宠物喂食器控制系统的设计

第38第1期2020年1月
Vol.38No.l
Mar.2020海南大学学报自然科学版
NATURAL SCIENCE JOURNAL OF HAINAN UNIVERSITY
文章编号：1004-1729(2020)01-0020-07
宠物喂食器控制系统的设计
王瑾I,袁战军2
(1.陕西工业职业技术学院信息工程学院，陕西咸阳712000；
2.陕西国际商贸学院信息工程学院，陕西咸阳712046)
摘要：提出了一种基于AT89S52单片机的宠物喂食器自动控制系统设计方案.详细介绍了系统的软、硬件
设计方法,软件设计包括主程序、供食控制子程序和自动供水控制子程序等程序;系统硬件主要包括语音输
出电路、食物供给控制电路、红外感应供水电路和按键调节电路等电路.试验结果表明,该宠物喂食器可实现
对宠物的定时供食和自动供水功能，可根据宠物情况灵活调节供食时间、供食量和自动供水感应范围，较好
地实现了宠物喂食器的自动控制.
关键词：宠物喂食器；食物供给；红外感应；自动供水
中图分类号：273文献标志码：A DOI:10.15886/ki.hdxbzkb.2020.0004
宠物喂食器可用于小猫、小狗等家庭宠物的喂食和供水，能够为宠物饲养者提供极大的方便.目前市场上已有的宠物喂食器在使用中均存在以下问题：1)用户需要通过手动控制来实现宠物喂食，无法进行定时智能供食;2)需要用手旋转水嘴开关进行宠物喂水，无法根据宠物需求实现自动供水功能;3)当喂养宠物不同时，无法进行实际供食时间、供食量等的调节•王岳⑶等人对野外自动化鸭舍进行了研究,设计的野外鸭舍实现了早晨自动开门，晚上自动奏乐唤鸭回舍,以及自动关门、自动补料和回舍鸭子数量统计等功能;孔爱菊⑷等人设计的野外鸭舍喂水控制系统，该系统可进行水箱液位检测和水泵驱动，具有水箱低水位自动补水和高水位防止溢出等功能,实现了野外鸭舍喂水的自动控制.
针对现有宠物喂食器存在的问题，并结合野外自动化鸭舍的设计经验,笔者提出了一种基于AT89S52单片机的宠物喂食器自动控制系统设计方案;使用步进电机控制技术实现了宠物的食物供给，采用热释电传感器来检测宠物位置,进而控制电磁阀完成对宠物的自动供水⑸•同时，还详细介绍了系统的软、硬件设计方法及试验测试结果.
1系统结构及工作原理
基于AT89S52单片机的宠物喂食器自动控制系统结构框图如图1所示•该系统主要由语音输出电路、红外感应供水电路、食物供给控制电路、液晶显示电路、按键调节电路和温度采集电路等部分组成.
工作原理如下:每当到达设定的供食时间，系统控制语音输出电路发出音乐，吸引宠物前来进食；由食物供给控制电路控制供食电机旋转，打开供食口档板，使食物流入食物盘中，为宠物供食；当宠物接近供水槽时通过红外感应供水电路，打开电磁阀，为宠物提供饮水;使用温度采集电路采集环境温度并在LCD上进行显示；同时，还可根据喂养宠物的不同通过按键调节电路等灵活地设置宠物供食时间、供食量和自动供水感应范围.
收稿日期：2019-09-03
基金项目：咸阳市科学技术研究计划项目(2016k02-06)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2017JM6111)
作者简介：王瑾(1974-)，女，陕西咸阳人，硕士，畐燉授,研究方向:计算机控制及电子信息,E-mail：wj740313 @
第1期王瑾等:宠物喂食器控制系统的设计21
图1宠物喂食器自动控制系统结构框图
2系统硬件设计
2.1语音输出电路语音输出电路的主要功能是每当到达设定的供食时间，系统可控制该电路播放所 录制的声乐，吸引宠物前来进食由于语音处理芯片ISD1820内含自动增益调节AGC 电路和语音专 用滤波电路，并具有录放音方便、音质效果好等优点，因此采用该芯片设计了语音输出电路，电路如图2 所示.
Ci 220 |xF VCC
接单片机P1.6引脚
C 5
VCC o
MKi ^1__HU __
―O 04.7 kO
0『灯0.1 ll FSI 4.7 kO
4.7 |xF
6厂ISD1820REC VSSD Player Reeled PlayL FT MIC+ VCC MIC- ROSC AGC SP+
SP- VSSA
14~1310 盲& 乜｝ED1____j ~_____0 im r 4—loo m 二4屮图2语音输出电路
图2中.ISD1820的第1脚REC 外接K 】键，当按下此键，芯片开始录音，且第13脚Reeled 输出低电 平使LED1点亮，直到&键松开，录音结束;录音驻极体话筒MK|在串接电容C2,Cs 后，以差分形式接至 ISD1820的MIC + ,MIC-端;ISD1820的Player 端接至单片机的P1. 6脚，当此端出现上升沿时，芯片开始 放音；ISD1820的SP + , SP _端外接扬声器,用于放音；同时ISD1820的PlayL 端接地，关闭电路的电平触 发放音模式•当供食时间到时，单片机控制P1.6脚给ISD1820输出一个上升沿脉冲，控制语音输出电路播 放声乐，吸引宠物前来进食.
2.2食物供给控制电路 食物供给控制电路可用于宠物的供食控制，当其控制供食电机正转时,打开供 食口档板，使食物流出为宠物供食;反之，当其控制供食电机反转时，可关闭供食口档板，停止对宠物供 食，电路如图3所示.
为实现供食口挡板位置的精确控制,供食电机选用28BYJ - 48型四相八拍步进电机，其供电电压为 DC5 -DC12 V,步距角a =5.625 °,减速比1：64[8]；步进电机驱动电路选用ULN2003A 芯片，
其最大驱动
22海南大学学报自然科学版2020 年VCC
电压为50 V 撮大输出电流为0.5 A.
图3食物供给控制电路
图3中，单片机的P2.3 -P2.0引脚分别接至ULN2003A 的输入端INI ~IN4,供食电机的A,B,C,D 端通过插头J1分别接至ULN2003A 的输出端OUT1 ~ OUT4；系统工作时，若单片机P2 口循环输出控制信 号序列0x 08t 0x 0ct 0x 04t 0x 06t 0x 02t 0x 03—0x01—0x09,使供食电机四相绕组的通电顺序依次为A -AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,则电机正转,供食口挡板打开;反之，若单片机P2 口循环输出控制信 号序列0x 09t 0x 01t 0x 03t 0x 02t 0x 06t 0x 04t 0x 0ct 0x 08 ,使供食电机四相绕组的通电顺序依次为A _ad -d -dc -c -cb -b -ba -a ,贝电机反转，供食口关闭［9-10］.
2.3红外感应供水电路红外感应供水电路主要用于检测宠物是否前来喝水，并据此控制电磁阀的通 断，实现对宠物的自动供水，包括红外感应电路和供水电路2个部分.
红外感应电路如图4所示•电路采用热释电传感器HC-SR501来检测宠物位置,该传感器的感应距离 在0 ~7 m 内连续可调，感应角度为小于100。

锥角；HC-SR501的输出端OUT 经三极管8050接至单片机 P1 • 0脚，电位器乞分别用于调节该传感器的感应距离和感应延时时间⑴］.当检测到有宠物靠近喝水 时,HC-SR501的OUT 端输出3.3 V 高电平，使8050导通，给单片机P1.0脚输入低电平;反之，未检测到宠物时,OUT 端输出低电平,给单片机P1.0脚输入高电平.
+5 V
1
45"100 kO
167J 100 kO 1DS-IN DS-OUT VCC OUT TIME-IN TIME-OUT GND 2
3VCC
J T pi .o Qi
8050
图4红外感应电路
供水电路如图5所示.系统供水控制元件采用常闭直动式电磁阀,其工作电压为5 V ；当给电磁阀线圈正 向通电时（即电磁阀接口 J2的IN 端输入高电平,OUT 端输入低电平），产生电磁力可将活动铁芯吸起，阀门 供水口打开供水;当电磁阀线圈非正向通电时，无电磁力产生,活动铁芯封住供水口，阀门关闭少］•
图5中，单片机使用P1.4,P1.5脚控制供水电磁阀;当Pl .4脚输出低电平时,三极管Q-Qs 截止,仏 导通,J2的IN 端为高电平;反之，当Pl .4脚输出高电平时导通，E 截止,J2的IN 端为低电平•同 理，当P1.5脚输出低电平时,J2的OUT 端为高电平;当Pl. 5脚输出高电平时,J2的OUT 端为低电平.经 分析可知,只有当P1.4脚输出低电平,P1.5脚输出高电平时，电磁阀线圈才正向通电，阀门打开供水;其 余情况，
阀门均关闭.
第1期王 瑾等:宠物喂食器控制系统的设计
23
P1.4|7?10」lkQ +5 V R9
1 m a
85501
J22电磁阀接口8550im pi .5o 卜Lju
8050©8050a
a
工
图5供水电路
3系统软件设计
宠物喂食器控制系统的软件设计主要包括主程序、供食控制子程序、自动供水控制子程序、温度采集子程序和LCD 显示子程序.
图6主程序流程图 图7供食控制子程序流程图
3.1主程序 主程序流程如图6所示,其主要功能如下:首先，系统调用初始化子程序，对所用变量和模 块进行初始化;调用按键扫描子程序进行按键检测，据此设定供食定时时间、0. 1 s 供食延时子程序调用 次数n 等参数值;然后判断是否到达设定的供食定时时间，若到达则调用语音输出子程序,发出声乐吸引
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宠物前来进食,并调用供食控制子程序为宠物自动供食;检测是否有红外感应信号,当接收到红外感应信号时,调用自动供水控制子程序，使电磁阀线圈正向通电,打开供水口进行供水；最后,执行温度采集子程序，采集宠物进食环境温度,并调用LCD显示子程序显示当前环境温度和系统工作状态.
3.2供食控制子程序供食控制子程序主要用于控制供食电机的转动方向和转动步数，实现供食口的打开和关闭,完成宠物的供食控制•供食控制子程序流程如图7所示.
其功能如下:首先，在LCD上显示所设定的供食定时时间,并判断是否到达该时间;若已到达,控制单片机P2口输出正向八拍脉冲序列(0x08t0x0ct0x04t0x06t0x02t0x03—0x01t0x09)，使供食电机正转,开始打开供食口挡板为宠物供食;当给供食电机输出4x64个正向八拍脉冲序列时，电机正转半圈，供食口完全打开;接着，调用"次0.1s供食延时子程序，使供食口打开nxO.l s；最后，控制单片机P2口输出反向八拍脉冲序列(0x09t0x01t0x03t0x02t0x06t0x04t0x0ct0x08),使供食电机反转,关闭供食口挡板;当输出4x64个反向八拍脉冲序列时,电机反转半圈,供食口完全关闭[13].
3.3自动供水控制子程序自动供水控制子程序流程如图8所示.其功能如下:首先，先读取单片机P1•0引脚的电平状态;其次,判断该引脚是否为低电平，若为高电平，表示无宠物靠近喝水并继续检测;若为低电平,表示有宠物前来喝水，则给P1.4-0,P1.5-1，使电磁阀线圈正相通电，阀门供水口打开；接着,调用100次0.1s延时子程序，为宠物持续供水10s；最后，给P1.4-l,P1.5-0,使电磁阀线圈反向通电，关闭供水口阀门.
4试验结果分析
为了验证所设计宠物喂食器控制系统的性能，对系统进行了红外感应自动供水和定时供食等方面试验测试.
4.1红外感应自动供水试验试验测试时,首先将热释电传感器HC-SR501固定于宠物喂食器前端;然后，通过调节图4中电位器心值来设定宠物感应距离;接着，让宠物猫从不同角度和距离靠近HC-SR501传感器,以检测本系统红外感应自动供水功能.
测试结果表明，当宠物在感应角度小于100。

锥角，两边距离h W4m,中间距离l2W7m的扇形范围内运动时,系统均可检测到宠物，并能快速地触发自动供水功能,使电磁阀供水口打开,持续为宠物供水10 s,具体的自动供水红外感应范围如图9所示.同时，使用者也可根据喂养宠物的不同，调节电位器心，改变自动供水的红外感应范围.
(开始)
图8自动供水控制子程序流程图图9自动供水的红外感应范围
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4.2定时供食试验在宠物喂食器定时供食试验测试时，首先将宠物饲料倒入储食桶中,并用供食电机控制储食桶底部的供食口挡板运动;其次,给宠物喂食器设定不同的供食时间，并用秒表PC3860(其计时单位为1/100s,最大计时时间为10h)，对每次实际供食时间进行测试;接着,用一台DJ-300A型电子天平(其称量范围为0~310g,精度为0.01g)，对每次供食时流入供食盘中的饲料分别进行称重，获得每次实际供食量叫测试数据如表1所示.
表1定时供食测试数据表
序号设定供食时间/S实际供食时间/s实际供食时间偏差/S实际供食量/g
112001200.100.1080.06
218001800.130.1379.76
324002399.960.0479.83
436003599.800.2079.80
554005400.120.1280.03
672007200.160.1680.21由表1中数据可知,6次实际供食量的平均值Wg为
W==才(80.06+79.76+79.83+79.80+80.03+80.21)=79.95,
所测供食量的最大实际相对误差3为
A(w--W)8021-7995
8=占x100%=，_G x100%=:门丄x100%=0.33%.
W W79-95
由表1数据可知：1)该宠物喂食器6次的实际供食时间偏差变化范围为0.04-0.20s,最大供食时间偏差仅为0.20s,可见该宠物喂食器喂食时间控制准确、偏差小，较好地实现了定时供食功能;2)所测6次实际供食量心的变化范围为79.76-80.21g,平均值帀为79.95g,经计算可知所测供食量的最大实际相对误差6仅为0.33%，表明该宠物喂食器具有供食量稳定，每次供食重量波动小等特点.
对上述试验测试结果分析可知，该宠物喂食器具有较好的自动供水功能，可及时检测到进入自动供水感应范围内的宠物，并能迅速触发自动供水功能为宠物提供饮水,还可灵活地调节自动供水的红外感应范围；同时，还可根据喂养宠物的不同灵活地设定宠物供食时间和每次供食量;在实际宠物喂养中该系统的供食时间准确，供食量稳定、波动小.
5小结
提出了一种基于AT89S52单片机的智能宠物喂食器设计方案.重点介绍了如何控制步进电机实现对宠物的食物供给，以及利用热释电传感器HC-SR501和电磁阀进行宠物的自动供水设计.试验测试结果表明，该宠物喂食器具有良好的定时供食和自动供水功能，可根据宠物情况灵活地调节供食时间、供食量和自动供水感应范围，提高了宠物喂食器的自动控制水平.同时，在实际使用中该系统还具有供食时间准确、供食量稳定和调节方便等优点,具有较高的实用价值.
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Design of Pet Feeder Control System
Wang Jin1,Yuan Zhanjun2
(1.College of Information Engineering,Shanxi Polytechnic Institute,Xianyang712000,China；
2.College of Information Engineering,Shanxi Institute of International Trade&Commerce,Xianyang712046,China)
Abstract:In the report,a design scheme of automatic control system for pet feeder based on AT89S52microcon­troller was proposed.The design methods of software and hardware of the system were introduced in detail.The system hardware design includes speech output circu让，food supply control circuit,infrared induction water sup­ply circuit and key-press adjustment circuit and so on；the system software is mainly composed of main program, feeding control subroutine and automatic water supply control subroutine.The results showed that the pet feeder can realize the functions of regular feeding and automatic water supply for pets,and which can flexibly adjust the feeding time,quantity of food supply and the sensing range of automatic water supply according to different pets, and achieve the automatic control for pet feeder.
Keywords：pet feeder；food supply；infrared induction；automatic water supply。