基于嵌入式宠物智能喂食器控制系统的设计

赵淑萍 朱振兴

摘 要：随着人们生活水平的逐步提高，越来越多的人选择在家养宠物，但同样很多人因为养宠物需要时时想着喂食。因此在自动化程度越来越繁荣的今日，我们考虑是否可以使用单片机结合一些外设实现喂食的自动化，这样能够大大减轻养宠物主人的工作量，也能避免一些特殊事情无法喂食的情况。基于以上种种情况，我做了本次设计。本设计是基于STM32的宠物喂食器，可以实现提前投放实物于储物盘内，通过矩阵键盘设定投喂转盘与投喂时间，当时间到达设定时间时，由语音模块发出信号吸引宠物进食。

关键词：STM32;定时;自动喂养;语音播报

1.引言

随着人们生活水平的不断提高，人们对情感精神生活的追求也越来越多。养宠物是很多家庭选择的方式。对于宠物的喂食和照顾，如今还是费时费力，但很多人由于学习与工作，时间并不充裕。当人们出差或外出旅游的时候，如何放心地照看宠物，成为了一大问题。

而本设计就是用于服务养宠物的家庭，使得他们不管是日常喂食还是外出游玩都能够更高效，更放心。而本篇论文主要从硬件方面介绍系统所包含的内容与原理说明。

2.系统整体设计

系统采用STM32F103C8T6为控制器，由矩阵按键、TFT显示模块、DS1302定时模块、语音模块、步进电机模块组成。系统整体结构框图如图2-1所示。

主要功能是矩阵按键设置完成喂食时间过后，达到设定时间，步进电机驱动转盘使其转到有食物的盘格，并发出语音，提示宠物进食。

3.硬件模块设计

3.1单片机选择

STM32F103C8T6单片机其內核是ARMCortex-M3，拥有高速存储器，最高工作频率为75MHZ，单片机运行速度更快。共有48个管脚，除了作为普通的IO口，还可复用[1]。同时还包含ADC模块，定时器模块，PWM输出模块，也包括常见的IIC、SPI、USART等协议接口。

3.2电源模块

通过比较常见的几种电源芯片过后，选择了LM7805稳压芯片。能提供DC 5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路[2]。该芯片经过整流与滤波的电路使220v交流电变为系统工作需要的5V工作电压。

3.3电机驱动模块

3.3.1驱动芯片的选择

首先根据系统所需要的功能、所带负载，选择了型号为28BYJ-48的步进电机，它是四相五线式。根据步进电机需要脉冲控制的原理，以及所需要的驱动电流，选择了ULN2003芯片作为驱动芯片。它的特点是非常耐压，电流增益比较大，负载能力强。其主要技术参数如表3-1所示。

3.3.2芯片内部原理

ULN2003芯片内部其实为七个达林顿三极管。达林顿三级管是两个三极管复合成的，复合之后相当于一个三极管，极性只与前面的三极管有关，但比一个三极管的电流放大倍数大了很多，提高了电流驱动能力。达林顿管的作用一般是在高灵敏的放大电路中放大非常微小的信号，如大功率开关电路。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。我们用的单片机一般驱动能力比较弱，如果要对需要比较大的电流进行控制的器件，可以采用达林顿管进行控制[3]。而常见的接法主要有四种，分别是NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN。

3.4定时模块

为了完成定时的功能，选择了常见且性能优异的DS1302芯片。采用了SPI接口，可以与CPU同步通信。其主要性能指标如下：

（1）DS1302是一个实时时钟芯片，可以提供秒、分、小时、日期、月、年等信息，并且还有闰年自动调整的能力，可以通过配置AM/PM来决定采用24小时格式还是12小时格式。

（2）拥有31字节数据存储RAM。

串行I/O通信方式，相对并行来说比较节省IO口的使用[4]。

DS1302的工作电压比较宽，大概是2.0V～5.5V都可以正常工作。

DS1302这种时钟芯片功耗一般都很低，它在工作电压2.0V的时候，工作电流小于300nA。

当程序写入DS1302芯片初始的时间以后，芯片便会自动从当前时间继续前进，除了常规的时分秒以外，日、月、星期、年，也是该芯片的一大亮点，很多的计时设备都采用了该芯片。

3.5语音模块

本次设计，在考虑到喂食的重要性，与人性化的设计，因此，在语音模块方面选择了SX6288A模块。这是一款中文语音合成模块，其工作原理主要是通过异步串口（UART）通讯方式，接受待合成的文本数据，实现文本到语音的转换[5]。

通讯传输字节格式如表3-2所示

3.6矩阵按键模块

为了方便设置定时时间，采用了4*4的矩阵键盘作为输入设备。通过行列扫描判断低电平的位置，便可以确定按键位置。

3.7显示模块

对比了数码管、点阵、LCD、TFT等几种常见的显示模块之后，选择了管脚少，分辨率高、显示内容全面的TFT彩屏作为显示模块。

4.软件系统设计

由于本次论文主要阐述硬件原理，因此软件部分只将软件流程图列出。整体软件系统流程图如图4-1所示。

5.结论

介绍了一个基于STM32的宠物自动喂食器。实现了矩阵键盘设置喂食时间，步进电机驱动转盘自动喂食，语音模块播放提醒进食。

未来可以结合WIFI、5G通信技术等，实现远程控制。可搭载摄像头，使主人观察到宠物进食情况，并及时进行调整。

参考文献：

[1]刘火良，杨森.STM32库函数开发指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]康华光.电子技术基础.模拟部分.高等教育出版社.2005.

[3]康华光.电子技术基础.数字部分.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.