基于单片机的宠物喂食系统设计开题报告

系统主要包括控制器，OLED显示屏，电机模块，LED模块，传感器模块，电源模块，按键模块，和蜂鸣器组成。

针对目前发展形式分析，首先主控制器[9]在多数文献中都以51系列为主，而考虑到其功能有限，并且I/O口的高电平没有输出能力，运行速度慢，以及自我保护能力较差，特别是51已经逐渐的退出工业发展的主流，将仅仅成为入门教学所用的试验机，因此本课题需要引入较为先进的单片机。

针对本课题的设计需要一定的性价比，并且没有考虑远程在线功能，因此最终考虑选用STM32F103C8T6作为主控制器，STM32系列单片机最大的亮点是低功耗而且速度快，有大量的库函数可以调用，编程用起来很灵活。电源电压采用的是 1.8~3.6V 电压，因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200~400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA。

其次在电机选取方面，首先电机体积不能过大，并且基于本设计中，由于电机主要控制食物的投放，因此对电机的要求是只要转动一定的角度即可，并且考虑到在满粮的情况下负载会很大，则还需要电机有一定的转矩要求。综合考虑使用小型伺服电机[10]，伺服电机具有很高的精度，可以精确的控制转动的角度，转矩方面5V的额定电压下可以获得2.5N.m的转矩，大体符合要求，特别是可以通过一定的数据统计，灵活的调整电机的转动角度，在一定程度上配合投喂出料口的设计，可以有效针对卡粮问题。

基于系统自我保护功能的需要，按键使用外接按键矩阵实现，不使用开发板上的基础按键，要做到如果必要，随时插拔，以防止宠物对其破坏。

整体系统的总体构建如图1组成，整个系统通过电源模块进行供电，按键模块的输入实现用户对投喂的基本设置，单片机通过红外探测器和压力传感器接收红外信号和称重信号，再由模拟量转换为电压信号。在控制器中需要利用时钟模块设置系统的实时时钟，以达到对所需要的时间节点可以做出响应。输出模块中由OLED显示屏显示时间和投喂信息，投喂时间到，通过电机模块控制食物投放，LED模块主要用于判断食物是否充足，蜂鸣器则用系统自我保护，在非投喂时间用于驱赶宠物。

注意到在系统的输出中没有加入语音播报模块[2]，是综合考虑到系统的复杂性问题并且根据现有实验表明通过音乐播报[1]，主人语音呼唤[4]，甚至只使用蜂鸣器[3]都可以实现呼唤宠物，但是笔者认为科学的投喂也要尊重宠物的自我意识，如果在设定的时间宠物没有进食，并不能判定宠物是否真正需要进食，所以也无需对宠物进行呼唤。另外，每次投喂后延时一段时间不仅仅是为了时蜂鸣器暂时停止工作，在另一方给宠物提供了进食的缓冲时间，无需到点强制喂食，这也是喂食科学性的体现，在以往文献中，未曾有学者提出。

完成构建的系统大体控制流程如图2所示，首先要保证库存食物充足，用户通过按键设置投喂，当时间到达所设置的时间时托盘上会进行一次称重，判断是否有残余食物，再通过计算投放真正所需食量，投喂结束。

如果在非投喂时间，红外感应检测到有生物靠近，则蜂鸣器发出声响，进行驱赶，达到自我保护作用。

具体投喂流程如图3所示，选用舵机充当舱门控制投喂，当定时时间到时，舵机转动，称重模块会实时检测托盘上的食物的重量，食物重量一旦高于设定量则立即停止投喂，并定时一段时间确保宠物在正常进食过程中蜂鸣器不会响。

本次设计主要在前人设计的各个系统上，对其优点进行整合，在实现基础功能的前提下保证系统的科学性和规范性，而本课题创新在于尊重宠物的自我意识，给予了一定的自由进食权利，并且宠物如果没有吃完，则下次投喂时会灵活调整。其次本设计重点考虑了系统的保护机制，在宠物暴力拆解时进行必要的驱赶，这也是大多数学者设计中最容易忽视的。