基于嵌入式寵物智能喂食器控制系統的設計

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寵物，但同樣很多人因為養寵物需要時時想著喂食。因此在自動化程度越來越繁榮的今日，我們考慮是否可以使用單片機結合一些外設實現喂食的自動化，這樣能夠大大減輕養寵物主人的工作量，也能避免一些特殊事情無法喂食的情況。基于以上種種情況，我做了本次設計。本設計是基于STM32的寵物喂食器，可以實現提前投放實物于儲物盤內，通過矩陣鍵盤設定投喂轉盤與投喂時間，當時間到達設定時間時，由語音模塊發出信號吸引寵物進食。

關鍵詞：STM32;定時;自動喂養;語音播報

1.引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對情感精神生活的追求也越來越多。養寵物是很多家庭選擇的方式。對于寵物的喂食和照顧，如今還是費時費力，但很多人由于學習與工作，時間并不充裕。當人們出差或外出旅游的時候，如何放心地照看寵物，成為了一大問題。

而本設計就是用于服務養寵物的家庭，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所包含的內容與原理說明。

2.系統整體設計

系統采用STM32F103C8T6為控制器，由矩陣按鍵、TFT顯示模塊、DS1302定時模塊、語音模塊、步進電機模塊組成。系統整體結構框圖如圖2-1所示。

主要功能是矩陣按鍵設置完成喂食時間過后，達到設定時間，步進電機驅動轉盤使其轉到有食物的盤格，并發出語音，提示寵物進食。

3.硬件模塊設計

3.1單片機選擇

STM32F103C8T6單片機其內核是ARMCortex-M3，擁有高速存儲器，最高工作頻率為75MHZ，單片機運行速度更快。共有48個管腳，除了作為普通的IO口，還可復用[1]。同時還包含ADC模塊，定時器模塊，PWM輸出模塊，也包括常見的IIC、SPI、USART等協議接口。

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穩壓芯片。能提供DC 5V的輸出電壓，應用范圍廣，內含過流和過載保護電路[2]。該芯片經過整流與濾波的電路使220v交流電變為系統工作需要的5V工作電壓。

3.3電機驅動模塊

3.3.1驅動芯片的選擇

首先根據系統所需要的功能、所帶負載，選擇了型號為28BYJ-48的步進電機，它是四相五線式。根據步進電機需要脈沖控制的原理，以及所需要的驅動電流，選擇了ULN2003芯片作為驅動芯片。它的特點是非常耐壓，電流增益比較大，負載能力強。其主要技術參數如表3-1所示。

3.3.2芯片內部原理

ULN2003芯片內部其實為七個達林頓三極管。達林頓三級管是兩個三極管復合成的，復合之后相當于一個三極管，極性只與前面的三極管有關，但比一個三極管的電流放大倍數大了很多，提高了電流驅動能力。達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，如大功率開關電路。在電子學電路設計中，達林頓接法常用于功率放大器和穩壓電源中。我們用的單片機一般驅動能力比較弱，如果要對需要比較大的電流進行控制的器件，可以采用達林頓管進行控制[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定時模塊

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

（1）DS1302是一個實時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息，并且還有閏年自動調整的能力，可以通過配置AM/PM來決定采用24小時格式還是12小時格式。

（2）擁有31字節數據存儲RAM。

串行I/O通信方式，相對并行來說比較節省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這種時鐘芯片功耗一般都很低，它在工作電壓2.0V的時候，工作電流小于300nA。

當程序寫入DS1302芯片初始的時間以后，芯片便會自動從當前時間繼續前進，除了常規的時分秒以外，日、月、星期、年，也是該芯片的一大亮點，很多的計時設備都采用了該芯片。

3.5語音模塊

本次設計，在考慮到喂食的重要性，與人性化的設計，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據，實現文本到語音的轉換[5]。

通訊傳輸字節格式如表3-2所示

3.6矩陣按鍵模塊

為了方便設置定時時間，采用了4*4的矩陣鍵盤作為輸入設備。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

對比了數碼管、點陣、LCD、TFT等幾種常見的顯示模塊之后，選擇了管腳少，分辨率高、顯示內容全面的TFT彩屏作為顯示模塊。

4.軟件系統設計

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。整體軟件系統流程圖如圖4-1所示。

5.結論

介紹了一個基于STM32的寵物自動喂食器。實現了矩陣鍵盤設置喂食時間，步進電機驅動轉盤自動喂食，語音模塊播放提醒進食。

未來可以結合WIFI、5G通信技術等，實現遠程控制。可搭載攝像頭，使主人觀察到寵物進食情況，并及時進行調整。

參考文獻：

[1]劉火良，楊森.STM32庫函數開發指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]康華光.電子技術基礎.模擬部分.高等教育出版社.2005.

[3]康華光.電子技術基礎.數字部分.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.