【《基于51单片机的自动喂智能系统设计》9500字】

·1引言1.1课题研究背景与意义随着当今中国社会经济的飞跃式增长，当代人对自己所生活的环境的标准越来越高，对生活质量的要求也越来越高，越来越注重自己所生活环境的智能性、舒适性以及便利性。与此同时，现代的计算机技术、软件技术、电子信息与技术、物联网技术等高科技新兴产业也在中国迅猛地发展，这不仅改变了人们的生活，也给人们的生活带来了许许多多的便利。但是，由于现代化进程的加快，人们的生活环境也变得不如从前了，身居闹市的都市人心底里无比渴望能够寻回大自然的宁静与和谐，而一个生意盎然的鱼缸中色彩的鱼儿、嶙峋的怪石[1]，巧妙地将大自然中的美景融合在一起，给人们带来无比宽松舒适的美感，更调节了室内的环境，令人赏心悦目，不失为家庭装饰与自然生活的首选[2]。然而，鱼缸虽美，如果人们由于时间原因不能对鱼缸中的鱼儿进行合理的投食的话，往往会造成“惨状”。为了解决鱼饲料的投喂这一类问题，市面上也陆续出现了各种各样的自动投食器，但大多是定时投喂，如定时一小时后、六小时后、十二小时后等自动喂食，可操控性太差，不能做到“随时”投喂，更不能做到人为精确地控制投喂，而且无法实时观看鱼缸内的情况以及鱼饲料的投喂量。因此，针对这一问题提出了一个基于远程辅助的喂鱼应用开发的设计方案，单片机利用Wi-Fi模块和移动终端进行通信，单片机的微控制器做出相应处理：投喂鱼饲料和实时监控鱼缸内情况。家用鱼缸的功能不单单得到了开发与改进，而且对相似的智能家居产品的研究、改进或产生起到了助推作用。它减少了养鱼所带来的问题和麻烦，真正享受养鱼所带来的快乐[3]。1.2国内外研究现状2016年3月，国外的一个研究团队推出了一款智能鱼缸生态监控系统：FishBit，它是一种集检测与设备控制一体的鱼缸管理系统[4]，通过移动终端将收集到的PH值、水温和盐度等信息呈现给用户，但是该系统缺少用手机APP进行投喂鱼饲料的功能，最重要的是，该整套产品的价格上千，售价过高，不利于推广。森森水族是中国第一个这些年售卖智能化的远程监控系统商品的公司，该产品和排插相似，用户把自己需要的摄像头、PH检测器、鱼缸显示屏等设备插在排插上。产品可以与他们自己的安卓App进行连接，远程遥控或实时监控鱼缸，功能来说算是齐全的，但该产品也是手动进行投喂鱼饲料。因此，智能鱼缸控制系统在远程控制投喂鱼饲料方面有着缺陷、不足，所以本课题的研究和探讨有着一定实际应用的价值。1.3相关的关键技术1.3.1Wi-Fi通信技术Wi-Fi通信技术一般用2.4GUHF或5GSHFISM射频频段，电子设备通过连接Wi-Fi以达到访问互联网的目的。Wi-Fi技术其实就是不需要通过连接物理网线就能使设备能够顺利与同一网络内的其他设备进行通信。主要特点有：速度快且可靠性高、电波覆盖广、无需布线、成本较小等。1.3.2AndroidAndroid系统现在应用很广，一般情况下，在开发的过程中不会受到其他条件的限制，开发者可以任意修改开放的源代码从而来实现与开发各种非常实用的手机软件，有界面友好，可跨平台等优点。Android是一种基于Linux的、自由且开放源代码的操作系统，Android分为四个层，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux内核层[5]。1.3.3乐橙开放平台乐橙开放平台作为一个开放、共享、合作运营的平台，从智慧商铺、智能家居到幼儿教育、农场直播，实现跨界、融合和变现。打破了行业的界限，用视频连接一切。该平台有四大推荐产品：视频监控、云存储、云直播以及AI智能。本设计使用的产品是视屏监控，它在功能上拥有完整的闭环，账户对接、设备管理、设备操作、实时预览、本地录像回放、云存储、报警消息、语音对讲、设备联动，为开发者提供基于视频监控的一整套产品对接功能列表；同时提供了各类SDK及DEMO，此次设计只需用到实时预览功能。1.4主要研究内容通过对国内外相关研究现状分析发现，现阶段的仅是监测水质、水温等功能，目前在智能鱼缸的研究上尚未出现远程控制投喂鱼饲料的功能。因此，远程辅助喂鱼系统的主要研究内容有：从远程辅助喂鱼应用的设计要求出发，做出合理又低成本的方案，并且必须充分考虑到远程辅助喂鱼应用在什么操作系统环境下运行、实现设计功能的需求等等必要因素；硬件的设计得选出性价比高的单片机CPU与合适的模块，然后设计硬件电路，画出电路原理图；根据功应用的能将程序分成不同模块，对相应的模块开发设计，编程语言就选择比较好用的C语言，在KeiluVision5软件内设计、编程和开发；移动终端App应用程序设计；成品的测试。1.5章节小结本章首先介绍了研究远程辅助喂鱼应用的背景与意义，并对国内外研究现状做了简单的描述，然后介绍了涉及的相关技术，最后对研究内容做了简洁的介绍。文章的结构被划分为智能鱼缸喂鱼应用总体上的设计、硬件相关设计、软件相关设计、移动终端安卓应用程序设计以及各个设计的调试部分。以下，本文将按上面所说的顺序介绍远程辅助喂鱼应用是如何完成的。2远程辅助喂鱼应用总体上的设计2.1概述对于远程辅助喂鱼应用的总体设计，先要根据设计要求和预期分析它的系统可行性。因为远程辅助喂鱼应用需要利用移动终端设计的安卓App来控制投喂鱼饲料和监控鱼缸内的状况，所以总体包含硬件部分的设计、软件部分的程序设计以及移动终端的应用程序设计。2.2远程辅助喂鱼应用设计要求本次设计要完成的是对鱼缸内情况进行实时监控以及完成“随时”投喂鱼饲料的功能。所以，控制的对象是鱼缸的情况和投放的鱼饲料数量。控制信号的传输方式使用无线的通讯技术：Wi-F技术是一种低成本、高成熟的无线技术。在当今家庭中，无线网络是肯定必备的，家家户户基本都会安装Wi-Fi上网。由上可得，远程辅助喂鱼应用选择了Wi-Fi模块来达到单片机与移动终端通讯的目的是合理的。在App设计时，考虑到Android的使用者基数是庞大的，有利于App后续的普及，加之Android开源的优点，最终选用Android平台开发。2.3总体设计方案根据远程辅助喂鱼应用的预期功能，既考虑到成本的因素又要照顾移动端应用操作必须简单而且方便，本文设计出基于STC89C52芯片的远程辅助喂鱼应用的总体框架，如图2-1所示。Wi-Fi模块Wi-Fi模块投食设备投食设备STC89C52监控设备STC89C52监控设备移动终端移动终端外部设备外部设备控制中心控制中心图2-1远程辅助喂鱼应用的设计框架图图2-1远程辅助喂鱼应用的设计框架图把远程辅助喂鱼应用分成三个大模块：第一大模块是移动终端，也就是手机端，通过安卓手机App接收从控制中心和外部设备发来的数据和发送控制外部设备的命令；第二大模块是该设计的核心—控制中心部分，组成部分有STC89C52芯片以及Wi-Fi模块，负责对收到的数据进行相应的处理，并发送给外部设备让其做出合适的操作；第三大模块是由投食设备和监控设备组成的外部设备，其中投食设备为步进电机、监控设备为大华乐橙监控摄像头A2X，根据接收到的信号进行工作从而达到预期的喂食效果和监控效果。本次设计的核心部分是硬件的控制中心，包含电源、MCU控制与处理模块和Wi-Fi通信模块。每个模块相辅相成，配合完成移动终端发来的指令。Wi-Fi通信模块把控制中心和移动终端进行连接，让移动终端可以完成数据的接收发送，MCU对接收到的数据进行处理并做出相应的控制指令，控制步进电机旋转进行鱼饲料的投喂，监控模块监控鱼缸内的状况。2.4选用的芯片和模块2.4.1微控制单元的选型微控制单元又作单片机，它是将中央处理器、内存等计算机的基本单元微型化处理，形成集合在一块芯片的计算机。它在远程辅助喂鱼应用中是最重要的一部分。远程辅助喂鱼应用选用的芯片是STC89C52，它是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用的是经典的MCS-51内核，拥有灵巧的8位CPU

和在系统可编程Flash[6]，使用STC89C52芯片给嵌入式的开发提供了许多解决办法。其实物图如图2-2所示。图2-2STC89C52的实际图2.4.2Wi-Fi通信模块在远程辅助喂鱼应用中，完成数据的远距离传输需要使用到Wi-Fi模块，这部分也是远程辅助喂鱼应用的重要核心。远程辅助喂鱼应用中选用普中科技生产公司生产的ESP8266芯片，其通信十分稳定，能够达到自动喂鱼系统的传输要求。使用ESP8266模块，能够令远程辅助喂鱼应用接入网络。其实物图如图2-3所示图2-3ESP8266实物图2.4.3监控模块在此次设计中完成对鱼缸的监控功能的是摄像头模块，使用的是大华乐橙监控摄像头A2X，采用高性能CMOS图像传感器，分辨率高达为1920*1080，拥有200W像素，画质更清晰；同时也增强了红外夜视搭配智能算法，即使在微光的条件下，也能呈现色彩的图像；支持语音对讲，AI人形检测，Wi-Fi连接等功能。如图2-4图2-4乐橙摄像头A2X2.4.4步进电机模块步进电机基于电磁铁原理，依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩[7]。该设计选择依靠控制步进电机的旋转从而来达到投喂鱼饲料的效果。步进电机接收到脉冲信号后，会沿着顺时针或逆时针方向旋转固定的角度。所以我们可以控制脉冲的个数以此来达到控制步进电机旋转的角度。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，从而达到调速的目的[8]。28BYJ-48实物图如图2-5所示。图2-528BYJ-48步进电机2.5语言工具的选取单片机的开发中可以选择使用的编程语言有汇编语言和C语言。汇编语言是一种低级语言，又可以叫做符号语言。汇编语言一般是为某系列的机器专门而设计的，故在不同的机器中有着不一样的汇编语言，所以它能够完全发挥出机器的特性，得到质量比较高的程序。可是正是因为这样，它的可移植性就变得很低，因为不同的处理器之间，使用的汇编语言的语法和编译器都存在着差异，所以不同处理器之间的程序是不可以相互运行的。汇编语言是通过寄存器或存储器直接对数据进行操作，这虽然把程序运行的速度提升上去了，而且占用的内存又小，但同时也牺牲了程序的可读性，使其变得很差，程序的编写变得更加复杂困难。相对汇编语言而言，C语言既包含了汇编语言的特点，又具有高级语言的优点。它结合了高级语言的基本语句结构以及低级语言的实用性，允许直接访问物理地址，可以进行位操作，大部分代码也是公用的，可移植性较高，编译与读写也比汇编语言更加优化[9]。因此，在单片机的程序设计中选择用C语言来进行编程开发，使用的开发软件是KeiluVision5软件。2.6本章小结这一章节介绍了远程辅助喂鱼应用开发的总体设计。先分析远程辅助喂鱼应用的可行性，然后介绍总体设计并画出了远程辅助喂鱼应用的设计框架图并确定单片机、Wi-Fi模块、监控模块和步进电机模块的选型。最后分析对比了汇编语言和C语言的优缺点，并选取了C语言开发环境，使用KeiluVision5软件进行编译仿真调试。3硬件设计3.1远程辅助喂鱼应用的硬件总体设计远程辅助喂鱼应用硬件部分由STC89C52芯片控制，通过Wi-Fi模块与移动终端的通信、单片机与Wi-Fi模块利用串口通信，完成相应的预期功能。然后，单片机根据Wi-Fi模块传输来的信息进行处理，以控制步进电机，原理图如下图3-1与3-2。图3-1Wi-Fi模块连接原理图图3-2步进电机连接原理图3.2主要芯片介绍3.3.1微控制器STC89C52综合考虑性能、经济等因素后，本应用选用了STC（宏晶）公司生产STC89C52微控制器，基于Intel标准的8052，STC89C52单片机具有抗干扰性强、速度快功耗低和指令代码完全兼容传统8051单片机等特点。工作频率范围为0~40MHz，内置8KB的FLASHROM，512B的RAM和2KB的EEPROM，3个16位定时器、计数器，一个6向量2级中断结构[10]。3.3.2Wi-Fi模块芯片ESP8266Wi-Fi模块ESP8266有能耗很低、封装方便且尺寸小等优点，使物联网应用的开发便捷了许多，可以让物理设备连接到无线网络，使物理设备在局域网内与其他物理设备进行通信，从而达到联网的目的。其产品特性如下：工作模式有STA模式、AP模式和STA+AP模式；支持的AT指令比较丰富；持UART/GPIO数据通信接口；内置32位MCU，可兼作应用处理器；能耗较低；供电模式为3.3V单电源。4远程辅助喂鱼应用的软件设计4.1软件设计方法远程辅助喂鱼应用因为需要完成远距离控制，所以需要利用Wi-Fi模块来维持移动终端与控制中心之间的通信。例如，步进电机是低电平有效，所以移动终端需要发送一个低电平的信号，单片机将数据进行处理就能控制步进电机旋转。远程辅助喂鱼应用需要完成远距离投喂鱼饲料、远距离监控鱼缸内情况的功能，所以，依据功能分成两个部分进行程序的设计。最后，想要完成移动终端的控制还需要设计安卓的App应用程序。4.2主程序的设计远程辅助喂鱼应用使用的芯片是STC89C52，它有丰富的外部设备功能，许多引脚也有多种功能，可以复用，节约了引脚资源。因此，我们需要首先初始化使用到相关的引脚。其次，想要通过Wi-Fi模块与终端设备建立通信，我们将要把Wi-Fi模块配置成对应的模式，修改其配置等，在后文会提及。完成初始化的配置之后，芯片执行main()函数，在while(1)循环中完成相应的操作，如图4-1。图4-1主程序流程图4.3Wi-Fi模块软件设计Wi-Fi模块ESP8266有三种工作方式，分别是STA模式、AP模式和STA+AP模式，ESP8266出厂默认是第三种模式[11]。本设计选择的是AP模式，因为需要手机与单片机进行通信来达到控制步进电机旋转的目的，使用AT指令（用于控制、调测设备以及通信模块入网等）对Wi-Fi模块进行配置。用杜邦线将Wi-Fi模块的TX、RX、3V3、GND以及EN分别与单片机的URX、UTX、3.3V、GND以及5V连接起来，然后使用串口助手对Wi-Fi模块进行配置。（在串口助手中必须勾选自动换行才能进行配置）配置如下图4-2：图4-2Wi-Fi模块的配置完成以上配置，Wi-Fi模块就可以正常使用了。完成后，以后启动Wi-Fi模块只需将RX接到P31，等一分钟后将TX接到P30，其他接线不变就可以实现通过Wi-Fi模块来与单片机通信了。而必须等待一分钟的原因如下：单片机串口接收中断会影响单片机发送给Wi-Fi模块的配置数据，这可能会导致Wi-Fi模块的配置失败，从串口助手中看，单片机一直给Wi-Fi模块发送相同的配置命令，而不进行下一步配置，如图4-3。图4-3Wi-Fi模块配置失败示意图4.4步进电机模块设计本设计采用的步进电机是28BYJ-48型四相八拍电机。当脉冲信号被发出并被接受时，步进电机就会开始以一个固定的速度和反方向，所以我们只要调整步进电机旋转的角度和脉冲的个数，就可以使它旋转一圈，然后回到原来的位置。我们选择的步进电机每接收到一个脉冲信号就会旋转45°，所以只要让步进电机接收到八个连续的脉冲信号就能够刚好旋转一圈，完成投喂鱼饲料的功能。4.5程序的烧录工具程序烧录的软件我们选择的是PZ-ISP普中自动下载软件，是与普中单片机开发板相对应的烧录软件，它可以把开发者编写的C语言程序下载到普中开发板的芯片中去，支持STC89CXX一系列的芯片，软件中也含还有串口调试助手，开发者可以在它里面调试和测试串口，所以说，它是购买了普中开发板用户必须安装的软件。4.6本章小结本章是远程辅助喂鱼应用软件的相关设计，先介绍软件设计的总体方法，然后开始介绍主程序的设计、Wi-Fi模块的设计、步进电机的设计这些必须使用的模块。最后，开发者把自己写的C语言程序用烧录工具烧写进STC89C52芯片中，进行调试和运行，检查是否还存在为解决的问题。5移动终端的实现5.1安卓的简介安卓是谷歌公司在十几年前发布的、源代码公开供大家使用的、在手机上运行的操作系统。安卓基于Linux平台，设计之初主要是用于手机的操作系统，伴着平板电脑等移动电子设备的飞速发展，安卓操作系统的应用也慢慢出现在平板、智能手表等电子设备上了。由于其开放的特点，现在的安卓操作系统也渐渐拥有了越来越多的用户了。最大的特点就是安卓完全的开放源代码，所以许许多多的开发者慕名而来，进而资源也越来越多，也变得更加便利。此外，安卓操作系统给众多的安卓App开发者提供了俱全的SDK和框架，开发者可以很方便地设计开发安卓App。安卓平台的开放性等特点既能促进技术的创新，又有助于降低开发的成本，还可以使运营商能非常方便地指定特色化的产品，因此，它具有很大的市场发展潜力[12]。5.2安卓的系统架构安卓系统的结构从底层到顶层一共四层，依次是：Linux内核层、Android运行时库和其他库层、应用程序框架层、应用程序层[13]。如图5-1图5-1Android系统的结构5.3安卓应用程序的实现该应用使用AndroidStudio来完成安卓应用程序的设计。在启动AndroidStudio后，在菜单栏中一次点开“File”—“New”—“NewProject”，然后选择“EmptyActivity”，到这一步就可以进行应的Android应用程序设计了。该Android项目主要由“app”文件夹下的“src”文件夹和从乐橙开放平台下载的SDK组成，在“src”下的“AndroidManifest.xml”文件中配置程序运行所必要的组件，权限，以及一些相关信息；“res”文件下的“drawable”目录存放App的图标，“layout”目录存放布局。客户端想要与服务器进行通信，必须绑定服务器端的套接字，只有这样客户端的消息才能发给服务器。所以在客户端创建一个Socket对象，用于指定服务器端的IP地址和端口号，申请连接。连接成功后就可以用手机发出数据控制单片机对步进电机做出投喂鱼饲料的指令。将从乐橙开发平台下载的AndroidOpenSDK解压后，拷贝“libs/lechangeSDK.jar”文件到工程对应的目录下，使用demo中封装好的设备添加模块，实现快速对接。点击观看按钮后等待跳转至监控界面就可以查看鱼缸的情况。设计好的App界面如下图5-2所示。图5-2应用的初始界面5.4本章小结本章是远程辅助喂鱼应用的安卓移动终端设计，主要介绍了安卓应用程序的开发过程。先简洁明了地说明了安卓系统的概况以及其内部的系统架构，然后大致描述了安卓应用的开发过程以及乐橙SDK的使用方法。6应用的测试完成远程辅助喂鱼应用的硬件部分、软件部分以及移动终端安卓应用程序的设计后，必须把每个部分都测试一遍，查找是否存在漏洞。只有每个部分的测试都完成并通过后，该应用才算设计完成。6.1硬件测试硬件测试主要就是检测单片机能否在接通电源后正常启动、是否能够把用户写的程序烧写进单片机中并正常运行、Wi-Fi模块是否能正常通电，是否可以搜索到Wi-Fi信号、步进电机模块检测就是检测其是否能够旋转、摄像头模块的检测就是查看其能否实现监控功能。主要使用Keil软件、PZ-ISP普中自动下载软件、AiThinkerSerialTool。单片机的测试使用USB数据线将单片机的USB转TTL模块与电脑连接，然后按下开关，查看单片机是否能正常启动以及是否能正常收发数据。图6-1单片机测试Wi-Fi模块的测试为了对Wi-Fi模块进行测试，首先需要将Wi-Fi模块连接至单片机，然后通电，用手机查看是否能搜索到此模块的Wi-Fi，如果能搜索到，则说明Wi-Fi模块正常，可以进行下一步测试；反之则说明Wi-Fi模块有问题，如图6-2。图6-2Wi-Fi模块测试步进电机模块的测试首先需要将控制步进电机的代码写入单片机，然后将步进电机接入单片机的步进电机模块，即可测试步进电机是否能正常旋转。可以看出步进电机正常旋转。如下图6-3所示图6-3步进电机旋转测试乐橙摄像头的测试利用乐橙自带的App可以检测乐橙摄像头在通电后是否正常出现图像，是否接入网络，是否可以进行通话等。经过测试乐橙A2X摄像头是正常的，测试结果如下图6-4。图6-4乐橙摄像头的测试6.2安卓应用测试对于安卓应用程序的测试就是测试控制模块能否投喂鱼饲料和视频监控模块是否能够实时观看鱼缸情况，需要把设计完成的安卓应用程序安装在手机上再进行相关的测试。首先使用AndroidStudio生成APK文件，然后把APK安装到手机上进行检测。经过测试，投喂鱼饲料的和监控功能都可以实现，如下图6-5。图6-5监控模块的测试6.3本章小结本章是对于整个远程辅助喂鱼应用的测试，包括对系统硬件能否正常使用的测试、软件是否存在逻辑错误等的测试以及安卓应用程序是否能达到预期效果的测试。最后可以得到结论，该远程辅助喂鱼应用符合起初预期的设计要求，可以完成设计的功能。7总结与展望本文的主要工作是设计了一款拥有远距离投喂鱼饲料而且可以实时监控鱼缸内情况的远程辅助喂鱼应用，进行许多测试后，该应用最后能完成预期设想的功能。本文设计了一个远程辅助喂鱼的应用，首先把有关远程辅助喂鱼应用的总体方案的轮廓描述了一下，从远程辅助喂鱼应用设计的要求出发，整个系统被分成移动终端、控制中心和外部设备三个部分，然后简要说明了比较关键的硬件模块以及选型；第二部分描述了硬件的设计，有芯片的主要功能、硬件电路设计等；再接下来介绍了相关模块的软件设计，包括主程序的设计、烧录以及Wi-Fi模块的配置；接着，介绍了移动终端的实现，主要是安卓App的设计以及乐橙SDK的导入和引用；最后，测试整个远程辅助喂鱼应用。在这次毕业设计中完成了远程辅助喂鱼应用的整体架构设计，移动终端向控制中心发出指令，再有控制中心控制外部设备完成对应功能；然后对硬件电路部分进行了设计，该应用的硬件分为STC89C52单片机模块、Wi-Fi通信模块、监控模块以及步进电机模块；第三是设计了软件部分的程序，包括控制步进电机的旋转和Wi-Fi模块的通信；最后完成了移动端应用的实现，利用乐橙开发平台里提供的SDK在AndroidStudio内完成的开发；完成以上后还对成品进行了一个整体的测试，检测设计的功能是否能达到预期。虽然该应用完成了预设的目标，用户能够完成在移动终端进行鱼饲料的自动投喂和察看鱼缸的情况，但由于我的能力欠缺，导致该设计还有以下缺陷：由于在不同鱼缸内的环境是不同的，影响它的因素还有湿度