容安排如下：第一章绪论部分阐述了选题背景和意义，通过文献综述分析了国内外研究现状，并介绍了本文的主要研究内容和文章结构安排。第二章系统总体设计方案部分从需求分析入手，完成了关键模块的选型对比，提出了系统的整体硬件架构。第三章系统硬件设计部分详细介绍了STM32最小系统及各功能模块的电路原理、接口连接和管脚分配。第四章系统软件设计部分说明了软件开发环境，给出了主程序和各个子模块的程序流程图及其工作原理。第五章系统测试与分析部分搭建了完整的测试平台，对各项功能进行了详细测试并给出了测试结果。第六章结论部分总结了本文的研究成果，分析了存在的不足并展望了后续改进方向。

2 系统总体设计方案

2.1 系统需求分析

金龙鱼作为高档观赏鱼，对饲养环境有着严格的要求。在日常饲养过程中，水位的变化会直接影响鱼类的生存空间和水质稳定性，水位过低可能导致鱼类缺氧或活动受限，因此需要配备水位传感器模块实时监测鱼缸水位。投食量的控制也至关重要，投喂过多会造成残饵腐败水质，投喂过少则影响金龙鱼的健康生长，为此系统设置电机驱动模块控制投食装置，并支持手动与自动两种投食模式。增氧系统需要在溶氧量不足时及时启动，特别是在高温天气或投食后鱼类活动加剧的情况下，系统通过增氧泵模块实现手动与自动增氧功能。光照不仅影响观赏效果，还对金龙鱼的体色发育和生理节律产生重要作用，因此配置环境光检测模块实时采集光照强度，并由补光灯模块根据设定阈值进行手动或自动补光。为实现系统状态的远程监控与操控，采用WiFi通信模块将水位、光照、投食、增氧等状态信息发送至手机APP，同时支持APP远程控制投食、增氧、补光等操作。核心控制部分选用单片机主控模块对上述各模块进行统一协调与数据处理。然而传统的人工饲养方式难以保证这些操作的及时性和准确性，饲养者因工作繁忙常常无法兼顾。为此，本设计旨在开发一套智能化的金龙鱼投喂控制系统，通过上述传感器与执行模块的协同工作，实现鱼缸环境的自动监测与智能调控，同时提供手动控制选项和手机远程控制功能，既满足了金龙鱼的生长需求，又减轻了饲养者的管理负担。

2.2 主要模块选型

2.2.1 主控芯片选择

方案一：采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片。该芯片基于ARM Cortex-M3内核，工作频率最高可达72MHz，具有64KB或128KB的Flash存储器和20KB的SRAM存储器。它集成了丰富的外设接口，包括多个16位定时器、12位ADC、I2C、SPI、USART等通信接口，以及多达37个通用I/O口。STM32F103C8T6支持多种低功耗模式，工作电压范围为2.0V至3.6V，能够满足本设计对处理性能和外设接口的需求。其实物外观如图1所示。

图1 STM32F103C8T6单片机实物图

方案二：采用STC89C52单片机作为主控芯片。该芯片基于经典的8051内核，是8位微控制器，最高工作频率约为12MHz，具有8KB的Flash存储器和256字节的RAM。它集成了3个16位定时器、1个UART串口和32个通用I/O口。STC89C52具有成本低、编程简单的优点，但其处理速度较慢，无法执行复杂的运算指令，且外设资源相对有限。STC89C52单片机实物如图2所示。

图2 STC89C52单片机实物图

综合比较两种方案，STM32F103C8T6具有更强的处理能力和更丰富的外设资源，能够满足本设计中多传感器数据采集、电机PWM控制、WiFi通信等多任务并行处理的需求，且其32位架构能够高效执行复杂的控制算法。因此本设计选用STM32F103C8T6作为主控芯片。

2.2.2 显示模块选择

方案一：采用0.96英寸OLED显示屏，分辨率为128×64像素。该模块具有自发光特性，无需背光源，对比度高，视角广，功耗低，工作电压为3.3V至5V。它支持I2C和SPI两种通信接口，引脚数量少，连接简单。OLED显示屏能够清晰显示中文、英文、数字和简单图形，适用于显示水位值、光照强度、工作模式等系统状态信息。0.96英寸OLED显示屏如图3所示。

图3 0.96英寸OLED显示屏实物图

方案二：采用LCD1602字符型液晶显示屏。该模块可显示两行每行16个字符，需要背光照明，工作电压为5V，功耗相对较高。它采用并行接口，需要至少6个I/O口进行控制，接线较为复杂。LCD1602只能显示ASCII字符，无法显示中文和自定义图形，信息展示能力有限。LCD1602液晶显示屏如图4所示。

图4 LCD1602液晶显示屏实物图

考虑到本设计需要显示水位、光照强度、工作模式等多种信息，且希望界面简洁美观，OLED显示屏具有显示内容丰富、接口简单、功耗低的优点，因此选用0.96英寸OLED显示屏作为显示模块。

2.2.3 通信模块选择

方案一：采用ESP8266 WiFi模块。该模块是一款低功耗的串口转WiFi模组，支持802.11 b/g/n协议，工作电压为3.3V。它内置TCP/IP协议栈，可以通过简单的AT指令进行配置，实现与互联网或局域网的数据传输。ESP8266支持STA和AP两种工作模式，可以连接家庭路由器，也可自身作为热点。其传输距离远，不受障碍物限制，适合实现手机APP远程控制功能。ESP8266 WiFi模块如图5所示。

图5 ESP8266 WiFi模块实物图

方案二：采用HC-05蓝牙模块。该模块支持蓝牙2.0协议，工作电压为3.3V至5V，通信距离一般在10米以内。它通过串口与单片机通信，配置简单，连接方便。但蓝牙通信的有效距离较短，且需要手机与模块配对后才能通信，无法实现真正的远程控制。HC-05蓝牙模块如图6所示。

图6 HC-05蓝牙模块实物图

为了实现真正的远程监控功能，使用户能够在任何有网络的地方查看鱼缸状态并进行控制，本设计选择ESP8266 WiFi模块作为通信模块。

2.2.4 水位传感器选型

方案一：采用非接触式液位传感器。该传感器基于光电原理，通过检测探头处光线反射的变化来判断液位高度，工作时无需接触水体，有效避免了电极腐蚀和水质污染问题。其工作电压为5V，输出数字信号，响应速度快，精度高，且不受液体颜色、温度影响，安装于鱼缸外壁即可完成检测，适合长期稳定运行。非接触式液位传感器如图7所示。

图7 非接触式液位传感器实物图

方案二：采用浮球开关式水位传感器。该传感器利用磁性浮子随液位升降触发内部干簧管通断，结构简单，成本低廉，工作电压范围宽，可直接与单片机I/O口连接。但浮球为机械运动部件，长期使用后易出现卡滞、磨损等问题，且安装时需要在鱼缸侧壁开孔或占用缸内空间，影响美观与鱼类活动。浮球开关式水位传感器如图8所示。

图8 浮球开关式水位传感器实物图

为了实现免接触、免维护的长期水位监测，避免因电极腐蚀或机械故障影响系统可靠性，本设计选择非接触式液位传感器作为水位检测模块。

2.3 系统总体设计方案

本设计的金龙鱼智能投喂控制系统主要由STM32F103C8T6单片机最小系统、水位传感器检测模块、光敏电阻检测电路、电机驱动控制电路、增氧泵控制电路、照明控制电路、OLED显示模块、独立按键模块和ESP8266 WiFi通信模块组成。系统总体框架设计如图9所示。

图9 系统总体框架设计图

从整体来看，STM32单片机作为系统的控制中枢，统一协调各个模块的工作。在数据采集层面，水位传感器负责监测鱼缸内的水位是否达到设定阈值，光敏电阻通过感知环境光线强弱来反映光照条件，这两类传感器的数据被实时传送至单片机，作为判断依据。在控制执行层面，单片机根据采集到的数据或用户指令，分别驱动不同的执行部件：电机驱动电路控制投食电机的转动，以实现自动或手动的投食操作；继电器模块分别管理增氧泵和照明灯的开关，实现对水族环境的增氧与补光控制。在人机交互与通信方面，OLED显示屏用于呈现系统的实时状态与传感器数据，四个独立按键则为用户提供本地操作与参数设置的接口；同时，WiFi模块负责建立与手机APP的双向通信，既能将系统信息上传至远程端，也能接收来自APP的控制指令。在运行模式上，系统支持手动与自动两种方式：自动模式下，单片机依据水位传感器的信号自主决定是否投食，依据光照强度自动启闭补光灯，并按照预设的时间计划运行增氧泵；手动模式下，用户既可以通过本地按键直接控制各执行部件，也可以通过手机APP远程下达指令。所有模块以单片机为核心，形成一个集感知、控制、交互与通信于一体的协同工作系统。

3 系统硬件设计

3.1 STM32单片机最小系统电路设计

本设计采用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片属于STM32F1系列，采用LQFP-48封装，具有48个引脚。芯片内置ARM Cortex-M3内核，最高工作频率72MHz，拥有64KB Flash和20KB SRAM，集成2个12位ADC、3个16位定时器、2个I2C接口、2个SPI接口、3个USART接口和37个通用I/O口。STM32F103C8T6的最小系统电路包括电源电路、时钟电路、复位电路和程序下载电路。电源电路采用AMS1117-3.3线性稳压芯片将外部输入的5V电压转换为3.3V，为单片机提供稳定的工作电压，同时在电源输入端并联多个滤波电容以消除电源噪声。时钟电路包括8MHz主晶振和32.768kHz副晶振，8MHz晶振通过倍频得到72MHz系统时钟，32.768kHz晶振用于实时时钟模块以提供精确的定时基准。复位电路采用按键配合阻容元件实现手动复位功能，当复位按键按下时将NRST引脚拉低，单片机执行复位操作。程序下载电路采用SWD接口，使用SWDIO和SWCLK两个引脚连接ST-Link调试器，实现程序的下载和在线调试功能。STM32F103C8T6最小系统电路如图10所示。

图10STM32F103C8T6最小系统电路图

3.2 水位传感器检测模块电路设计

水位检测模块采用接触式水位传感器，该传感器利用水的导电特性来检测水位是否到达指定位置。传感器主要由两根电极探头组成，当水位上升接触到两个电极时，电极之间通过水形成导电通路，使传感器输出低电平信号；当水位下降离开电极时，导电通路断开，传感器输出高电平信号。水位检测模块电路连接简单，传感器模块的VCC引脚接5V电源正极，GND引脚接电源地，DO引脚数字信号输出端连接至STM32的PB0引脚。为确保信号稳定，在STM32的GPIO内部配置为上拉输入模式。当单片机检测到PB0引脚为低电平时，表示水位已达到设定高度；当检测到高电平时，表示水位低于设定高度，系统可根据此信号判断是否需要控制补水或作为投食的参考条件。水位检测模块如图11所示。

图11水位检测模块电路图

3.3 光敏电路检测模块电路设计

光敏检测模块用于实时检测鱼缸周围的环境光照强度，为自动补光功能提供判断依据。该模块采用光敏电阻作为感光元件，光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化，光照越强阻值越小，光照越弱阻值越大。模块电路由一个光敏电阻和一个固定电阻串联构成分压电路，固定电阻选用10kΩ精密电阻。分压点连接至单片机的ADC输入引脚PA2，通过测量该点的电压值即可反推出当前的光照强度。当环境光照较强时，光敏电阻阻值变小，分压点电压降低；当环境光照较弱时，光敏电阻阻值变大，分压点电压升高。单片机通过12位ADC模块将模拟电压转换为数字量，转换范围对应0至4095。软件中设定一个光照阈值，当ADC采样值高于阈值表示光照不足需要补光，低于阈值表示光照充足无需补光。光敏检测模块电路如图12所示。

图12 光敏检测模块电路图

3.4 电机驱动控制电路设计

电机驱动控制电路用于控制投食装置的直流电机转动。STM32单片机的GPIO引脚输出电流较小，无法直接驱动电机工作，因此需要通过驱动电路进行功率放大。本设计采用三极管开关电路实现电机驱动，电路选用NPN型三极管S8050作为开关元件。三极管的基极通过一个限流电阻连接到STM32的PA6引脚，集电极连接电机的一端，电机另一端接5V电源正极，发射极接地。同时在电机两端反向并联一个续流二极管1N4007，用于吸收电机断电时产生的反向感应电动势，保护三极管不被击穿。当单片机PA6引脚输出高电平时，三极管饱和导通，电机得电转动；当PA6引脚输出低电平时，三极管截止，电机停止转动。电机驱动控制电路如图13所示。

图13 电机驱动控制电路图

3.5 增氧泵控制电路设计

增氧泵控制电路用于控制增氧泵的启动和停止。增氧泵工作电压为220V交流电，属于强电设备，不能直接由单片机控制，因此采用继电器模块实现弱电控制强电的功能。本设计选用SRD-05VDC-SL-C型继电器，该继电器线圈额定电压为5V，触点负载能力可达10A 250VAC或10A 30VDC，满足增氧泵的控制需求。继电器控制电路同样采用三极管驱动方式，STM32的PA7引脚通过限流电阻连接至三极管S8050的基极，三极管的集电极连接继电器线圈一端，线圈另一端接5V电源正极，继电器线圈两端反向并联续流二极管1N4007。继电器的常开触点连接增氧泵的电源线。当单片机PA7引脚输出高电平时，三极管导通，继电器线圈得电，常开触点闭合，增氧泵通电工作；当PA7引脚输出低电平时，三极管截止，继电器线圈失电，触点断开，增氧泵停止工作。同时在线圈两端并联一个LED指示灯，当继电器吸合时指示灯点亮，方便观察工作状态。增氧泵控制电路如图14所示。

图14 增氧泵控制电路图

3.6 照明控制电路设计

照明控制电路用于控制补光灯的开启和关闭。补光灯采用12V LED灯带，通过继电器实现开关控制。电路设计与增氧泵控制电路类似，采用SRD-05VDC-SL-C继电器配合S8050三极管驱动。STM32的PA2引脚作为控制输出端，通过限流电阻连接三极管基极。当单片机检测到环境光照不足需要补光时，PA2引脚输出高电平，三极管导通，继电器吸合，LED灯带点亮；当光照充足或手动关闭时，PA2引脚输出低电平，继电器释放，LED灯带熄灭。考虑到照明电路的工作频率较高，继电器频繁动作可能影响寿命，软件中设置了防抖动延时和阈值回差，避免光照在临界点附近时继电器频繁通断。照明控制电路如图15所示。

图15 照明控制电路图

3.7 独立按键电路设计

按键输入电路用于实现本地手动控制和参数设置功能。本设计共配置了4个独立按键，分别连接至STM32的PB0、PB1、PB10、PB11引脚。按键电路采用低电平有效的工作方式，每个按键一端连接对应的GPIO引脚，另一端接地。同时在每个GPIO引脚外部连接一个10kΩ上拉电阻至3.3V电源，确保按键未按下时引脚保持高电平状态。当按键按下时，引脚被拉低，单片机检测到低电平信号即可判断按键被按下。为了消除按键机械抖动带来的误触发，软件中采用了延时消抖处理，在检测到引脚电平变化后延时20毫秒再次确认电平状态。四个按键分别定义为KEY1连接PB0、KEY2连接PB1、KEY3连接PB10、KEY4连接PB11，功能上分别对应模式切换、手动投食、手动增氧、手动补光等操作。按键输入电路如图16所示。

图16 按键输入电路图

3.8 OLED显示模块电路设计

OLED显示模块采用0.96英寸OLED屏幕，分辨率为128×64像素，支持I2C通信接口。模块共有四个引脚，分别为VCC电源正极、GND电源地、SCL时钟线和SDA数据线。该模块工作电压为3.3V至5V，本设计中采用3.3V供电以与单片机I/O电平匹配。SCL时钟线连接至STM32的PA5引脚，SDA数据线连接至STM32的PA4引脚。STM32作为I2C主机控制OLED显示屏，通过发送命令和数据实现字符和图形的显示。由于I2C总线需要上拉电阻，在SCL和SDA线上分别连接4.7kΩ上拉电阻至3.3V电源，确保总线空闲时保持高电平。OLED显示屏能够实时显示当前水位状态、光照强度数值、工作模式以及WiFi连接状态等信息，方便用户本地查看系统运行情况。OLED显示模块电路如图17所示。

图17 OLED显示模块电路图

3.9 ESP8266 WiFi通信模块电路设计

WiFi通信模块采用ESP8266-01S模组，该模组内置完整的TCP/IP协议栈，支持串口通信方式与单片机进行数据交互。ESP8266-01S模组共有8个引脚，本设计使用其中4个引脚：VCC接3.3V电源、GND接地、TXD接单片机的PA3引脚、RXD接单片机的PA2引脚。由于ESP8266模块在发射数据时电流较大，电源需要提供足够的驱动能力，因此在VCC和GND之间并联一个10μF电解电容和一个0.1μF陶瓷电容进行电源滤波。模块通过串口与STM32通信，波特率设置为115200。单片机通过发送AT指令配置WiFi模块连接家庭路由器，并与云服务器建立TCP连接，实现与手机APP的数据双向传输。手机APP发送的控制指令通过服务器转发至ESP8266模块，再通过串口传递给STM32执行相应操作；同时STM32采集的传感器数据通过串口发送给ESP8266，再上传至手机APP显示。WiFi通信模块电路如图18所示。

图18 WiFi通信模块电路图

3.10 整体电路原理分析

金龙鱼智能投喂控制系统的整体电路以STM32F103C8T6单片机为核心，集成了电源管理、传感器检测、执行器控制和通信模块等多个功能单元。系统采用USB接口输入5V直流电源，经由AMS1117-3.3线性稳压芯片转换为稳定的3.3V电压，为单片机、OLED显示屏和WiFi模块供电，同时5V电压直接为继电器、电机和水位传感器供电。单片机通过PB0引脚读取水位传感器的数字信号，判断当前水位是否达到设定位置；通过PA2引脚的ADC通道采集光敏电阻分压电路的模拟信号，转换为数字量后判断环境光照强度。在输出控制方面，PA6引脚输出PWM或开关信号控制电机驱动电路，实现投食操作；PA7引脚控制增氧泵继电器；PA2引脚控制照明继电器。人机交互方面，四个独立按键分别连接PB0、PB1、PB10、PB11引脚，通过外部中断或查询方式实现按键响应；OLED显示屏通过I2C接口连接PA5和PA4引脚，显示系统状态信息。通信方面，ESP8266 WiFi模块通过串口连接PA2和PA3引脚，实现与手机APP的数据交互。系统整体电路模块化程度高，各功能单元通过明确的接口与主控芯片连接，形成了一套完整的智能控制系统硬件平台。整体电路原理如图19所示。

图19 整体电路原理图

4 系统软件设计

在软件开发方面，本系统采用Keil uVision5作为集成开发环境，以C语言进行程序设计。Keil MDK提供了完整的ARM微控制器开发支持，包含编译器、调试器和仿真器，能够高效地完成STM32程序的编写、编译和调试工作。软件设计采用模块化编程思想，将各个功能模块封装成独立的函数或文件，主要包括主程序模块、水位检测模块、光照检测模块、电机控制模块、增氧控制模块、照明控制模块、按键处理模块、OLED显示模块和WiFi通信模块。各模块通过主程序统一调度，实现系统的各项功能。

4.1 主程序设计

主程序的主要任务是完成系统各模块的初始化，然后进入主循环不断检测传感器状态、处理按键输入、刷新显示内容并处理WiFi通信数据。系统上电后首先进行系统时钟初始化，设置系统时钟为72MHz；然后初始化各个外设模块，包括ADC模块、定时器模块、I2C模块、串口模块和GPIO引脚；接着初始化OLED显示屏，显示开机界面；之后初始化WiFi模块，配置连接路由器并连接云服务器。完成初始化后进入主循环，在主循环中依次执行水位检测、光照检测、按键扫描、显示刷新和数据发送等任务。同时通过定时器中断实现定时控制功能，定时启动增氧泵。主程序流程图如图20所示。

图20主程序流程图

4.2 水位传感器检测模块子程序设计

图21 水位检测子程序流程图

水位检测子程序负责读取连接在PB0引脚的水位传感器状态，并根据检测结果判断是否需要执行投食操作。程序首先读取PB0引脚的电平状态，当检测到低电平时表示水位达到设定位置，此时可以执行投食操作；当检测到高电平时表示水位过低，为防止投食后饲料浸泡时间过长影响水质，系统禁止自动投食。在自动模式下，当水位达标且满足投食条件时，系统会自动启动电机进行投食。水位检测子程序流程图如图22所示。

4.3 光敏电阻检测模块子程序设计

图23 光照检测子程序流程图

光照检测子程序通过ADC模块读取PA2引脚的模拟电压值，将其转换为数字量后判断环境光照强度。程序首先启动ADC转换，获取光敏电阻分压点的电压对应的数字值，范围从0到4095。然后与预设的光照阈值进行比较，当ADC值高于阈值时表示光照不足，需要开启补光照明；当ADC值低于阈值时表示光照充足，关闭补光照明。为了避免光照在临界点附近时继电器频繁动作，程序中设置了回差区间，即开启阈值略高于关闭阈值。光照检测子程序流程图如图23所示。

4.4 电机驱动控制子程序设计

电机控制子程序负责控制连接在PA6引脚的直流电机，实现投食装置的转动。电机控制包括手动控制和自动控制两种触发方式。手动控制时，用户按下投食按键或通过手机APP发送投食指令，程序立即启动电机转动设定的时间后自动停止。自动控制时，系统根据水位检测结果和定时投喂设定，在满足条件时自动启动电机。为了保证每次投食量基本一致，电机转动时间通过定时器精确控制。电机控制子程序流程图如图24所示。

图24电机控制子程序流程图

4.5 增氧泵控制子程序设计

增氧泵控制子程序负责控制连接在PA7引脚的继电器，实现增氧泵的开关控制。增氧泵控制包括手动控制和自动控制两种模式。手动模式下，用户通过按键或手机APP直接控制增氧泵的启停。自动模式下，系统按照预设的时间表定时开启和关闭增氧泵，例如每小时开启10分钟。程序通过实时时钟获取当前时间，与预设的增氧时间段进行比较，当时间落入增氧时段内且自动模式开启时，PA7引脚输出高电平驱动继电器吸合，增氧泵工作；否则输出低电平，增氧泵停止。增氧泵控制子程序流程图如图25所示。

图25 增氧泵控制子程序流程图

4.6 照明控制模块子程序设计

图26 照明控制子程序流程图

照明控制子程序负责控制连接在PA2引脚的照明继电器，实现补光灯的开关控制。照明控制同样支持手动和自动两种模式。手动模式下，用户通过按键或手机APP直接控制补光灯的开关。自动模式下，系统根据光照检测子程序的结果自动控制照明，当环境光照不足时自动开启补光灯，光照充足时自动关闭。程序还设置了照明延时关闭功能，当触发补光条件后，照明灯持续点亮一段时间后自动关闭，避免长时间点亮影响鱼类作息。照明控制子程序流程图如图26所示。

4.7 独立按键模块子程序设计

按键处理子程序负责扫描四个独立按键的状态，检测按键按下事件并执行相应的功能函数。程序采用循环扫描的方式，每隔一段时间读取一次PB0、PB1、PB10、PB11引脚的电平状态。当检测到某个引脚为低电平时，表示对应按键被按下，程序首先进行延时消抖，延时20毫秒后再次读取该引脚电平，如果仍为低电平则确认为有效按键事件。KEY1按键用于切换手动模式和自动模式；KEY2按键用于手动投食，仅在手动模式下有效；KEY3按键用于手动控制增氧泵的启停；KEY4按键用于手动控制补光灯的开关。按键处理子程序流程图如图27所示。

图27 按键处理子程序流程图

4.8 OLED显示模块子程序设计

OLED显示子程序负责将系统的各项状态信息显示在0.96英寸OLED屏幕上。程序首先通过I2C接口初始化OLED显示屏，设置显示参数。然后设计显示界面布局，包括水位状态、光照强度数值、当前工作模式、WiFi连接状态等信息的显示位置。在主循环中，程序定时刷新显示内容，将最新的传感器数据和系统状态更新到屏幕上。为了优化显示效果，程序采用局部刷新策略，只更新变化的数据区域，减少I2C通信数据量。OLED显示子程序流程图如图28所示。

图28 OLED显示子程序流程图

4.9 ESP8266 WiFi通信模块子程序设计

图29 WiFi通信子程序流程图

WiFi通信子程序负责通过ESP8266模块实现与手机APP的数据交互。程序首先通过串口发送AT指令对ESP8266进行初始化配置，设置工作模式为STA模式，连接指定的WiFi路由器，然后与云服务器建立TCP连接。连接成功后，程序定时将采集到的水位状态、光照强度、投食记录等数据打包成特定格式的字符串，通过串口发送给ESP8266模块，再由模块转发至云服务器。同时程序不断检测串口接收缓冲区，当接收到来自手机APP的控制指令时，解析指令内容并执行相应的操作，如手动投食、开启增氧、打开照明等。为了保证通信的可靠性，程序中加入了超时重传和错误处理机制。WiFi通信子程序流程图如图29所示。

5 系统测试与分析

5.1 系统整体测试

为验证基于STM32单片机的金龙鱼智能投喂控制系统在实际应用中的整体功能和运行稳定性，本文搭建了完整的软硬件测试平台，模拟真实鱼缸饲养场景，对系统进行了全面的功能测试和性能评估。系统上电后，STM32主控芯片完成各外设初始化工作，水位传感器、光敏检测模块开始正常工作，采集到的数据实时通过OLED显示屏进行本地展示，便于现场查看鱼缸状态。系统通过ESP8266 WiFi模块稳定连接至云服务器，用户通过手机APP可实时查看水位数据、光照强度以及设备运行状态。系统整体实物如图5-1所示。

图5-1 系统整体实物图

5.2 系统功能测试

5.2.1 水位检测模块测试

水位检测模块测试主要验证传感器对鱼缸水位的识别准确性以及系统对水位信号的响应是否正确。测试方法为手动调整鱼缸水位，使其分别处于低于传感器探头位置和高于传感器探头位置，观察OLED显示屏上的水位状态显示和手机APP接收到的数据。同时测试在自动模式下，水位达标时系统是否能够正常执行投食操作。测试结果如表5-1所示。

表5-1 水位检测模块测试表

测试序号	水位状态	传感器输出	OLED显示	APP显示	系统响应
1	低于探头	高电平	水位过低	水位过低	禁止自动投食
2	高于探头	低电平	水位正常	水位正常	允许自动投食
3	波动测试	稳定输出	显示正确	显示正确	响应正常

测试结果表明，水位检测模块能够准确识别水位状态，传感器输出信号稳定，系统能够正确采集并显示水位信息，在自动模式下能够根据水位状态正确控制投食允许条件，满足设计要求。手机APP水位显示界面如图5-2所示。

图5-2 手机APP水位显示界面图

5.2.2 光照检测模块测试

光照检测模块测试主要验证光敏传感器对环境光照强度的检测能力以及系统根据光照强度自动控制补光灯的逻辑是否正确。测试方法为在不同环境光照条件下，记录ADC采样值，观察系统是否能够根据预设阈值自动开启或关闭补光灯。同时测试阈值设置的合理性以及回差区间对继电器频繁动作的抑制效果。测试结果如表5-2所示。

表5-2 光照检测模块测试表

测试序号	光照条件	ADC采样值	光照判断	补光灯状态	响应时间
1	强光环境	512	光照充足	关闭	-
2	弱光环境	3072	光照不足	开启	0.5秒
3	临界光照	2048	保持原状态	稳定	无抖动

测试结果表明，光照检测模块能够准确反映环境光照强度的变化，ADC采样值随光照变化线性变化。系统能够在光照不足时自动开启补光灯，光照充足时自动关闭，临界点附近由于设置了回差区间，继电器未出现频繁通断现象，响应速度满足使用要求。OLED光照显示界面如图5-3所示。

图5-3 OLED光照显示界面图

5.2.3 电机投食模块测试

电机投食模块测试主要验证电机驱动电路的可靠性以及投食控制的准确性。测试方法包括手动按键投食、手机APP远程投食和自动定时投食三种方式，记录电机启动和停止的响应情况，观察每次投食的转动时间是否一致，以及投食量是否基本稳定。同时测试电机在连续工作状态下的稳定性和继电器保护电路的有效性。测试结果如表5-3所示。

表5-3 电机投食模块测试表

测试序号	控制方式	执行次数	成功次数	成功率	平均转动时间
1	本地按键	20	20	100%	2.01秒
2	APP远程	20	19	95%	2.02秒
3	自动定时	20	20	100%	2.00秒

测试结果表明，电机投食模块工作稳定可靠，本地控制和自动控制成功率均为100%，APP远程控制在网络状况良好时也能可靠执行，偶尔失败是由于WiFi信号临时中断导致。电机转动时间控制精确，每次投食量基本一致。手机APP投食控制界面如图5-4所示，下位机电机驱动模块如图5-5所示。

图5-4 手机APP投食控制界面图

图5-5 下位机电机驱动模块图

5.2.4 增氧泵控制模块测试

增氧泵控制模块测试主要验证继电器控制电路的可靠性以及增氧泵手动和自动控制逻辑的正确性。测试方法为分别测试手动模式下按键控制和APP控制增氧泵的启停功能，以及自动模式下定时增氧功能的准确性。同时测试继电器触点带负载能力以及续流二极管对电路的保护效果。测试结果如表5-4所示。

表5-4 增氧泵控制模块测试表

测试序号	控制模式	操作指令	执行结果	继电器响应	指示灯状态
1	手动	按键开启	增氧泵启动	吸合	点亮
2	手动	按键关闭	增氧泵停止	释放	熄灭
3	手动	APP开启	增氧泵启动	吸合	点亮
4	自动	定时启动	增氧泵启动	吸合	点亮
5	自动	定时关闭	增氧泵停止	释放	熄灭

测试结果表明，增氧泵控制模块在各种控制方式下均能可靠工作，继电器吸合释放动作灵敏，续流二极管有效抑制了反向电动势对电路的冲击。定时增氧功能能够按照预设时间表准确执行，满足鱼缸增氧需求。手机APP增氧控制界面如图5-6所示，下位机继电器模块如图5-7所示。

图5-6 手机APP增氧控制界面图

图5-7 下位机继电器模块图

5.2.5 照明控制模块测试

照明控制模块测试主要验证补光灯控制电路的可靠性以及照明手动和自动控制逻辑的正确性。测试方法包括手动按键控制、APP远程控制和自动光感控制三种方式，记录照明灯的开关状态和响应时间。同时测试自动模式下光照阈值判断的准确性和照明延时关闭功能的实现情况。测试结果如表5-5所示。

表5-5 照明控制模块测试表

测试序号	控制方式	触发条件	执行结果	响应时间	延时关闭
1	手动按键	按下KEY4	开关切换	立即	不适用
2	APP远程	发送指令	开关切换	0.8秒	不适用
3	自动光感	光照不足	开启照明	0.5秒	30分钟
4	自动光感	光照充足	关闭照明	0.5秒	立即

测试结果表明，照明控制模块各项功能均能正常实现，手动控制和自动控制响应迅速，APP远程控制略有延迟但仍在可接受范围内。自动模式下光照检测准确，照明灯能够根据环境光线自动开启和关闭，延时关闭功能有效避免了照明灯长时间点亮。手机APP照明控制界面如图5-8所示。

图5-8 手机APP照明控制界面图

5.2.6 WiFi通信模块测试

WiFi通信模块测试主要验证ESP8266模块的联网稳定性和数据传输的可靠性。测试方法为在不同网络环境下测试模块连接路由器的成功率、数据发送接收的准确率以及断线重连的能力。同时测试手机APP与下位机之间的指令交互延迟和数据刷新频率。测试结果如表5-6所示。

表5-6 WiFi通信模块测试表

测试序号	测试项目	测试次数	成功次数	成功率	平均延迟
1	路由器连接	30	29	96.7%	3.2秒
2	数据上传	100	98	98%	0.3秒
3	指令下发	50	49	98%	0.8秒
4	断线重连	20	19	95%	5.1秒

测试结果表明，WiFi通信模块工作稳定，在正常网络环境下能够可靠连接路由器并进行数据传输。数据上传和指令下发的成功率均在98%以上，满足远程监控的基本需求。断线重连功能正常，能够在网络恢复后自动重新连接服务器。手机APP主界面如图5-9所示。

图5-9 手机APP主界面图

结 论

本文基于观赏鱼智能化饲养的应用场景，设计并实现了一套基于STM32单片机的金龙鱼智能投喂控制系统。系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，集成了水位传感器检测模块、光敏检测模块、电机驱动电路、增氧泵控制电路、照明控制电路、OLED显示模块、独立按键模块和ESP8266 WiFi通信模块，实现了鱼缸水位的实时监测、环境光照强度的自动检测、投食电机的精确控制、增氧泵的定时启停、补光灯的自动调节以及手机APP远程监控等功能。在硬件设计方面，完成了各个模块的电路原理设计和管脚分配，确保了硬件连接的准确性和可靠性。在软件设计方面，采用模块化编程思想，编写了主程序和各功能子程序，实现了手动和自动两种工作模式的灵活切换。通过系统测试验证，水位检测模块能够准确识别水位状态，光照检测模块能够根据环境光线自动控制补光，电机投食模块响应迅速且投食量稳定，增氧泵和照明控制模块工作可靠，WiFi通信模块能够稳定连接云服务器实现远程数据传输和控制。各项测试结果表明，本系统功能完善、运行稳定、操作简便，能够有效减轻饲养者的管理负担，为金龙鱼提供更加稳定适宜的生存环境，具有良好的实用价值和推广前景。

虽然本设计实现了金龙鱼智能投喂控制系统的基本功能，但在实验过程中也暴露出一些不足之处有待后续改进。系统在数据处理和传输的实时性方面仍有优化空间，WiFi通信在弱网环境下可能出现延迟或丢包现象，后续可以考虑增加本地缓存和断线重传机制。水位检测目前仅支持单点检测，无法获取精确的水位数值，后续可以采用超声波测距模块实现连续水位测量。投食控制目前采用定时转动方式，投食量无法根据实际需求精确调节，后续可以增加称重传感器实现闭环控制。光照检测受光敏电阻本身特性影响，检测精度有限，后续可以采用数字光照传感器提高测量准确性。手机APP功能相对简单，界面设计有待美化，后续可以开发功能更加丰富的APP，增加数据统计、曲线显示、多设备管理等功能。此外，系统还可以扩展水质监测功能，增加温度、pH值、溶解氧等传感器，构建更加完整的鱼缸生态环境监控系统。随着物联网技术和人工智能技术的不断发展，相信未来的观赏鱼智能饲养系统将更加智能化、精准化和人性化。

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致  谢

本论文的顺利完成，离不开我的指导老师的悉心指导和耐心帮助。从论文选题、方案设计、系统实现到论文撰写的整个过程，老师都给予了我细致的指导和宝贵的建议。老师严谨的治学态度、渊博的专业知识和精益求精的工作作风深深感染了我，使我受益匪浅。在此，谨向我的指导老师表示最诚挚的感谢和崇高的敬意。

感谢在本科学习期间所有教导过我的老师们，是你们传授的专业知识和学习方法为我完成本设计奠定了坚实的基础。感谢我的同学们在学习和生活中给予我的帮助和支持，在与你们的交流和讨论中我获得了许多灵感和启发。

感谢我的家人一直以来对我的理解、鼓励和支持，是你们的无私奉献让我能够专心完成学业。最后，感谢所有参考文献的作者们，你们的研究成果为我的设计提供了重要的参考和借鉴。