基于嵌入式寵物智能喂食器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙淑萍 朱振興

摘 要：隨著人們生活水平的逐步提高，越來越多的人選擇在家養(yǎng)寵物，但同樣很多人因?yàn)轲B(yǎng)寵物需要時(shí)時(shí)想著喂食。因此在自動(dòng)化程度越來越繁榮的今日，我們考慮是否可以使用單片機(jī)結(jié)合一些外設(shè)實(shí)現(xiàn)喂食的自動(dòng)化，這樣能夠大大減輕養(yǎng)寵物主人的工作量，也能避免一些特殊事情無法喂食的情況?；谝陨戏N種情況，我做了本次設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是基于STM32的寵物喂食器，可以實(shí)現(xiàn)提前投放實(shí)物于儲(chǔ)物盤內(nèi)，通過矩陣鍵盤設(shè)定投喂轉(zhuǎn)盤與投喂時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，由語音模塊發(fā)出信號(hào)吸引寵物進(jìn)食。

關(guān)鍵詞：STM32;定時(shí);自動(dòng)喂養(yǎng);語音播報(bào)

1.引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)情感精神生活的追求也越來越多。養(yǎng)寵物是很多家庭選擇的方式。對(duì)于寵物的喂食和照顧，如今還是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但很多人由于學(xué)習(xí)與工作，時(shí)間并不充裕。當(dāng)人們出差或外出旅游的時(shí)候，如何放心地照看寵物，成為了一大問題。

而本設(shè)計(jì)就是用于服務(wù)養(yǎng)寵物的家庭，使得他們不管是日常喂食還是外出游玩都能夠更高效，更放心。而本篇論文主要從硬件方面介紹系統(tǒng)所包含的內(nèi)容與原理說明。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6為控制器，由矩陣按鍵、TFT顯示模塊、DS1302定時(shí)模塊、語音模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。

主要功能是矩陣按鍵設(shè)置完成喂食時(shí)間過后，達(dá)到設(shè)定時(shí)間，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤使其轉(zhuǎn)到有食物的盤格，并發(fā)出語音，提示寵物進(jìn)食。

3.硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)選擇

STM32F103C8T6單片機(jī)其內(nèi)核是ARMCortex-M3，擁有高速存儲(chǔ)器，最高工作頻率為75MHZ，單片機(jī)運(yùn)行速度更快。共有48個(gè)管腳，除了作為普通的IO口，還可復(fù)用[1]。同時(shí)還包含ADC模塊，定時(shí)器模塊，PWM輸出模塊，也包括常見的IIC、SPI、USART等協(xié)議接口。

3.2電源模塊

通過比較常見的幾種電源芯片過后，選擇了LM7805穩(wěn)壓芯片。能提供DC 5V的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路[2]。該芯片經(jīng)過整流與濾波的電路使220v交流電變?yōu)橄到y(tǒng)工作需要的5V工作電壓。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

3.3.1驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

首先根據(jù)系統(tǒng)所需要的功能、所帶負(fù)載，選擇了型號(hào)為28BYJ-48的步進(jìn)電機(jī)，它是四相五線式。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)需要脈沖控制的原理，以及所需要的驅(qū)動(dòng)電流，選擇了ULN2003芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。它的特點(diǎn)是非常耐壓，電流增益比較大，負(fù)載能力強(qiáng)。其主要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。

3.3.2芯片內(nèi)部原理

ULN2003芯片內(nèi)部其實(shí)為七個(gè)達(dá)林頓三極管。達(dá)林頓三級(jí)管是兩個(gè)三極管復(fù)合成的，復(fù)合之后相當(dāng)于一個(gè)三極管，極性只與前面的三極管有關(guān)，但比一個(gè)三極管的電流放大倍數(shù)大了很多，提高了電流驅(qū)動(dòng)能力。達(dá)林頓管的作用一般是在高靈敏的放大電路中放大非常微小的信號(hào)，如大功率開關(guān)電路。在電子學(xué)電路設(shè)計(jì)中，達(dá)林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。我們用的單片機(jī)一般驅(qū)動(dòng)能力比較弱，如果要對(duì)需要比較大的電流進(jìn)行控制的器件，可以采用達(dá)林頓管進(jìn)行控制[3]。而常見的接法主要有四種，分別是NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN。

3.4定時(shí)模塊

為了完成定時(shí)的功能，選擇了常見且性能優(yōu)異的DS1302芯片。采用了SPI接口，可以與CPU同步通信。其主要性能指標(biāo)如下：

（1）DS1302是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以提供秒、分、小時(shí)、日期、月、年等信息，并且還有閏年自動(dòng)調(diào)整的能力，可以通過配置AM/PM來決定采用24小時(shí)格式還是12小時(shí)格式。

（2）擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。

串行I/O通信方式，相對(duì)并行來說比較節(jié)省IO口的使用[4]。

DS1302的工作電壓比較寬，大概是2.0V～5.5V都可以正常工作。

DS1302這種時(shí)鐘芯片功耗一般都很低，它在工作電壓2.0V的時(shí)候，工作電流小于300nA。

當(dāng)程序?qū)懭隓S1302芯片初始的時(shí)間以后，芯片便會(huì)自動(dòng)從當(dāng)前時(shí)間繼續(xù)前進(jìn)，除了常規(guī)的時(shí)分秒以外，日、月、星期、年，也是該芯片的一大亮點(diǎn)，很多的計(jì)時(shí)設(shè)備都采用了該芯片。

3.5語音模塊

本次設(shè)計(jì)，在考慮到喂食的重要性，與人性化的設(shè)計(jì)，因此，在語音模塊方面選擇了SX6288A模塊。這是一款中文語音合成模塊，其工作原理主要是通過異步串口（UART）通訊方式，接受待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換[5]。

通訊傳輸字節(jié)格式如表3-2所示

3.6矩陣按鍵模塊

為了方便設(shè)置定時(shí)時(shí)間，采用了4*4的矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備。通過行列掃描判斷低電平的位置，便可以確定按鍵位置。

3.7顯示模塊

對(duì)比了數(shù)碼管、點(diǎn)陣、LCD、TFT等幾種常見的顯示模塊之后，選擇了管腳少，分辨率高、顯示內(nèi)容全面的TFT彩屏作為顯示模塊。

4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本次論文主要闡述硬件原理，因此軟件部分只將軟件流程圖列出。整體軟件系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。

5.結(jié)論

介紹了一個(gè)基于STM32的寵物自動(dòng)喂食器。實(shí)現(xiàn)了矩陣鍵盤設(shè)置喂食時(shí)間，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤自動(dòng)喂食，語音模塊播放提醒進(jìn)食。

未來可以結(jié)合WIFI、5G通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制?？纱钶d攝像頭，使主人觀察到寵物進(jìn)食情況，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉火良，楊森.STM32庫函數(shù)開發(fā)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.高等教育出版社.2005.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分.高等教育出版社.1998.

[4]V.Yu.Teplov. A. V. Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect. [J].2002.

[5]Multi-channel Pulse Sequence Controller with 0.5ns Precision by Using CPLD[A].2017：16.