基于單片機(jī)的智能寵物喂食系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仝兆景　時(shí)俊嶺　張艷杰

摘要 針對(duì)無人守護(hù)時(shí)寵物無法合理控制食物攝入量的問題，依據(jù)定時(shí)、定量、健康、規(guī)律、智能等理念，以ST89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)智能寵物喂食系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、無線控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、按鍵設(shè)置模塊、語音模塊等硬件設(shè)計(jì)；根據(jù)智能控制理念設(shè)計(jì)定時(shí)控制、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、語音控制等軟件算法。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)具有定時(shí)、定量實(shí)施智能喂食的便捷功能，可很好地解決無人值守時(shí)寵物喂養(yǎng)問題。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：寵物喂食系統(tǒng)；單片機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；溫度檢測(cè)

DOIDOI：10.11907/rjdk.173079

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）009011903

英文標(biāo)題Design of Intelligent Pet Feeding System Based on Single Chip Microcomputer

——副標(biāo)題

英文作者TONG ZHAOjing，SHI Junling，ZHANG Yanjie，ZHAO Yunxing

英文作者單位（School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

英文摘要Abstract：According to the concepts of timing，ration，health，regularity，intelligence and so on，intelligent pet feeding system is designed with ST89C52 as the core to solve the problem that pets can not be fed reasonably in unmanned condition.The system designs and completes the hardware design of power module，motor and drive module，wireless control module，temperature detection module，key setting module，voice module ，etc.Premised on the concepts of intelligent control，software algorithms on timing control，motor motion control and voice control are designed.The test proves that the system has the function of timely and quantitatively implementing intelligent feeding，which can solve the problem of feeding pets very well when unattended.

英文關(guān)鍵詞Key Words：pet feeding system；single chip；motor driven；temperature detection

0引言

由于人們工作、學(xué)習(xí)繁忙，無人值守時(shí)寵物的食物和水的供給無法保證，預(yù)留食物過多易造成寵物無節(jié)制大量進(jìn)食導(dǎo)致健康問題。針對(duì)該現(xiàn)狀，依據(jù)定時(shí)、定量、健康、規(guī)律、智能等理念，以ST89C52單片機(jī)為核心，以步進(jìn)電機(jī)為主要執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)智能寵物喂食系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單但功能完善，具有錄音播音功能、加熱及溫度檢測(cè)功能，以便對(duì)寵物的進(jìn)一步照顧，且價(jià)格便宜，具有安全、穩(wěn)定、可靠、實(shí)用等特點(diǎn)。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能寵物喂食系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、溫度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線控制模塊、語音模塊、按鍵設(shè)置模塊、顯示模塊、電源模塊8部分構(gòu)成。系統(tǒng)可以通過按鍵設(shè)置模塊設(shè)置喂食時(shí)間，還可以通過無線控制模塊進(jìn)行控制；同時(shí)可以檢測(cè)流體食物和水的溫度，溫度過低時(shí)，控制加熱器自行啟動(dòng)加熱食物；顯示模塊顯示設(shè)置的時(shí)間、溫度及電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置的喂食時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)通過語音模塊播放錄制的主人聲音，吸引寵物前來，同時(shí)通過單片機(jī)主控模塊啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開始喂食。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)主控模塊、溫度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線控制模塊、語音模塊、按鍵設(shè)置模塊、顯示模塊及電源模塊。

2.1主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊為單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)連接并控制其它模塊，包括：按鍵設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、語音模塊、溫度檢測(cè)模塊等。

AT89C52單片機(jī)不僅擁有MCS51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部還有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器，低功耗的空閑和掉電模式極大降低電路功耗，還包含定時(shí)器、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件，能滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，不需外接其它存儲(chǔ)器芯片和定時(shí)器件，方便構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)[12]。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。

單片機(jī)主控模塊電路如圖2所示。最小系統(tǒng)由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。其中電容器C2、C3起到穩(wěn)定頻率、提高電路運(yùn)行速度、快速起振的作用。時(shí)鐘電路選用12MHz的晶振提供時(shí)鐘，作為單片機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)。通過高電平使單片機(jī)復(fù)位，時(shí)鐘電路開始工作，當(dāng)高電平的時(shí)間超過大約2μs時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，使得CPU及系統(tǒng)各部件回初始狀態(tài)后立即開始工作。復(fù)位電路具備上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能，開機(jī)加電時(shí)上電復(fù)位，由系統(tǒng)自動(dòng)完成；當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，如遇到死機(jī)、死循環(huán)或程序“跑飛”的情況，通過手動(dòng)復(fù)位即可實(shí)現(xiàn)重新啟動(dòng)。

2.2LCD液晶顯示模塊

智能喂食系統(tǒng)通過LCD1602顯示模塊顯示定時(shí)時(shí)間、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度、時(shí)間表、溫度。

LCD1602液晶模塊最多可以顯示32個(gè)字符，內(nèi)部有字符發(fā)生存儲(chǔ)器CGROM芯片，可存儲(chǔ)160個(gè)點(diǎn)陣字符圖形，顯示模塊通過指令編程控制讀寫的操作功能，實(shí)現(xiàn)屏幕文字及光標(biāo)的移動(dòng)與顯示。

2.3DS18B20溫度檢測(cè)模塊

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、電路連接簡單、精度高等特點(diǎn)。

DS18B20的溫度系數(shù)晶振會(huì)伴隨著溫度的變化使其振蕩頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)將通過計(jì)數(shù)器2輸入。計(jì)數(shù)器1以及溫度寄存器都被預(yù)置為-55℃基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1把低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)實(shí)行減法運(yùn)算，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減至0時(shí)，溫度寄存器的值會(huì)加1，它的預(yù)置值將會(huì)被重新輸入。計(jì)數(shù)器1重新開始把低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)實(shí)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直至計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)為0，即停止對(duì)溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度[34]。

2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)作為能夠把電脈沖信號(hào)變換為線位移或角位移的開環(huán)控制元件，當(dāng)沒有超載時(shí)，脈沖信號(hào)的頻率及脈沖數(shù)將會(huì)決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小及停止的位置。步進(jìn)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但速度高于一定值后，就不能正常工作還會(huì)產(chǎn)生嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)需要加上一個(gè)基于脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，由脈沖信號(hào)維護(hù)電機(jī)正常運(yùn)行，停止輸出脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。加入一定控制策略的脈沖信號(hào)，可控制電機(jī)保持一定的轉(zhuǎn)速，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的速度和脈沖的頻率呈線性關(guān)系，所以改變脈沖頻率就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

實(shí)施電機(jī)控制時(shí)，當(dāng)電機(jī)繞組的通電時(shí)序是AB-BC-CD-DA或是高電平的時(shí)候即為正轉(zhuǎn)，如果通電時(shí)序是DA-CD-BC-AB或是低電平時(shí)即為反轉(zhuǎn)[57]。系統(tǒng)主要應(yīng)用正反轉(zhuǎn)功能設(shè)置投食器的控制門閥。當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，開始投食；反轉(zhuǎn)時(shí)，停止喂食。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接設(shè)計(jì)見圖3。ULN2003芯片具有隔離電壓、傳遞信號(hào)、擴(kuò)大信號(hào)、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.5無線控制模塊

智能喂食系統(tǒng)無線控制模塊主要由發(fā)射部分、接收部分和應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片組成。

無線控制模塊通過紅外遙控與系統(tǒng)相連，因?yàn)榧t外光波不可見，峰值波長940nm左右，它的穿透能力較弱，所以不會(huì)影響周邊環(huán)境和干擾其它電器設(shè)備。

2.6語音模塊

語音模塊可實(shí)現(xiàn)10秒語音錄放，可以高質(zhì)量、自然地語音還原，自帶循環(huán)播放，點(diǎn)動(dòng)播放等功能。語音的錄播功能，可拉近主人與寵物之間距離，便于形成寵物及時(shí)進(jìn)餐的條件反射。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件部分根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化編程，軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化前，在食物儲(chǔ)藏罐中添加顆粒狀食物。初始化開始時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，以北京時(shí)間為基準(zhǔn)，再設(shè)定定時(shí)喂食的倒計(jì)時(shí)間。通過設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度大小控制投食量。當(dāng)?shù)竭_(dá)倒計(jì)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，食物開始投放同時(shí)播放語音，到預(yù)置的結(jié)束時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉，喂食系統(tǒng)停止工作。

4結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，在智能寵物喂食系統(tǒng)工作時(shí)，液晶顯示屏顯示時(shí)間、食物溫度值、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、角度、定時(shí)時(shí)間等選項(xiàng)。如果流體食物溫度過低，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加熱，并顯示實(shí)時(shí)溫度，溫度達(dá)到設(shè)定值后停止加熱。到達(dá)設(shè)定時(shí)間，語音模塊播放事先錄制的語音，呼喚寵物前來，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始喂食；當(dāng)喂食量達(dá)到預(yù)設(shè)值，停止播放語音，電機(jī)反轉(zhuǎn)，停止喂食。系統(tǒng)定時(shí)、定量地實(shí)現(xiàn)了智能喂食的便捷功能，很好地解決了無人值守時(shí)寵物喂養(yǎng)問題。

5結(jié)語

智能寵物喂食系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)置喂食時(shí)間，設(shè)置時(shí)間到時(shí)，錄音器發(fā)出喂食信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，定量地將食物自動(dòng)投下。系統(tǒng)具有操作簡單、易懂、方便等優(yōu)點(diǎn)，且安全、穩(wěn)定、智能性高。

本系統(tǒng)還存在幾個(gè)可優(yōu)化的方面：增加低溫保鮮功能，增加遠(yuǎn)程故障短信通知功能、遠(yuǎn)程攝像視頻功能等，可使系統(tǒng)功能更加可靠完善，這是下一步研究和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：江艷）