太阳能智能宠物喂食单片机系统的设计与实现

微机原理论文第四篇：太阳能智能宠物喂食单片机系统的设计与实现

　　摘要：现代生活中，宠物对人的作用越来越重要。人们总是因为旅游、出差等短期外出，无法较好照顾宠物，因此提出一种基于单片机的太阳能智能宠物喂养系统，能够定时投食喂养，自动生成喂养参数智能喂养，还有宠物陪伴功能，在太阳较好时可以用太阳能充电提供电源，较好地解决了家中无人时的宠物喂养问题。

　　关键词：单片机; 太阳能; 宠物喂养;

　　1 概述

　　随着我国经济水平的发展，人们的生活方法发生很大的变化，饲养宠物越来越成为人们喜欢的一种方式。宠物在人们生活中从一个看门的作用逐渐成为人们的玩伴甚至家庭的一员，对人们的关系越来越重要。当人们外出短暂外出旅游或工作出差时，就无法按时喂养宠物，要么需要寄养在昂贵的宠物店，要么会使宠物饥一顿饱一顿，使宠物得不到良好的照顾，容易生病。市面上智能喂养宠物的设备较少，要么功能单一，要么无法实现智能喂养[1]。提出一种基于单片机的智能宠物喂养系统，定时喂养，依据日常进食记录自动生成合适的喂养参数，同时具有声、光、机械等宠物陪伴功能，可由太阳能板为系统提供电源。

　　2 设计方案

　　系统实现的功能包括：定时投食喂养[2]；自动喂养参数生成；声、光、机械宠物陪伴功能。定时投食喂养功能，可以人为设定投食量和加水量，设定投食时间，以及食物水量不足报警功能，保证宠物免受挨饿。自动喂养参数生产，可以通过一定传感器对宠物每一次的进食量、饮水量进行记录，通过算法处理，生成适合宠物饮食习惯的自动定时定量投放食物的参数，智能化喂养宠物，使宠物饮食习惯更规律。声、光、机械宠物陪伴功能，在宠物无人照看的时候，可以由宠物通过一定机械动作触发灯光、音乐、机械装置来陪伴宠物。

　　系统是由食物投放模块、检测模块及宠物陪伴模块构成。系统以STM32F103ZET6单片机为核心控制器，通过限位开关、压力传感器等作为触发信号，测量宠物进食的时间和进食量的多少，输入单片机记录；设定按钮，引导宠物学会使用按钮，当宠物触动按钮时会触发单片机，单片机发出指令，发光二极管发出灯光，蜂鸣器播放音乐，电机会带动宠物玩具发出动作来陪伴宠物。电源可以选择通过太阳能电池板充电为系统提供电源，也可以采用直流稳压电源。如图1为智能喂养系统的结构框图。

　　图1

　　3 系统硬件设计

　　3.1 主控模块

　　单片机作为整个功能设计的核心部分，本设计采用STM32F103ZET6单片机作为控制器，该单片机是意法半导体（ST）公司出品，以ARMCotex-M3为内核，最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz。具有低功耗模式，自带有2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道），转换范围0至3.6V，双采样和保持功能，带有温度传感器。芯片工作在3.3V低压，具有112个通用I/O，内置高速内存，512KB闪存容量。该芯片广泛应用在电机驱动、应用控制、医疗、手持设备、PC游戏外设、GPS平台、编程控制器（PLC）、变频器、扫描仪、打印机、警报系统、视频对讲、暖气通风、空调系统、LED条屏控制等工程中。STM32F103作为核心控制器，控制着智能喂养功能模块、投食记录模块及宠物陪伴模块。

　　3.2 智能喂养模块

　　在定时喂养模式下，智能喂养模块通过单片机控制继电器动作，打开投放闸门，定量投放食物和饮水，随后继电器关闭，停止投放食物和饮水。定时喂养模式，投放时间可以人为设定，通过按键控制投放时间，投放量也可以依据不同宠物的食量，适当投放。在自动喂养参数模式下，单片机会定时记录宠物的进食时间和进食量，通过一定的算法得出为宠物投放食物的时间和投放量。

　　继电器选用通用5V两路，分别控制食物和饮水投放，带光耦隔离，支持高低电平触发。时间模块采用DS1302。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

　　3.3 检测模块

　　检测模块主要检测进食槽食物的余量和水槽的饮水的余量，将检测的余量通过电路转换成电量的形式，由单片机采集记录，主要检测每次投食前和投食后的重量，可以得出宠物进食量和饮水量，为自动喂养参数生成提供参考数据。同时检测总食槽和总水槽的余量，如果余量不足则发出预警，提示主人给宠物及时补充食物和饮水。在食槽前方设限位开关，当宠物进食时接触限位开关，触发单片机记录进食时间。

　　食物和饮水余量检测采用FSR402电阻式薄膜压力传感器，Force Sensing Resistor是著名Interlink Electronics公司生产的一款重量轻、体积小、感测精度高，超薄型电阻式压力传感器。这款压力传感器是将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。压力越大，电阻越低。其允许用在压力0g-10kg的场合。

　　3.4 宠物陪伴模块

　　宠物的寿命只有十几年，但宠物一生有一半的时间在等待中度过，宠物也和人一样，有情绪的变动，高兴的情况下可以更健康，带给人们更多欢乐，因此开发出简单的宠物陪伴模块可以带给宠物娱乐活动。宠物陪伴模块是由彩色LED、蜂鸣器和电机组成，设置一个按钮，当宠物触碰后会触发单片机，单片机控制开关动作，此时LED会发光，蜂鸣器会播放音乐，电机带动玩偶转动，为宠物提供娱乐活动。LED可以按照一定的模式进行闪烁，蜂鸣器播放音乐可以认为选择适合宠物的音乐，电机所带玩偶可以根据宠物的喜好选择宠物喜欢的玩偶，安装在电机上。

　　3.5 太阳能电池板模块

　　太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，随着技术进步带来成本的下降，现在已被大量地应用在各种供电不便的场合。硅太阳能电池分为晶体硅电池板，非晶硅电池板等几种。单晶硅太阳能电池板的光电转换效率为15%左右，最高通常可以达到24%，它是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。

　　可将宠物笼子移动到阳台或飘窗，通过太阳能板模块为系统充电，为系统提供电能。太阳能电池板的太阳能发电系统是其工作的基础，是充电器的能量来源，其功能是将太阳光转为电能。选用的单晶硅太阳能电池板，采用PET材料封装，其开路电压最大7.2V，短路电流最大1.1A。达到最大输出功率6W，此时输出电压6V，输出电流1A。由于单晶硅太阳能板工作的时候有能量损失，转换输出后功率较小，此处采用两块单晶硅太阳能板并联的方式，输出电压不变，最大为7.2V，输出电流增大一倍最大达到2A，功率相应增大一倍达到12W。

　　4 系统软件

　　系统软件设计包括3个功能：（1）定时喂养模式，可以通过按键设计定时定量投食，保证宠物按时进食，投食时间和投食量可以通过单片机调节；（2）智能喂养模式，通过采集宠物进食时间、进食量和饮水时间、饮水量，通过算法计算出宠物每日进食量及时间参数，通过反馈调节，进一步优化投食时间和投食量，使宠物喂养更加智能化；（3）宠物陪伴模式，当宠物触碰特定按钮，触发单片机，开启宠物陪伴模式，此时单片机控制LED发光、蜂鸣器播放音乐、电机带动宠物玩具，为宠物提供娱乐。

　　同时系统还可以对宠物进食、饮水的时间及参数加以统计，这样会形成宠物的健康档案，系统会以宠物记录的进食、饮水参数作为参考值，当某一天或某一段时间宠物进食量、饮水量发生变化的时候，系统会以特定的灯光和音乐为主人发出告警，提示主人宠物健康状况有异常，如果这种情况持续，告警信息持续动作，直到人为按键解除告警，系统会认为主人已经对异常进行处理。

　　5 结语

　　提出一款智能宠物喂养系统，包含定时喂养模式、智能喂养模式和宠物陪伴模式，具有太阳能充电提供电源，功能丰富，智能喂养，满足人们智能喂养宠物的需求，为人们提供一个性价比更高的方式，也为此类研究提供了一定的借鉴。

　　参考文献

　　[1]仝兆景,等.基于单片机的智能宠物喂养系统[J].软件导刊, 2018, 9(17):119-121.
　　[2]孙博,等.远程实时智能喂养宠物系统设计与实现[J].软件开发, 2016, 5:75-76.