寵物喂食器控制系統(tǒng)的設計

王 瑾，袁戰(zhàn)軍

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 信息工程學院，陜西 咸陽 712000；2.陜西國際商貿(mào)學院 信息工程學院，陜西 咸陽712046)

寵物喂食器可用于小貓、小狗等家庭寵物的喂食和供水，能夠為寵物飼養(yǎng)者提供極大的方便.目前市場上已有的寵物喂食器在使用中均存在以下問題：1)用戶需要通過手動控制來實現(xiàn)寵物喂食，無法進行定時智能供食；2)需要用手旋轉(zhuǎn)水嘴開關進行寵物喂水，無法根據(jù)寵物需求實現(xiàn)自動供水功能；3)當喂養(yǎng)寵物不同時，無法進行實際供食時間、供食量等的調(diào)節(jié)[1-2].王岳[3]等人對野外自動化鴨舍進行了研究，設計的野外鴨舍實現(xiàn)了早晨自動開門，晚上自動奏樂喚鴨回舍，以及自動關門、自動補料和回舍鴨子數(shù)量統(tǒng)計等功能；孔愛菊[4]等人設計的野外鴨舍喂水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進行水箱液位檢測和水泵驅(qū)動，具有水箱低水位自動補水和高水位防止溢出等功能，實現(xiàn)了野外鴨舍喂水的自動控制.

針對現(xiàn)有寵物喂食器存在的問題，并結(jié)合野外自動化鴨舍的設計經(jīng)驗，筆者提出了一種基于AT89S52單片機的寵物喂食器自動控制系統(tǒng)設計方案；使用步進電機控制技術實現(xiàn)了寵物的食物供給，采用熱釋電傳感器來檢測寵物位置，進而控制電磁閥完成對寵物的自動供水[5].同時，還詳細介紹了系統(tǒng)的軟、硬件設計方法及試驗測試結(jié)果.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于AT89S52單片機的寵物喂食器自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.該系統(tǒng)主要由語音輸出電路、紅外感應供水電路、食物供給控制電路、液晶顯示電路、按鍵調(diào)節(jié)電路和溫度采集電路等部分組成.

工作原理如下：每當?shù)竭_設定的供食時間，系統(tǒng)控制語音輸出電路發(fā)出音樂，吸引寵物前來進食；由食物供給控制電路控制供食電機旋轉(zhuǎn)，打開供食口檔板，使食物流入食物盤中，為寵物供食；當寵物接近供水槽時通過紅外感應供水電路，打開電磁閥，為寵物提供飲水；使用溫度采集電路采集環(huán)境溫度并在LCD上進行顯示；同時，還可根據(jù)喂養(yǎng)寵物的不同通過按鍵調(diào)節(jié)電路等靈活地設置寵物供食時間、供食量和自動供水感應范圍.

圖1 寵物喂食器自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 語音輸出電路語音輸出電路的主要功能是每當?shù)竭_設定的供食時間，系統(tǒng)可控制該電路播放所錄制的聲樂，吸引寵物前來進食[6-7].由于語音處理芯片ISD1820內(nèi)含自動增益調(diào)節(jié)AGC電路和語音專用濾波電路，并具有錄放音方便、音質(zhì)效果好等優(yōu)點，因此采用該芯片設計了語音輸出電路，電路如圖2所示.

圖2 語音輸出電路

圖2中，ISD1820的第1腳REC外接K1鍵，當按下此鍵，芯片開始錄音，且第13腳Recled輸出低電平使LED1點亮，直到K1鍵松開，錄音結(jié)束；錄音駐極體話筒MK1在串接電容C2，C3后，以差分形式接至ISD1820的MIC+，MIC-端；ISD1820的Player端接至單片機的P1.6腳，當此端出現(xiàn)上升沿時，芯片開始放音；ISD1820的SP+，SP-端外接揚聲器，用于放音；同時ISD1820的PlayL端接地，關閉電路的電平觸發(fā)放音模式.當供食時間到時，單片機控制P1.6腳給ISD1820輸出一個上升沿脈沖，控制語音輸出電路播放聲樂，吸引寵物前來進食.

2.2 食物供給控制電路食物供給控制電路可用于寵物的供食控制，當其控制供食電機正轉(zhuǎn)時，打開供食口檔板，使食物流出為寵物供食；反之，當其控制供食電機反轉(zhuǎn)時，可關閉供食口檔板，停止對寵物供食，電路如圖3所示.

為實現(xiàn)供食口擋板位置的精確控制，供食電機選用28BYJ-48型四相八拍步進電機，其供電電壓為DC5～DC12 V，步距角α=5.625 °，減速比1∶64[8]；步進電機驅(qū)動電路選用ULN2003A芯片，其最大驅(qū)動電壓為50 V，最大輸出電流為0.5 A.

圖3 食物供給控制電路

圖3中，單片機的P2.3～P2.0引腳分別接至ULN2003A的輸入端IN1～IN4，供食電機的A，B，C，D端通過插頭J1分別接至ULN2003A的輸出端OUT1～OUT4；系統(tǒng)工作時，若單片機P2口循環(huán)輸出控制信號序列0x08→0x0c→0x04→0x06→0x02→0x03→0x01→0x09，使供食電機四相繞組的通電順序依次為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，則電機正轉(zhuǎn)，供食口擋板打開；反之，若單片機P2口循環(huán)輸出控制信號序列0x09→0x01→0x03→0x02→0x06→0x04→0x0c→0x08，使供食電機四相繞組的通電順序依次為A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A，則電機反轉(zhuǎn)，供食口關閉[9-10].

2.3 紅外感應供水電路紅外感應供水電路主要用于檢測寵物是否前來喝水，并據(jù)此控制電磁閥的通斷，實現(xiàn)對寵物的自動供水，包括紅外感應電路和供水電路2個部分.

紅外感應電路如圖4所示.電路采用熱釋電傳感器HC-SR501來檢測寵物位置，該傳感器的感應距離在0～7 m內(nèi)連續(xù)可調(diào)，感應角度為小于100 °錐角；HC-SR501的輸出端OUT經(jīng)三極管8050接至單片機P1.0腳，電位器RL，RT分別用于調(diào)節(jié)該傳感器的感應距離和感應延時時間[11].當檢測到有寵物靠近喝水時，HC-SR501的OUT端輸出3.3 V高電平，使8050導通，給單片機P1.0腳輸入低電平；反之，未檢測到寵物時，OUT端輸出低電平，給單片機P1.0腳輸入高電平.

圖4 紅外感應電路

供水電路如圖5所示.系統(tǒng)供水控制元件采用常閉直動式電磁閥，其工作電壓為5 V；當給電磁閥線圈正向通電時(即電磁閥接口J2的IN端輸入高電平，OUT端輸入低電平)，產(chǎn)生電磁力可將活動鐵芯吸起，閥門供水口打開供水；當電磁閥線圈非正向通電時，無電磁力產(chǎn)生，活動鐵芯封住供水口，閥門關閉[12].

圖5中，單片機使用P1.4，P1.5腳控制供水電磁閥；當P1.4腳輸出低電平時，三極管Q7，Q6截止，Q5導通，J2的IN端為高電平；反之，當P1.4腳輸出高電平時，Q7，Q6導通，Q5截止，J2的IN端為低電平.同理，當P1.5腳輸出低電平時，J2的OUT端為高電平；當P1.5腳輸出高電平時，J2的OUT端為低電平.經(jīng)分析可知，只有當P1.4腳輸出低電平，P1.5腳輸出高電平時，電磁閥線圈才正向通電，閥門打開供水；其余情況，閥門均關閉.

圖5 供水電路

3 系統(tǒng)軟件設計

寵物喂食器控制系統(tǒng)的軟件設計主要包括主程序、供食控制子程序、自動供水控制子程序、溫度采集子程序和LCD顯示子程序.

3.1 主程序主程序流程如圖6所示，其主要功能如下：首先，系統(tǒng)調(diào)用初始化子程序，對所用變量和模塊進行初始化；調(diào)用按鍵掃描子程序進行按鍵檢測，據(jù)此設定供食定時時間、0.1 s供食延時子程序調(diào)用次數(shù)n等參數(shù)值；然后判斷是否到達設定的供食定時時間，若到達則調(diào)用語音輸出子程序，發(fā)出聲樂吸引寵物前來進食，并調(diào)用供食控制子程序為寵物自動供食；檢測是否有紅外感應信號，當接收到紅外感應信號時，調(diào)用自動供水控制子程序，使電磁閥線圈正向通電，打開供水口進行供水；最后，執(zhí)行溫度采集子程序，采集寵物進食環(huán)境溫度，并調(diào)用LCD顯示子程序顯示當前環(huán)境溫度和系統(tǒng)工作狀態(tài).

3.2 供食控制子程序供食控制子程序主要用于控制供食電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動步數(shù)，實現(xiàn)供食口的打開和關閉，完成寵物的供食控制.供食控制子程序流程如圖7所示.

其功能如下：首先，在LCD上顯示所設定的供食定時時間，并判斷是否到達該時間；若已到達，控制單片機P2口輸出正向八拍脈沖序列(0x08→0x0c→0x04→0x06→0x02→0x03→0x01→0x09)，使供食電機正轉(zhuǎn)，開始打開供食口擋板為寵物供食；當給供食電機輸出4×64個正向八拍脈沖序列時，電機正轉(zhuǎn)半圈，供食口完全打開；接著，調(diào)用n次0.1 s供食延時子程序，使供食口打開n×0.1 s；最后，控制單片機P2口輸出反向八拍脈沖序列(0x09→0x01→0x03→0x02→0x06→0x04→0x0c→0x08)，使供食電機反轉(zhuǎn)，關閉供食口擋板；當輸出4×64個反向八拍脈沖序列時，電機反轉(zhuǎn)半圈，供食口完全關閉[13].

3.3 自動供水控制子程序自動供水控制子程序流程如圖8所示.其功能如下：首先，先讀取單片機P1.0引腳的電平狀態(tài)；其次，判斷該引腳是否為低電平，若為高電平，表示無寵物靠近喝水并繼續(xù)檢測；若為低電平，表示有寵物前來喝水，則給P1.4←0，P1.5←1，使電磁閥線圈正相通電，閥門供水口打開；接著，調(diào)用100次0.1 s延時子程序，為寵物持續(xù)供水10 s；最后，給P1.4←1，P1.5←0，使電磁閥線圈反向通電，關閉供水口閥門.

4 試驗結(jié)果分析

為了驗證所設計寵物喂食器控制系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)進行了紅外感應自動供水和定時供食等方面試驗測試.

4.1 紅外感應自動供水試驗試驗測試時，首先將熱釋電傳感器HC-SR501固定于寵物喂食器前端；然后，通過調(diào)節(jié)圖4中電位器RL值來設定寵物感應距離；接著，讓寵物貓從不同角度和距離靠近HC-SR501傳感器，以檢測本系統(tǒng)紅外感應自動供水功能.

測試結(jié)果表明，當寵物在感應角度小于100 °錐角，兩邊距離l1≤4 m，中間距離l2≤7 m的扇形范圍內(nèi)運動時，系統(tǒng)均可檢測到寵物，并能快速地觸發(fā)自動供水功能，使電磁閥供水口打開，持續(xù)為寵物供水10 s，具體的自動供水紅外感應范圍如圖9所示.同時，使用者也可根據(jù)喂養(yǎng)寵物的不同，調(diào)節(jié)電位器RL，改變自動供水的紅外感應范圍.

4.2 定時供食試驗在寵物喂食器定時供食試驗測試時，首先將寵物飼料倒入儲食桶中，并用供食電機控制儲食桶底部的供食口擋板運動；其次，給寵物喂食器設定不同的供食時間，并用秒表PC3860(其計時單位為1/100 s，最大計時時間為10 h)，對每次實際供食時間進行測試；接著，用一臺DJ-300A型電子天平(其稱量范圍為0～310 g，精度為0.01 g)，對每次供食時流入供食盤中的飼料分別進行稱重，獲得每次實際供食量wi.測試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 定時供食測試數(shù)據(jù)表

所測供食量的最大實際相對誤差δ為

對上述試驗測試結(jié)果分析可知，該寵物喂食器具有較好的自動供水功能，可及時檢測到進入自動供水感應范圍內(nèi)的寵物，并能迅速觸發(fā)自動供水功能為寵物提供飲水，還可靈活地調(diào)節(jié)自動供水的紅外感應范圍；同時，還可根據(jù)喂養(yǎng)寵物的不同靈活地設定寵物供食時間和每次供食量；在實際寵物喂養(yǎng)中該系統(tǒng)的供食時間準確，供食量穩(wěn)定、波動小.

5 小 結(jié)

提出了一種基于AT89S52單片機的智能寵物喂食器設計方案.重點介紹了如何控制步進電機實現(xiàn)對寵物的食物供給，以及利用熱釋電傳感器HC-SR501和電磁閥進行寵物的自動供水設計.試驗測試結(jié)果表明，該寵物喂食器具有良好的定時供食和自動供水功能，可根據(jù)寵物情況靈活地調(diào)節(jié)供食時間、供食量和自動供水感應范圍，提高了寵物喂食器的自動控制水平.同時，在實際使用中該系統(tǒng)還具有供食時間準確、供食量穩(wěn)定和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，具有較高的實用價值.