智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)設計

王彤華，李郁，劉煜，劉小軍，王杰

（西安明德理工學院，陜西西安，710124）

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，生活和工作壓力的不斷增大，越來越多的人也更加注重自己的精神生活[1]。為了緩解壓力豐富生活，寵物已成為我國休閑娛樂的新生力量，飼養(yǎng)寵物的潮流越來越高漲，人們對于寵物喂養(yǎng)的需求也愈來愈高。然而，喂養(yǎng)者工作繁忙無法及時照顧寵物，容易導致寵物生病及死亡[2]。同時，喂養(yǎng)者的專業(yè)知識水平相對滯后，缺乏科學喂養(yǎng)的經驗。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人工智能時代的來臨，實現(xiàn)自動化管理的智能化產品已成為一種趨勢。因此開發(fā)一款智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)成為一種迫切的需求。該系統(tǒng)可以較好地去解決以上問題，讓寵物可以在主人不方便照顧的情況下，能夠被規(guī)律且科學地喂養(yǎng)，這樣不僅可以給飼養(yǎng)者帶來便利，也能讓寵物的身體健康得到保障。該智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)適用范圍廣，不管是老人還是小朋友在操作系統(tǒng)上都容易上手，并且設計簡單方便，實用價值高。

1 系統(tǒng)整體設計方案

1.1 系統(tǒng)的整體結構

智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、重量檢測模塊、鍵盤模塊、時鐘采集模塊、電機控制模塊、聲光提示模塊和顯示模塊構成。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

1.2 系統(tǒng)的功能

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動喂養(yǎng)和手動喂養(yǎng)兩種功能。

（1）自動喂養(yǎng)模式：主要是系統(tǒng)按指定食物重量進行自動投喂，當達到指定重量后自動關閉。與此同時，系統(tǒng)按照提前設置的時間進行寵物喂養(yǎng)，到達喂養(yǎng)時間后，蜂鳴器及發(fā)光二極管提醒寵物進行進食，并在顯示屏上顯示進食的剩余時間及喂養(yǎng)食物重量。

（2）手動喂養(yǎng)模式：主要是設置了手動喂養(yǎng)按鍵，喂養(yǎng)者使用鍵盤模塊來設置投喂重量和定時間隔，之后喂養(yǎng)者直接按下按鍵模塊的手動喂養(yǎng)按鍵，電機開始轉動釋放設置好重量的食物。到達指定重量之后，蜂鳴器發(fā)出聲音，二極管發(fā)出紅色光亮提示寵物過來進食，流程結束之后蜂鳴器和二極管恢復正常狀態(tài)，喂食結束。

2 系統(tǒng)設計與測試

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 主控芯片的選擇

該設計是以AT89C52 單片機作為主控芯片，AT89C52是一款基于8 位CMOS 微控制器的芯片[3]。它擁有中斷系統(tǒng)、低功耗空閑和掉電模式、軟件設置睡眠和喚醒功能，適用于各種嵌入式應用領域。因此本研究選用了AT89C52 作為主控芯片。

2.1.2 重量測量模塊

該系統(tǒng)在重量測量模塊中采用電位器和轉換器ADC0832 構成重量檢測電路。ADC0832 為8 位分辨率A/D轉換芯片，其芯片有8 個引腳。

2.1.3 時鐘采集模塊

該系統(tǒng)的時鐘采集模塊選擇了DS1302 芯片，DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄[4]。該模塊主要對進食的時間進行實時記錄，然后通過屏幕進行顯示。

2.1.4 顯示模塊

該系統(tǒng)的液晶顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示器，它采用 HD44780 控制器[5]。對該模塊電路設計時還需加入了一個上拉電阻，上拉電阻通過電阻將不確定信號鉗入高電平，同時電阻起到限流作用。

2.1.5 聲光提示模塊

該系統(tǒng)的聲光提示模塊中的發(fā)聲模塊主要采用了一個蜂鳴器，由蜂鳴器發(fā)出聲音來吸引寵物過來進食。發(fā)光模塊電路用的是LED-RED 來進行指示燈提示，由于它的顏色鮮亮更能被寵物發(fā)現(xiàn)和識別。

2.1.6 電機控制模塊

該系統(tǒng)的電機驅動模塊主要采用直流電機、三極管與電阻構成，該模塊連接在主控芯片的P1.7 口。該模塊主要實現(xiàn)寵物的食物投喂功能。

2.1.7 鍵盤模塊

該系統(tǒng)的鍵盤模塊主要對喂食的重量、定時時間和手動喂養(yǎng)模式進行控制。為了能夠簡潔且方便地控制系統(tǒng)的喂養(yǎng)方式，因此該系統(tǒng)將采用獨立式鍵盤，即各按鍵相互獨立，互不影響，且連接便捷[6]。本次設計只需要5 個獨立按鍵，其中5 個按鍵分別為：K1 鍵為投喂重量增加；K2 鍵為投喂重量減少；K3 鍵為定時時間增加；K4 鍵為定時時間減少；K5 鍵為手動喂養(yǎng)。它們分別與單片機的管腳P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4 相連接。通過按鍵可以隨時增減數(shù)值完成對系統(tǒng)投喂模式的實時控制與設置。

綜上所述，系統(tǒng)整體硬件電路圖設計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體硬件電路設計圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分采用Keil 軟件進行了設計，主要包括主程序和子程序設計，其中子程序包括LCD 顯示、時鐘、延時、重量檢測等。主程序的設計首先需要對系統(tǒng)和外部芯片進行初始化，初始化主要對所有的數(shù)據(jù)進行復位。接下來是鍵盤的讀取過程，一旦有按鍵被按下，將自動轉入到相應的處理子程序，對其按鍵所代表模塊的固定參考值進行重新賦值，并且該系統(tǒng)設置了數(shù)值增加與減少的按鍵，可以隨時調整投喂食物重量及定時時間數(shù)值的大小。當按下K1 鍵時，將轉入投喂重量增加設置狀態(tài)；當按下K2 鍵時，將轉入投喂重量減少設置狀態(tài)；當按下K3 鍵時，將轉入定時時間增加設置狀態(tài)；當按下K4 時，將轉入定時時間減少設置狀態(tài)；當按下K5 鍵時，將轉入手動喂養(yǎng)模式。喂養(yǎng)者即可通過液晶顯示屏對設置好投喂重量和時間間隔進行實時顯示，通過時鐘采集模塊記錄剩余時間，等剩余時間為零則電機啟動，投喂定量食物，聲光提示模塊開始工作，吸引寵物進食。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2.3 系統(tǒng)性能測試

對系統(tǒng)進行自動喂養(yǎng)模式的性能測試，其主要分為兩大類分別為投喂重量和定時時間的設置。設置投喂重量增加和減少的按鍵如圖3 所示的第一個和第二個按鍵，第一個按鍵K1 表示投喂重量增加，第二個按鍵K2 表示投喂重量減少。設置時間間隔時需要點擊按鍵模塊的第三個和第四個，第三個按鍵K3 表示時間間隔增加，第四個按鍵K4表示時間間隔減少。測試步驟如下：（1）按復位按鍵，讓整個系統(tǒng)恢復初始化；（2）設置投喂重量的值；（3）按下第一個按鍵，投喂重量的數(shù)值逐漸增加，寵物每次進食的量就會隨之增加，例如將其增加到100g，如圖4 所示；（4）按下第二個按鍵，投喂重量的數(shù)值就會逐漸減少，寵物每次進食的量隨之減少，例如將其減少到99g，如圖5 所示；（5）按下第三個按鍵，時間間隔的數(shù)值就會按照喂養(yǎng)者的操作逐漸增加，寵物每次等待的時間就會加長，例如將其增加到70s，如圖6 所示；（6）按下第四個按鍵，時間間隔的數(shù)值就會逐漸減小，寵物每次等待的時間就會變短，例如將其減小到10s，如圖7 所示。由圖4、5、6、7 可知系統(tǒng)性能測試正確。

圖4 投喂重量增加

圖5 投喂重量減少

圖6 定時間隔增加

圖7 定時間隔減小

手動喂養(yǎng)功能的測試步驟如下：（1）喂養(yǎng)者按下手動喂養(yǎng)按鍵；（2）系統(tǒng)接收指令，判斷電機是否正常轉動；（3）判斷發(fā)光二極管、蜂鳴器是否正常工作。其最終的測試結果如圖8 所示。電機、發(fā)光二極管及蜂鳴器均運行正常。

圖8 手動喂養(yǎng)模式

3 結論

本文設計的智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)適用范圍廣，并且能定時定量地對寵物進行自動喂養(yǎng)，可以提供及時、高效且靈活地喂食服務。智能寵物喂養(yǎng)系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動喂養(yǎng)和手動喂養(yǎng)兩種模式。其自動喂養(yǎng)模式設計了時間間隔、投喂重量的自主化設置，主要是通過使用鍵盤模塊來控制，同時可以根據(jù)實際情況對寵物進行更加適合寵物身體狀況的喂養(yǎng)。該系統(tǒng)還配備了聲光提示模塊，當?shù)竭_喂養(yǎng)時間，發(fā)光二極管發(fā)出紅色光亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，提示寵物來指定的位置進食。同時，本系統(tǒng)還增加了一個手動喂養(yǎng)模式，該模式十分靈活且方便。手動喂養(yǎng)模式可以在特殊時刻方便喂養(yǎng)者臨時為寵物提供食物。喂養(yǎng)者如果希望自己的寵物能夠在自己不方便喂養(yǎng)的情況下，可以自己去使用喂食系統(tǒng)進行進食，就可以將此按鍵位置設置的明顯一些，并在日常生活中進行人為的引導寵物去學習如何使用這個按鍵進行進食；如果喂養(yǎng)者不希望寵物自己去使用這個按鍵進行投喂，便可以將此按鍵的位置設置的隱蔽一些，防止寵物觸碰到。