【基于单片机的多功能宠物自动喂食器的设计与实现9300字（论文）】

分都是人工喂养，因为饲养者学习、工作等原因，宠物不能一直陪伴在主人的身边，主人不能保证宠物的规律健康进食。通过本设计方法可以保证在不能照顾到宠物的前当达到预置时间后，电机正转模拟食物下路，由食槽底部的称重感应器，在预先设定可以在保证定时定量喂料的同时，对温度和湿度进行实时监测。操作方法特别简单，关键词：STC89C52单片机；宠物自动喂食器；称重传感器；温湿度传感器 4 4 4 5 5 5 5 5 6 7 73.2STC89C52单片机 73.2.1STC89C52单片机介绍 73.2.2STC89C52单片机主要性能 83.2.3STC89C52引脚介绍 93.3称重传感器模块 3.4显示模块 3.4.1LCD1602显示模块介绍 3.4.2LCD1602引脚介绍 3.4.3LCD1602显示电路 3.5按键模块 3.6步进电机模块 3.6.1步进电机介绍 3.6.2步进电机驱动电路ULN2003 3.6.3步进电机电路 3.7温湿度传感器模块 3.7.1温湿度传感器介绍 3.7.2温湿度传感器引脚介绍 3.7.3温湿度传感器电路 3.8电源电路 4软件设计 4.1总程序流程图设计 4.2液晶显示流程图 204.3温湿度传感器程序设计流程图 214.4按键电路程序设计流程图 25设计成品 23 24 241.1选题背景及意义科技的发展使人民的生活水平得到了极大的改善。科技的进步给人们的日常生活带来了巨大的变化，不但方便了人们的健康，同时也提高了他们的生活质量。宠物在家庭中的地位也发生了变化，饲养宠物，不再是看家护院、抓老鼠的角色，而是一只可以陪伴和情感依赖的“伙伴”。以前的宠物大部分都是人工喂养，但是因为学习、工作等原因，宠物不能一直陪伴在主人的身边，不能保证宠物的正常进食。而单片机宠物自动喂食器就很好地解决了这一问题，该设计采用单片机进行智能控制，可实现投食的定时、定量功能。在当前受到新型冠状病毒严重威胁的情况下，宠物自动喂食器显得尤为重要。过本设计方法可以保证在不能照顾到宠物的前提下，如工作、外出旅行等时间，为宠物提供健康的饮食保障，并实现产品的智能化。当达到预置时间后，电机正转模拟食物下路，由食槽底部的称重感应器，在预先设定好的食品重量后，电机反转模拟结束投食。另外，该设计还配备了温度、湿度传感器，可以在保证定时定量喂料的同时，对温度和湿度进行实时监测。操作方法特别简单，通过按键实现定时，此外密封性更好，利于猫粮狗粮的储存，具有安全、稳定、可靠、实用等特点。1.2国内外应用现状随着人们对日常生活的需求越来越多，自动化和智能化已经成为了今天和将来的一个代名词。随着宠物数量的增加，传统的宠物喂食器已经不能满足饲养者的需要。以前的自动喂食器是非电动的，吃一部分，掉落一部分，里面总是装满食物，对宠物的健康不利。而目前的宠物自动喂食器无法满足监控室内的温度和湿度的需求。目前市场上的宠物自动喂食器还存在着很多问题，比如大部分的宠物自动喂食器都是用转盘和扇叶组成的，猫可以把爪子从出粮口伸进转盘里面把粮掏出来，这不仅对机器有所损伤，也容易伤害到宠物。在国外的宠物用品市场中，宠物自动喂食器在喂食器中的占有较大的比重，且国外较大部分的宠物自动喂食器是来自国内出口，虽然国外本土也不乏各种型号功能的产品，但其价格相对较高，与国内产品相比较，仍有相似的不足之处。2系统总体设计本次设计以STC89C52单片机为核心的宠物自动喂食器，采用HX711型压力传感并利用ADD-模拟变换模块向单片机传输数在时间到达喂食点后，由单片机控制步进电动机进行正向旋转，若食物重量超过设定1.掌握本次设计所需要选用的51单片机的内部结构、硬件和软件的调试所需要2.掌握构建单片机最小系统的方法，并完3.熟悉keil编程环境；安全，同时得到的数据也非常准确，因此得压力传感器，步进电机模拟宠物喂养。继电器采用具有极高的安全性，电路设计也比较简单。在应用的时候，通常只需要确定继电器的电压值是多少。一般决定耐压值的是电源电路的整体供电电压。这就节省了大量的资源。为人们带来更好的效益。使得资源的使用更加合理。液晶显示器采用LCD1602来表示当前的信息，但传统的数字管显示的缺点是信息量少，显示的内容少，而LCD1602则能很好的解决这个问题，它能实时地显示当前的温度、湿度、时间、重量和特殊的符号，并能显示出数据。并能调整背光源的亮度，节省能源。按键设置早、中、晚三次喂料和喂食的重量。2.5总体框架按键输入↵系统↵图2-1总体框架3系统硬件模块设计秤盘接口二DHT11温湿度传感器LCD显示电路单片机最小系统步进电机按键设置T电源开关BcD3.2STC89C52单片机3.2.1STC89C52单片机介绍本设计采用STC89C52,STC89C52单片机作为一款低功耗、高性能的微控制器，其作用是控制各种传感器和外围设备，进行数据和信号的自动计算和处理，并在工业生产中进行相应的操作来发挥大脑的作用。单片机与我们日常生活中所用的电脑相比，它只能被称作是一个微型电路的综合系统，其功能十分有限，仅能完成一些比较简单的控制任务。单片机的应用范围非常的广泛，大多数家电都是采用单片机来控制，同时智能设备的发展也非常依赖于单片机，各种传感器对单片机也提出了一定的要求，因此越来越多的高级单片机也就应运而生。同时，STC89C52单片机上的8位智能CPU和系统内可编程Flash为许多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活和高效的解决方案。掉电模式：一般功率消耗小于0.1微安，可以通过外界的中断来恢复，恢复到原来空闲模式：2毫安的经典功率消耗。正常工作模式：4-7毫安的功率消耗掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等3.2.2STC89C52单片机主要性能(1)增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以自由选择，指并且与兼容传统8051的命令代码兼容(2)工作电压：5.5V3.3V(5V单片机)/3.8V-2.0V(3V单片机)(3)工作频率范围：0～40MHz,相当于普通8051的080MHz,实际工作频率可达48MHz(4)用户应用程序空间为8K字节(5)片上集成512字节RAM(6)通用I/O□(32个),复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向□/弱上拉，PO□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□用时，需加上拉电阻。(7)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□(RxD/P3.0,TxD/P3.1)(8)具备EEPROM功能(9)具备看门狗功能(10)共3个16位定时器/计数器。即定时器TO、T1、T2(11)外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部(12)通用异步串行□(UART),还可用定时器软件实现多个UART(13)工作温度范围：-40+85℃(工业级)/075℃(商业级)(14)PDIP封装3.2.3STC89C52引脚介绍P1.2[P1.3[P¹.4|P¹.6PI.7| T0/P34|T1/P35RD/P371235456789392726[25[P0.1/AD1P0.2/AD2P⁰3/AD3P04/AD4P05/AD5P06/AD6PQ7/AD7P26/A14P25/A13P24/A12P23/A11P22/A10P21/A9(3)P3.0RXD(串行输入口)(4)P3.1TXD(串行输出口)(5)P3.2/INTO(外部中断0)(6)P3.3/INT1(外部中断1)(7)P3.4TO(记时器0外部输入)(8)P3.5T1(记时器1外部输入)(9)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)(10)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)(11)RST:复位输入，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周(12)ALE/PROG:在存取外存储器时，位址锁定可以利用输行锁存。此针用于FLASH程序中的编程脉冲的输入。在通常条件下，ALE输出一个关闭ALE的输出，把SFR8EH设为0.在这种情况下，ALE仅在MOVX被执行且(13)/PSEN:外部程序存储器储器(0000H-FFFFH)都不会改变。注意在密码模式1中，/EA被锁在内部，作为FLASH中使用12伏编程的功率源(VPP)。bouT196图3-3单片机最小系统3.3称重传感器模块本次设计在重量检测方面采用HX711压力传感器，其工作原理是通过测量物体与传感器接触表面的压强，再根据其特性的线性关系，将压力值转换成重量值，然后发HX711采用了海芯公司的集成电路技术，这个是一款专为高精度重量测量系统，该芯片采用24位高精度的A/D变换芯片，用于精密的重量测量。通常的芯片精度在8-24比特之间，这是没有选择ADC0832或者ADC0809芯片的原因之一。B应变式称重传感器CZL-A型，称重检测范围为100公斤。称量被测物体后，称重传感需要进行信号放大。系统采用HX711转换模块进行数据采集和编程。该模块对输入到24位A/D转换器的模拟电压进行检测，将模拟量转换为数字量，然后以串行方式与单相比，该芯片集成了其他同类芯片所需的外围电路，包括片上电源和时钟振荡器。本实用新型具有集成度高、响应速度快、性能强等优点。当喂食时间结束时，电机正向hx711hx711称重模块3.4显示模块3.4.1LCD1602显示模块介绍LCD显示器分为字段屏和字符屏两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。LCD1602模块显示字母和数字都比较方便，而且它的控制简单，成本低廉，身为工业字符型的液晶，可以同时显示32个字符。显示是利用物理性，控制电压对其显示区域，有电压就会有显示。LCD1602液晶显示模块可以用D4-D7作为四位数据进行两次传送，节省了MCU的I/O□资源。LCD1602可显示2行16个字符，有8位数据总线：D0-D7,以及RS、R/W、EN三个控制端□,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器3.4.2LCD1602引脚介绍引脚说明引脚说明1电源地92电源正极3456E78引脚1:VSS为地电源。引脚2:VDD连接到+5V电源。引脚3:VL为LCD对比度调节端。连接到正电源时对比度最弱，连接到地时对比度最高。当对比度过高时，会出现“重影”现象。可以使用10kQ电位器来调整对比度。引脚4:RS为寄存器选择引脚，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。引脚5:R/W为读/写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。引脚6:E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。引脚7~14:D0~D7为8位双向数据线。引脚15:背光源正极。引脚16:背光源负极。按键按照结构原理分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶宜，后者寿命长。对于单片机应用键盘的选取来说，一般情况下有中选择类型，第一的操作不影响其他I/O端□的状态。显示了独立按钮的典型应用程序。独立的按钮电路配置灵活，软件结构简单，但每个按钮都必须占用一条I/O线，因此，在按键多时多，I/O线容易造成浪费，不适合使用。2.矩阵键盘若使用按键较多时如电子密码锁、电话机键盘等一般都至少有12到16个按键，通常采用矩阵键盘。矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列组成的键盘。在行和列的交叉处设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O□的利用率。由于本设计中采用的按键数量较少，所以使用独立按键。3.6步进电机模块3.6.1步进电机介绍步进电机是直接将电脉冲转换成机械动作的一种机电设备，它可以通过对电机的电脉冲的顺序、频率和数量进行控制，从而达到对电机的转向、速度和旋转角度的控制。采用步进电机及其相应的驱动机构构成开环控制，无需采用带有位置感应的闭环反馈控制，即可实现对目标的准确控制和速度控制。该方案是一种四相五线步进电动机，它是一种28BYJ-48型步进电动机。在本设计中，步进电动机的主要功能是提供电源。到了喂食时间，到了喂食的时候，步进电机就会工作，打开阀门给宠物进行喂食。步进电动机的步进速度，不受电压、电流、温度、波形变化等因素的影响。步进电机的特点是步进电机的步进值不受电压、电流、温度、波形变化等因素的制约。而且步进电机的旋转误差不会像其他的设备那样累积，因为步进电机虽然每转动一定的角度会存在与理论上有误差，这些误差也会积累，但是因为每转动一圈的累计误差为0.所以步距的累计误差是不会长期的积累下去。3.6.2步进电机驱动电路ULN2003步进电机在运行的过程中，由于第一个电路中的电流很少，所以第二单片机发出的指令步进电机那边必须要有控制单元。因此，我们必须使用一个驱动芯片，来进行控制与加工。ULN2003是一种高电压、高电流的复合型晶体管，其内部由7个NPN型硅基晶体管构成，能够与CMOS或TTL电平特性在5V工作电压状态下兼容。可以用于对这些逻辑水平的信号进行直接的处理。本文介绍了ULN2003用于步进电动机的脉冲控制。ULN2003七NPN达林顿连接晶体管是一种理想的设备，用于灯，继电器，打印机和其它具有高电流和高电压要求的低逻辑电平的数字电路(例如TTL、CMOS或PMOS/NMOS)。广泛应用于电脑、工业及消费领域。全部装置都具有集电极开路和续电流钳位二极管以进行暂态抑制。ULN2003的设计是符合TTL系列标准的。采用单片机对标准的逻辑缓冲进行数据的处理。电动机的速度和方向可以由脉冲控制来调节。单片机与ULN2003的接口是IN1IN2IN3IN4单片机用来输出电流然后由OUT1OUT2OUT3OUT4输出到电机的四相也就是ABCD。ULN2003的输入电流由单片机提供只需要几毫安就可以，经过达林顿结构，所以灌电流可达500mA。驱动为5V,耐压为50V。WHEELINGDIOOESDULN2003的主要特性是：参数名称符号V功耗1W工作环境温度℃贮存温度℃3.7温湿度传感器模块(1)湿度传感器(2)NTC温度传感器(结合8位高性能MCU)。校准信号因子直接以单个程序的形式记录，并自动存储在OTP存储器中，在数字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20~90%RH,温度范围0~50℃,测量精度为：湿度±5%RH,温度±2℃。本设计采用的是DHT11数字温湿度传感器I91,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。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，不引脚号引脚名称引脚功能12单总线串型数据线3悬空脚4接地脚DHT11温湿度传感器主要应用与汽车数据费品自动控制、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℃。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□引脚连接到电源开关的3□引脚，电源开关的1、3□引脚和4、6□引脚的作用相同，用于电源的正极输出。电源开关的2、5□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□引脚作为输出，那么就要选择5□引脚作为接地引脚，选择4、6引脚作为输出端□,2□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的电压足够满足。若有12V或者其他电压的传感器，则可以采取升压模块将5V提升到3554软件设计开始工作，实时检测食物重量，时间和空气中的温度和湿度，并按时投放食物，根据食物重量，控制电机的正转和反转。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，单片机驱动ULN2003芯片控制电机正转开始开始检测当前温湿度检测压力↵按键设置↵是否大于↵喂食上限是电机反转停电机正转喂图4-1系统流程图4.2液晶显示流程图LCD1602液晶显示屏通电后，首先进行初始化操作，屏幕清零，内部存储清空。之后和单片机进行双向通信，单片机控制显示屏亮度和显示内容，延时一定时间后，将检测到的温湿度、压力和时间显示在液晶显示屏上。在设置投食时间段和投食重量时，根据按键操作，实时变换数值的功能。单片机操控写入引脚写入要显示内容的命令。之后显示屏执行指令，输入的内容被显示出来。LCD初始化NLCD清屏图4-2液晶显示流程图4.3温湿度传感器程序设计流程图当电源开关开启后，DH11温湿度传感器开始工作，首先启动的是读取温湿度的信号，然后DHT11温湿度传感器工作，分别采集当前环境的温度和湿度，最后发送给单片机。子程序入口子程序入口启动信号返回图4-3温湿度检测流程图4.4按键电路程序设计流程图de上限。单片机的按键具有4个引脚，相同的一侧是连接的，4个按键并联在一起，只需要将一致的引脚连接一起即可。按键的工作原理就是对低电平信号的检测，在主程序中，循环执行检测，一旦检测到按键低电平信号，单片机产生信号中断，进入按键子程序中。4个按键分别表示加、减、确定、返回。在不图4-4按键电路流程图5设计成品图5-1成品图按键设置投喂食物的量和三次投喂的时间。步进电机正转模拟投放食物，如果测得的6结论与展望经过了几个多月的努力，本次毕业设计一一基于单片机的多功能宠物自动喂食器基本实现了预期所想的功能。本次选取的课题并不新颖，可以说是一个老生常谈的课题，但它却可以直观的反映一个软件操作系统的技术研究和开发设计的整个工作流程，这足以使我们每个人收获颇丰。在本次毕业设计的演示过程中，将单片机工作原理、C语言程序设计、PCB制图等多个专业课程结合在一起，同时应用电路的模拟基础和数字电路基础。对于本次多功能宠物自动喂食器的设计与实现过程中对于出现的问题进行解决后我有以下的总结：(1)在设计实现之前，要提前收集好各方面的相关的资料，收集好资料后进行整体的系统分析，再根据系统分析规划好硬件和软件的具体设计，以及硬件每个模块的设计和软件每个模块