王 瑾，袁戰(zhàn)軍

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽712046)

寵物喂食器可用于小貓、小狗等家庭寵物的喂食和供水，能夠為寵物飼養(yǎng)者提供極大的方便.目前市場上已有的寵物喂食器在使用中均存在以下問題：1)用戶需要通過手動控制來實現(xiàn)寵物喂食，無法進(jìn)行定時智能供食；2)需要用手旋轉(zhuǎn)水嘴開關(guān)進(jìn)行寵物喂水，無法根據(jù)寵物需求實現(xiàn)自動供水功能；3)當(dāng)喂養(yǎng)寵物不同時，無法進(jìn)行實際供食時間、供食量等的調(diào)節(jié)[1-2].王岳[3]等人對野外自動化鴨舍進(jìn)行了研究，設(shè)計的野外鴨舍實現(xiàn)了早晨自動開門，晚上自動奏樂喚鴨回舍，以及自動關(guān)門、自動補料和回舍鴨子數(shù)量統(tǒng)計等功能；孔愛菊[4]等人設(shè)計的野外鴨舍喂水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行水箱液位檢測和水泵驅(qū)動，具有水箱低水位自動補水和高水位防止溢出等功能，實現(xiàn)了野外鴨舍喂水的自動控制.

針對現(xiàn)有寵物喂食器存在的問題，并結(jié)合野外自動化鴨舍的設(shè)計經(jīng)驗，筆者提出了一種基于AT89S52單片機的寵物喂食器自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案；使用步進(jìn)電機控制技術(shù)實現(xiàn)了寵物的食物供給，采用熱釋電傳感器來檢測寵物位置，進(jìn)而控制電磁閥完成對寵物的自動供水[5].同時，還詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方法及試驗測試結(jié)果.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于AT89S52單片機的寵物喂食器自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.該系統(tǒng)主要由語音輸出電路、紅外感應(yīng)供水電路、食物供給控制電路、液晶顯示電路、按鍵調(diào)節(jié)電路和溫度采集電路等部分組成.

工作原理如下：每當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的供食時間，系統(tǒng)控制語音輸出電路發(fā)出音樂，吸引寵物前來進(jìn)食；由食物供給控制電路控制供食電機旋轉(zhuǎn)，打開供食口檔板，使食物流入食物盤中，為寵物供食；當(dāng)寵物接近供水槽時通過紅外感應(yīng)供水電路，打開電磁閥，為寵物提供飲水；使用溫度采集電路采集環(huán)境溫度并在LCD上進(jìn)行顯示；同時，還可根據(jù)喂養(yǎng)寵物的不同通過按鍵調(diào)節(jié)電路等靈活地設(shè)置寵物供食時間、供食量和自動供水感應(yīng)范圍.

圖1 寵物喂食器自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 語音輸出電路語音輸出電路的主要功能是每當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的供食時間，系統(tǒng)可控制該電路播放所錄制的聲樂，吸引寵物前來進(jìn)食[6-7].由于語音處理芯片ISD1820內(nèi)含自動增益調(diào)節(jié)AGC電路和語音專用濾波電路，并具有錄放音方便、音質(zhì)效果好等優(yōu)點，因此采用該芯片設(shè)計了語音輸出電路，電路如圖2所示.

圖2 語音輸出電路

圖2中，ISD1820的第1腳REC外接K1鍵，當(dāng)按下此鍵，芯片開始錄音，且第13腳Recled輸出低電平使LED1點亮，直到K1鍵松開，錄音結(jié)束；錄音駐極體話筒MK1在串接電容C2，C3后，以差分形式接至ISD1820的MIC+，MIC-端；ISD1820的Player端接至單片機的P1.6腳，當(dāng)此端出現(xiàn)上升沿時，芯片開始放音；ISD1820的SP+，SP-端外接揚聲器，用于放音；同時ISD1820的PlayL端接地，關(guān)閉電路的電平觸發(fā)放音模式.當(dāng)供食時間到時，單片機控制P1.6腳給ISD1820輸出一個上升沿脈沖，控制語音輸出電路播放聲樂，吸引寵物前來進(jìn)食.

2.2 食物供給控制電路食物供給控制電路可用于寵物的供食控制，當(dāng)其控制供食電機正轉(zhuǎn)時，打開供食口檔板，使食物流出為寵物供食；反之，當(dāng)其控制供食電機反轉(zhuǎn)時，可關(guān)閉供食口檔板，停止對寵物供食，電路如圖3所示.

為實現(xiàn)供食口擋板位置的精確控制，供食電機選用28BYJ-48型四相八拍步進(jìn)電機，其供電電壓為DC5～DC12 V，步距角α=5.625 °，減速比1∶64[8]；步進(jìn)電機驅(qū)動電路選用ULN2003A芯片，其最大驅(qū)動電壓為50 V，最大輸出電流為0.5 A.

圖3 食物供給控制電路

圖3中，單片機的P2.3～P2.0引腳分別接至ULN2003A的輸入端IN1～I(xiàn)N4，供食電機的A，B，C，D端通過插頭J1分別接至ULN2003A的輸出端OUT1～OUT4；系統(tǒng)工作時，若單片機P2口循環(huán)輸出控制信號序列0x08→0x0c→0x04→0x06→0x02→0x03→0x01→0x09，使供食電機四相繞組的通電順序依次為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，則電機正轉(zhuǎn)，供食口擋板打開；反之，若單片機P2口循環(huán)輸出控制信號序列0x09→0x01→0x03→0x02→0x06→0x04→0x0c→0x08，使供食電機四相繞組的通電順序依次為A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A，則電機反轉(zhuǎn)，供食口關(guān)閉[9-10].

2.3 紅外感應(yīng)供水電路紅外感應(yīng)供水電路主要用于檢測寵物是否前來喝水，并據(jù)此控制電磁閥的通斷，實現(xiàn)對寵物的自動供水，包括紅外感應(yīng)電路和供水電路2個部分.

紅外感應(yīng)電路如圖4所示.電路采用熱釋電傳感器HC-SR501來檢測寵物位置，該傳感器的感應(yīng)距離在0～7 m內(nèi)連續(xù)可調(diào)，感應(yīng)角度為小于100 °錐角；HC-SR501的輸出端OUT經(jīng)三極管8050接至單片機P1.0腳，電位器RL，RT分別用于調(diào)節(jié)該傳感器的感應(yīng)距離和感應(yīng)延時時間[11].當(dāng)檢測到有寵物靠近喝水時，HC-SR501的OUT端輸出3.3 V高電平，使8050導(dǎo)通，給單片機P1.0腳輸入低電平；反之，未檢測到寵物時，OUT端輸出低電平，給單片機P1.0腳輸入高電平.

圖4 紅外感應(yīng)電路

供水電路如圖5所示.系統(tǒng)供水控制元件采用常閉直動式電磁閥，其工作電壓為5 V；當(dāng)給電磁閥線圈正向通電時(即電磁閥接口J2的IN端輸入高電平，OUT端輸入低電平)，產(chǎn)生電磁力可將活動鐵芯吸起，閥門供水口打開供水；當(dāng)電磁閥線圈非正向通電時，無電磁力產(chǎn)生，活動鐵芯封住供水口，閥門關(guān)閉[12].

圖5中，單片機使用P1.4，P1.5腳控制供水電磁閥；當(dāng)P1.4腳輸出低電平時，三極管Q7，Q6截止，Q5導(dǎo)通，J2的IN端為高電平；反之，當(dāng)P1.4腳輸出高電平時，Q7，Q6導(dǎo)通，Q5截止，J2的IN端為低電平.同理，當(dāng)P1.5腳輸出低電平時，J2的OUT端為高電平；當(dāng)P1.5腳輸出高電平時，J2的OUT端為低電平.經(jīng)分析可知，只有當(dāng)P1.4腳輸出低電平，P1.5腳輸出高電平時，電磁閥線圈才正向通電，閥門打開供水；其余情況，閥門均關(guān)閉.

圖5 供水電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

寵物喂食器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序、供食控制子程序、自動供水控制子程序、溫度采集子程序和LCD顯示子程序.

3.1 主程序主程序流程如圖6所示，其主要功能如下：首先，系統(tǒng)調(diào)用初始化子程序，對所用變量和模塊進(jìn)行初始化；調(diào)用按鍵掃描子程序進(jìn)行按鍵檢測，據(jù)此設(shè)定供食定時時間、0.1 s供食延時子程序調(diào)用次數(shù)n等參數(shù)值；然后判斷是否到達(dá)設(shè)定的供食定時時間，若到達(dá)則調(diào)用語音輸出子程序，發(fā)出聲樂吸引寵物前來進(jìn)食，并調(diào)用供食控制子程序為寵物自動供食；檢測是否有紅外感應(yīng)信號，當(dāng)接收到紅外感應(yīng)信號時，調(diào)用自動供水控制子程序，使電磁閥線圈正向通電，打開供水口進(jìn)行供水；最后，執(zhí)行溫度采集子程序，采集寵物進(jìn)食環(huán)境溫度，并調(diào)用LCD顯示子程序顯示當(dāng)前環(huán)境溫度和系統(tǒng)工作狀態(tài).

3.2 供食控制子程序供食控制子程序主要用于控制供食電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動步數(shù)，實現(xiàn)供食口的打開和關(guān)閉，完成寵物的供食控制.供食控制子程序流程如圖7所示.

其功能如下：首先，在LCD上顯示所設(shè)定的供食定時時間，并判斷是否到達(dá)該時間；若已到達(dá)，控制單片機P2口輸出正向八拍脈沖序列(0x08→0x0c→0x04→0x06→0x02→0x03→0x01→0x09)，使供食電機正轉(zhuǎn)，開始打開供食口擋板為寵物供食；當(dāng)給供食電機輸出4×64個正向八拍脈沖序列時，電機正轉(zhuǎn)半圈，供食口完全打開；接著，調(diào)用n次0.1 s供食延時子程序，使供食口打開n×0.1 s；最后，控制單片機P2口輸出反向八拍脈沖序列(0x09→0x01→0x03→0x02→0x06→0x04→0x0c→0x08)，使供食電機反轉(zhuǎn)，關(guān)閉供食口擋板；當(dāng)輸出4×64個反向八拍脈沖序列時，電機反轉(zhuǎn)半圈，供食口完全關(guān)閉[13].

3.3 自動供水控制子程序自動供水控制子程序流程如圖8所示.其功能如下：首先，先讀取單片機P1.0引腳的電平狀態(tài)；其次，判斷該引腳是否為低電平，若為高電平，表示無寵物靠近喝水并繼續(xù)檢測；若為低電平，表示有寵物前來喝水，則給P1.4←0，P1.5←1，使電磁閥線圈正相通電，閥門供水口打開；接著，調(diào)用100次0.1 s延時子程序，為寵物持續(xù)供水10 s；最后，給P1.4←1，P1.5←0，使電磁閥線圈反向通電，關(guān)閉供水口閥門.

4 試驗結(jié)果分析

為了驗證所設(shè)計寵物喂食器控制系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)進(jìn)行了紅外感應(yīng)自動供水和定時供食等方面試驗測試.

4.1 紅外感應(yīng)自動供水試驗試驗測試時，首先將熱釋電傳感器HC-SR501固定于寵物喂食器前端；然后，通過調(diào)節(jié)圖4中電位器RL值來設(shè)定寵物感應(yīng)距離；接著，讓寵物貓從不同角度和距離靠近HC-SR501傳感器，以檢測本系統(tǒng)紅外感應(yīng)自動供水功能.

測試結(jié)果表明，當(dāng)寵物在感應(yīng)角度小于100 °錐角，兩邊距離l1≤4 m，中間距離l2≤7 m的扇形范圍內(nèi)運動時，系統(tǒng)均可檢測到寵物，并能快速地觸發(fā)自動供水功能，使電磁閥供水口打開，持續(xù)為寵物供水10 s，具體的自動供水紅外感應(yīng)范圍如圖9所示.同時，使用者也可根據(jù)喂養(yǎng)寵物的不同，調(diào)節(jié)電位器RL，改變自動供水的紅外感應(yīng)范圍.

4.2 定時供食試驗在寵物喂食器定時供食試驗測試時，首先將寵物飼料倒入儲食桶中，并用供食電機控制儲食桶底部的供食口擋板運動；其次，給寵物喂食器設(shè)定不同的供食時間，并用秒表PC3860(其計時單位為1/100 s，最大計時時間為10 h)，對每次實際供食時間進(jìn)行測試；接著，用一臺DJ-300A型電子天平(其稱量范圍為0～310 g，精度為0.01 g)，對每次供食時流入供食盤中的飼料分別進(jìn)行稱重，獲得每次實際供食量wi.測試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 定時供食測試數(shù)據(jù)表

所測供食量的最大實際相對誤差δ為

對上述試驗測試結(jié)果分析可知，該寵物喂食器具有較好的自動供水功能，可及時檢測到進(jìn)入自動供水感應(yīng)范圍內(nèi)的寵物，并能迅速觸發(fā)自動供水功能為寵物提供飲水，還可靈活地調(diào)節(jié)自動供水的紅外感應(yīng)范圍；同時，還可根據(jù)喂養(yǎng)寵物的不同靈活地設(shè)定寵物供食時間和每次供食量；在實際寵物喂養(yǎng)中該系統(tǒng)的供食時間準(zhǔn)確，供食量穩(wěn)定、波動小.

5 小 結(jié)

提出了一種基于AT89S52單片機的智能寵物喂食器設(shè)計方案.重點介紹了如何控制步進(jìn)電機實現(xiàn)對寵物的食物供給，以及利用熱釋電傳感器HC-SR501和電磁閥進(jìn)行寵物的自動供水設(shè)計.試驗測試結(jié)果表明，該寵物喂食器具有良好的定時供食和自動供水功能，可根據(jù)寵物情況靈活地調(diào)節(jié)供食時間、供食量和自動供水感應(yīng)范圍，提高了寵物喂食器的自動控制水平.同時，在實際使用中該系統(tǒng)還具有供食時間準(zhǔn)確、供食量穩(wěn)定和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，具有較高的實用價值.