王昂，周智恒，李海俠，梁鴻櫟

（桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著中國(guó)社會(huì)的不斷繁榮發(fā)展，我國(guó)人民日益增長(zhǎng)地對(duì)美好生活的需要，寵物養(yǎng)殖需求成為近些年來(lái)活躍在年輕人中的一個(gè)重大需求，然而由于社會(huì)的壓力及工作的繁忙，大多數(shù)年輕人不具備完善的養(yǎng)殖寵物的能力，這使得大多數(shù)寵物得不到良好的照顧而患病，也使得寵物主人花費(fèi)更多的時(shí)間和金錢(qián)，并且對(duì)環(huán)境要求苛刻的寵物在養(yǎng)護(hù)方面對(duì)于環(huán)境溫度、濕度和食物量等方面有更高的要求。如何科學(xué)有效地提高寵物養(yǎng)殖的智能一體化，是廣大寵物愛(ài)好者考慮的重要問(wèn)題，一個(gè)完善的智能溫感稱重小車設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

本文針對(duì)寵物養(yǎng)殖出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能溫感稱重小車，以STC89C52 單片機(jī)為核心，考慮了寵物對(duì)環(huán)境溫度、濕度、通風(fēng)條件和食物需求量等的特殊要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)寵物養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)，與普通家用控制系統(tǒng)相比，在溫濕度控制及通風(fēng)、定時(shí)投食控制方面均有較大不同。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，能夠滿足基本要求，且具有簡(jiǎn)單易操作和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

1 智能溫感稱重小車設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案

■1.1 智能溫感稱重小車設(shè)計(jì)的基本工作原理

本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能溫感稱重小車，利用DS18B20 溫濕度傳感器模塊[1]可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的智能調(diào)控；利用HC-SR 04 超聲波測(cè)距模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)與障礙物之間的距離，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊[2]輸出指示燈亮，系統(tǒng)報(bào)警；利用壓力傳感器模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)食物的余量；利用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，將溫度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的信號(hào)；利用OLED 屏?xí)@示系統(tǒng)相關(guān)信息；然后利用按鈕進(jìn)行緊急的情況確認(rèn)，并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警程序。

■1.2 功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能溫感稱重小車有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，系統(tǒng)上電后默認(rèn)為自動(dòng)控制模式，此時(shí)溫濕度傳感器模塊、壓力傳感器模塊和HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊正在運(yùn)行。切換到手動(dòng)模式后，可以通過(guò)紅外遙控裝置對(duì)智能小車進(jìn)行控制并對(duì)寵物生活環(huán)境溫度、濕度和食物余量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并作出相應(yīng)的指令，同時(shí)系統(tǒng)可手動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)閾值。當(dāng)溫濕度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)降溫補(bǔ)水裝置，并通過(guò)DS18B20 溫濕度傳感器模塊發(fā)送當(dāng)前環(huán)境溫度相關(guān)信息到LCD1602 模塊實(shí)時(shí)顯示。若食物余量不足，HX711發(fā)送信息至投食裝置，并同時(shí)發(fā)送信息到用戶手機(jī)，提醒用戶實(shí)時(shí)關(guān)注寵物當(dāng)前狀況。

圖1 智能溫感小車控制系統(tǒng)示意圖

■1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能溫感稱重小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括車身結(jié)構(gòu)、輪子、電機(jī)、前后輪懸掛、重量傳感器等。車身結(jié)構(gòu)需要考慮到小車的穩(wěn)定性、承重能力和機(jī)動(dòng)性。輪子需要具有一定的耐磨性和抗滑性，以便小車能夠在不同的路面上行駛。電機(jī)需要根據(jù)小車的負(fù)載和速度要求來(lái)選擇。前后輪懸掛結(jié)構(gòu)需要能夠緩沖小車在不平路面上的震動(dòng)，從而保證小車的穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 硬件選型

控制系統(tǒng)選擇STC89C52 單片機(jī)為控制芯片。STC89C52 單片機(jī)是一種常見(jiàn)的基于8051 內(nèi)核的單片機(jī)，STC89C52 單片機(jī)采用了經(jīng)典的8051 內(nèi)核架構(gòu)，這使得它非常成熟和穩(wěn)定。電路簡(jiǎn)單、豐富的存儲(chǔ)空間、豐富的外設(shè)和接口、低功耗[3]。

壓力檢測(cè)模塊采用HX711 傳感器HX711 傳感器采用了特殊的采樣技術(shù)和抗干擾設(shè)計(jì)，具有較好的抗干擾能力和穩(wěn)定性。它能夠在復(fù)雜的環(huán)境中提供可靠的測(cè)量結(jié)果，并且對(duì)溫度變化和電源波動(dòng)的影響較小。

顯示模塊采用LCD1602 顯示器LCD1602 顯示器采用液晶技術(shù)，可以顯示2 行16 列的字符信息，每個(gè)字符由5×8 個(gè)像素點(diǎn)組成。它能夠以高對(duì)比度、清晰可見(jiàn)的方式顯示文本和簡(jiǎn)單圖形，使得信息易于閱讀和理解。總而言之，LCD1602 顯示器具有顯示效果清晰、低功耗、簡(jiǎn)單接口、可編程性、低成本和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。它在各種應(yīng)用場(chǎng)景中被廣泛使用，如嵌入式系統(tǒng)、儀器儀表、家電和DIY 項(xiàng)目等，為用戶提供清晰可見(jiàn)的字符信息顯示功能。

溫度檢測(cè)模塊采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，DS18B20 數(shù)字溫度傳感器具有單總線接口、高精度測(cè)量、多點(diǎn)測(cè)量、低功耗設(shè)計(jì)、高抗干擾能力、寬工作溫度范圍和工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它在溫度監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)、氣象站、工業(yè)自動(dòng)化等。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用ULN2003，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003是一種常用的集成電路，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)。具有高可靠性、多通道輸出、內(nèi)部保護(hù)功能、方便接口、市場(chǎng)成熟度高和成本效益高等優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為用戶提供便捷可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。

報(bào)警模塊采用蜂鳴器、1k 電阻和PNP8550 三極管組成，蜂鳴器通常體積小巧，可以方便地安裝在各種電子設(shè)備中。這使得它可以被廣泛應(yīng)用于各種小型電子產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)中。蜂鳴器通常具有較低的功耗，尤其是無(wú)源蜂鳴器，不需要外部電源供應(yīng)。這使得它在需要長(zhǎng)時(shí)間工作或電源資源有限的場(chǎng)合下非常實(shí)用。

電源模塊采用Micro-USB 作為電源接入口，接口設(shè)計(jì)了反插保護(hù)機(jī)制，即接口只能正確連接在一個(gè)方向上，避免了錯(cuò)誤插入導(dǎo)致的損壞。圖3 為整體硬件電路示例圖。

圖3 整體硬件電路圖

■2.2 硬件接口電路的設(shè)計(jì)

智能溫感稱重小車使用的STC89C52 資源為：電機(jī)DC引腳與單片機(jī)P1.0～P1.3 引腳連接，壓力傳感器DC 端口與單片機(jī)P2.0～P2.1 引腳連接，溫度傳感器DQ 引腳與單片機(jī)P3.7 引腳連接，顯示模塊將LCD1602 的RS、RW 和EN 引腳分別連接單片機(jī)的P2.6、P2.5 和P2.7 引腳，去皮按鍵DO 引腳與單片P3.1 引腳連接，還原按鍵可以和單片機(jī)引腳P 三點(diǎn)零連接，進(jìn)行精確測(cè)量和數(shù)據(jù)的傳輸，在按鍵功能中加減、減鍵和確認(rèn)鍵分別與單片機(jī)P3.3、P3.4 和P3.5引腳相連，報(bào)警模塊與單片機(jī)P3.6 引腳相連，電源模塊與單片機(jī)USB 口相連。單片機(jī)I/O 口資源分配如表1 所示。

表1 智能溫感稱重小車單片機(jī)I/O口及外設(shè)資源分配表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)編程一般采取模塊化的設(shè)計(jì)思想，先創(chuàng)建和調(diào)試好各種子進(jìn)程，然后再把這些子程序進(jìn)行排列組合，重組為一個(gè)整體的程序。這樣的設(shè)計(jì)思想不但便于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)也可以簡(jiǎn)單快捷地在項(xiàng)目間實(shí)現(xiàn)人員遷移，從而簡(jiǎn)化了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。

■3.1 壓力傳感器設(shè)計(jì)

HX711 是根據(jù)單晶硅不定向應(yīng)力時(shí)電導(dǎo)率是同性的只有定向受力時(shí)才表現(xiàn)出各項(xiàng)異性，由于應(yīng)力能引起能帶的變化，能谷能量移動(dòng)，導(dǎo)致電阻率的變換，從而產(chǎn)生壓阻效應(yīng)。其壓力傳感器模塊的流程圖如圖4 所示。

圖4 壓力傳感器模塊流程圖

■3.2 溫度傳感器子程序設(shè)計(jì)

DS18B20 初始化：主器件首先發(fā)出一個(gè)480～960ms 的低電平脈沖，然后釋放總線變?yōu)楦唠娖?，并在隨后的480μs時(shí)間內(nèi)對(duì)總線進(jìn)行檢測(cè)，如果有低電平出現(xiàn)說(shuō)明總線上有DS18B20 溫度傳感器已做出應(yīng)答。若無(wú)低電平出現(xiàn)一直都是高電平說(shuō)明總線上無(wú)DS18B20溫度傳感器應(yīng)答。說(shuō)明總線上無(wú)DS18B20 溫度傳感器應(yīng)答。

DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換原理：DS18B20 溫度傳感器返回16位二進(jìn)制數(shù)代表此刻探測(cè)的溫度值，其高五位代表正負(fù)。如果高五位全部為1，則代表返回的溫度值為負(fù)值。如果高五位全部為0，則代表返回的溫度值為正值。其溫度傳感器模塊的流程圖如圖5 所示。

圖5 溫度傳感器模塊流程圖

■3.3 LCD1602 顯示子程序設(shè)計(jì)

本文采用以SSD1306為驅(qū)動(dòng)IC 的OLED 顯示模塊作為顯示器件，單片機(jī)對(duì)LCD1602 的控制就是對(duì)其驅(qū)動(dòng)芯片的控制，其控制顯示過(guò)程為：復(fù)位-＞驅(qū)動(dòng)IC 初始化代碼-＞開(kāi)啟顯示-＞清零顯示-＞開(kāi)始顯示（顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)值與設(shè)置閾值）。其LCD1602 顯示屏模塊的流程圖如圖6 所示。

圖6 LCD 顯示屏模塊流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)上電后，顯示屏顯示預(yù)設(shè)溫度閾值與實(shí)際溫度值。若系統(tǒng)上電后無(wú)故產(chǎn)生報(bào)警，超聲波模塊輸出指示燈或壓力傳感器模塊輸出指示燈亮起，則需調(diào)節(jié)模塊靈敏度。

實(shí)驗(yàn)中，打開(kāi)超聲波傳感器模塊，當(dāng)檢測(cè)距離小于閾值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警，顯示屏顯示相應(yīng)閃爍字樣提示報(bào)警信息。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到食物余量小于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，顯示屏分別顯示相應(yīng)閃爍字樣。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置上限值，系統(tǒng)同樣會(huì)啟動(dòng)報(bào)警并在顯示屏上顯示相應(yīng)閃爍字樣。圖7 為串口通信顯示超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的示例圖。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、制作了一個(gè)基于STC89C52 的智能溫感稱重小車，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)寵物生長(zhǎng)環(huán)境溫度濕度是否泄露不適的情況，以及食物是否需要補(bǔ)充，并在屏上顯示相關(guān)信息。用戶便可根據(jù)手機(jī)上的數(shù)據(jù)操作小車進(jìn)行降溫、加濕或者投食操作。