【于单片机技术的自动喂食系统设计8400字（论文）】

[6]图3-4HX711称重是实物图图3-5为HX711的内部框图。其中最左边的是桥式传感器部件。InputMUX为HX711的输入选择开关。INA+、INA-、INB+、INB-是HX711的两个输入通道，其中INA+、INA-为HX711的传感器差分输入通道。VBG中的电容为电路的滤波电容。传感器检测到的信号经过放大器PGA传送到转换器中，转换成数字信号后由DI传送到单片机中进行处理。图3-5HX711内部框图3.3.2压力检测电路图3-6中的U2为HX711的插排。HX711芯片通过内部的A/D转换器，将采集到的当前食物重量数据转换成相应的数字信号，再由单片机判断食物的重量。U2的8号引脚与单片机的P1.1口相连接，9号引脚与单片机的P1.0口连接。7号引脚接地。1~4号引脚与称重盘相连接，检测盘中食物重量。图3-6压力检测电路图3.4LCD1602液晶显示器在字符型液晶显示模块中，LCD1602是最普遍使用的，其界面简介，使用方便，电路连接容易。。本设计使用LCD1602液晶显示器，在单片机接收到传感器检测到的数据后，可在LCD1602液晶显示器上显示。3.4.1LCD1602简介液晶显示的原理是利用了液晶的物理特性，通过电极来改变液晶材料内部分子的排列，使其遮光度和透光度不一致，再通过滤光层，就能够显现出图形。LCD1602引脚功能如表3-2所示。图3-7LCD1602实物图图3-8LCD1602框图表3-2LCD1602引脚功能3.4.2LCD1602电路当单片机的P0口作为I/O口使用时，必须要加上拉电阻，阻值范围是4K~4.7K。滑动变阻器RT1是LCD1602的电位器，是用来调节当前液晶显示屏的背光亮度。单片机的P2.6口接显示器的读/写操作引脚，由单片机的P2.7口控制LCD1602选择寄存器，单片机的P2.5口接LCD1602的使能端。如图3-9所示。图3-9LCD1602液晶模块硬件原理图3.5按键控制电路本次设计的单片机按键控制电路共由4个开关并联组成。其原理是单片机检测线路的高低电平，以此来判断按键是否按下或松开。为了保证单片机对一次按键动作只进行一次有效确认，必须要消除按键的抖动。本设计通过软件设计延时，确定按键按下是否有效，以提高精确度。按键K5、K6、K7、K8分别连接的K1、K2、K3、K4是单片机的14、15、16、17号引脚的P3.4~P3.7口。当按下按键K5后，显示器上时间的时、分、秒会被依次选中。此时，当按下K6按键时，被选中的数字会增加；当按下K7按键时，被选中的数字会减少。按下K8按键后，会进入设置选择模块，可以依次选择设置三个投食时间点和每次的投食重量。在任何时间段，若在没有按下任何一个按键的前提下，直接按下K7按键，喂食器会变为手动喂食模式，电机模拟投食，投食完成后，语音播报。如图3-10所示。图3-10按键控制电路图3.6电源电路对于一个完整的电子电设计，电源供电的稳定性是非常重要的问题，是系统稳定运行前提和基础。本设计的电源使用5V/2A的直流供电，包括一个3脚电源座子和6脚的电源开关。电源座子与电源插头连接。电源开关的1、3号引脚用于电源的正极输出，5号引脚接地。本设计的单片机传感器和传输芯片斗采用5V以内的电压。电路图如图3-11。图3-11电源电路当按下左侧的电源开关后，开关的1、3引脚导通，1号引脚输出VCC电压。3.7温湿度传感器本设计的温湿度模块采用的是DHT11传感器。3.7.1DHT11简介在一个DHT11芯片内集成了温度测量、湿度测量、信号转换、A/D模数转换以及加热等功能，具有精度高、可自校准、体积小、抗干扰能力强等优点，转换时间为75nS。检测的结果以数字量的方式串行传输，采用单总线通信方式。图3-12DHT11温湿度传感器实物图在DHT11内有一个感湿元件和一个测温元件，在正常工作的情况下可以同时采集环境的温度和湿度。其引脚功能如表3-3。图3-13DHT11结构图表3-3DHT11引脚功能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3.7.2温湿度传感器电路图3-14中的电阻R3为传感器的上拉电阻，防止在检测时出错。DHT的2号引脚与单片机的P1.3口相连。4号引脚接地。图3-14DHT11温湿度传感器3.8电机模块电机模块由ULN2003芯片和步进电机组成。其中ULN2003芯片用于驱动步进电机的转动。3.8.1步进电机步进电机是能够将电脉冲信号转变成角位移。给步进电机施加信号时，电机绕组的通电状态发生改变，转子要转动对应的角度。本设计采用的是四相八拍的28BYJ-48步进电机。在对电机加以连续信号时，电机可以持续转动。表3-428BYJ-48步进电机的通电方式引脚号（颜色）123456781（蓝）2（粉）3（黄）4（橙）5（红）++++++++图3-1528BYJ-48步进电机3.8.2电机驱动本次设计使用ULN2003作为驱动。由于ULN2003是一种7路的反向器，有负载能力强、电流增益大、工作电压高等特点，所以可以用作步进电机的驱动。如图3-17所示。图3-16ULN2003芯片图表3-5ULN2003引脚功能根据步进电机的通电方式，5号引脚接5V电压。由表3-5可知，OUT口的电压与IN口的电压一一对应。单片机通过P2口控制ULN2003的输出电压，来控制步进电机的通电情况。以此来驱动电机的转动。图3-17步进电机驱动电路3.9语音模块本次设计以WT588D芯片为语音模块的播放芯片，驱动喇叭播放语音。3.9.1WT588D语音芯片WT588D语音芯片是一种能够重复擦除烧写的芯片。WT588D芯片将所有的元器件都集成在一个芯片里，使得原本语音芯片的外围电路得以被取代。WT588D芯片能够使用下载器直接下载相应的语音，只需要在下载器中提前编辑好语音文件。图3-18WT588D语音芯片实物图3.9.2语音播放电路如图3-19所示，U14为WT588D语音芯片。芯片的3、4号引脚接喇叭，在单片机需要播放语音时进行语音播报。10号引脚P03口接单片机的P3.3口，用于信号的传输。图3-19语音播放模块电路图4系统软件设计4.1主程序框架根据设计前的构思，进行模块化设计。首先进行初始化，再各个模块开始进行工作。如：实时检测食物重量，实时测量环境温湿度，按时投放食物，根据食物的重量判断在时间点是否投食，等。具体步骤：喂食器通电，DHT11检测环境温湿度、HX711检测盘中食物重量，通过按键设置三次投食时间和每次投食量。到达时间点后，若食物重量小于设置的投食量，则电机正转，否则不转；当食物重量大于设置值是，电机反转，投食结束。之后，开始语音播报，吸引宠物。主流程图如图4-1。图4-1系统主流程图4.2LCD1602液晶显示器当LCD1602显示器得电后，首先进行初始化，清零数据。再与单片机进行双向数据传输。单片机将检测到的压力值、温湿度以及时间数据经写入引脚发送到显示屏上显示出来。当设置投食时间和投食量时，通过检测按键的操作，将数据进行实时监测。LCD1602液晶显示器流程图如图4-2。图4-2LCD1602流程图4.3温湿度传感器在接通电源之后，DHT11得电，开始工作。首先发出读取温湿度的信号，DHT11开始工作，感温元件和测湿元件检测环境的温度和湿度。再将采集到的数据发送给单片机。DHT11检测流程图如图4-3。图4-3温湿度传感器流程图4.4按键子程序本次设计共有四个按键，功能有设置三个投食时间和设置每次投食量。按键的工作原理是对线路高低电平的检测。在主程序中，通过循环检测高低电平，当检测到按键的低电平信号时，单片机发出中断信号，进入按键电路的子程序。四个按键的功能分别是选择、加、减、查找。不同的操作分别用四个不同的函数执行。在执行操作是还要注意操作的时间延时，防止误操作。流程图如图4-4所示。图4-4按键电路流程图5系统仿真5.1仿真搭建本次设计使用proteus软件进行仿真的搭建。首先使用软件的器件智能搜索功能搜索相应的元器件。在找齐所需的元器件后，开始进行仿真电路的搭建。先将单片机放置在合适的位置，将单片机的最小系统搭建出来。接着将电源模块搭建完成。再搭建喂食器的显示模块，使用LCD1602作为喂食器的显示屏。之后开始搭建模拟温湿度传感器的模块和按键模块。然后搭建电机模块的电路，再搭建压力传感器模块。喂食器的语音播报模块的功能没有仿真出来，没有在仿真图中出现。5.2系统仿真图5-1喂食器仿真图（未仿真）上下图为喂食器的模拟仿真图。1处模拟的是食物的重量检测模块，上方按键代表的是重量的增加，下面按键代表的是重量的减少。2处模拟的是按键模块，从上到下，最上面的按键是选择、设置按键，第二个按键是加，第三个按键是减和手动喂食按键，最下面的按键是查看设置的喂食时间和喂食重量。3处是步进电机驱动模块，喂食时电机正转，食物重量达标时电机反转，停止喂食。4处模拟的是温湿度传感器模块。当按下左侧的按钮表示选择温度或湿度，右侧的两个按钮表示增加和减少。图5-2喂食器仿真图（仿真）5.2.1喂食时间及喂食量仿真先按下第四个按键，选择相应的设置模块，再使用其他三个按键设置需要投食的时间点和投食量。调试结果如图5-3所示。前四张图片是设置的投食时间，第五张图片是设置的投食量。图5-3喂食器投食时间及投食量仿真图5.2.2温湿度仿真U4为温湿度传感器仿真器件。一开始仿真时，U4选择的是湿度仿真。当按下右侧按钮时，显示屏上的湿度值将会改变，如图5-4中的第一、二张图。当按下左侧按钮，U4变为温度仿真。此时再按下右侧按钮后，显示屏中的温度值将会改变。如图5-4中的第一、三张图。图5-4喂食器温湿度仿真图5.2.3模拟投食在到达设置的喂食时间后，若食物重量小于设定值，则电机正转，模拟投食；在食物的重量达到设定值后，电机反转，投食结束，并开始语音播报。图5-5喂食器投食仿真图6系统调试6.1焊接调试将准备好的各种元器件按照已经设计好的电路原理图焊接。首先将单片机的插排焊接在电路板上，在依次焊接好单片机最小系统晶振和复位电路。图6-1单片机最小系统焊接图选择好LCD1602液晶显示器的焊接位置，在P0口处焊接合适阻值的上拉电阻，再通过导线连接到显示屏上。图6-2LCD1602焊接图之后分别焊接各个模块传感器模块。最后使用导线将各个模块按照设计好的电路图连接起来。注意确保不会出现线路短路情况。将编译好的程序用烧录器烧录进STC89C52单片机中，再插入到插排上。图6-3喂食器焊接图使用5V直流电源供电。打开电源开关，先观察LCD1602液晶显示器显示的数据是否正常。若显示正常，则说明显示电路正常。再检验其他传感器工作是否正常，观察显示屏上是否有相应数据输出。若显示屏上有相应的数据，则说明线路连接正常。若没有，则电路出现了问题，需要具体分析，找出问题，解决问题。图6-4喂食器焊接完成图6.2功能调试当硬件元件调试好之后，开始进行功能调试，测试软件程序功能是否正确。当喂食器通电后，首先要对LCD1602液晶显示器和传感器进行初始化。LCD1602液晶显示屏分为两列，左侧显示当前的食物重量和时间，右侧显示测得的温湿度。当周围环境的温湿度改变后，显示屏上对应的温度和湿度的数据值会发送变化。图6-5LCD1602显示温湿度变化图左边图没有加物体，显示重量为零；右边图中的盘中加了实物，重量数值发生了改变。图6-6重量检测变化图从左向右，按下第一个按键是对时、分、秒进行选择，第二个按键是加键，第三个按键是减键。图6-7设置当前时间图按下喂食器上的第四个按键，在显示屏上会显示出设置三个喂食时间点和每次的喂食重量的模块。图6-8时间点和投食量设置图当到达喂食时间点后，步进电机开始正传，模拟开始投食。在压力传感器上放置一重物，当重量大于设置值后，步进电机反转，模拟投食结束，并开始进行语音播报。图6-9喂食器模拟投食图结论本次设计的宠物喂食器是一种以单片机技术为基础的自动喂食系统，主要有ATC89C52单片机、电源电路、按键电路、温湿度检测模块、压力检测模块、语音播报模块。喂食器的主要功能是定时定量的投放食物，并利用蜂鸣器播放语音，吸引宠物来到喂食器处。使用按键进行不同的喂食时间和每次的喂食量的设置。当时间依次到达设置的时间点时，单片机发出信号，电机转动，阀门打开，投食开始。当食物重量达到设置标准后，电机反转，关闭阀门。语音模块开始工作，蜂鸣器播放语音，吸引宠物前来。温湿度传感器实时检测所处环境的温湿度，并与食物重量值、时间一起在显示屏上显示出来。本设计中还有许多不足之处。如：可以在放置一个饮水装置，方便宠物的饮水需求；食物的放置槽较小，无法满足宠物主人长时间不在家中的喂食情况。还可以在喂食器上加装视频通话模块，实现宠物主人不在家也可以观察宠物的情况。参考文献张毅刚.单片机原理及接口技术第二版[M].北京：人民邮电出版社，2016.徐恕宏.传感器原理及其设计基础[M].北京：机械工业出版社，1988，30-45．彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003．邓胡滨,陈梅,周洁,黄德昌.单片机原理及应用技术[M].北京：人民邮电出版社.201412.342.陈艳华.基于智能交互的车载语音系统的设计与实