基于单片机的智能宠物喂食系统设计.docx
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基于单片机的智能宠物喂食系统设计.docx
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摘要
经济发展在改善人们生活质量的同时往往也会改变人们的生活方式,越来越多的家庭都开始养起了宠物。
为了解决“打工人”工作繁忙时无法对宠物进行周全的照顾,本文设计了一套可用于智能对宠物进行投食的方案。
该套设计方案采用STM32单片机作为系统的主控芯片、搭配LCD显示屏、温湿度传感器、蓝牙模块来实现对宠物窝温湿度的监测,通过LCD实时显示当前时间和宠物窝温湿度数据,通过蓝牙模块与手机上位机通信,通过上位机可对系统时间和投食时间进行设置。
在对设计出的硬件系统进行测试时。
通过定时观察系统到时间是否会自动投食。
经过测试发现本文系统完全符合设计要求。
关键词:
宠物;智能投食系统;温湿度检测;蓝牙通信
Abstract
Whileeconomicdevelopmentimprovespeople'squalityoflife,theyalsooftenchangepeople'slifestyles.Moreandmorefamiliesarestartingtoraisepets.Inordertosolvetheproblemthat"workers"cannottakecareofpetswhentheyarebusyatwork,thispaperdesignsasetofsolutionsthatcanbeusedtofeedpetsintelligently.ThedesignschemeusesSTM32single-chipmicrocomputerasthemaincontrolchipofthesystem,withLCDdisplay,temperatureandhumiditysensor,andBluetoothmoduletorealizethemonitoringofthetemperatureandhumidityofthepetnest.ThecurrenttimeandthetemperatureandhumiditydataofthepetnestaredisplayedinrealtimethroughtheLCD.Themodulecommunicateswiththeuppercomputerofthemobilephone,andthesystemtimeandfeedingtimecanbesetthroughtheuppercomputer.Whentestingthedesignedhardwaresystem.Observeregularlywhetherthesystemwillautomaticallyfeedfoodatthetime.Aftertesting,itisfoundthatthesysteminthispaperfullymeetsthedesignrequirements.
Keywords:
pet;intelligentfeedingsystem;temperatureandhumiditydetection;
Bluetoothcommunication
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1论文研究的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要研究内容及论文结构安排 2
2系统方案论证 3
2.1系统设计方案 3
2.2主控模块选型 3
2.3显示模块选型 4
2.4温湿度传感器选型 5
2.5电机驱动模块选型 6
2.6通信模块选型 7
3硬件电路的设计 8
3.1单片机 8
3.1.1单片机最小系统 8
3.1.2系统时钟电路 8
3.1.3系统复位电路 9
3.1.5中断系统 10
3.2显示模块电路 10
3.3温湿度检测模块电路 11
3.4电机模块电路 12
4系统软件设计 13
4.1系统设计软件 13
4.1.1AltiumDesigner 13
4.1.2KeilC51 13
4.2软件设计流程图 13
4.2.1主函数流程图 13
4.2.2传感器模块流程图 14
4.2.3蓝牙通信模块流程图 14
5系统测试 16
总结 19
参考文献 20
致谢 22
1绪论
1.1论文研究的背景及意义
经济发展在改善人们生活质量的同时往往也会改变人们的生活方式。
伴随着我国人均国民收入的不断增加,全面小康社会的成就在2020年也顺利达成,人民对美好生活的向往成为了新的追求目标【1】。
而出于陪伴亦或是解压等种种因素,饲养宠物已经成为了当前居民生活的一种潮流,尤其是在车水马龙节奏快速的城市中,宠物饲养也早已成为了一个新兴的行业【2-5】。
但与此同时,都市人的快节奏生活及早出晚归的工作压力也成为越来越多城市居民不得不面对的现实,而这种固定的生活模式对宠物的喂食等带来了极大的困扰,也让许多城市居民陷入了期望饲养宠物与担心对宠物照顾不周的两难之中【6-7】。
当主人忙于其他事物,无法对宠物进行喂食时,传统的解决方法是交付于亲人朋友或宠物店代为饲养,但这种方法往往会增添麻烦或是耗费巨大,并且宠物主人也会时刻担忧他人照料是否妥善,带来精力与财力的流失【8-9】。
而嵌入式技术和“互联网+”等高新科技应用范围的不断扩大有助于解决这一难题【10】。
通过即时通信等方式设计智能化的宠物喂养设备可以让主人远程对宠物进行投喂、照料,不但改善了宠物喂养难题,也使得宠物饲养更加的科学、规范和便捷【11】1.2国内外研究现状
西方国家的居民由于早早便进入了发达国家生活水平,在宠物的饲养方面也早已成为一种潮流和规范化的产业【11】。
基于高科技技术研究的先发优势,发达国家在上个世纪便已经将电子信息等技术应用于了宠物饲养设备之中【12】美国宠物设备研究者在充分考虑了工程学、动物行为学和心理学等多个方面的专业知识后,推出了不少功能强大的宠物喂食器,满足了主人与宠物之间的多元化需求,如其中的佼佼者EasyFeed智能宠物喂食器便具有喂食与宠物监视等功能,还可通过APP远程控制喂食器工作【13】。
日本和韩国设计的喂食器在方便喂食的基础上还引入了情感化设计,能够给主人与宠物带来更为舒适的使用感受【14】。
国内对宠物饲养产品的研究始于上世纪90年代,而宠物喂食器的出现到近几年伴随着集成电路技术的大规模应用才开始出现【15】。
。
旺角公司近期便推出了一款软硬件相结合的智能喂食器,可以自动喂食和控制食量,主人还可通过专用
APP与硬件相连接,远程控制喂食器工作【16】。
但当前国内的智能喂食器产品仍比较少,并且功能上也较为单一,面对庞大的宠物饲养市场和未来发展前景,急需加强研究。
1.3本文主要研究内容及论文结构安排
本课题主要研究内容是设计一款基于STM32单片机的智能宠物喂食系统,系统通过DHTH传感器实现对宠物窝的温湿度的监测,系统还可以进行定时实现自动添水和喂食。
显示屏上实时显示系统时间、喂食时间和温湿度信息。
本文的主要结构分为六个章节:
第一章主要是对本文所研究的智能宠物喂食系统的背景及意义进行了描述;
第二章从如何设计该课题开始,首先对系统进行了总体架构的描述,然后针对系统中用到的各个模块进行了选型和分析,以节约成本和实用性为基础对各个模块进行介绍和选型,综合分析并确定本设计采用的具体硬件;
第三章开始从硬件电路入手,对主控芯片以及各个模块进行介绍,尤其涉及了单片机的最小系统、按键消抖、时钟复位、传感器控制模块等;
第四章描述了该项目在软件方面的设计,包括介绍了本项目中用到的开发软件和系统流程图等;
第五章对项目成果进行展示和实验,主要是对系统的实际效果进行测试,判断是否满足本文研究要求;
第六章是针对于本文的一个总结。
2系统方案论证
2.1系统设计方案
本课题是基于单片机的智能宠物喂食系统的设计,系统可以划分为主控模块、温湿度检测模块、蓝牙模块、显示模块、喂食模块、添水模块和上位机模块等。
系统需要完成的工作是利用温湿度检测传感器对宠物窝内的温湿度数据进行检测。
系统通过蓝牙模块实现与上位机的数据通信,可通过上位机对系统时间和定时投食时间进行设置,当达到设定的投食时间系统会启动投食模块功能,显示屏实时对当前时间、定时投食时间和温湿度数据进行显示。
系统硬件组成框图如图2.1所示。
图2.1系统硬件组成框图
2.2主控模块选型
在本系统的设计与实验中,主控模块作为核心器件相当于人类的大脑一样负责指令的发出与转发功能,所以主控芯片的选型尤为重要,既要考虑到资源够用又要考虑到价格成本。
在本次设计中主要对以下芯片进行分析并最终做出选择。
方案一:
FPGA全称为现场可编程逻辑门阵列,属于专用集成电路中的半定制电路,可对其进行无限次擦除和读写操作。
FPGA的出现使得定制芯片不足以及可编程逻辑门电路数目不足的问题得到了有效的解决,各种档次的芯片也为设计提供了更多的选择。
FPGA具有多种分类方法,有国产和国外两大类。
国产比较著名的FPGA厂商有紫光同创、上海安路、京微雅格、复旦微电子、易灵思等,国外我们常用且比较著名的FPGA厂商有Xilinx和Altera,目前这两家公司分别被AMD和Intel收购。
方案二:
STM32系列芯片是上世纪八十年代被ST公司首先提出的一种新兴处理器芯片的概念,而这种芯片的内部核心以ARM公司的芯片作为内核。
在STM32概念被提出之后,该系列芯片迅速崛起风靡整个电子设计市场。
在较长一段时间内STM32芯片占据了大部分的电子设计市场,其中以STM32F103和STM32F407系列最受追捧。
而STM32也分为基础性和增强型,基础型芯片是目前较为常用的一种,而增强型的STM32芯片最高时钟频率可达72MHz,并且还可以进行超频使用。
在性能提升的同时,功耗却能保持较低水平,经过专业测评运行相同程序时STM32的功耗极低。
方案三:
51单片机所有工科专业接触的第一类单片机,这是一类泛称,指的是所有兼容8051指令的单片机。
Intel的8004单片机是该系列单片机的第一款,当时能实现的功能和性能都很有限,目前市场上比较常见的51单片机主要有Intel的80C、87C系歹U,ATMEL的89C、89S系歹U,Philips,华邦、Dallas.Siemens等,但最常用的应当属于国产宏晶的STC系列。
虽然目前科学技术已经发展到较高的水平,但是51系列单片机因为其价格低廉在电子市场仍占据较为重要的地位,价格低廉的同时也就限制了其性能。
通过对上述几种类型的单片机在性能、价格、功耗等方面的对比,结合本项目实际使用情况,决定选择STM32系列芯片作为本项目的主控芯片,其具体型号为STM32F103c8T6。
2.3显示模块选型
为了满足系统设计要求且能够直观看到系统运行的当前状态,需要通过显示装置来对数据进行显示。
如我们通过显示器可以操作电脑一样,在电子设计中,常用来对数据进行显示的设备有以下四种,每种显示设备的优缺点以及设计难度各有不同,下面针对这四种显示设备进行简单描述。
方案一:
OLED液晶显示屏是近几年在电子设计上流行起来的一种显示方式。
OLED(OrganicLight-EmittingDiode)又称是激光显示或发光半导体显示,其原理是通过注入不同的载流子相结合产生发光的现象。
这种显示屏具有较多有点,如显示内容多且丰富,显示画质更加细致,在现在很多设计中使用。
方案二:
LCD液晶显示屏,由于使用历史较久,开发历程非常成熟,可直接借鉴别人的历程拿来直接使用,所以在开发难易程度上较容易,并且这种显示装置价格低廉,显示数据也较为清晰,并且进展用较少的单片机I/O口。
方案三:
LED数码管,也是电子类学生最先接触的电子元器件类型之一,这种数码管也常被成为八段管,顾名思义,利用八段发光二极管灯组合成一位,通过控制八个发光二极管的不同亮灭位置可以显示出不同的数字。
通过若干个数码管拼接可用来显示一串数字。
复用引脚可大大节约单片机I/O口的使用。
通过对几种显示器件的分析,结合本设计中需要对时间和温湿度数据进行显示,所以选择TFT液晶显示屏属于LCD显示屏的一种作为本设计的显示设备。
2.4温湿度传感器选型
方案一:
AHT10检测探头采用CMOSES专利技术将AD转换电路和数字接口相结合。
模块体积小采用简单的接口电路,相应速度高,性价比合适适合现场大批量使用。
采用双线数字输出模式,功耗低至80uW。
测量量程区间较大,温度测量范围从-40至U+120度之间,湿度测量为满量程测量。
即便是零下的冬天也能满足管廊环境监测的需求。
该模组使用的时候信号端口直接和终端主控制器相连并进行共地,其实物图如图2.2所示。
图2.2AHT10传感器实物图
方案二:
DHTH是一种可以同时对温度和湿度进行检测的复合型传感器,该传感器同时结合了数字采集技术和温湿度检测技术,既能保障检测的精度还提供了较长的使用寿命。
该传感器能够同时对温度和湿度进行检测主要是因为该器件内部包含了感湿元件和测温元件,通过这两个元件的配合实现对于温湿度的监测,该传感器由于具有较低的价格和功耗并且传输距离最远可达20m所以经常在很多需要对温湿度检测的系统中使用。
该模块实物图如图2.3所示。
图2.3DHT11温湿度传感器实物图
经过对两种温湿度传感器在测量精准度、性价比、设计难度等方面进行综合考虑,决定在本文所设计的智能宠物喂食系统中使用DHTU传感器来实现对宠物窝内的温湿度的检测功能。
2.5电机驱动模块选型
方案一:
舵机是电子设计中模拟转动的一种实物,主要应用于1:
10和1:
8平跑车、越野车、卡车、大脚车、攀爬车、双足机器人、机械手等设计中。
本文仅需要通过转动来模拟处于投食状态,该传感器虽然能满足系统要求,但是成本相对较高,考虑节约成本和设计复杂度的问题,本系统不采用此模块作为模拟转动模块器件。
方案二:
直流电机在使用时需要驱动模块对其进行驱动,在驱动电机上选择L298N芯片来对电机进行驱动。
L298N是一块小型集成电路,可以在不采用隔离电路的情况下直接对电机进行驱动,利用单片机的I/O端给驱动芯片提供不同的电平从而实现电机的正反转。
虽然当前技术快速发展,步进电机、直流电机、异步电机也很普遍。
方案三:
步进电机是通过将电脉冲通过一定的转换方式转化为角位移或线位移从而进行驱动的一种电极形式。
使用时,每接收到一个电脉冲信号,则会对角位移或线位移进行变化一个角度或一个单位,也就是说,脉冲数量决定了角位移或线位移的变化量,所以,在很多场合,步进电机又被叫作脉冲电机。
步进电机根据不同的分类标准可以划分成很多种类,而我国目前较为常用的步进电机类型为反应式步进电机。
本文系统中设计了投食和补水两个功能,步进电机由于成本较高,设计难度较大,因此分别选择舵机和直流电机来进行相应的功能设计。
2.6通信模块选型
目前国内外关于无线通信的技术研发已经非常成熟,而本文所设计的智能宠物喂食系统也需要对实现远程的系统设置,目前市场上关于无线传输的技术有以下几种。
方案一:
蓝牙:
为了弥补传统通信的缺点,蓝牙通信技术于上世纪由爱立信公司设计开发,此后通过和多家知名通信企业进行联合开发建立的一种近距离的无线通信技术标准。
蓝牙通信是一种短距离的无线电技术,目前最新的蓝牙5.0技术在理论传输距离上可达300米,但在实际使用过程中应当考虑遮挡物情况。
目前该项技术广泛应用于智能手机、智能穿戴设备、个人电脑等各种移动设备上用于相互之间的数据传输。
并且随着各大手机厂商纷纷取消了3.5mm的耳机接口,这也为蓝牙通信技术的发展创造了很大的发展空间。
蓝牙5.0发布的意义也不只有这一个作用,在现在物联网发展较为缓慢的时间段,蓝牙5.0技术也是一剂强力的兴奋期,推动整个物联网技术商用的市场发展。
方案二:
WiFi:
WiFi是当今人们所熟知的一次,常被认为是WirelessFidelity的缩写,是由于WiFi联能也经常使用WirelessFidelity,事实上WiFi没有实际意义也没有所谓的英文全称。
如今我们日常生活中称呼无线网为WiFi。
目前市面上常见的路由器已经多为千兆的了,并且随着WIfi6标准的制定使无线网的速率越来越快。
WiFi在无线通信上具有以下几个优点:
第一,覆盖范围广,一般来说,一台WiFi路由器可覆盖半径大约可达100米,但如果存在墙体隔档可能会存在略微影响。
第二,虽然WiFi在传输数据和传输安全性上没有蓝牙等安全,但是其速度非常快,这在某些应用上完全完胜。
第三,使用门槛和市场准入门槛低,如今在任何地方包括大街上打开手机的WLAN都可以收到很多的WiFi信号。
第四,使用该项技术无需进行网线的布置,方便了设备的搬移。
经过对蓝牙模块和WiFi模块的分析对比,虽然WiFi模块可以实现真正的远程无线操控但由于设计成本和设计难度较大,结合本文仅需要每天对其进行设置固定的时间投食无需时刻进行关注,所以选择成本较低且设计难度较低的蓝牙通信技术来进行该模块的设计。
3硬件电路的设计
3.1单片机
单片机是对单片微型计算机的一种统称,我们可以根据自己的需求在上面进行各种开发和设计。
单片机的起源可以追溯到上世纪八十年代,当时的单片机只有4位或8位,种类也仅有数十种,可选择性较低,且功能较弱。
纵观现在300M的高速单片机已然成为主流。
目前,单片机的种类已超数百种,电子设计爱好者可根据自身需求选择最合适的芯片来进行设计,且设计例程也越来越多,设计也越来越方便,芯片的尺寸也朝着低功耗、低电压、小尺寸的方向发展。
单片机拥有多种分类方式,如果按照种类分可以将单片机分为通用型和专用型。
通用型是可以根据自己的爱好和想法进行开发设计,而专用型则在出厂时已经设定好了其功能。
3.1.1单片机最小系统
单片机想要进行正常工作,最小系统是必须具备的,最小系统指的是存在主控芯片的情况下系统应当具备晶振电路和复位电路,本文系统的最小系统电路图如图3.1所示。
图3.1单片机最小系统电路图
3.1.2系统时钟电路
12
晶振电路一般又叫时钟电路,该电路对整个系统运转提供时钟参考,因此也被叫做主控时钟。
在单片机系统中,单片机想要执行操作必须经过取指令、译码然后将译码后的信号发送到寄存器,然后通过指令交换。
每个步骤都遵循着系统时钟,系统时钟不仅提供了参考时间也对各个步骤执行的先后顺序进行定义。
本项目的时钟电路如图3.2所示。
13
图3.2系统时钟电路
由图3.2可以看出,本文所设计的电路中具有两种时钟频率,这是由STM32系列芯片的共性决定的,本文设计的两种时钟频率分别为8MHz和32.768KHZ,其中8MHz的时钟频率用来正常设计和倍频使用,而32.768KHZ的时钟频率用于进行低功耗产品的设计或者在系统处于待机休眠状态时使用。
因此也证明了本文所设计的系统在正常工作下的时钟频率为8MHz。
需要注意的是,在进行时钟电路PCB设计或直接焊接时,电容与晶振的设计应尽可能靠近芯片,以减少对电路的影响。
3.1.3系统复位电路
复位电路是用来对电路工作状态进行还原的电路,由单片机电路原理图可知,该系列单片机为高电平复位,一般情况下是将RST端向上接一个10uF的电容接高电平,向下接一个10K电阻接地,在高电平与RST端接按键开关,也可不接开关。
外接开关是为了在使用时可以随时复位。
本项目复位电路如图3.3所示。
图3.3系统复位电路
由图3.3可以看出,该系统的复位电路通过10uF电容与地相连,通过10K电阻与电源相连,同时设置了复位开关,方便随时进行复位,同时该系统保持高电平复位,当开关按下后,电源和地形成通路则系统进入复位状态,若开关断开当电容充满电后也进入复位状态。
3.1.5 中断系统
中断系统的作用是在程序运行时对当前正在执行的程序或指令进行打断。
在实际系统运行或调试过程中,常常存在由于不同原因导致必须中断当前程序的执行查看当前运行结果或转而去执行另一条指令的情况。
设计中有软中断和硬中断两种实现方式,顾名思义就是分别通过软件或硬件来实现中断功能。
引起中断的源头被称为中断源,也叫中断信号,在实际使用中主要为内部中断和外部中断两类,外部中断根据选择的引脚不同又分为外部中断0和外部中断1,这两种中断分别由电平和下降沿出发。
通过TCON引脚的不同状态来对合适的中断类型进行选择。
内部中断有定时器溢出中断和串行口中断源中断,定时器溢出中断是由系统内部的定时/计数器通过设置产生,串口源则直接通过串口输入产生。
3.2显示模块电路
显示模块在本设计中的作用是对温湿度和时间信息进行实时显示。
TFT属于工业级显示屏器件,在电子设计中经常提及高低电平的问题,至于高低电平的说法在这里分别用1和0来替代,而显示屏想要显示内容必须通过显示芯片才能完14
成。
目前市场上大部分的LCD显示屏均采用HD44780显示芯片来驱动,所以在使用和控制原理上并没有太大差别。
其电路图如图3.4所示。
图3.4显示模块电路图
为了让电路更符合规范且设计速度更快,在设计前应当根据其用户手册对引脚线进行连接。
3.3温湿度检测模块电路
温湿度检测模块也采用模块化的器件,其具体型号为DHTH,该传感器可对温度和湿度两种数据进行检测,该传感器会发送16位数据给单片机,其中前8位为湿度数据,后8位为温度数据,单片机通过读取相应的数据来获取温湿度的数值,其电路图如图3.5所示。
图3.5温湿度检测模块电路图
由图3.5可以看出,本文所采用的DHTU传感器为三端口元件,其中引脚
15
1和引脚3分别接通GND和3.3V电源,引脚2与单片机的PB15引脚相连,单片机通过PB15引脚传输过来的16位数据来对传感器检测到的温湿度数据进行获取。
3.4电机模块电路
电机在本设计中的作用就是通过转动模拟投食的效果,因此共用统一接口即可,本设计在进行电路设计时仅需要对接口进行设置,其电路图如图3.6所示。
从图中可以看出电机模块为三端口元件,其中引脚1和引脚3分别接通GND和VCC,引脚2为数据端口与主控芯片的PAH引脚相连,单片机通过对PAH发送高低电平来对电机的开关进行控制。
图3.6电机模块电路图
16
4系统软件设计
4.1系统设计软件
4.1.1AltiumDesigner
目前用于电路设计的软件主要有AD、PADS和Cadence,由于学校学习一般使用AD,所以本项目也在AD环境下对系统进行设计。
AD是一款集成了电路原理图和PCB的整套设计,该软件能够使设计者在设计时减少很多后顾之忧,当熟练使用后,设计电路的质量和速度都将大幅提高。
4.1.2KeilC51
大多数的电子设计者都是从单片机进行入门学习单片机的设计的,单片机之所以能够实现所设计的功能主要是依靠软件控制逻辑对其进行控制,这也是我们常说的软硬件不分家的原因。
单纯的硬件电路无法实现我们所需要的各种功能,而
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