楊　耀，周翔宇，江新志，張倬鋮，嚴一民

(1.電子科技大學　物理電子學院，成都　610054；2.合肥市第一中學，合肥　230000)

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對計量控制的智能系統(tǒng)設計

楊耀1，周翔宇2，江新志1，張倬鋮1，嚴一民1

(1.電子科技大學物理電子學院，成都610054；2.合肥市第一中學，合肥230000)

針對寵物的自動喂養(yǎng)系統(tǒng)，在充分考慮節(jié)能的狀況下，采用了氣壓控制和低功耗電路；采用單片機編程軟件實現(xiàn)了對硬件的控制，通過軟件編程定時來確定投放的食量。該系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)能性、實用性以及可操作性，通過對實物各項參數(shù)測試，到達了預期設計要求，系統(tǒng)具備智能工作并自動喂食寵物的功能。

節(jié)能；氣壓；智能；控制；喂養(yǎng)；系統(tǒng)

在人們出差在外或是旅游度假時，不能及時地對家中的寵物給予很好地照顧，尤其是投放寵物的飲食，成為困擾人們的問題之一。針對市場上的自動喂食裝置中因過于粗糙不能達到智能和自動喂養(yǎng)效果的問題，本文設計與研發(fā)了一款新產品，在結合節(jié)能和智能化于一體的同時，對智能化家居的推動起到了積極作用。

1　工作原理

本系統(tǒng)中自動供水和供食部分是獨立的(功能上的獨立，但結構還是一體的)。

喂水部分無須供電，利用氣壓裝置和開關全自動控制。用戶可選外出和定量供應兩種模式。外出模式下供水會全天候保持水量一定，寵物飲用的水量會自動補足，在定量供應模式下，用戶可控制氣壓開關自主決定用水量。

在通電后喂食裝置啟動，用戶可在面板設定放食時間和周期放食量，該信息以24小時為周期循環(huán)，即用戶只需設定每天的喂食機制，系統(tǒng)會自動應用到每一天。定時電路根據預設的時間，定時給外部開關電路一個驅動的高頻開通信號(通過此信號的時長變化改變開關電路的開合時間，從而達到放食量的設定)，外部機械開關在電磁鐵作用下打開，食物開始投放，當開通信號結束電磁鐵關閉，機械開關在彈簧的作用下封閉進食口。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1　功能框架示意圖

2　機械結構

2.1氣壓供水結構

供水部分利用氣壓的改變和連通器的改進設計實現(xiàn)了用戶的半自動控制。儲水桶和喂水槽形成半封閉連通器，儲水桶上部的按壓式開關控制是否氣封。正常狀態(tài)為氣密，與外部隔絕，沒有與大氣的氣壓平衡交換；開關按下，進氣口與儲水桶和大氣壓連通，如圖2的供水結構所示。

1)沒有按壓開關情況下，儲水桶中的水流入喂水槽，當水位高于進水口時大氣不能再通過進水口流入儲水桶時，達到氣壓平衡：

p0+ρgh0=p1+ρgh1

(1)

式(1)為喂水槽壓力和儲水桶壓力平衡式。當喂水槽的水量減少，為保持水壓平衡，進水口則會進行自動補水，實現(xiàn)水位的自動補給。

2)有按壓開關的情況下，封閉大進水口(小進水口不能讓氣體進入，可以防止大進水口對定量的影響)。儲水桶與大氣連通，連通器兩邊氣壓相等，左邊水位高水會自動流入喂水槽，松開開關兩邊壓力平衡就會停止進水，即通過開關按壓時間可以實現(xiàn)手動定量進水。實驗得到連通時間和進水量關系，如圖3所示。

圖2　供水結構示意圖

圖3　進水量時間變化折線

2.2喂食機械開關

食物投放開關由電磁吸盤控制，而電吸盤的工作狀態(tài)由自動控制電路進行控制，這里的開關控制采用一段活動的杠桿和彈簧彈力與及食物重量的平衡關系，并有吸盤對平衡進行控制，如圖4所示。

在非投食工作狀態(tài)下，電吸盤并沒有產生吸引力，在彈簧彈力的作用下進食管道被開關上部的杠桿密封。在進行投食時吸盤由于控制電路的作用開始工作，通過杠桿下固定的鐵塊將杠桿拉下進食管道打開。

在設計中為了更好地實際效果，通過調整吸盤和彈簧相對于支點的位置和進食管道的彎曲程度(改變食物對密封板的壓力)使受力達到要求的平衡，即非投食狀態(tài)可以完全地穩(wěn)定的密封進食管道，投食狀態(tài)可以很好地拉下密封板進行投食，并且恢復到原狀態(tài)時又可以很好地密封。

圖4　開關設計示意圖

3　控制電路設計

3.1時間顯示模塊

在硬件設計中主要用到AT89S52單片機、兩片74HC573芯片和一個6位8段LED共陽數(shù)碼管，硬件電路設計框圖，如圖5所示。圖中，AT89S52單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。而74HC573是擁有8路輸出的透明鎖存器，輸出為三態(tài)門，是一種高性能硅柵CMOS器件[1]。

在設計時，由于需要數(shù)碼管顯示時間，并且定時喂食，需要一個類似于可定時電子時鐘的設計，用到了設計電子時鐘時的段選和位選的知識。

單片機在連接時，先與74HC573連接，再與74HC573連接到數(shù)碼管。每次只能送一組8位二進制數(shù)，其中1位為數(shù)值的小數(shù)點，其他位為數(shù)碼管所要顯示的十進制數(shù)值，即為數(shù)碼管的段選位。每次只能送一個數(shù)的段選位，這樣就導致6位的數(shù)碼管只能同時顯示一個數(shù)字。本文電子時鐘的設計，要求6位數(shù)碼管顯示不同的數(shù)值，這就需要用到數(shù)碼管的位選線和另一片74HC573鎖存器。通過單片機連接另外一塊74HC573芯片，送出位選信號，對每一位數(shù)碼管進行選擇，就可以在每位上送出不同的數(shù)字。在工作時這兩組信號，會交替送出。利用人眼的余暉效應可以使數(shù)字在人眼看來是不變的。具體的代碼，在程序設計中實現(xiàn)。

圖5　硬件電路設計框圖

3.2開關控制模塊

通常8051所要驅動的繼電器，大多為DC6V或DC5V的小型電子用繼電器。盡管如此，靠8051輸出口的電流恐怕不夠，況且驅動繼電器線圈這種電感性負載，還要有些保護才行！我們可以使用晶體管來控制繼電器電路[2]。電子時鐘的開關控制部分如圖6所示，使圖中的繼電器在相應的時間打開，并會持續(xù)打開一段時間(可設置)。圖中L1小燈泡部分在實物中換為接電吸盤。

圖6　開關控制模塊連接圖

3.3調時按鍵模塊

3個按鈕式開關與P1.0、P1.1和P1.2相連，按下時為“1”，對顯示時間和定時時間進行設置。與單片機的連接如圖7所示。

4　自動控制程序設計

程序設計中，for語句更為靈活，不僅可以用于循環(huán)次數(shù)已經確定的情況，還可以用于循環(huán)次數(shù)不確定而只給出循環(huán)結束條件的情況[3]。此程序設計采用了for循環(huán)實現(xiàn)段選、位選的控制，流程圖如圖8所示，實現(xiàn)段選和位選的代碼如圖9所示，在這個for循環(huán)中先打開位選，送出位選信號第一位數(shù)碼管被選中打開。然后位選信號移位，作為下一次的位選信號。之后段選打開，送出段選信號，使數(shù)碼管顯示相應的數(shù)值。然后調用延時函數(shù)，給動態(tài)掃描數(shù)碼管提供時間，此時間必須極為短暫，能使人產生視覺暫留。

圖7　調時按鍵模塊連接圖

圖8　程序設計流程圖

圖9　段、位選代碼圖

5　系統(tǒng)外形材料及結構

考慮到設計成本與經費問題，樣品的構造采用瓦楞紙加上美工紙，其中的穩(wěn)定結構都采用膠帶和三角結構支撐。供水部分密封性和防水性要求很高，儲水器利用成品所料制水瓶，喂水槽部分在用瓦楞紙進行搭建后，利用防水膠帶和蠟封進行防水密封。

5.1進水管

在進水管中自動給水時，氣體需能進入儲水箱進行氣壓補給，從而穩(wěn)定水位，所以大進水口要求直徑在8mm以上，過大會使固定水位過高。在手動控制進水量時為了防止空氣進入進行自動補水，小進水管不能超過4mm。

5.2進食開關

由于食物顆粒較大，開關的密封板和進食管的密封要求不高，但是，為避免造成進食開關打開后不能關閉的情況，對力平衡的要求嚴格，所以在進食管道設計時盡量設計成彎管道，以減少食物下滑的動能對密封板的沖力。為防止開關被卡死，支點的活動性和潤滑度要求較高。

6　結束語

計量控制自動裝置設計實現(xiàn)了節(jié)能性、實用性以及可操作性，對比市場上的同類產品，其優(yōu)點在自動控制方式上利用了全新的設計模式，通過實物各項參數(shù)測試，到達了預期設計要求。對該領域具有很好的推廣和應用價值。

[1]韋克利(WakerlyJ.F.)著.數(shù)字設計：原理與實踐(第四版)[M].林生，葛紅，金京林,譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]張義和.例說51單片機[M].3版.北京：人民郵電出版社，2010.

[3]譚浩強.C程序設計[M].4版.北京：清華大學出版社，2010.

[4]周超群．電磁閥的原理及其在工程設計中的應用探討[J].石油化工自動化，2006(5)：90-94．

Intelligent System Design for Measurement Control

YANG Yao1，Zhou Xiangyu2，JIANG Xinzhi1，ZHANG Zhuocheng1，YAN Yimin1

(1.SchoolofPhysicalElectronics，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China；2.NO.1MiddleSchoolofHefei，Hefei230000，China)

Thispaperdesignsakindofautomaticfeedingsystemwhichcanbeappliedtopet.Thesystemconsiderstheenergysavingproblemfully，itsfeaturesaretheuseofpneumaticcontrolandlowpowercircuit，toachievethesystemsmartandautomaticallyfeedthefunctionofthepet.Thispaperintroducestheconcreterealizationofthesystemandtheworkingprincipleofthestructureandcontrolcircuit，systemwithmicrocontrollerprogrammingsoftwarerealizationofthehardwarecontrolandfeedonconsideringsensorfeedbackcontrolismorecomplicatedandhighcost.Thetestshowsthatthesystemachievestherequirementofexpecteddesign，canworkintelligentlyandrealizesthefunctionofautomaticfeeding.

energyconservation；atmosphericpressure；intelligent；control；feeding；system

2015-10-11；修改日期: 2016-06-03

全國高校創(chuàng)新訓練項目基金。

楊耀(1993-)，男，本科生，聲學及信息控制專業(yè)。

TP27

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.016