基于STM32F407單片機的控溫投喂系統(tǒng)寵物窩

王艷

摘 要：本設計是以STM32F407單片機為核心控制單元，觸摸屏模塊的顯示，對溫度的參數進行調節(jié)控制和顯示的溫度控制并且具有定時投喂功能的系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用單片機的定時功能對舵機進行控制，實現投喂功能;通過熱敏電阻采集水泥電阻的溫度，將反饋的溫度值與設定的溫度值進行比較，使用增量式PID算法，調節(jié)輸出電壓的PWM，以實現控制溫度的功能。該溫度控制器可以通過調節(jié)控制電壓輸出來調節(jié)被加熱物體的加熱速率，從而達到目標溫度，同時具有維持溫度穩(wěn)定和實時顯示當前溫度的功能。

關鍵詞：STM32F407;熱敏電阻;控制溫度;定時投喂

1 引言

隨著經濟的快速發(fā)展和物質生活水平的提高，人們的精神和物質文化需求日益增長，當今社會喂養(yǎng)寵物的家庭越來越多。為了解決很多人沒有時間照看寵物導致寵物無法得到良好照料的問題，我們團隊設計了能夠對寵物進行日常生活照料的智能寵物窩。本次設計通過單片機對直流電機、舵機、溫度傳感器等模塊的控制，進而實現對寵物日常生活的照看和監(jiān)管。

2.1 整體介紹

用溫度傳感器實時檢測寵物窩內環(huán)境的溫度，并設置一個窩內溫度閾值。只要窩內環(huán)境溫度大于或等于設置的溫度閾值，單片機驅動水泥電阻調節(jié)窩內的溫度，給寵物營造一個良好的生活環(huán)境。

喂食器模塊內部結構所示，主要是單片機控制直流電機工作帶動齒輪旋轉從而促使閥門翻轉，放出食物。

本方案分為六個模塊：電源模塊、顯示模塊、信號處理模塊（包含ADC采集功能）、單片機控制模塊、功率輸出模塊，舵機輸出投喂模塊。下圖是整個方案的介紹：

系統(tǒng)通過驅動電路對水泥電阻進行加熱，在加熱過程中，溫度傳感器DS18B20感知水泥電阻的實時溫度，并輸出自身的電壓值，根據電源模塊提供的電壓，得到熱敏電阻的電流值，進而由電阻值使用二分法查表計算出水泥電阻的溫度。將采集到的溫度與目標溫度進行比較，如果目標溫度高于采集溫度，則對驅動電路繼續(xù)輸出PWM;如果目標溫度低于采集溫度，則停止加熱。同時本系統(tǒng)使用了PID算法對PWM輸出進行精確的控制，從而可以調節(jié)溫度的加熱速率，維持目標溫度穩(wěn)定。

3.1嵌入式微控制器（ZGT632F407）

在本方案中，STM32F407單片機是實現溫度控制和自動投喂的核心部分。它能夠方便對溫度傳感器采集回來的數字信號進行處理，同時使用它的定時器實現定時投喂。它還可以進行低功耗、低電壓的操作，并且具有高效性、實時性，同時擁有一個完全集成和易于編程的開發(fā)環(huán)境。經過比對，發(fā)現F407的處理速度明顯比F103快，所以最終選取了STM32F407單片機。

3.2顯示模塊

本方案使用了48寸電阻顯示屏顯示當前溫度。

3.3溫度采集模塊

在本次設計的溫度控制系統(tǒng)中，使用了熱敏電阻，它是常用的數字式溫度傳感器，它的輸出是數字信號，方便單片機的讀取。這種溫度傳感器不僅具有體積小，硬件開銷低的優(yōu)勢，還具有抗干擾能力強，精度高的特點。

其中，P6通過ADC采集的是溫度傳感器DS18B20兩端的電壓值，經放大器跟隨輸出，用VCC減去ADC1采集的電壓，使用歐姆定律計算得到P8兩端的電流值，進而求得P1的阻值。在這里我們用到了一種特殊的ADC采集的接頭，以盡可能的減小誤差，提高測量精度。

3.4舵機控制模塊

通過ZGT6STM32F407單片機控制LCD顯示屏顯示正常時鐘，并設置寵物喂食的時間及其喂食量。當正常時間和喂食時間相等時，單片機驅動直流電機帶動機械齒輪打開閥門放出食物，直到放出食物量和設定的投喂時間相等，直流電機停止轉動，關閉投食閥門，從而實現定時定時喂食。

3.5電機控制電路

當達到30攝氏度時，啟動電機井陘降溫。

3.6電源部分

本方案在電源部分，使用了單片機上的3.3v供電，另外5v用了學生電源進行供電。學生電源是一種在實驗室，與電網連接，把高電壓轉換成低電壓，改變頻率的一種設備，我國家庭用電的電壓為220V，頻率為50-60赫茲，對于實驗不適用。學生電源把它降到2V，4V等，最高能達到20V，并且能把交流電變成直流電。實驗室電源分為電池，學生電源兩種。電池電量小，不適于大功率，長時間工作。學生電源有經濟，環(huán)保，功率可大可小的特點.一般用與電解實驗。

3.7加熱電路

加熱電路采用5V供電，利用二極管的單向導通特點，IRF630場效應管的開關作用對水泥電阻進行可調PWM輸出加熱控制。

4.1程序流程圖

4.2 溫度加熱PID算法

在溫度控制方面主要應用了增量式PID算法，PID調節(jié)規(guī)律對連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質的校正非常有效。它的參數整定方式簡便，結構改變靈活。在過程控制中，按偏差的比例P、積分I和微分D進行控制：

其中P的作用是比例控制，單純使用比例控制 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?時，在不存在穩(wěn)態(tài)誤差的前提下，單P是可以達到我們所需要的目標的。在此溫度控制系統(tǒng)中，如果PWM輸出為0，溫度就會降低，即產生了我們上述所說的穩(wěn)態(tài)誤差，這時就需要積分I來同步調節(jié)：

由于加了積分項，輸入變大，穩(wěn)態(tài)誤差就會減小。微分項的值是一個負數，它的主要作用是減少控制過程中發(fā)生的震蕩。

4.3二分查表法

在使用ADC采集函數對溫度傳感器的電阻值進行溫度換算時采用了二分法查找，查找溫度精準快速，提高了程序的運行效率。二分法查找數據快速，不需要一一比對數據，節(jié)省時間，使溫度控制系統(tǒng)顯示實際溫度誤差減小，可以做到實時顯示。

5.1軟件部分總結

本系統(tǒng)使用KeiluVision5開發(fā)環(huán)境對單片機進行程序的編寫。

初始化部分，在程序初始化的部分，需要把用到的功能及引腳初始化，初始化定時器部分，需要算好定時的時間，本次所用的時間是0.5s，溢出時間的計算方法為Tout=（（arr+1）*（psc+1））/Ft us.電機部分的初始化全部放在一個函數里，這樣便于更改程序。在初始化之前，需要將這里用到的變量聲明好。

主循環(huán)部分，在主循環(huán)里，數據的顯示部分，可以直接調用庫函數。在主循環(huán)里還進行了標志位的判斷，在散熱標志位為1時，調用啟動電機函數，在這里使用了數組，將每一個引腳的輸出做了排序，使電機正常工作。

其次還有投喂標志的判斷，這里直接給舵機的信號線一個高電平使舵機打開，延時后給舵機一個低電平信號將舵機關閉。

測溫部分，在測溫部分，首先使用了ad轉換函數，采集到對應引腳的電壓值，對十次采集到的電壓值求平均得到當前電壓值，將電壓值除以電流得到采樣電阻的阻值，通過查表函數，從表中得到此時電阻值對應的溫度值，并返回此時的溫度值。查表方式在4.3給出

加熱部分，本次的重點部分就是加熱部分，得到當前溫度時，先對溫度進行判斷，當溫度低于15度時就進行加熱，首先對需要用到的定時器進行初始化，以便于輸出一個pwm，為了得到滿意的pwm在溫度控制中引入了pid控制，詳細的控制方法在4.3給出，得到了一個動態(tài)的pid參數后，將設定溫度值與當前溫度值做差，得到的值進行計算后輸出pwm用于對水泥電阻進行加熱，但是在冬季需要更快的加熱速度和更高的溫度，所以提高了溫度設定值和p值，這樣溫度從0度上升到20度只需要十幾分鐘。

散熱部分使用電機進行控制，本次使用的電極驅動芯片為uln2003，所以不適用pwm輸出進行控制，所以采用了對引腳依次輸出電平的方式進行控制，這種方法比較簡單，缺點是無法對電機的轉速進行控制。

定時喂食部分主要使用了定時器中斷，中斷溢出時間為0.5s，這樣比較適于計時，采用的方法也很簡單，當秒加到60時，就向分進1，當分加到60時，向小時進1，當小時加到24時，則全部清零，開始下一輪定時。

在寫程序時，遇到了很多問題，同時也有很多收獲。在調用不同文件夾中的函數時，需要將用到的c文件及h文件包含進來，在外部使用自定義的函數時，需要將函數在使用之前進行聲明，也可以將函數在對應的h文件中進行聲明，這樣比較方便在其他c文件中調用。

5.2硬件部分總結

從最開始，在確定了設計方案以后，我們開始畫板子，板子我們做了兩版，第一版由于元器件IRF630S MOS場效應管的尺寸問題，導致第一版無法使用。修改以后第二版也有一點問題，電機控制部分使用的芯片尺寸略微有差別，但是可以使用。另外在PCB布線時由于線寬的限制，電源只能使用5V供電才不會發(fā)生開路現象。

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面向服務機器人的人機交互系統(tǒng)研究與應用項目編號 ： 2019JZZY010128

（濰坊理工學院 ?山東 ?濰坊 ?262500）