基于单片机的智能宠物喂食器设计

目  录

摘  要--------------------------------------------------------------- I

ABSTRACT------------------------------------------------------------ II

1  绪论-------------------------------------------------------------- 1

1.1  研究背景---------------------------------------------------- 1

1.2  国内外发展现状---------------------------------------------- 1

1.3  研究内容---------------------------------------------------- 2

2  系统整体方案------------------------------------------------------ 4

2.1  设计方案选定------------------------------------------------ 4

2.2  设计思路---------------------------------------------------- 5

3  硬件系统设计------------------------------------------------------ 7

3.1  单片机最小系统---------------------------------------------- 7

3.2  按键控制电路模块-------------------------------------------- 8

3.3  电源电路模块------------------------------------------------ 9

3.4  语音播报模块------------------------------------------------ 9

3.5  温湿度检测模块--------------------------------------------- 10

3.6  压力传感器模块--------------------------------------------- 11

3.7  步进电机模块----------------------------------------------- 12

3.8  液晶显示模块----------------------------------------------- 12

3.9  系统硬件电路----------------------------------------------- 13

4  软件系统设计----------------------------------------------------- 15

4.1  系统主程序设计--------------------------------------------- 15

4.2  LCD1602液晶显示子程序设计---------------------------------- 16

4.3  温湿度检测子程序设计--------------------------------------- 17

4.4  按键子程序设计--------------------------------------------- 18

5  系统调试--------------------------------------------------------- 19

5.1  仿真调试--------------------------------------------------- 19

5.2  硬件调试--------------------------------------------------- 20

6  总结与展望------------------------------------------------------- 23

6.1  总结------------------------------------------------------- 23

6.2  展望------------------------------------------------------- 23

参考文献------------------------------------------------------------ 24

致  谢-------------------------------------------------------------- 26

附录---------------------------------------------------------------- 27

摘  要

随着我国社会经济水平的快速发展，城市化的进程不断加速。我国国民生活水平不断提高，我国的宠物业也得到了飞速发展。由于城市生活的封闭性、个性化和人口老龄化等问题不断凸显。人民生活中休闲、消费和情感寄托方式也呈现出多样化发展。家庭宠物的饲养已经成为了城市居民生活消遣的新方式。

本设计具体完成基于STC89C52的智能宠物喂食控制系统的设计开发。该系统以单片机为控制核心，通过传感器对相关参数进行实时检测和采集，实现重量、温度、湿度等信息的采集和显示功能并实现定时投喂、重量等参数的设置和调整功能。在应用中，环境温度、湿度信息通过温湿度传感器进行检测。基于设定好的时间节点启动步进电机完成食物投放操作，发出声音来提示宠物进食，并对投放重量进行检测和控制。除实现自动操作控制之外，本系统还支持手动操控模式，方便了用户喂食宠物。

本系统的设计和应用，能够在无人条件下自动完成宠物喂食操作，确保了宠物饮食的规律性，解决了主人不在家时无法合理喂养宠物的问题，通过压力传感器测得的剩余食物的重量，可以知道宠物剩余食物量的多少所带来的健康问题。

关键词：STC89C52  宠物喂食  传感器  步进电机

ABSTRACT

With the rapid development of China's social and economic level, the process of urbanization is accelerating. With the continuous improvement of the living standard of our people, the pet industry in our country has also developed rapidly. Due to the closure and individuation of urban life and the aging of population, etc. The ways of leisure, consumption and emotional sustenance in people's life also show diversified development. Keeping family pets has become a new way for urban residents to live and relax.

This design completes the design and development of intelligent pet feeding control system based on STC89C52. The system takes single-chip microcomputer as the control core, and detects and collects relevant parameters in real time through sensors, thus realizing the functions of collecting and displaying information such as weight, temperature and humidity, and realizing the functions of setting and adjusting parameters such as regular feeding and weight. In the specific application, the information of environmental temperature and humidity is detected by temperature and humidity sensors, and the stepping motor is started based on the set time node to complete the food feeding operation, and sounds to prompt pets to eat, and the feeding weight is detected and controlled. In addition to automatic operation control, the system also supports manual operation mode, which is convenient for users to feed pets.

The design and application of this system can automatically complete the pet feeding operation under the unmanned condition, ensure the regularity of pet diet, and solve the problem that the owner can't feed the pet reasonably when he is not at home. Through the weight of the remaining food measured by the pressure sensor, we can know the health problems of pets caused by the amount of food.

Keywords:STC89C52  Pet feedding  Sensor  Stepmotor

1  绪论

1.1  研究背景

在社会经济高速发展的同时，居民生活水平也不断提升，对生活质量也表现出了更高的需求。饲养宠物因此成为满足人们精神需求的重要活动，为宠物业及相关产业的发展创造了有利环境......还可以在宠物胃口较好的时候进行手动喂食，给饲养宠物者带来了极大的方便。

1.2  国内外发展现状

在第二届中国北京国际宠物用品展览会上，自动喂食器称为展示焦点，这也说明，自动化、智能化已成为宠物用品市场发展趋势。展商均认为，......

国外对宠物及其相关产业的研究领先于中国，......一是欧美国家生产的高级宠物用品品种繁多、个性化且附加价值高，另一种是东南亚各国生产的低价位产品。

中国是世界宠物用品的出口大国之一，......性能可靠和价格低廉等优点，通常在其外部配置外围电路就可构成完整的控制系统，根据此特点赢得了广泛应用。

纵观为宠物所设计和研发的产品，......在研究的过程中，总有一些新的疑问在浮现，这些需要我们进行更广泛的资料收集，随时跟进最新发展动态。

1.3  研究内容

本系统由控制模块、检测模块、显示模块、语音模块等构成。控制模块以STC89C52单片机为核心；检测模块以压力传感器为基础；按键模块实现了对喂食时间、单次投喂重量的自定义设置；显示模块选择LCD1602，实现了时间、食物剩余重量和温湿度等参数数据的显示输出功能。WT588D语音播报提醒宠物进食。ULN2003步进电机正喂食，反转对应着停止喂食功能。

第一章为绪论，介绍了课题的背景和国内外现状，....

第二章为系统整体方案，通过对各个硬件的选择和比较，.....

第三章为系统硬件设计，对各个模块电路进行阐述，包含工作原理、......

第四章为软件系统设计，首先对本系统软件开发使用到的工具进行介绍，......

第五章为系统调试，对测试结果进行分析，......

第六章为总结与展望，针对本次设计的收获进行总结，分析系统的优缺点，......

2  系统整体方案

2.1  设计方案选定

诞生于上世纪七十年代的单片机表现出巨大的技术优势和应用价值，以极短时间迅速取得了市场的优势地位，成为应用水平最高的一种技术装置.....性能等角度出发开展对比分析工作。确定STC89C52和AT89S52这两款单片机产品进行选择。

两者的比较：

（1）AT89S52单片机是8K字节程序存储空间、......

（2）STC89C52是ISP的，是在线用串口编程的......

（3）STC89C52内带EEPROM，可以断电后保存资料，......

（4）STC89C52自带ADC，AT89S52需要外置ADC。

综上所述，我选择了STC89C52这款单片机用于本次设计。......

2.2  设计思路

本智能喂食装置以STC89C52单片机为控制核心，实现以下功能：接入电源，对自动喂食的时间进行设置。在到达指定时间时自动启动喂食系统，......

本次系统构成分为硬件系统和软件部分。其中，硬件系统完成控制模块、检测模块、语音模块、显示模块等相关硬件的选择和电路设计工作，......

元器件有电解电容、陶瓷电容、按键、电阻、电位器、单片机、HK711传感器、液晶、开关、电源、电子秤、排针、排阻、ULN2003电机驱动、步进电机、温湿度传感器、晶振。系统框图如图2-1所示。

图2-1  系统框图

3  硬件系统设计

3.1  单片机最小系统

本设计所选择的STC89C52单片机由Atmel公司研发制造，具有功耗低、性能好、存储空间充足等优势特征，能够充分满足设计需求[1]。目前，......单片机最小系统图如图3-1所示。

图3-1  单片机最小系统

本设计所选择的STC89C52单片机在程序指令方面与传统51系列单片机都有兼容能力，体现出良好的应用水平[3]。

STC89C52的时钟特性分析，基于以下工作流程实现单片机功能，顺序读取程序指令进行编译和执行，在此基础上自动逐条运行程序指令实现程序指令对应的空盒子功能。程序指令的调用和执行需要遵循严格的逻辑顺序，从时间层面对其执行次序进行规定。该时间次序即时序，是程序运行的基本规则。

本系统具体包含内部时钟、外部时钟等不同工作模式。

该模式集成了振荡电路，将石英晶体通过引脚XTAL1、XTAL2与单片机相连构建自激振荡为单片机运行提供必要的时钟信号。其中，CYS代表晶振，C1、C2代表电容，其常见参数取值分别为1.2-12MHz和5-30pF。

3.2  按键控制电路模块

按键电路的基本构成为并联形式的微动开关[4]。该开关基于电平检测结果实现不同的动作状态。但是抖动问题的存在将导致一定的操作误差。因此在程序设计环节需要考虑消抖问题实现相对精确的控制效果。按键控制电路原理图和实物图如图3-3所示。

图3-3  按键控制电路图和实物图

1、2和3、4引脚是内部导通的，在焊接时候只需要1、2或者是3、4连接单片机或者接地就可以了，当按键按下后输出低电平，松开是高电平。当按键按下后程序就执行当前按键所执行的条件，单片机接收到按键输出的低电平后就开始进行处理。第一个按键可设置各种参数，通过第二、三、四个按键进行辅助。实物引脚图如图3-4所示。

图3-4  实物引脚图

3.3  电源电路模块

单片机的电源采用直流5V供电，电源模块包括一个3脚的电源座子和6脚的电源开关。电源座子用于连接外部的电源插头，1口引脚连接到电源开关的3口引脚.......若传感器电压高于电源电压，则需借助相应的升压装置实现升压功能以满足电压需求。电源电路图和实物图如图3-5所示。

图3-5  电源电路图和实物图

3.4  语音播报模块

语音模块以WT588D为核心，实现了语音播报、提示、报警等功能[6]。P02口是复位引脚可以不接，只有P03口是数据引脚，......就会发送指令给WT588D，进行语音播报。语音播报电路图和实物图如图3-6所示。

图3-6  语音播报电路图和实物图

3.5  温湿度检测模块

本设计采用DHT11温湿度传感器模块，DHT11传感器是市场上最常用的温湿度传感器。......检测的结果以数字量方式串行传送[7]。

基于自身存储装置、处理元件，D......该装置的引脚情况如表3-1所示。

表3-1  DHT11引脚介绍

1号引脚和4号引脚用来给温湿度传感器供电，......

目前，DHT11传感器表现出十分显著的应用价值，......温湿度传感器模块电路图和实物图如图3-7所示。

图3-7  温湿度传感器电路图和实物图

3.6  压力传感器模块

基于HX-711的压力模块将实现饲料重量的自动检测功能。测量量程0-10kg，测量精度可达5g。根据放置于传感器上的物体重量对其所对应的压力值进行计算，.....，降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。压力传感器模块电路和实物图如图3-8所示。

图3-8  压力传感器电路图和实物图

3.7  步进电机模块

本设计步进电机所用驱动芯片具体为ULN2003。该芯片产品具有良好的耐流、耐压特性，电流可达500mA，驱动为5V，耐压为50V。可基于5V电压环境直接同CMOS、TTL等装置进行连接，能够充分满足数据处理的需求，确保电机控制质量。步进电机的步进值，......步进电机电路图和实物图如图3-9所示。

图3-9  步进电机电路图和实物图

3.8  液晶显示模块

显示模块采用LCD1602液晶显示屏，LCD1602工作在3.5V~5V的工作电压下，它内部设计有复位电路，可以进行光标移动、清屏的操作。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可显示出图形。......

在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光。液晶显示器画质高且不会闪烁。......LCD1602电路原理图和实物图如图3-10所示。

图3-10  LCD1602电路原理图和实物图

3.9  系统硬件电路

系统硬件电路设计分为7个组成部分：单片机最小系统、按键控制模块、电源电路模块、语音播报模块、压力传感器模块、温湿度传感器模块、步进电机模块。显示模块显示各个参数，按键模块用来设置三个喂食时间和重量，到喂食时间后，语音模块进行提示，单片机驱动电机投放食物。硬件原理图如图3-11所示。

图3-11  硬件原理图

4  软件系统设计

4.1  系统主程序设计

在系统运行之初，首先需完成各功能模块的初始化操作，然后基于预设参数开始运行，实现了温度、湿度、食物重量等参数信息的实时检测功能。自动喂食时间可以自行设置。在到达指定时间时自动启动喂食系统，以语音的形式对宠物进行提示，.....。

启动的步骤为：温湿度传感器检测当前温度和湿度，压力传感器检测食物重量，按键设置早中晚三次时间段喂食，设置每次喂食的重量。到喂食时间后，......主程序流程图如图4-1所示。

图4-1  主程序流程图

4.2  LCD1602液晶显示子程序设计

LCD1602液晶装置在通电之后将完成初始化处理，对显示内容、.....该显示模块的子程序流程图如图4-2所示。

图4-2  LCD160子程序流程图

4.3  温湿度检测子程序设计

开启开关电源后，温湿度传感器开始工作，基于控制信号执行相应的操作完成温度、湿度信息采集和传输任务，由单片机进行接收处理。温湿度检测子程序流程图如图4-3所示。

图4-3  温湿度检测子程序流程图

4.4  按键子程序设计

本系统设计并不涉及复杂的按键控制功能，因此在按键程序设计方面相对简单，仅需实现时间、重量等参数的设置功能以及系统手动控制功能。按键模块包含4个引脚，......基于不同的函数实现各自设置功能并结合延时程序实现消抖功能，避免系统发生误动作。按键子程序流程图如图4-4所示。

图4-4  按键子程序流程图

5  系统调试

5.1  仿真调试

本系统采用Protues进行仿真，Protues软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。通过软件进行电路图的绘制，将单片机模块、显示模块、步进电机模块、......软件仿真图如图5-1所示。

图5-1  软件仿真图

5.2  硬件调试

基于理论研究和软件仿真结果选择相应元件、材料及工具开展焊接作业完成实物作品。根据PCB板，分别完成复位电路、显示屏、传感器、按键、步进电机、电源等的安装部署工作。然后以电路图为依据通过导线对各硬件模块进行连接。确......焊接调试的硬件实物图如图5-2所示。

图5-2  焊接调试

在完成硬件测试工作之后需要开展功能调试工作，......显示界面如图5-3所示。

图5-3  显示界面

按键有四个。第一个按键可以设定当前时间和给三次喂食设定的时间、重量，设......第三个按键按下可以直接进行喂食。第四个按键调试喂食的时间和重量。按键实物图如图5-4所示。

图5-4  按键实物图

当按下第一个按键以后，就可以设定当前的时间段，第二个键和第三个键分别进行上调和下调。时间调试图如图5-5所示。

图5-5  时间调试

当按下第四个键后，就可以设定三个喂食的时间段和设定食物的重量。比如设定第一次的喂食时间为一小时三十分钟，设置的重量为0.3KG。设定的喂食时间和重量如图5-6所示。

图5-6  喂食时间和重量

通过仿真和测试，智能宠物喂食器可以正常工作并实现所设计的功能。......。