單片機(jī)控制的寵物喂食系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9686單片機(jī)控制的寵物喂食系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例概述 138281.1單片機(jī)電路 178331.2電源電路 24111.3時鐘電路 325491.3.1晶振電路 3264221.3.2DS1302時鐘電路 333791.4步進(jìn)電機(jī)模擬電路 4163671.1.1步進(jìn)電機(jī)選擇及其驅(qū)動 4245271.1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片選擇及其應(yīng)用 495711.5LCD顯示電路 5155531.6語音播報電路 730539 81.1單片機(jī)電路單片機(jī)是一種集成有半導(dǎo)體硅板，包括中央處理器（CPU），存儲器（RAM，RAM），GPIO，計時器，中斷系統(tǒng)，系統(tǒng)時鐘電路和總線等等各個模塊的微型計算機(jī)[15]，在超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的基礎(chǔ)上，將許多功能集成在一個快速、小巧的硅芯片上。它具有微型計算機(jī)的特性，因此簡稱為單片機(jī)。單片機(jī)各類相關(guān)技術(shù)在三十多年的發(fā)展過程中已經(jīng)相對較為成熟?，F(xiàn)如今，單片機(jī)不是完成某一功能的芯片，而是功能完善的相對較小的微型計算機(jī)。各類應(yīng)用對單片機(jī)的需求也隨著產(chǎn)品智能化要求的提升而不斷增大。單片機(jī)的核心是一個中央處理單元（CPU），且擁有功能較為強(qiáng)大的存儲單元，同時還配備了豐富的I/O端口，中斷系統(tǒng)，計時器等。單片機(jī)的應(yīng)用通過加大計算機(jī)技術(shù)與自動控制技術(shù)的結(jié)合，與曾經(jīng)常用的較為傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制思想和方法有了極大的差別，對系統(tǒng)設(shè)計有了很大的改進(jìn)。目前主流的單片機(jī)有51系列單片機(jī)，PIC系列單片機(jī)，AVR系列單片機(jī)，這也是應(yīng)用最廣泛的三系列單片機(jī)。現(xiàn)在，用于智能系統(tǒng)開發(fā)的單片機(jī)種類繁多，如STM，STC等，他們的計算位數(shù)，計算速度，內(nèi)部資源等各不同。需要根據(jù)不同的需要選擇和設(shè)計不同類型的單片機(jī)。為此本設(shè)計選擇的單片機(jī)是STC89C52單片機(jī)，這是一種功耗較低能、性能優(yōu)越的8位CMOS微控制器[16]，具有一個用于編程閃存的8K系統(tǒng)，并具有8K閃存字節(jié)，256字節(jié)RAM，32位輸入和輸出端口線，一個全雙工串行端口，一個板載晶體振蕩器和一個時鐘電路等等標(biāo)準(zhǔn)功能，且兼具Atmel的高密度非易失性存儲技術(shù)。圖4-1STC89C52引腳圖1.2電源電路單片機(jī)的電源采用直流5V供電，本次單片機(jī)的傳感器和無線傳輸芯片的電壓都在5V內(nèi)，所以5V的電壓足夠滿足。若有12V或者其他電壓的傳感器，則可以采取升壓模塊將5V提升到更高的電壓，進(jìn)行供電。電源電路圖如下：圖4-2電源電路圖1.3時鐘電路1.3.1晶振電路速度與時間成反比，因此速度往往以時間為基準(zhǔn)，單片機(jī)的工作速度同樣遵循以上公式，依賴單片機(jī)的工作時間。時鐘電路作為振蕩電路的一個重要部分，起到提供正弦波信號的作用，而單片機(jī)的工作速度以接收到的正弦波信號為基準(zhǔn)。本電路選擇11.0592MHZ晶振。晶振電路如下圖所示：圖4-3晶振電路圖1.3.2DS1302時鐘電路本設(shè)計需要精確的時間設(shè)置來安排喂食，所以需要系統(tǒng)時間來實現(xiàn)斷電行走。該時鐘模塊采用DS1302，具有功耗低、性能高、精度高、時間誤差小、對時間進(jìn)行自動定時、性能精度高等優(yōu)點(diǎn)。DS1302是一款實時時鐘電路采集芯片，工作在2.5V至2.5V的電壓之間，并且擁有優(yōu)越的性能和較低的功耗，可以對年、月、日、時、分、秒進(jìn)行計時，并且可以補(bǔ)充閏年中缺失的日子，是作為DS1202的升級版存在的。時鐘芯片DS1302管腳如下圖所示：圖4-4DS1302管腳圖DS1302時鐘電路圖如下所示：圖4-5DS1302電路圖1.4步進(jìn)電機(jī)模擬電路1.1.1步進(jìn)電機(jī)選擇及其驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)作為一個開環(huán)控制元件，在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它通過將接收到的脈沖信號進(jìn)行重新計算編碼，得到角位移或線性位移，最終控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。角位移需要較為精確的定位，步進(jìn)電機(jī)通過對脈沖數(shù)進(jìn)行控制來達(dá)到定位目的，而電機(jī)的速度和加速度則與頻率相關(guān)，通過控制脈沖的頻率可以實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)[17]。本系統(tǒng)采用的步進(jìn)電機(jī)是四相永磁式減速步進(jìn)電機(jī)，電壓的范圍為5V至12V。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式，為更好的實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的各項性能，采用八拍工作模式。步進(jìn)電機(jī)會因為接收到一連串的脈沖信號而連續(xù)轉(zhuǎn)動。每個脈沖信號對應(yīng)于步進(jìn)電動機(jī)的一相或兩相的一個繞組的勵磁狀態(tài)的一個改變，即轉(zhuǎn)子以一定角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)通電狀態(tài)改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一級[18]。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)模擬喂食，正旋轉(zhuǎn)表示喂食的開始，反旋轉(zhuǎn)表示喂食的結(jié)束。表4-1步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號28BYJ-48起動轉(zhuǎn)矩100P.P.Sg.cm≥300電壓V5起動頻率P.P.S≥550相數(shù)4定位轉(zhuǎn)矩g.cm≥300相電阻Ω±10%300摩擦轉(zhuǎn)矩g.cm-步距角度2.625/64嘈聲dB≤35減速比1:64絕緣介電強(qiáng)度600VAC1S1.1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片選擇及其應(yīng)用電機(jī)由于單片機(jī)的接口信號較小而無法驅(qū)動，所以在電機(jī)之間加上了一個ULN2003芯片去放大接口信號，再傳送到電機(jī)，以實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動。ULN2003由七個NPN硅達(dá)林頓管組成，因其耐壓較高、電流較大的特點(diǎn)，在各類高速、大功率系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，為增大單片機(jī)的接口信號，在本系統(tǒng)中ULN2003主要發(fā)揮其放大信號的功能。作為大電流達(dá)林頓驅(qū)動陣列，ULN2003擁有許多優(yōu)勢，如耐壓高、放大電流能力強(qiáng)、適用溫度寬、輸出電阻小等等。以本設(shè)計中使用的四相八拍步進(jìn)電機(jī)為例，采用直流電源，步進(jìn)電機(jī)各相繞組按適當(dāng)?shù)臅r間順序通電，步進(jìn)電機(jī)就可以一步一步旋轉(zhuǎn)。四相八拍的通電模式是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。下面是ULN2003驅(qū)動電機(jī)示意圖：圖4-6ULN2003驅(qū)動電機(jī)電路圖圖4-7驅(qū)動方式示意圖1.5LCD顯示電路本論文為了使喂食時間的設(shè)定及更改更加的可視，故采用液晶屏對當(dāng)前的時間以及設(shè)定的喂食時間進(jìn)行顯示。在設(shè)計過程中，關(guān)于顯示屏的選擇主要有兩種，第一種為LCD（LiquidCrystalDisplay）顯示屏，第二種為OLED（OrganicLightEmittingDisplay）顯示屏。LCD的原理是在兩塊玻璃板之間放置一個液晶，兩塊玻璃板平行放置。信號和電壓被施加到下部玻璃，下玻璃板控制晶體分子的偏轉(zhuǎn)，顯示器由來自這些像素的偏振光驅(qū)動。頂部玻璃板用于設(shè)置彩色濾光片。其中，LCD1602的引腳數(shù)為16個，在編程過程中僅使用了RS（數(shù)據(jù)命令選擇器），R/W（選擇器可讀寫）和E（激活信號）這3個引腳。隨后的編程都將圍繞這三個引腳進(jìn)行初始化，包括寫入命令和寫入數(shù)據(jù)。考慮到整個設(shè)計對于顯示器要求不高，只要滿足時間顯示就可以，而且1602代碼編寫相對簡單方便，所以選擇LCD1602芯片來完成顯示模塊的功能實現(xiàn)。表4-2LCD1602引腳對照表圖4-8LCD1602實物圖圖4-9LCD1602電路圖1.6語音播報電路本設(shè)計預(yù)期實現(xiàn)通過聲音吸引寵物的功能，選用可以錄制聲音，界面與接口都相對簡單且操作簡便的WT588D芯片可以很好地完成這個設(shè)計目的。語音電路與WT588D語言芯片相連接，與WT588D語音芯片上位機(jī)軟件（VoiceChip）相匹配。WT588D芯片在接收到高電平信號時，會將先前保存的聲音發(fā)出，實現(xiàn)吸引寵物的功能。WT588D語音芯片是集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片，功能較為強(qiáng)大，可重復(fù)擦除燒寫，支持2m~32mbit的