一种鱼缸自动喂食机构及其控制系统设计

天津职业技术师范大学 Tianjin University of Technology and Education 毕 业 设 计 专 业： 机械维修及检测技术教育 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 副教授 二 一 六 年六月 天津职业技术师范大学本科生毕业设计 一种鱼缸自动喂食机构及其控制系统设计 A fish tank automatic feeding mechanism and its control system design 专业班级：机检 1111 学生姓名：陈益磊 指导教师： 副教授 学 院： 机械工程学院 2016 年 6 月 I 摘 要 观赏鱼可为人们带来爽心悦目的感觉，舒缓人们的生活压力，为居家生活平添众多生机。因此，观赏鱼是众多家庭首先的室内装饰品。然而，伴随社会的发展，人们工作、生活节奏越来越快，人们在享受观赏鱼所带来乐趣的同时，时常会遗忘观赏鱼的喂食工作，造成观赏鱼喂食时间不规则，喂食量不均匀等问题，进而造成观赏鱼生病甚至死亡。本课题基于智能家居的基本理念，围 绕家用鱼缸自动喂食系统关键问题开展设计工作。具体设计内容如下： （ 1）在对当前市场上家用鱼缸的结构进行调研的基础上，设计了一种便于安装到鱼缸上自动出食机构。机构可满足鱼食存储、定量出食、出食量调节等功能。 （ 2）针对所设计的自动出食结构，以 DSP 为核心单元，开发了自动出食机构的控制系统，包括步进电机的控制、鱼食不足报警等方面的功能。 （ 3）为便于人机交互的功能，课题设计了 DSP 与触摸屏的连接与信息交换。并开发了人机交互界面。界面具备鱼食存量情况监控，喂食量、喂食时间等参数的设定功能。 关键词 ：观赏鱼缸 ； 自 动喂食 ； DSP； 人机交互 ； 智能家居 II ABSTRACT Ornamental fish for people to bring cool feeling, relieve peoples life pressure, as many home life added vitality. Therefore, ornamental fish is many families first indoor decorations. However, with the social development, people work, in an increasingly fast pace of life, people in the enjoyment of ornamental fish fun at the same time, often forgotten ornamental fish feeding work, resulting in ornamental fish feeding time irregular, feed uneven problems, resulting in the ornamental fish get sick or even die. This paper based on the basic concept of intelligent home, around the key problems of household aquarium automatic feeding system to carry out design work. The concrete design content is as follows: (1) On the basis of investigation and Research on the structure of domestic fish tank in the current market, a kind of automatic food feeding mechanism is designed, which can satisfy the function of the fish food storage, the quantity of food, the regulation of food intake and so on. (2) According to the design of the automatic out of food structure, with DSP as the core unit, the development of automatic control system of food, including the stepper motor control, fish food shortage alarm and other aspects of the function. (3) To facilitate the function of human-computer interaction, this paper designs the DSP and touch screen connection and information exchange. And the development of the man-machine interface. Interface with fish food stock of the situation monitoring, feed intake, feeding time and other parameters setting function. Key Words: ornamental fish tank; automatic feeding; DSP; human computer interaction; intelligent home 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 目 录 第一章 绪论 . 1 1.研究的意义 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 自动喂食的意义 . 1 1.3 研究的目的 . 2 1.4 目前国内外 宠物照看与动物管制发展现状 . 2 1.5 主要的研究内容 . 3 第二章 鱼缸喂食机构机械结构的设计 . 4 2.1 喂食的特殊要求 . 4 2.2 喂 食机构的设计 . 4 2.2.1 喂食箱体机构的设计 . 4 2.2.2 箱体附件的设计 . 5 2.2.3 自动出食与传动机构 . 7 2.2.4 轴承的安装和固定方式 . 9 2.2.5 箱体的摆放位置及固定方式 . 10 第三章 鱼缸喂食机构的控制系统的设计 . 12 3.1 DSP 控制系统设计 . 12 3.2 总体方案的设计 . 12 3.3 控制系统硬件的设计 . 12 3.3.1 DSP 硬件的选型 . 12 3.3.2 基于 DSP 的步进电机控制设计 . 14 3.4 基于 DSP 的人机交互系统的设计 . 15 3.4.1 触摸屏的选型 . 15 3.4.2 触摸屏与 DSP 的连接方式 . 16 3.4.3 人机界面的设计 . 16 结论与展望 . 20 1.结论 : . 20 2.展望 . 20 参考文献 . 21 致谢 . 22 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 1 第一章 绪论 1.研究的意义 1.1 课题背景 智能家居（英文： smart home, home automation）是以住宅为平台，利用 综合布线 技术、网络通信技术、 安全防范技术 、 自动控制技术 、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统 1，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。 随着现代科技的日益发展，智能家居已包含： 控制主机（集中控制器） 、 智能照明系统 、 电器控制系统 、 家庭背景音乐 、 家庭影院系统 、 对讲系 统 、 视频监控 、 防盗报警 、 电锁门禁 、 智能遮阳（电动窗帘） 、 暖通空调系统 、 太阳能与节能设备 、 自动抄表 、 智能家居软件 、 家居布线系统 、 家庭网络 、 厨卫电视系统 、运动与健康监测 、 花草自动浇灌 、 宠物照看与动物管制 、室内空气质量检测与分析等方面。 本课题属于智能家居 宠物照看与动物管制 的范畴，拟针对鱼缸自动喂鱼系统关键问题开展设计工作。 1.2 自动喂食的 意义 观赏鱼是许多居家和办公室必备的装饰物，可为人们带来爽心悦目的感觉，舒缓人们的生活压力，为居家生活平添众多生机。因此， 越来越多的人喜欢饲养观赏鱼 。然而，伴随社会的发展，人 们工作、生活节奏越来越快， 当你上完一天班，疲惫的回到家中，见到鱼缸中那些鲜活的鱼儿游来游去，顿时会释放你一天的压力，但 人们在享受观赏鱼所带来乐趣的同时，时常会遗忘观赏鱼的喂食工作，造成观赏鱼喂食时间不规则，喂食量不均匀等问题，进而造成观赏鱼生病甚至死亡。本课题基于智能家居的基本理念，围绕家用鱼缸自动喂食系统关键问题开展设计工作。课题研究在以下几个方面具有重要的意义： （ 1） 鱼食一次性加注，可以在相当长的时间内实现鱼食存储及自动喂食功能，无需人的参与。 （ 2） 每次喂食量和喂食时间间隔可根据所饲养鱼的种类及数量 进行适当的设定，减少人工喂食的主观性、随机性，确保观赏鱼健康生长。 （ 3） 具备鱼食存储功能，鱼食干燥、密封存储。 当鱼食存量不足时 可及时发出报警信息，提示加食。 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 2 1.3 研究 的目的 21 世纪是互联网快速发展的时代，随着互联网的发展，人们之间联系的方式多种多样，各种本不应该产生关联的设备在互联网的影响下联系在一起。智能家居就是通过物联网的技术将家庭的各种家居设备联系在一起，为家庭的控制提供便捷，比如现在家庭里的空调、加热水器、防盗系统、远程监控等都可以通过我们的手机或者一个独立控制系统来控制，将几个独立的设备通 过物联网技术联系在一起。大大提高了对分散设备控制的便捷性。 随着居民的生活水平和消费能力不断提高，家庭环境是每个人最 为关心 地方，互联网对人们传统生活的改变以及人们对其需求是显而易见的，许多有经济实力的人对智能化设备的需求日益增加。因此，很多新建的小区都将采用智能化建设，智能家居市场表现的十分火热，智能产品供不应求。智能化程度越来越高尤其是防盗报警系统和楼宇照明控制等领域； 从用户角度来看，家居控制和家居环境、娱乐的市场需求较为迫切。 2016 年中国产业调研网发布的中国智能家居市场现状调查与未来发展趋势趋势报 告显示 2，尽管智能家居是国内近年发展的新兴行业，它的发展速度十分迅猛， 2014 年是智能家居中国发展的爆炸期，在短短四年的时间里，各大智能家居生产商纷纷崛起，都开始加入到智能设备领域，目前其行业发展的速度是其他传统行业无法超越的 3。各大生产的厂商都开始布局智能家居板块，比如现在的小米集团，乐视集团一系列的智能家居产品不断的发布，空气进化器、智能电视、智能照明等等，随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起，全球的信息创新技术不断的发展，中国居民消费水平的不断提高国家大力推行城镇化、农业现代化、工业化的发展 以及宽带的普及和各种新式服务、新产品的不断涌现 ， 奠定了智能家居行业的发展基础，目前国家大力鼓励创新，移动互联网，云计算，大数据等 名词大热 ，加快了智能终端产业化的发展，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。从目前的发展趋势来看，在以后制造行业的发展过程中，智能家居行业将成为中国的主流行业之一，它的发展前景十分广阔 4。 1.4 目前国内外 宠物照看与动物管制 发展现状 随着生活水平的提高，城市化发展的迅速以及城市家庭规模的缩小，据资料显示，目前城市中拥有宠物的数量超过一个亿，而且其增长的速度越来越快， 有些人将宠物当成自己的孩子来养 5，宠物的行为举止时时刻刻都能牵动主人的心 ， 智能家居宠物照看机器就可以解决这个问题 。 目前国内外很多智能家居制造公司将智能发展的方向对准了宠物，在国外有许多智能宠物喂食机器和互动机器，它内部拥有一个微型摄像头，或者一个麦克天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 3 风 内置扬声器 ，用户可以通过专门的手机 APP 远程 操作，与动物互动进行交流，如果宠物走进了手机的视频内，你也可以叫它的名字，如果你太忙，没有时间，你也可以开放你的 APP 权限，可以让你的朋友，亲人帮你照看，非常的人性化和现代化。 在国外，有些智能宠物家居的现代化已经 赶上人类的生活水平。在宠物的智能设备上有跑步机，可以让动物运动减肥，有平板电脑，有浴盆，看起来非常的奢华，还具有一套智能监控系统，可以每时每刻观察宠物状况。 但随着宠物市场的成熟，行业目前暴漏出很多不规范的问题制约着市场的发展，缺少一些监督和管理，而目前国内很多宠物医院缺乏和从事宠物医生的人员的缺少，宠物用品也被国外的品牌占据，业内缺少行业的管理和服务 。 目前法律的不完善，动物本身安全防疫工作的缺失，给社会的安全都会带来很大的隐患等6。 所以国内外宠物市场的发展有着很大的差别，但是随着宠物市场制度的不断完善 ，这一切都会变得规范 。 依照目前国内的发展，宠物市场潜力巨大。 人们除了养猫，狗之外现在家庭水族箱的发展也是越来越快，很多家庭喜欢养鱼，智能家居水族箱的发展上了一个新的台阶， 国外 一些智能养鱼设备 通过手机 APP 绑定，通过手机随时随地对饲养的鱼类进行视频观察、临时喂食，还可以进行拍照录像，并且可以将照片传至第三方的平台，还有更多的水箱内部装饰，鱼类的玩具等。还可以根据鱼类的不同种类直接通过软件设置食物的量，喂食的时间，容器采用称重传感器精准计算鱼料的剩余重量提示用户在鱼料剩余不多的情况下注意添加食物。还会每天记录 喂食的情况，鱼类的生活情况，检查水质的污染情况，水质的养分， 自动供氧，科学合理的饲养鱼类。 1.5 主要的研究内容 课题基于智能家居的理念与需求，开发鱼缸自动喂鱼系统。具体设计内容包括以下几个方面： （ 1）在对当前市场上家用鱼缸的结构进行调研的基础上，设计了一种便于安装到鱼缸上自动出食机构。机构可满足鱼食存储、定量出食、出食量调节等功能。 （ 2）针对所设计的自动出食结构，以 DSP 为核心单元，开发了自动出食机构的控制系统，包括步进电机的控制、鱼食不足报警等方面的功能。 （ 3）为便于人机交互的功能，课题设计了 DSP 与触摸屏的连接与信息交换。并开发了人机交互界面。界面具备鱼食存量情况监控，喂食量、喂食时间等参数的设定功能。 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 4 第二章 鱼缸喂食机构机械结构的设计 2.1 喂食的特殊要求 现在的水族箱饲养越来越广泛，饲养的鱼类的种类也越来越多，每种鱼类生活习性都不相同，喂养的食物也是各种各样，大小、形状也可能大不相同，因此喂食器的设计就需要满足这类的需求，当然在生活节奏非常快的今天有时候会无暇顾及照料所饲养的鱼儿，在饲养的过程中，可能遇到食物缺失或者一次性给予的食物太多，这都会导致鱼类间接死亡，食物的过多还会导致鱼缸中 水质的变化，经常换水又会增加人工麻烦，所以喂食机构的设计还需要根据鱼类饮食的时间设定固定的时间，需要通过查阅资料和咨询售卖鱼类的服务人员沟通，要了解饲养的鱼类的生活习性，从而设定给予食物的时间、食物量。所以在设计的时候还需要根据不同种类的鱼类设置一次性喂食物的量，在饲养过程中才会注意细节，饲养好鱼类。 因此，本喂食机构需要具备适当的容量、具备自动出食机构、便于在鱼缸上安装等方面的要求。 2.2 喂食机构的设计 为满足鱼食存储及自动出食的要求，本课题所设计的喂食机构机械部分主要包括箱体结构、出食机构等方面。 2.2.1 喂食箱体 机构的 设计 自动喂鱼系统中的箱体主要用来储存一定量的鱼食，以及整体结构及附件安装等方面的功能。 箱体的具体设计及要求： （ 1） 材料的选取：由于本箱体结构需要安装到鱼缸的玻璃墙壁上，箱体整体的重量不能超过鱼缸的玻璃墙壁的承重能力。为减少机构的整体重量，本课题箱体结构选用重量轻、强度大的铝合金材料来设计。 （ 2） 箱体尺寸与外观：箱体尺寸的大小需要根据鱼缸的大小及饲养鱼的数量来确定，本课题在对花鸟虫鱼市场进行充分调研的基础上，以常见家用鱼缸尺寸及鱼的饲养量为基础，设计箱体的尺寸满足以下几个要求：鱼 食存储容积最大存储满足 1 个月的供食要求；外观尺寸与鱼缸整体尺寸相协调；箱体内部满足传动机构安装要求。箱体外观如图 2-1 所示 ： 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 5 图 2-1 箱体外观 箱体内部主要分鱼食存储空间和驱动及传动机构安装空间两部分， 箱体内部结构如图 2-2 所示 ： 图 2-2 内部结构图 鱼食存储空间用于存储适量的鱼食，为便于出食，箱体底部采取左高右低、流线型设计，以保证当鱼食不足时，剩余鱼食可以自动下滑并聚集到出口处，便于出食。 外观尺寸的具体设计参数： 根据水族箱市场调研 为尺寸依据 ，设计的箱体 的 长度 约 为 320mm， 宽为 220mm，高度为 180mm。 该尺寸能够与鱼缸整体尺寸相协调，不影响鱼缸其他设备工作。 驱动及传动机构安装空间用于安装驱动电机、齿轮减速机驱动轴等部件。该空间的左右两隔板同时用于安装传动轴轴承。 2.2.2 箱体附件 的设 计 箱体附件是喂食机构不可缺少的零件，附件是支持机构完整运行的条件之一 ，喂食箱体的美观、装饰、传动都离不附件的支持。 箱体附件图 2-3 所示 主要包括出食漏斗、 电机 、 箱体 安装板等 ， 机构在传送鱼食 的过程中需要 通过螺杆的旋转将鱼料推送出去， 为了保证鱼料的不泄露，箱体与外界需要一定的密封性，又能够将螺 杆包含在内，因此螺杆的设计需要满足天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 6 以下几个要求：出食漏斗必须比螺杆大 ，约为三分之二； 保证食物不随意泄漏 螺杆的整体 约 四分之一 需在漏斗中。 图 2-3 出食漏斗 螺杆 在 静止状态 下 ，剩余的部分鱼料会聚集在螺纹的间隙中， 依靠 螺纹之间的相互阻挡作用，鱼料不会 泄漏出去， 鱼食 在传动时通过螺杆直接从漏斗机构掉入鱼缸中，不会产生鱼食的泄漏， 增加了机构喂食定量的稳定性。 安装板是箱体运行不可缺少的附件，它是支撑机械传动机构的载体是机械系统运行的重要保障。 如图 2-4 所示， 两空间之间安装板可以用于轴承的安装，也可保持两空间部分的相对密封性，侧面两传动轴之间的支撑，轴承座需安装在板上，支撑轴传动，电机 安装板 通过螺钉紧固连接板与底板 之间 ，电机通过安装板作为依托固定在箱体中，保证传动部分平稳传动。 如图 2-4 箱体安装 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 7 2.2.3 自动出食与传动机构 为了保证出食机构的顺利工作，传动部分是机械设计的核心部位， 自动出食与传动机构零部件包括螺杆、传动轴、齿轮、电机、轴承等。 如图 2-5 所示： 图 2-5 传动机构 （ 1） 螺杆 设计要求 螺杆是食物导出的载体部件， 螺杆参数的设计的要求必须满足 以条件： 尽 可能多的传动鱼料 ； 螺纹螺距的选择上要符合螺杆的标准螺距且配合食物的传动要求；螺杆的长度要求必须要和箱体相匹配，能够 容易 进行安装、拆卸，方便储物箱的箱体的清洗。如图 2-6 所示 : 图 2-6 螺杆 根据调研市场上的鱼食的 形状、大小， 螺杆的切口形状、深度、直径、长度、螺距、截面的形状以及它的螺旋升角的设计都是根据鱼食的大小 形状等参数 来设计的。市场上鱼食基本都是小颗粒状 ， 基本尺寸在 25mm，螺杆 的设计 长度 约为 110， 螺纹的有效长度 约为 70mm， ， 螺纹截面的形状为梯形 ， 直角梯形的斜边对着出口让传动 效果更加通畅 ，螺旋升角 60 度，螺纹旋向 为 左 旋。 螺杆与传动轴分开安装，用联轴器或紧固连接方式将传动轴与螺杆连接一起，装拆方便。 （ 2） 主传动轴，从传动轴 传动设计需满足机械结构传动要求，电机与齿轮之间的传动依靠主传动传动天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 8 转矩，主传动轴在轴端部的设计还需满足齿轮的与轴承的安装，在阶梯轴上需开键槽，电机与主传动轴通过联轴器相连，联轴器用于轴之间连接稳定，且在安装 中比较容易，占用空间较小，传动平稳。如图 2-7 所示： 图 2-7 主传动轴 从传动轴的设计是配合主传动轴，将传动力矩传送给螺杆，通过螺杆将食物送出储物箱，从传动轴设计为一个阶梯轴，轴的两端由两个轴承固定支撑，阶梯轴上揩油键槽用于齿轮的安装，阶梯轴的轴端需要倒角，便于轴承安装，主从动轴通过齿轮啮合传动，从传动轴与螺杆一分为二是为了便于的安装，两者之间的安装为螺钉紧固连接。 如图 2-8 所示： 图 2-8 从传动轴 （ 3） 齿轮 齿轮的啮合传动是机械传动的主传动，主 、 从动轴之间力矩的传动依靠齿轮来进行衔接，大小齿轮的啮合传动可以降低从动轴的转速，齿轮的设计需要满足箱体的安装要求；两个齿轮 安装要求 ；齿轮与两个传动轴的安装要求。 齿轮传动的优点： 齿轮作为机械传动因为 传动效率比较高， 能保证瞬时传动比 恒定，工作可靠性高，传递运动准确， 结构相对紧凑， 便于箱体传动空间的安装， 齿轮机构相对于带传动和链传动它需要的空间尺寸比较小，传动比稳定， 齿轮 使用寿命 比较长， 传动 可靠、平稳，齿轮传动相对于其他传动优点较多。 根据 箱体安装空间尺寸 计算，选择的齿轮模数为 m=2，齿数为 Z=40，压力角为 20 度，的大齿轮，小齿轮齿数 Z=20，齿轮啮合 条件为： 模数和 齿形角都相等；两齿轮的基圆齿距相等。 如图 2-9 所示： 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 9 图 2-9 齿轮模型图 （ 4）步进电机 喂食机构的传动需要动力源，且根据设计要求需要计 算螺杆的转动角度，控制螺杆转动的时间，步进电机作为机械传动的动力源，满足喂食机构的传动的需求，步进电机可以控制其转动的角度 ， 电机的选型、安装 的方式 ，直接影响机械结构的运动平稳性。 步进电机 工作原理 ： 步进电机是将 一种 电 脉冲 信号转 化 为 角位移或者是线位移 的一个执行元件 。 步进电机一般分为二相，三相，四相，五相， 在 没有 超载的情况下， 电机的 转速、停止的位置只取决于 接收到的 脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 ， 它的旋转是以固定的角度一 步一步运行的7。 步进电机的选型：选取的步进电机型号为 42 系列 H2P4010A4 的直流混合式两相四线步进电机，步距角 1.8 度、静转矩 0.35NM、相电流 1A、直流电压6V、机身长度 40mm、轴长 20mm、直径 5mm。四线的步进电机，电机里面的两组线圈是绝缘的，分别为 A+、 A-、 B+、 B-，驱动器驱动步进电机的转动就是轮流给 A 组 B 组连续的脉冲。在脉冲电压不断的传入，电机就会连续转动。 2.2.4 轴承的安装和固定方式 轴承是传动轴转动 条件中 不可缺少的零件， 轴承是 用来 支撑主从动轴 转动 ，轴承安装在轴承座中 ， 通过轴承座与安装之间的固定连接支撑轴的回转， 轴承安装的几个必要条件： （ 1） 轴的阶梯长度稍微小于轴承内圈的宽度，轴超过内圈宽度会影响轴转动效率，不便于轴承安装； （ 2） 轴的端部需要倒角，便于轴承安装；轴承 安装需在轴向位置固定； （ 3） 轴承的径向位置需要轴与轴承之间的过盈配合， 如图 2-6 所示： 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 10 图 2-6 轴承安装示意图 图 中 所示轴承 安装剖面图， 轴承内圈卡在 阶梯轴上 ， 轴与轴承 之间的配合为过盈配合，目的保持轴承的径向固定， 第二层 轴端顶部 顶在轴承的内圈上，轴承不能向右移动， 起右侧方向的 轴向固定， 阶梯的长度不能超过轴承内圈宽度， 起到安装方便且 不与挡板起到摩擦，轴承安装在轴承座中， 起到支撑轴承作用， 轴承座左侧 内的弹性挡圈 卡 住轴承的外圈，起到轴承的左边轴向固定，轴承座作为轴承的轴向固定 牢靠 、稳定，四个螺钉将轴承座与安装板紧固连接，结构稳定且安装方便。 2.2.5 箱体的摆放位置及固定方式 鱼缸喂食机构的箱体 箱体的摆放 需要固定机构 将其固定在鱼缸壁上 ， 根据设计要求 箱体固定需要满足以下要求：由于鱼缸基本为玻璃壁，固定机构不能将玻璃 划 花；鱼缸在安装上需要成一个角度，方便食物积聚出食口 要求；锁紧机构能够稳定牢靠的将喂食机构固定鱼缸壁上。如图 2-7 所示： 图 2-7 固定机构示意图 对于箱体的固定，采用了锁扣的方式，两个锁扣相等高度， 形状 大小一样，在鱼缸的内壁 安装保持力的共同作用 ，由于箱体和内部机构整体重量很轻，两个天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 11 锁扣锁紧状态下 完全可以满足将箱体固定在鱼缸的内壁上面。 锁紧口是一个 成 倾斜角度 活动板， 在安装 时 让鱼缸和锁扣 成相同的 倾斜角度，鱼料的放置过程中因为倾斜而集中在 食物 出口附近，方便鱼食的导出，锁扣固定方式 利用了螺钉旋转力压中间的平板，平板上面装有防滑垫，将鱼缸玻璃壁紧紧的压在平板和锁扣之间，增加鱼缸的稳定固定。在螺 母 的旋转上，设计 成 塑料的螺纹旋钮，直接手动旋转，非常舒服不会咯压手指。 喂食机构 各个零部件组成一个整体自动喂食箱，将所有的零件组装配合，在安装方面需要注意零件之间的配合间隙，保持机械结构运动的平稳性， 智能化的设计在未 来水族箱的发展上将会得到越来越多的用处，也是未来智能化发展的趋势。智能化的设计也可以减少人工劳动强度，鱼缸的喂食机构不但能准确的达到定时、定量的特点，而且如果储存单元中没有食物，系统还会自动检测，并且在面板上显示报警状态，提醒你目前箱体内部的情况，非常的方便和智能。 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 12 第三章 鱼缸喂食机构的控制系统的设计 3.1 DSP 控制系统设计 自动喂食机构系统 由 DSP 控制器为核心，控制喂食机构的传动。 3.2 总体方案的设计 本系统主要包括基于 DSP 步进电机驱动方式， DSP 与触摸屏直接的连接方式， 人机交互界面等模块，控制系统控制框架图如图 3-1 所示 。 图中所示为 DSP 连接步进电机的驱动器，处理 系统给出 电机的数据 。 DSP与触摸屏之间相连， DSP 处理触摸屏中的数据，触摸屏将 DSP 处理好的数据反馈的屏幕上。 图 3-1 系统控制框架 3.3 控 制系统硬件的设计 控制系统硬件的设计主要包括 DSP 芯片的选型，触摸屏的选型，基于 DSP控制步进电机的方式， DSP 与触摸屏的连接方式 等 。 3.3.1 DSP 硬件的选型 （ 1） DSP 的概念： DSP 芯片（数字信号处理器）是一种 专用于数字信号处理的器件，广泛的应用于实时快速进行信号处理的场合 8，通常 DSP 芯片拥有高精度并行高速硬件乘法器。现在人工智能的发展很迅猛，这些都与数字信号处理密不可分， DSP天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 13 还具有处理能力强，多级流水线，功耗低，资源配置灵活等特点 。 美国的 TI 公司是目前世界上生产 DSP 最优秀的厂家之一 。 主要的产品型号TMS320C2000 系列、 TMS320C5000 系列、 TMS320C6000 系列 。 （ 2） DSP 的最小系统： DSP 硬件是 DSP 应用系统设计的基础， 它的内部设计采用了快速存储器设计，大量使用多端口存储器，具有中断处理和硬件 I/O 支持 。 要组成一个 DSP应用系统还必须一些外围的辅助模块。用到最多的就是 ADC 模块，输入输出接 口，A/D 转换等等。最基本的电路包括电源，时钟晶振，复位电路仿真口 JTAG 等，这些最基本的电路和 DSP 芯片就可以构成一个最小的系统 。 在智能家居系统中， DSP 在喂食器定时的 控制，定量的控制，食物的剩余，电机转动次数等具体数据的分析和处理数据方面有着很大的优势。 DSP 芯片选型要求： DSP 性能、价格、常用性 ；能够与电机、触摸屏之间的连接简便，综合分析 选 取了 TMS320F2812 型号的 DSP 芯片。 图 3-2TMS320F2812 引脚封装图 (3） TMS320 芯片的性能特点： 320 系列是 TI 公司推出的一款 32 位定点 DSP 控制器，是目前最优秀的处理天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 14 器之一，最高频率 150Mhz，哈弗总线结构， 12 位 16 通道的 ADC 模块，有高达56 位的输入输出引脚 ， 供电核心电压 3.8V,I/O 电压 3.3V。这款芯片的运行速度 、兼容性以及对自然型数据的处理包括音频，视频，语音的压缩和调制等 性能非常好 ， 还 具有成本效率高，速度快等特点 ， 具有异步串口能与 PC 相连 。它有 128个引脚，可以根据系统的需求选取所需要的接口进行电路的连接 ， 如图 3-2 所示为 TMS320F2812 引脚图。 TMS320F2812 芯片有 128 个引脚，每个引脚的功能各不相同，在喂食机构控制系统中，除了 DSP 最小系统外还需要引脚的接口如图表 3-3 所示： 表 3-3 引脚引用表 引脚号 引脚名称 I/O 特性 引脚功能 114 1DDV I ADC 数字电源 42/74 DDV 1.8V 核心数字电源 6875 PWM16 I/O PWM 输出引脚 66/67 SCI 串行接口 3.3.2 基于 DSP 的步 进电机控制设计 在系统的控制上， DSP 不能直接控制 步进电机 转动 ，必须用专门的驱动器 ，然后由驱动器发出控制脉冲给步进电机，步进电机接收到脉冲信号就会走相对应的角位移， DSP 控制电机 要了解：电机控制原理； DSP 如何控制电机；电机和驱动器之间的关系。 （ 1） 步进电机控制原理： 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 9。 而且步进电机的 控制性能好 ， 在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。 它的每一步的精度在 3%5%的区间内，还不会 将其误差累计。 （ 2） DSP 控制步进电机原理： 通过 DSP（ TMS320F2812）控制电机驱动器环节，通过面板给定参数， DSP通过通用定时器与四个 I/O 接口向步进电机驱动器发送 PWM 脉冲信号， 驱动器接收一个脉冲信号 PUL，电机就旋转一个步角， 脉冲信号的频率与电机的转速快慢成正比 ， PWM3 与驱动器的方向电平 DIR 相连， 此信号是控制电机的转向，比如如果此信号为高电平时顺时针转反之就是逆时针转动。驱动器上的 A、 B 两组接口是与电机的四根引线相连控制电机方向与转速。如图 3-4 所示 DSP 的 PWM 输出口控制驱动器的连 接示意图 。 （ 3）电机与驱动器连接原理： 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 15 步进电机驱动器 上面有两组线圈的控制线，分别会标有 不同的 颜色， 电 机 上的四根线 与 驱动器上 四个接口对应连接 10，驱动器发出的脉冲通过连接线路控制 电机的 转动和方向 ，在控制器上面有一个直流电源接口，可以用电池组来给驱动器供电 。 图 3-4 DSP 与驱动器控制接口示意图 3.4 基于 DSP 的人机交互系统的设计 在智能家居系统中，需要人为对设备进行参数的设置，例如鱼缸喂食器的定量，定时等参数的设置。人机交互界面作为中间媒介连接着人与机器之间的交流 。 3.4.1 触摸屏的选型 在智能家居系列中，触摸屏 是人机互动最简单的模式， 人们通过触摸屏可以控制整个智能家居的设备，智能家居化 效果 直接体现在触摸屏上面，触摸屏是一种液晶显示装置，它可以是一个集成化的小型计算机， 它与液晶屏幕的区别是它可以用手 指或者触摸笔直接操作面板上的数据，经过显示屏处理后显示出图案或文字，人和家居设备就完成一次交互，触摸屏 是一种 目前 运用比较广泛的多媒体交互设备。 在智能家居系统中，需要操作不同的设备，系统需要显示各种不同的画面和数据，触摸的选择要符合多种复杂画面和繁琐数据的处理。 触摸屏的选型包括：触摸屏的型号；触摸屏与 DSP 的连接方式。 施耐德 HMIGTW5354 型号的这款触摸屏 11。 它有着 10.4 寸的触摸显示器、1600 万色 TFT 真彩、分辨率为 800*60012。 处理器的型号是 InterAtomZ510 1.1GHZ 有 着处理内存 1GB、外部储存 2GB、可支持扩展 SD 卡 13。在输入输出接口上有着 2 个 USB2.0、 1 个 RS232C、两个 Ethernet10/100/1000Mbps 的以太网接口、直流电源 24V。系统可以运行 WES2009， 操作简便，便于开发 。 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 16 3.4.2 触摸屏与 DSP 的连接方式 施耐德 HMIGTW5354 型号的这款触摸屏具有多种数据的连接方式，它在运行 WES2009 时就相当于一个小型 PC 机，可以运行组态王 6.53 的软件， DSP、触摸屏通信的方式为 DSP 采用串行通信接口（ SCI）与 RS232 串行接口进行 DSP与 PC 之间的相连接。如图 3-5 所示是 TMS320F2812 的串通信接口电路，该电路是采用 RS232 标准的驱动芯片 MAX232 进行串行通讯 14， MAX232 的最好优点是供电电源为 35V，直接与 DSP 相连不需要其他转换电路，驱动芯片接口直接与 PC 相连。 图 3-5 TMS320F2812 串行通信接口电路 3.4.3 人机界面的设计 本设计为智能家居系统的一部分，课题组所设计的智能家居人机交互界面如图 3-6 所示。 界面主要包括火灾自动报警与监测、自动浇花系统的监测、室内 PM2.5 的监测、鱼缸内壁清洗监测、鱼缸自动喂食监测等。 火灾的监测可以预防家庭火灾，保证家庭的安全，目前空气污染严重， PM2.5的监测可以有效预防空气污染的伤害，自动浇花可以省去劳力和时间，保证花对于水的需要，鱼缸内壁的清洗保证鱼缸的清洁度，保证鱼类生活的水质。自动喂食监测可以防止鱼儿没有食物 而死亡，保证鱼类生活的环境。 天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 17 如图 3-6 主控界面 本课题针在以上 总体结构的基础上，对鱼缸自动喂食系统人机交互界面进行系统地设计 。 在自动鱼缸喂食过程中需要 控制鱼料喂食的时间，喂食的量，根据不同情况修改面板里的设置参数，喂鱼的时间 、食物量，系统界面 控制如图 3-7 所示。 经过试验储物 箱 中可以装 2kg 的鱼料， 如图 触摸屏面板上会显示鱼料充足剩余 100%，在系统设置中可以设置鱼料喂食间隔时间，喂食的量。例如面板中设置的 8 小时，每个 8 小时系统自动会喂食一次，一次喂食为 40 克，倒计时时间归零后重新计时，此时面板上绿灯亮，表示鱼料充足 图 3-7 面板界面 当喂食储物箱中的鱼料剩余 70%的时候，系统根据 食物的 总量，每次喂食的量，计算剩余的量，每次喂一次鱼料系统会自动计算剩余的量，剩余的次数，喂食倒计时的时间，会根据不同的设置状况，自动计算其他量值。如图 3-8 所示，天津职业技术 师 范大学 2016 届 本科生毕业论文 18 当鱼料的当前的 状况，系统会以计算好的结果直接呈现在面板上，一目了然可以观察到，非常智能、 方便。 图 3-8 面板界面 当鱼料箱中剩余的鱼食不足的时候，系统会自动报警且面板上的 黄 灯亮起 提醒你食