基于單片機(jī)的貓砂處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王馨萱

基于單片機(jī)的貓砂處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王馨萱

（北京郵電大學(xué) 世紀(jì)學(xué)院，北京 102101）

單片機(jī)作為主控制器，在目前電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，它體積小、處理速度較快、性?xún)r(jià)比高，適合學(xué)生創(chuàng)新、家用電器等多領(lǐng)域使用。貓砂處理系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，添加了多個(gè)傳感器模塊，保證功能能夠很好的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)該系統(tǒng)主要是針對(duì)快速清理貓砂這一功能進(jìn)行了創(chuàng)新，為家庭飼養(yǎng)寵物提供了高效的清潔方式。

單片機(jī)；貓砂清理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；單片機(jī)

1 貓砂處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義及內(nèi)容

1.1 意義

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，生活節(jié)奏、城市化進(jìn)程加快，越來(lái)越多的人開(kāi)始飼養(yǎng)寵物，但是一系列問(wèn)題隨之而來(lái)，例如無(wú)法及時(shí)清理貓砂的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)出了一款貓砂處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能有清理貓砂、定時(shí)投喂等，通過(guò)這些功能的實(shí)現(xiàn)，既節(jié)省了將寵物貓送去托管的高額費(fèi)用，也解決了當(dāng)寵物貓無(wú)人照看時(shí)的一系列問(wèn)題，為人們飼養(yǎng)寵物提供了方便。

1.2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

本文設(shè)計(jì)的貓砂處理系統(tǒng)主要通過(guò)手機(jī)控制實(shí)現(xiàn)清理貓砂、短信提醒、紫外消毒、陪伴玩耍等功能，讓飼養(yǎng)寵物貓的家庭保持室內(nèi)清爽干凈。該系統(tǒng)的外殼采用木質(zhì)材料進(jìn)行制作，并對(duì)外殼的美觀、陪伴玩耍的玩具也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，環(huán)保，性?xún)r(jià)比高，耐用，該貓砂清理系統(tǒng)極大地方便了無(wú)暇照顧寵物貓的人士。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控制器，加入了藍(lán)牙模塊、紅外傳感模塊、GSM模塊及電機(jī)模塊，初步實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程操控清理貓砂、短信提醒、定時(shí)消毒等功能。可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，由直流電機(jī)帶動(dòng)刷子前后移動(dòng)，從而達(dá)到清理貓砂的效果；通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)了短信提醒功能，飼養(yǎng)者可通過(guò)讀取短信監(jiān)控寵物貓的身體情況。在箱體內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝了紫外線(xiàn)消毒燈，定時(shí)為箱體內(nèi)部進(jìn)行消毒，保證箱體及室內(nèi)環(huán)境的干凈衛(wèi)生。

該貓砂清理系統(tǒng)的外殼采用了環(huán)保木材，最終確定制作成為長(zhǎng)方體的箱體，并對(duì)外觀進(jìn)行了裝飾設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 方案論證

系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初對(duì)貓砂清理的細(xì)節(jié)過(guò)程進(jìn)行了討論，設(shè)計(jì)了貓砂清理裝置。本系統(tǒng)的操作更加方便智能，不僅減少了飼養(yǎng)寵物家庭為貓咪清理糞便所花費(fèi)的時(shí)間，也解決了當(dāng)寵物貓無(wú)人看管時(shí)，飼養(yǎng)者不清楚寵物貓情況的問(wèn)題。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)方體形狀的木質(zhì)箱體，箱體內(nèi)部設(shè)置了紫外線(xiàn)消毒燈，能夠?qū)η謇磉^(guò)后的箱體內(nèi)部進(jìn)行物理消毒，盡可能地避免箱體內(nèi)部滋生細(xì)菌，在一定程度上保證了寵物及飼養(yǎng)者的健康。本系統(tǒng)新型實(shí)用、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理，適合新一代養(yǎng)貓人士選擇和使用。

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括主控模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊、GSM模塊、紅外傳感模塊、電機(jī)模塊，主要功能有貓砂清理、短信提醒、陪伴玩耍、清理消毒等。

3.1 主控器選型

本系統(tǒng)的主控制器選用了針對(duì)電機(jī)控制的STC12C5A60S2單片機(jī)。該系列單片機(jī)屬于增強(qiáng)型的51單片機(jī)，易學(xué)習(xí)，易開(kāi)發(fā)。該單片機(jī)還具備3個(gè)5 V供電和3個(gè)3.3 V引腳，可以為本次設(shè)計(jì)提供足夠的供電引腳，其抗干擾能力比傳統(tǒng)的51單片機(jī)強(qiáng)，指令讀取和運(yùn)行的速度更快，更適合于本系統(tǒng)。

3.2 藍(lán)牙模塊選型

本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為HC-05的藍(lán)牙模塊，該模塊具有藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，選擇的主控模塊可以直接與該藍(lán)牙模塊相連，通過(guò)串口通信與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以與具有藍(lán)牙適配的手機(jī)相連接，通過(guò)手機(jī)連接藍(lán)牙直接控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到清理貓砂的作用。

3.3 電機(jī)模塊選型

本設(shè)計(jì)選擇使用JGA25-370直流減速電機(jī)，電機(jī)選擇工作電壓為12 V。該類(lèi)型的電機(jī)扭矩大、轉(zhuǎn)速可控，且該電機(jī)普遍適合于機(jī)器人小車(chē)運(yùn)行，所以選擇這款電機(jī)可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求，不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)帶不動(dòng)刷子進(jìn)而達(dá)不到清理效果、電機(jī)帶刷子過(guò)快導(dǎo)致箱體損壞的情況。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇型號(hào)為L(zhǎng)298N的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊采用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，可以驅(qū)動(dòng)JGA25-370直流減速電機(jī)運(yùn)行。該模塊驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)、抗干擾能力較強(qiáng)，并選擇了12 V的驅(qū)動(dòng)電壓為電機(jī)提供動(dòng)力。

3.4 GSM模塊選型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的GSM模塊選型為SIM800C模塊。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該模塊可以很好地實(shí)現(xiàn)短信傳輸功能，具備供電引腳（5 V）、V_TTL引腳、TXD、RXD、GND引腳等，能夠較好地節(jié)省空間，并且在該模塊上SIM卡采用的是MICRO的卡座，適合現(xiàn)在的小型SIM的安裝，方便實(shí)用，是目前智能家居等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的型號(hào)，滿(mǎn)足了本設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)接收短信的需求。

3.5 紅外傳感模塊選型

本設(shè)計(jì)的紅外傳感模塊采用了普通的紅外線(xiàn)發(fā)射與接收傳感器模塊。該模塊廣泛應(yīng)用于流水線(xiàn)計(jì)數(shù)等場(chǎng)合，輸出端口可以直接與單片機(jī)的IO口相連接，可以采用5 V或3.3 V供電，簡(jiǎn)單實(shí)用，并且可以與所選單片機(jī)直接相連接，符合本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，選擇該傳感器模塊能夠滿(mǎn)足飼養(yǎng)者監(jiān)測(cè)寵物貓身體情況的需求。

3.6 電源模塊

本設(shè)計(jì)主要通過(guò)單片機(jī)的3個(gè)5 V和3個(gè)3.3 V的供電引腳為各個(gè)模塊提供電壓，由于單片機(jī)的引腳數(shù)量有限，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了12 V鋰電池進(jìn)行外部供電。因?yàn)殇囯姵丨h(huán)保且可以多次循環(huán)充電，循環(huán)使用，因此在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，如果使用12 V降壓模塊，則采用外部供電。

4 貓砂箱外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的外觀主要是長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，采用了環(huán)保的木質(zhì)材料進(jìn)行制作，空間占地少，設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用。箱體上部開(kāi)設(shè)有窗口，寵物貓可以從上部開(kāi)啟的窗口進(jìn)入貓砂箱，在貓砂箱內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)斜坡，其功能是方便電機(jī)控制刷子在更大范圍對(duì)貓砂進(jìn)行清理，并將清理的排泄物裝入底層的抽屜中，底層抽屜是可以拿出的，方便了飼養(yǎng)者及時(shí)清理，保證箱內(nèi)的干凈整潔。本次設(shè)計(jì)的箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間能夠被充分利用。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)清理貓砂、手機(jī)藍(lán)牙控制、短信提醒、紅外檢測(cè)寵物貓等功能，根據(jù)功能進(jìn)行硬件選型，并對(duì)該系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫(huà)出主程序流程圖。軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)利用Keil軟件進(jìn)行編程，利用STC_ISP燒錄軟件，將程序燒寫(xiě)入單片機(jī)中的。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的貓砂處理系統(tǒng)的硬件部分主要對(duì)主控模塊、GSM模塊、紅外傳感模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)及選型。通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)來(lái)控制直流電機(jī)，使刷子運(yùn)轉(zhuǎn)，最終達(dá)到清理貓砂的目的。本設(shè)計(jì)也可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行匹配，通過(guò)手機(jī)控制刷子，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的過(guò)程，也可以達(dá)到清理貓砂的效果。通過(guò)GSM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信的功能，可以讓飼養(yǎng)者遠(yuǎn)程對(duì)貓咪的身體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終達(dá)到本次設(shè)計(jì)的目的。本設(shè)計(jì)的外觀采用了環(huán)保的木質(zhì)材料，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、占地小、結(jié)實(shí)耐用、方便搬運(yùn)。但是本文設(shè)計(jì)的貓砂箱體還存在一些美中不足，還需繼續(xù)改進(jìn)，完善結(jié)構(gòu)。

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TP368.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.050

2095－6835（2019）13－0117－02

〔編輯：王霞〕