基于STM32的智能猫砂盆控制系统设计

基于STM32的智能猫砂盆控制系统设计摘要随着宠物饲养规模的持续扩大，城市家庭养猫需求不断提升，传统猫砂盆存在清洁不及时、异味扩散、无法监测宠物健康状态等问题，给饲养者带来诸多不便。针对上述痛点，本文设计了一套以STM32F103微控制器为核心的智能猫砂盆控制系统，整合了猫砂余量监测、猫只行为识别、自动清洁消毒、环境参数调控、宠物体温检测、远程数据交互等多项功能。系统通过各类传感器完成现场数据采集，经核心控制器逻辑运算后，驱动步进电机、继电器等执行机构完成对应动作，同时借助WiFi模块实现与手机端的远程通信。本文详细阐述了系统整体设计方案、硬件电路搭建、软件程序编写及功能测试过程，经实际验证，系统运行稳定，功能完整，能够有效解决传统猫砂盆的使用痛点，为家庭宠物饲养提供智能化、便捷化的解决方案。关键词STM32；智能猫砂盆；环境监测；自动控制；WiFi通信AbstractWiththecontinuousexpansionofpetfeedingscaleandtheincreasingdemandforcatraisinginurbanfamilies,traditionallitterboxeshavemanyproblemssuchasuntimelycleaning,odordiffusion,andinabilitytomonitorthehealthstatusofpets,whichbringalotofinconveniencetobreeders.Aimingattheabovepainpoints,thispaperdesignsasetofintelligentlitterboxcontrolsystembasedonSTM32F103microcontroller,whichintegratesmultiplefunctionssuchaslittermarginmonitoring,catbehaviorrecognition,automaticcleaninganddisinfection,environmentalparameterregulation,petbodytemperaturedetection,andremotedatainteraction.Thesystemcompleteson-sitedatacollectionthroughvarioussensors,drivesthesteppingmotor,relayandotheractuatorstocompletethecorrespondingactionsafterthelogicoperationofthecorecontroller,andrealizesremotecommunicationwiththemobilephonethroughtheWiFimodule.Thispaperelaboratestheoveralldesignscheme,hardwarecircuitconstruction,softwareprogramwritingandfunctiontestprocessofthesystem.Theactualverificationshowsthatthesystemrunsstablyandhascompletefunctions,whichcaneffectivelysolvethepainpointsoftraditionallitterboxesandprovideanintelligentandconvenientsolutionforfamilypetfeeding.KeywordsSTM32;IntelligentLitterBox;EnvironmentalMonitoring;AutomaticControl;WiFiCommunication目录71441绪论 1133151.1研究背景 1120401.2国内外研究现状 1207771.3论文组织结构 2229532功能与设计方案 3148992.1系统功能要求 357352.2系统设计方案 311592.3器件方案对比 4320982.3.1单片机的选择 499352.3.2重量采集模块的选型 555042.3.3无线通信模块的选型 5214263系统的硬件设计 7227163.1STM32F103C8T6单片机 7121403.2ESP8266无线通信电路 8194323.2重量采集电路设计 8243173.3环境参数采集电路设计 8198563.4红外测温与行为检测电路设计 997433.5执行机构驱动电路设计 1073893.6通信与显示电路设计 11124794系统的软件设计 13247464.1软件介绍 13207104.2软件程序的设计 14307624.2.1主程序流程图 14293504.2.2按键子程序流程图 15270854.2.3显示子程序流程图 15271905系统的测试 17108275.1软硬件联合调试 1734055.2系统实物搭建 1712725.3实物功能测试 18237015.3.1猫砂余量监测与报警功能 18306745.3.2猫只行为识别与自动清洁功能 18261285.3.3环境参数监测与通风控制功能 19104725.3.4宠物体温监测与异常预警功能 193929结论 212057参考文献 2212063谢辞 251758附录A 2622352附录B 271绪论1.1研究背景近年来，国内宠物经济呈现出高速发展的态势，城市居民家庭宠物饲养率持续攀升，其中猫类宠物凭借饲养门槛低、陪伴属性强的特点，成为多数城市家庭的首选。相关行业数据显示，截至2024年底，国内城镇家庭养猫数量已突破7000万只，宠物猫相关消费市场规模超过千亿元，宠物饲养已从传统的功能性需求转向情感陪伴需求，饲养者对宠物生活环境、健康管理的精细化要求也随之不断提高。猫砂盆作为养猫家庭的必备用品，直接影响宠物的生活质量与饲养者的日常体验。传统开放式猫砂盆需要人工频繁清理，若清洁不及时，猫砂内的排泄物会持续释放氨气等有害气体，不仅造成室内异味扩散，还会影响宠物与饲养者的身体健康；同时，独居饲养者出差、旅行期间，无法及时完成猫砂清理与宠物状态监测，极易出现猫砂盆污染、宠物突发健康问题无法及时发现的情况。除此之外，传统猫砂盆无法实现对宠物日常如厕频次、体温等基础健康数据的采集与跟踪，难以实现宠物健康状态的前置预警。随着嵌入式技术、物联网技术与传感器技术的不断成熟，智能家居产品逐步向宠物生活场景渗透，智能化的宠物饲养设备成为行业发展的重要方向。在此背景下，设计一套低成本、高稳定性、功能全面的智能猫砂盆控制系统，能够有效解决传统猫砂盆的使用痛点，满足饲养者对宠物饲养智能化、便捷化的需求，同时也为宠物健康管理提供基础的数据支撑，具备较强的实际应用价值与市场推广前景。1.2国内外研究现状在全球范围内，宠物智能设备行业已进入快速发展阶段，欧美国家凭借起步早、技术成熟的优势，在高端智能猫砂盆市场占据主导地位。以美国Litter-Robot、Petkit等品牌为代表的产品，已实现自动清理、异味隔离、如厕数据统计等基础功能，部分高端产品还整合了体重监测、环境调控等附加功能，产品成熟度较高。但这类进口产品普遍存在售价高昂、体积庞大、对猫砂品类限制严格的问题，同时配套的手机应用多为海外服务器，国内使用存在网络延迟、功能适配性差的问题，难以适配国内普通家庭的使用需求。日本作为宠物饲养大国，针对城市小户型居住场景，推出了多款小型化、低功耗的智能猫砂盆产品，重点优化了设备运行噪音、清洁效率等核心体验，同时简化了操作流程，适配老年饲养者的使用习惯。但这类产品功能相对单一，多数仅支持基础的自动清理功能，缺乏环境监测、健康数据跟踪、远程控制等智能化功能，无法满足饲养者对宠物精细化管理的需求。国内宠物智能设备行业起步相对较晚，但发展速度较快，小米、霍曼等国内品牌已推出多款智能猫砂盆产品，在价格、本土化适配方面具备明显优势，也实现了与国内智能家居生态的联动。但现有市售产品仍存在诸多短板，多数产品仅聚焦自动清理核心功能，对猫砂余量监测、氨气浓度调控、宠物体温实时检测等功能的整合度不足；同时，产品核心控制系统多采用定制化芯片方案，二次开发难度大，产品售价仍处于较高水平，难以下沉到更广泛的消费市场。除此之外，高校与科研机构针对宠物智能饲养设备的研究，多集中在单一功能的算法优化，对全场景、多功能整合的控制系统设计研究相对较少，仍有较大的优化与完善空间。1.3论文组织结构本文共设置五个核心章节，完整覆盖智能猫砂盆控制系统从需求分析到设计实现、测试验证的全流程。第一章为绪论，阐述本次设计的研究背景与实际应用价值，分析国内外智能猫砂盆相关产品与技术的研究现状，明确本次研究的核心内容与整体目标。第二章为系统功能与整体设计方案，梳理系统的核心功能需求，完成整体架构设计，同时对核心器件进行多方案对比与选型论证。第三章为系统硬件电路设计，分模块详细阐述各部分电路的设计思路、实现方式与电路特性。第四章为系统软件程序设计，介绍软件开发环境，梳理主程序运行流程，对各功能子程序的设计逻辑进行详细说明。第五章为系统调试与功能验证，介绍软硬件联合调试的过程与问题优化方案，完成系统实物搭建，并对各项功能进行分项测试与效果验证。结论部分对本次设计的成果进行总结，分析系统存在的不足，并提出后续的优化与改进方向。2功能与设计方案2.1系统功能要求结合家庭养猫场景的实际使用痛点，本次设计的智能猫砂盆控制系统需满足基础功能、安全功能与拓展功能三个维度的需求。系统需实现猫砂余量的实时监测，当猫砂剩余量低于设定阈值时，发出提示信息，提醒饲养者及时添加；可通过热释电传感器识别猫只的进出行为，当检测到猫只离开猫砂盆后，延时驱动步进电机完成自动翻砂清洁，同步启动消毒装置完成杀菌处理；可实时采集猫砂盆周边环境的温湿度与氨气浓度数据，当参数超出设定阈值时，自动启动通风装置，实现异味管控与环境参数调节。系统在自动清洁、消毒、通风等动作运行过程中，若检测到猫只再次进入猫砂盆，需立即停止所有运行中的动作，避免对宠物造成伤害；所有执行机构的运行状态可实时反馈，出现故障时立即停止工作并发出提示；系统需支持宽电压输入与备用供电，避免断电后功能失效。系统可通过非接触式红外测温模块，采集宠物如厕过程中的体温数据，当体温超出正常范围时，向饲养者发出异常预警；支持通过按键完成各项参数阈值的设定，也可手动启动翻砂、消毒、通风等动作；配备显示屏，可实时显示各项采集数据、系统运行状态与参数阈值；可通过WiFi模块接入物联网平台，实现与手机端的远程数据交互，饲养者可通过手机查看实时数据、修改参数阈值、远程控制各项功能的启停。2.2系统设计方案数据采集层的各类传感器持续采集现场数据，实时传输至核心控制器；核心控制器对采集到的数据进行解析与逻辑判断，在正常状态下，将数据实时显示在OLED屏幕上，并同步上传至物联网平台；当检测到数据超阈值或满足触发条件时，核心控制器发出控制指令，驱动对应执行机构完成动作，同时启动声光报警，并将异常信息推送至手机端；整个运行过程中，系统可实时响应按键输入与手机端的远程控制指令，调整系统运行状态与参数阈值。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择方案一：STC89C52STC89C52为传统8位51内核单片机，市场应用成熟度高，采购成本低廉，基础开发资料丰富，基础IO口数量可满足简单的开关量控制需求。但该芯片运算能力较弱，最高主频仅为12MHz，内置RAM与Flash存储空间十分有限，无法同时处理多路传感器数据采集、步进电机精准控制与多执行机构的联动调度，定时器、ADC、串口等外设资源严重不足，对于需要实时响应的猫只行为检测、安全急停场景，无法保证控制逻辑的响应速度与运行稳定性，难以满足本系统多任务并行处理的核心需求。方案二：STM32F103C8T6STM32F103C8T6采用32位ARMCortex-M3内核，最高主频可达72MHz，内置64KBFlash与20KBSRAM，运算处理能力强劲，可轻松应对多传感器同步数据处理、步进电机细分驱动与多执行机构的实时联动控制。芯片拥有丰富的片内外设资源，包含多路GPIO、高级定时器、12位ADC、多通道串口、SPI与I2C通信接口，可同时对接系统所有的传感器与执行器件，无需额外扩展电路，开发资料完善，开发生态成熟，采购成本适中，完全满足本系统的实时控制与多任务处理需求，最终选择该方案作为系统的主控核心。2.3.2重量采集模块的选型方案一：电阻应变式压力传感器+AD8221放大芯片电阻应变式压力传感器搭配AD8221仪表放大芯片的方案，测量量程覆盖范围广，理论测量精度较高，在工业称重场景中应用广泛。但该方案需要额外设计信号放大、滤波与模数转换电路，硬件设计复杂度高，电路体积较大，难以适配猫砂盆底部的小型化安装需求，同时采购成本偏高，需要针对不同安装场景进行繁琐的校准调试，抗干扰能力较弱，猫只活动带来的瞬时重量波动易造成采集数据失真，无法满足本系统猫砂余量稳定监测的使用需求。方案二：HX711称重传感器模块HX711称重传感器模块内部集成了24位高精度A/D转换器与专用信号调理电路，无需额外设计放大与滤波电路，仅通过两根信号线即可与主控芯片完成对接，硬件电路设计简单，模块体积小巧，可灵活适配猫砂盆底部的多点位安装需求。模块具备较强的抗干扰能力，可通过软件滤波算法有效滤除猫只活动带来的瞬时数据波动，稳定采集猫砂重量数据，采购成本低廉，校准流程简单，功耗控制表现优异，完全满足本系统猫砂余量实时监测的使用需求，最终选择该方案作为系统的重量采集单元。2.3.3无线通信模块的选型方案一：HC-05蓝牙模块HC-05蓝牙模块支持主从模式自由切换，通过串口即可与主控芯片完成对接，开发难度低，采购成本低廉，静态运行功耗控制表现较好。但该模块仅支持点对点短距离通信，室内有效通信距离不超过10米，无法接入家庭局域网实现异地远程监控，数据传输速率较低，无法实现多组传感器数据的同步上传与远程控制指令的实时接收，无法满足本系统饲养者异地查看设备状态、接收异常报警信息的核心需求，仅适用于近距离的简单数据传输场景。方案二：ESP8266无线WiFi模块ESP8266模块内置完整的TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n无线通信协议，可快速接入家庭局域网，实现无距离限制的远程数据传输，同时支持MQTT物联网通信协议，可直接对接手机APP与物联网平台，实现设备运行数据实时上传、远程控制指令接收、异常报警信息主动推送等功能。模块通过标准串口与主控芯片对接，开发难度低，配套资料丰富，虽然运行功耗略高于蓝牙模块，但对于固定场景使用的猫砂盆设备无明显影响，完全满足本系统的远程监控与数据交互需求，最终选择该方案作为系统的无线通信单元。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机最小系统电路为整个控制系统提供运行基础，包含电源稳压、时钟、复位、启动模式配置与下载接口五个核心部分。电路输入电压通过Type-C接口接入，经XC6206线性稳压器完成5V到3.3V的转换，搭配22μF电解电容与100nF陶瓷电容完成滤波处理，滤除电源中的高频纹波与低频噪声，为器件提供稳定的工作电压。时钟电路采用外部8MHz无源晶振作为高速时钟源，搭配30pF负载电容提升频率稳定性，经内部锁相环倍频后生成72MHz系统主频；32.768kHz无源晶振为实时时钟提供低速时钟源，保证系统计时精度。复位电路采用按键复位与上电复位结合的设计，搭配RC电路保证复位时序的稳定。启动模式配置电路通过10kΩ上拉与下拉电阻，设置器件为闪存启动模式，同时预留SWD下载接口，支持程序在线烧录与仿真调试。电路设计过程中，对所有电源引脚就近配置去耦电容，提升电路运行的抗干扰能力，保证主控器件在复杂环境下稳定运行。图3.1STM32F103C8T6单片机3.2ESP8266无线通信电路3.2重量采集电路设计重量采集电路围绕HX711模块搭建，核心作用是精准采集猫砂盆内的猫砂重量数据，为猫砂余量判断提供数据支撑。电路设计过程中，充分考虑猫砂盆的安装场景，将称重传感器安装在猫砂盆底部的四个支撑点位，通过并联方式完成信号汇总，保证重量数据采集的均匀性，避免猫砂分布不均造成的测量偏差。模块与主控器件之间通过两条信号线完成连接，分别对应时钟信号与串行数据信号，接口直接接入主控器件的通用IO端口，无需额外的电平转换电路。电路供电直接采用系统3.3V稳压电源，在电源输入端并联100nF陶瓷电容与10μF电解电容，滤除电源噪声对采集精度的影响。模块内部集成的程控增益放大器，可根据测量需求调整增益倍数，适配不同量程的重量采集需求。图3.2重量采集电路设计3.3环境参数采集电路设计环境参数采集电路整合了温湿度采集与氨气浓度采集两部分，可同步获取猫砂盆周边的温湿度数据与氨气浓度数据，为环境调控提供数据支撑。温湿度采集采用DHT11器件，电路设计中，器件的数据引脚直接接入主控器件的通用IO端口，数据线上配置4.7kΩ上拉电阻，保证总线信号的稳定性，器件供电采用5V电源，在电源与地之间并联100nF去耦电容，滤除电源干扰。图3.3温湿度采集电路设计氨气浓度采集采用MQ-135气敏器件，器件输出的模拟信号接入主控器件内置的ADC通道，无需额外的模数转换电路，电路中为器件的加热极配置独立的电源回路，搭配限流电阻控制加热电流，保证器件工作在最佳检测状态。图3.4氨气浓度采集电路设计电路设计过程中，将两个采集器件的安装位置布置在猫砂盆的通风口处，保证采集到的环境数据与实际情况一致，同时对模拟信号走线做包地处理，减少数字信号对模拟采集的干扰，实现两路环境参数的同步、精准采集。3.4红外测温与行为检测电路设计红外测温与行为检测电路，分别完成宠物体温数据采集与猫只进出行为的识别，是系统安全防护与健康监测的核心。行为检测采用热释电红外传感器，电路设计中，器件的信号输出引脚接入主控器件的IO端口，搭配10kΩ上拉电阻提升信号稳定性，同时在输出端并联104电容滤除高频干扰，避免环境中的红外杂波造成误触发。器件安装在猫砂盆入口处，可精准捕捉猫只的进出动作，为自动清洁的启停提供触发信号，同时实现安全防护的实时触发。图3.5热释电红外传感器电路设计红外测温采用MLX90614非接触式测温器件，通过I2C总线与主控器件完成通信，电路中为总线配置上拉电阻，保证通信时序的稳定，器件供电采用3.3V稳压电源，电源输入端配置磁珠与电容组成的π型滤波电路，滤除电源中的高频噪声。器件安装在猫砂盆内部上方，可在猫只如厕过程中，精准采集体表温度数据，无需接触宠物，避免对宠物行为造成干扰，同时保证测温数据的准确性。图3.6MLX90614非接触式测温电路设计3.5执行机构驱动电路设计执行机构驱动电路涵盖步进电机驱动与继电器驱动两部分，负责接收主控器件的控制指令，完成翻砂、消毒、通风等物理动作的驱动。步进电机驱动采用ULN2003达林顿管阵列搭建，电路中，主控器件输出的控制信号接入ULN2003的输入端，输出端直接连接步进电机的各相绕组，无需额外的分立元件，电路设计简单紧凑。ULN2003内部集成续流二极管，可有效抑制电机绕组关断时产生的反向电动势，避免反向电压击穿器件，同时提升驱动电路的带载能力。图3.7ULN2003电路设计继电器驱动电路采用NPN三极管搭建开关电路，主控器件输出的控制信号经1kΩ限流电阻接入三极管基极，继电器线圈串联在三极管集电极回路中，当三极管导通时，继电器线圈得电，触点完成吸合动作。电路中为继电器线圈并联反向续流二极管，抑制线圈断电时的反向电动势，同时在继电器触点两端并联RC吸收电路，抑制触点通断时产生的电弧，延长器件使用寿命。图3.8继电器驱动电路设计两路驱动电路之间设计电气隔离，避免电机启停时的电磁干扰影响继电器动作的稳定性，同时在程序逻辑中设置互锁机制，保证不同执行机构不会同时触发，提升系统运行的安全性。3.6通信与显示电路设计通信与显示电路负责实现系统数据的可视化与远程双向交互，包含OLED显示电路与WiFi通信电路两部分。OLED显示电路采用0.96英寸128×64分辨率的显示屏，搭载SSD1306驱动芯片，通过I2C总线与主控器件完成通信，电路中仅需连接电源、地、时钟与数据四条线路，电路连接简单。器件工作电压兼容3.3V与5V，电路设计中采用3.3V电源供电，在电源输入端并联100nF去耦电容，滤除电源噪声，总线引脚配置4.7kΩ上拉电阻，保证通信信号的稳定性。显示屏安装在猫砂盆外侧，方便饲养者查看实时数据与系统状态。图3.9OLED显示电路设计WiFi通信电路围绕ESP8266-12F模块搭建，模块通过USART串口与主控器件完成连接，串口引脚之间串联510Ω限流电阻，避免电平不匹配造成的器件损坏。电路中为模块配置独立的3.3V稳压电源，搭配大容量滤波电容，应对模块无线发射时的瞬时大电流需求，同时预留程序烧录接口与天线接口，保证模块通信的稳定性。电路设计过程中，将高频通信走线做阻抗匹配处理，远离功率电路走线，避免电磁干扰造成通信丢包，实现系统与物联网平台的稳定双向数据交互。图3.10WiFi通信电路设计4系统的软件设计4.1软件介绍本次设计的系统程序编写采用KeiluVision5集成开发环境完成，该环境适配ARM架构内核的微控制器开发，内置完整的代码编辑、编译、调试与烧录工具链，支持C语言程序开发，同时可兼容STM32系列器件的标准库与HAL库开发，具备代码编译效率高、调试功能完善、操作便捷的特点。程序编译过程中，通过优化等级配置，平衡程序运行速度与存储空间占用，保证程序在主控器件内稳定运行。程序烧录采用SWD串行调试接口完成，可实现程序的在线烧录与实时仿真调试，快速定位程序运行过程中的问题，提升开发效率。物联网通信相关的程序开发，通过阿里云物联网平台完成物模型定义与远程交互逻辑配置，实现设备端与手机端的双向数据通信。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主流程图如图4.2所示，系统初始化完成后，读取系统存储的各项参数阈值，完成运行状态的初始化配置，随后进入主程序无限循环。主程序循环内，按照无阻塞的设计思路，依次完成按键输入扫描、传感器数据采集、逻辑判断与运算、外设状态更新、数据显示与上传五个核心任务，每个任务均采用时间片轮询的方式调度，避免单个任务占用过长的处理器时间，保证系统运行的流畅性。循环内通过系统时钟节拍计数，为不同任务设置对应的执行周期，数据采集、逻辑判断等高频任务执行周期较短，数据显示、远程上传等低频任务执行周期较长，在保证系统响应速度的同时，降低处理器运行负载与系统功耗。系统运行过程中，所有实时性要求高的事件，如猫只进出检测、故障保护等，均通过中断服务程序完成响应，保证事件触发后系统可立即执行对应的保护动作，提升系统运行的安全性。图4.2系统逻辑流程图4.2.2按键子程序流程图按键子程序流程图如图4.3所示，按键子程序采用无阻塞的方式持续监测按键输入，首先完成按键对应硬件接口的初始化配置，设置信号消抖参数与触发方式。进入主监测循环后，程序不间断地读取按键状态，识别短按、长按、持续按住等不同的操作类型。当确认有有效按键动作发生时，程序会结合当前屏幕显示的页面，执行对应的操作逻辑：第一个按键短按可在多个页面间循环切换，长按则切换系统的手动与自动运行模式；第二、第三个按键在参数设置页面用于调整阈值大小，在手动模式下则分别控制翻砂电机与消毒装置；第四个按键控制通风功能；第五个按键用于切换报警声音的开关状态。操作执行完成后，程序会同步更新系统内部的参数配置，确保人机交互响应及时准确。图4.3按键子程序流程图4.2.3显示子程序流程图显示模块子程序流程如下图4.4所示，显示子程序通过内部计时变量控制屏幕的刷新频率，避免画面频繁切换导致闪烁。程序启动后，计时变量随系统节拍持续累加，当达到预设的500毫秒间隔时，重置计时变量并启动一次屏幕更新。首先清空屏幕的显示内容，随后根据当前所处的页面，绘制对应的显示内容：主页面展示环境温湿度、猫砂重量、宠物体温、氨气浓度等实时数据，并在屏幕角落标注当前的手动或自动运行模式；五个参数设置页面则统一展示所有阈值项，同时通过高亮反显的方式，突出显示当前页面对应的可调整参数。所有内容绘制完成后，程序将画面数据刷新至屏幕，实现系统状态与参数的动态可视化展示。图4.4显示子程序流程图5系统的测试5.1软硬件联合调试系统软硬件联合调试分为硬件焊接测试、单模块功能调试与全系统联调三个阶段完成。硬件焊接测试阶段，完成电路板焊接后，先通过万用表测量各电源回路的通断状态，确认无短路、虚焊问题后，接入5V电源，测量各节点的电压值，确认所有器件的供电电压均在额定范围内，避免电压异常造成器件损坏。单模块功能调试阶段，为每个模块编写独立的测试程序，依次完成主控最小系统、传感器采集、执行机构驱动、显示与通信模块的功能测试，验证每个模块的硬件电路与驱动程序是否正常工作，针对测试过程中出现的采集精度不足、电机运行丢步、通信丢包等问题，优化电路设计与程序逻辑，直至每个模块均可稳定实现预期功能。全系统联调阶段，将所有模块接入系统，烧录完整的控制程序，模拟实际使用场景，测试系统多模块协同工作的稳定性。重点测试系统在多任务并行运行时的响应速度，验证自动清洁、环境调控、异常报警等功能的触发逻辑是否准确，同时测试系统在连续运行过程中的稳定性，针对出现的逻辑冲突、误触发等问题，优化程序的时序调度与逻辑判断条件，最终实现系统所有功能的稳定运行，无逻辑错误与硬件故障。5.2系统实物搭建完成软硬件调试后，结合猫砂盆的实际使用场景，完成系统实物的搭建与安装。主控电路板、电源电路、执行机构驱动电路集成安装在猫砂盆底部的控制仓内，做好绝缘与防潮处理；称重传感器安装在猫砂盆内胆的四个支撑点位，保证重量数据采集的准确性；热释电红外传感器安装在猫砂盆入口处，精准捕捉猫只的进出动作；温湿度、氨气传感器安装在猫砂盆的通风口位置，保证环境数据采集的真实性；红外测温传感器安装在猫砂盆内胆上方，对准宠物如厕的核心区域；OLED显示屏与按键安装在猫砂盆外侧，方便饲养者操作与查看；步进电机与翻砂机构连接，继电器分别与消毒灯、通风风扇连接，太阳能板安装在猫砂盆顶部，保证充足的光照接收。整体安装布局紧凑，不影响猫砂盆的正常使用，同时所有走线均做隐藏与固定处理，避免宠物抓咬造成线路损坏。5.3实物功能测试5.3.1猫砂余量监测与报警功能本次测试通过逐步减少猫砂盆内的猫砂重量，模拟猫砂余量不足的场景，验证系统的监测与报警功能。测试结果显示，系统可实时采集并显示猫砂重量数据，当猫砂重量低于设定阈值时，立即触发声光报警，同时将报警信息推送至手机端，报警触发准确，无漏报、误报情况，可有效提醒饲养者及时添加猫砂。图5.1模式切换功能测试5.3.2猫只行为识别与自动清洁功能本次测试通过模拟猫只进出猫砂盆的动作，验证系统的行为识别与自动清洁功能。测试结果显示，系统可精准识别猫只的进出动作，猫只离开后，按照设定的延时时长，自动启动步进电机完成翻砂清洁，同步启动消毒装置，运行过程中若检测到猫只再次进入，立即停止所有动作，安全防护逻辑准确，功能运行稳定。图5.1模式切换功能测试5.3.3环境参数监测与通风控制功能本次测试通过在猫砂盆内释放氨气、调整环境温湿度，验证系统的环境监测与通风控制功能。测试结果显示，系统可实时采集并显示环境温湿度与氨气浓度数据，当参数超出设定阈值时，自动启动通风装置，参数回落至正常范围后，自动停止通风，触发逻辑准确，可有效实现猫砂盆周边的环境调控与异味管控。图5.1模式切换功能测试5.3.4宠物体温监测与异常预警功能本次测试通过模拟不同的体温数值，验证系统的体温监测与异常预警功能。测试结果显示，系统可通过非接触方式，精准采集宠物的体温数据，当检测到体温超出正常范围时，立即向手机端推送异常预警信息，同时在显示屏上显示异常提示，预警触发及时，数据采集准确，可为宠物健康监测提供有效的数据支撑。图5.1模式切换功能测试结论本文针对传统猫砂盆存在的清洁不及时、异味扩散、宠物健康状态无法监测等核心痛点，设计完成了一套基于STM32的智能猫砂盆控制系统，实现了猫砂盆使用全流程的智能化管控。设计过程中，完成了系统整体架构设计、核心器件选型与方案对比，搭建了完整的硬件电路，编写了对应的控制程序，最终通过软硬件联合调试与分项功能测试，验证了系统功能的完整性与运行的稳定性。经实际测试，系统可稳定实现猫砂余量监测、猫只行为识别、自动清洁消毒、环境参数调控、宠物体温监测、远程数据交互等全部预设功能，触发逻辑准确，运行安全可靠，可有效解决传统猫砂盆的使用痛点，具备较强的实际应用价值。本次设计兼顾了系统的低成本与高适配性，可直接用于现有猫砂盆的智能化改造，市场推广前景广阔。受限于开发时间与个人能力，本次设计仍存在一定的优化空间，后续可通过优化算法提升宠物行为识别的准确率，增加宠物如厕频次、体重等健康数据的统计分析功能，同时优化系统的低功耗设计，进一步提升太阳能供电的续航能力，完善系统的功能与使用体验。

参考文献[1]付向艳,高佳乐,惠晨博,等.浅析智能猫砂盆设计[J].鞋类工艺与设计,2025,5(18):162-164.[2]高畅.基于STM32硬件与软件协同控制的智能猫砂盆设计[J].自动化应用,2025,66(16):263-265+269.[3]杨皓云.宠物猫豢养行为引导功能用品设计研究[D].南京林业大学,2025.[4]何胜旗,宁超魁.基于STM32的智能宠物项圈系统设计[J].电子产品世界,2025,32(02):24-27.[5]张伟.基于TOF模组的智能猫盆猫砂余量精准检测设计[J].中国新技术新产品,2024,(12):46-51.[6]齐海,张丹,张晓欢,等.基于物联网技术的智能宠物看护系统的设计[J].物联网技术,2024,14(06):119-122.[7]沈建强,黄兴平,仲崇高,等.基于STM32的智能宠物喂养系统的设计与实现[J].电脑知识与技术,2024,20(05):4-6.[8]王彤华,李郁,刘煜,等.智能宠物喂养系统设计[J].电子制作,2023,31(20):50-52.[9]黄万转,吴晓刚.多功能智能宠物投食器的设计与实现[J].福建电脑,2023,39(02):90-93.[10]刘继坛,陈欣然,郁舒兰,等.基于TOPSIS的智能猫砂盆用户需求挖掘与设计研究[J].家具与室内装饰,2022,29(09):52-56.[11]吴逸豪,何铭浩,彭晓宏,等.融合窄带物联网及NFC技术的智能宠物项圈设计[J].传感器与微系统,2022,41(02):86-89.[12]洪熠,徐婷,何睿,等.基于STM32单片机的智能宠物系统的未来发展[J].电脑知识与技术,2021,17(14):199-200.[13]刘冰洁.智能宠物寄宿系统研究与设计[J].信息记录材料,2021,22(01):199-201.[14]孟艳艳,陈伟海,贾长洪,等.智能宠物喂食喂水系统研究与设计[J].中国高新科技,2020,(21):137-141.[15]苏华玲,汤丽华,汤期泳,等.“互联网+”智能宠物多功能外饰实现[J].科学技术创新,2020,(24):68-69.[16]靳海英.多功能智能宠物喂养系统的设计开发[J].现代制造技术与装备,2019,(12):63-64.谢辞本次毕业设计的完成，离不开指导老师的悉心指导与无私帮助。从最初的选题、需求分析，到整体方案设计、硬件电路搭建、软件程序编写，再到最终的系统调试与论文撰写，指导老师都给予了我细致的指导与宝贵的建议。老师严谨的治学态度、深厚的专业知识与丰富的工程经验，为我解决了设计过程中遇到的诸多难题，也让我对嵌入式系统设计与物联网应用有了更深入的理解，在此向指导老师致以最诚挚的感谢与最崇高的敬意。同时，感谢学校为我提供了良好的学习环境与实验平台，感谢同学们在设计过程中给予的帮助与鼓励，感谢家人一直以来的理解与支持。这段毕业设计的经历，让我将大学期间所学的专业知识应用到了实际工程设计中，提升了我的实践能力与解决问题的能力。在未来的学习与工作中，我会继续保持严谨的治学态度与不断探索的精神，努力提升自身的专业能力，创造更多的价值。附录A原理图：附录B部分源程序：#include"main.h"#include"adc.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/KEY/key.h"//按键驱动层头文件#include"./HAL/DELAY/delay.h"//延时驱动层头文件#include"./HAL/OLED/OLED.h"//OLED驱动层头文件#include"./HAL/beep/beep.h"#include"./HAL/RELAY/relay.h"#include"./HAL/IR/IR.h"#include"./HAL/HX711/hx711.h"#include"./HAL/dht11/dht11.h"#include"./HAL/JX90614/JX90614.h"#include"./HAL/STEPPERMOTOR/steppermotor.h"#include"./HAL/AliESP8266/AliESP8266.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*///无自定义类型定义/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*