【《单片机控制的宠物喂食器系统的硬件电路设计案例》5300字】

单片机控制的宠物喂食器系统的硬件电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6079单片机控制的宠物喂食器系统的硬件电路设计案例 1191141.1系统硬件原理图 1292011.2STC89C52概述 86601.3按键控制电路 11140551.4电源电路 14196141.5温湿度传感器模块电路 15175101.6压力传感器模块电路 17245031.7电机控制电路 191.1系统硬件原理图本次设计的单片机型号为STC89C52，压力传感器检测当前投放食物重量，温湿度传感器检测当前环境温湿度。LCD1602液晶屏用于显示，按键用来设定早中晚三个时间段投食，并设置投放重量，图中单片机驱动ULN2003芯片控制电机的正转和反转。承接第二部分系统原理框图，其硬件电路原理图如图1.1所示：图1.1系统硬件原理图首先51单片机对数据进行处理，处理完成后通过液晶来显示当前的信息，如图1.2、1.3所示：图1.2单片机图1.3显示器信息的采集通过DHT11和HX711来完成，主要是对温湿度和食物重量进行数据采集，如图1.4、1.5所示：图1.4DHT11图1.5HX711电源按键用来进行设置和控制，第一按键为设置键，第二、三按键为增减键，第四按键为当前喂食的时间。当按键按下时，输出低电平；当按键松开时，输出高电平，如图1.6所示：图1.6按键设置单片机的最小系统由单片机、振荡电路、复位电路以及系统供电电源组成，如图1.7、1.8、1.9所示：图1.7振荡电路图1.8复位电路图1.9电源这个组件是晶振，给单片机提供特殊的晶振频率，然后通过电容进行滤波，如图1.10所示：图1.10晶振电路复位电路接入10μF的电解电容于RST复位引脚，复位一般分为上电复位和按键复位。在这次设计中，我们使用的是上电复位，只要我们重启一下电源开关，单片机就会自动重启，如图1.11所示：图1.11复位电路电容单片机在使用时P0口必须要接上拉电阻，上拉电阻的范围在4.7k到10k即可，无特殊要求，如图1.12所示：图1.12上拉电阻连接显示模块采用的是LCD1602，其中LCD表示的是液晶，16表示的是每行显示十六个字符，02表示的是由两行来进行显示，如图1.13所示：图1.13显示器电位器用来进行调节当前液晶的背光亮度。因为我们在供电上有时会使用1.5v和2v电源，有时会直接接入笔记本电脑进行供电，所以会造成液晶背光强度的不一致，通过旋转电位器使其进行滑动变阻，这样就可以改变当前的液晶背光亮度。其有三个引脚，但我们只需要用其中两个引脚，如图1.14所示：图1.14电位器控制部分ULN2003相当于驱动步进电机，为四相八拍，可以用来控制电机的正转和反转，如图1.15所示：图1.15步进电机温湿度传感器通过单总线来进行数据通信，上面接入了10k的上拉电阻以保证电路的正常进行，如图1.16所示：图1.16DHT11电路连接压力传感器通过内部AD把当前电流信号进行放大，根据电流的大小，来判断出当前的重量，如图1.17所示：图1.17压力传感器电路连接单片机程序的下载口，支持串行下载，通过串口线连接到P1.0、P1.1，可以进行程序的收录，如图1.18所示：图1.18程序下载口供电电源，当按下开关时，1、3就导通了，当USB接入时，就有3输出vcc，如图1.19所示：图1.19供电电源连接1.2STC89C52概述单片微型计算机简称单片机，简单来说就是集CPU(运算、控制)、RAM(数据存储-内存)、ROM(程序存储)、输入输出设备(串口、并口等)和中断系统处于同一芯片的器件，在我们自己的个人电脑中，CPU、RAM、ROM、I/O这些都是单独的芯片，然后这些芯片被安装在一个主板上，这样就构成了我们的PC主板，进而组装成电脑，而单片机只是将这所有的集中在了一个芯片上而已。51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，这一系列的单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着flashROM技术的发展，8031单片机取得了长足的进展成为了应用最广泛的8bit单片机之一，他的代表型号就是ATMEL公司的AT89系列。STM32单片机则是ST(意法半导体)公司使用arm公司的cortex-M为核心生产的32bit系列的单片机，他的内部资源(寄存器和外设功能)较8051、AVR和PIC都要多的多，基本上接近于计算机的CPU了，适用于手机、路由器等等。本次设计根据实验条件采用STC89C52，STC89C52单片机是一款低功耗、高性能的微控制器，其作用是控制各种传感器和外设，自行计算处理得到的数据和信号，并进行相应的操作，在工业生产中起到大脑的作用。STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.工作电压：5.5V～1.3V（5V单片机）/1.8V～2.0V（3V单片机）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz用户应用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P1.0,TxD/P1.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片具有EEPROM功能共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）STC89C52RC单片机的工作模式空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA图1.20STC89C52RC引脚图STC89C52RC引脚功能说明（如图1.20）VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器SFR区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P1.0～P1.7，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。ALE/（30引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。/VPP（31引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。1.3按键控制电路单片机的按键控制电路是由4个微动开关并联组成的电路按键开关的检测其原理就是高低电平的检测。图1.21为按键控制电路原理图：图1.21按键控制电路当仿真开始时，显示模块时间正常计时到2秒，如图1.22所示：图1.22显示仿真图当按下第一个设置键位时，此时会出现设置界面，以黑块闪烁表示，如图1.23、图1.24所示：图1.23按键仿真图图1.24按键后显示图再次按下设置键就会进行时间位数的切换，如图1.25所示：图1.25再按键显示图这个时候再按下加减按钮就可以进行手动设置时间，结果如图1.26所示：图1.26设置后显示图同样的，按下查看喂食时间按钮，显示模块就会切换到查看界面，如图1.27、1.28、1.29所示：图1.27第一时间点图1.28第二时间点图1.29第三时间点以上显示的是三个时间段的投食时间，同理，按下加减键可以自行设置时间段，食物的初始重量限制设置也可以在此界面进行，我们的初始设定是0.5kg。如图1.30所示：图1.30初始重量1.4电源电路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，电源开关的1、3口引脚和4、6口引脚的作用相同，用于电源的正极输出。电源开关的2、5口引脚作为单片机的接地引脚，在使用时采取相对的选择，即选择1、3口引脚作为输出，那么就要选择5口引脚作为接地引脚，选择4、6引脚作为输出端口，2口引脚则作为接地引脚。本次单片机的传感器和无线传输芯片的电压都在5V内，所以5V的电压电源足够满足。本次设计的电源电路如图1.31所示：图1.31电源电路1.5温湿度传感器模块电路本设计采用的是DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温度和湿度的复合传感器。DHT11温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，能分别检测湿度数据和温度数据。它的工作电压范围1.5~5.5V，能输出单总线数字信号，由于输出的是数字信号，就不需要进行模数转换，这大大简化了硬件设计。DHT11是通过内部的感湿元件和测温元件来采集温湿度数据的。DHT11的内部自带有处理器和存储器，用于处理温湿度数据和存储温湿度数据。它有4个外部引脚，其引脚功能介绍如下（如表3-1所示）：表3-1DHT11引脚介绍引脚号引脚名称引脚功能1VCC供电电源正极2DATA单总线串型数据线3NC悬空脚4GND接地脚1号引脚和4号引脚用来给温湿度传感器供电，2号引脚是信号引脚，3号引脚悬空，不用接入电路。DHT11温湿度传感器主要应用与汽车数据记录器、暖通空调测试及检测设备、消费品自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗设备等领域。然而DHT11也有它的缺点，就是它的测量范围不够大和测量精度不够高，它的测量范围为：湿度范围20~90%RH，温度范围0~50℃，测量精度为：湿度±5%RH，温度±2℃。温湿度传感器模块电路图如图1.32所示：图1.32温湿度传感器模块电路图在初始仿真时，显示重量为81克，温度为27度，因为是软件仿真，我们用手动调节来模拟传感器获得外部环境温湿度数据的过程，结果如图1.33所示：图1.33温湿度传感器初始值此时可以看到温度上升了2度，食物重量上涨了3克，如图1.34所示：图1.34温湿度传感器设置值1.6压力传感器模块电路本次设计在重量检测方面采用HX711压力传感器，其工作原理是通过检测物体与传感器接触面的压力值，然后按照线型比例，将压力值转换成重量值，然后发送给单片机，最后显示在液晶屏上。我们采用型号为CZL-A、量程大小为10kg的电阻应变式重量传感器进行重量检测，一旦测量到被测物体的重量，重量传感器就会将采集到的信号转换成为电压信号，并输出电压信号。设计系统采用的是HX711转换模块进行数据采集和编程，此模块检测到模拟电压通过24位A/D转换芯片把模拟量转换成为数字量，然后通过串行方式来和单片机进行通信，这样就完成数据的采集功能。HX711内部构造如图1.35所示。图1.35HX711内部构造图1.36HX711电路图其仿真情况如图1.37所示：图1.37HX711仿真图因为是软件仿真的缘故，所以我们通过手动的按键来模拟压力传感器增重和减重的过程。初始时，加减键都没有按下，传感器重量显示为0kg，如图1.38所示：图1.38压力传感器初始值当按下增重按钮时，表示有0.603kg的食物被投放，如图1.39所示：图1.39压力传感器投放值当按下减重按钮时，表示食物减少到了0.17kg。如图1.40所示：图1.40压力传感器减重值1.7电机控制电路宠物喂食的过程我们通过4相8拍的步进电机进行模拟控制，当喂食时间到后电机正转表示打开喂食舱门，然后停止等到hx711检测到当前的食物重量大于我们设置的值，电机反转表示关闭喂食，步进电机正反转我们主要是通ULN2003来进行驱动。图1.41电机控制电路步进电机的相关特性：步进电机的步进值，不会因为电压的大小、电流的数值、温度变化、波形变化等限制。步进电机驱动电路ULN2003：步进电动机在工作时需要驱动，因为第一电路中的电流相对较小，并且步进电动机必须在第二单片机发出的指令侧具有控制单元。因此