基于单片机与上位机的智能宠物喂食管理系统设计

1. 系统功能概述

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本设计的题目为**《基于单片机与上位机的智能宠物喂食管理系统设计》**，旨在实现一种能够自动完成宠物喂食、喂水、清理粪便，并通过上位机进行实时监控与管理的智能化系统。随着现代社会人们生活节奏的加快，宠物成为越来越多家庭生活的重要组成部分，但由于工作和外出等因素，定时喂食与环境维护往往成为养宠用户的痛点问题。本系统以单片机为核心控制器，结合多种传感器、电机驱动模块、光电耦合隔离电路以及上位机通信系统，实现对宠物日常生活环境的智能化管理。

本系统的主要功能如下：

1. 自动喂食与喂水：系统可根据预设时间自动启动电机驱动饲料与水泵模块，实现精准定量喂食与供水。
2. 智能粪便清理：系统通过红外或超声波感应器检测粪便所在区域，控制舵机或电机驱动清理装置进行自动清扫。
3. 安全控制与光电隔离：在高功率电机与控制电路之间加入光电耦合隔离，防止高压干扰导致系统误动作或损坏。
4. 上位机监控与控制：系统与计算机上位机通过串口通信进行数据交互，实现实时监测宠物活动状态、环境参数以及投喂记录。
5. 环境状态检测：系统可实时检测温湿度、光照强度等环境参数，为宠物提供一个舒适、安全的生活环境。

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2. 系统电路设计

本系统的硬件设计围绕单片机控制核心、电机驱动模块、传感器检测模块、光电隔离电路、LCD显示模块、串口通信模块以及电源系统等部分展开。各模块相互协作，共同完成系统的自动化与智能化控制功能。

2.1 单片机控制核心

本系统选用 STM32F103C8T6 单片机作为主控核心。该单片机基于 ARM Cortex-M3 内核，主频可达 72MHz，具备丰富的 I/O 资源与外设接口，适合复杂控制任务。

其主要功能如下：

• 控制电机运行逻辑（喂食、喂水、清理）。
• 采集传感器信号（红外、水位、温湿度）。
• 通过串口与上位机进行数据交互。
• 驱动LCD显示当前系统状态与时间信息。

2.2 喂食与喂水电机驱动模块

喂食系统采用 直流电机+螺旋推进机构 结构，将饲料通过旋转螺旋管精确投放到食碗中。喂水部分采用 水泵电机 控制，定时启动以提供适量饮用水。

为防止主控芯片直接驱动大功率负载，本系统选用 L298N 双H桥电机驱动模块，具有过流保护与方向控制功能。通过单片机的GPIO输出PWM信号，可实现对电机转速与方向的控制。

2.3 智能粪便清理模块

清理模块使用红外传感器或超声波模块（如 HC-SR04）检测粪便位置。当检测到地面异物或特定区域存在障碍物时，系统驱动小型电机带动清扫装置运行。

控制逻辑为：

• 红外检测信号 → STM32 采集 → 判断清理条件；
• 若检测有效，则启动清理电机；
• 清理完成后停止电机，恢复待机状态。

2.4 光电隔离与安全控制电路

由于系统中存在多路电机与传感器，易受电磁干扰影响，为此设计中在高低压部分之间加入 光电耦合器（如 PC817） 实现信号隔离。此设计不仅提高系统抗干扰能力，还能有效防止控制电路因电机瞬态电流损坏。

2.5 传感器检测模块

系统使用多种传感器实现环境与状态监测：

• 温湿度传感器（DHT11）：检测宠物箱内温湿度数据。
• 水位传感器：检测饮水容器水位，防止缺水。
• 红外传感器：检测宠物活动与清理区域状态。
• 光照传感器：辅助判断昼夜状态，优化喂食时间。

这些传感器通过ADC或GPIO口与单片机连接，实现实时数据采集。

2.6 上位机通信模块

系统采用 UART 串口通信 实现单片机与上位机的数据交互。上位机程序可使用 C# 或 Python 编写，接收来自单片机的传感器数据与系统状态信息，并可下发控制指令实现手动控制。

通信波特率一般设置为 9600bps，协议结构为起始位 + 数据位 + 停止位，采用简单的自定义帧格式进行数据封装与校验。

2.7 LCD 显示模块

采用 LCD1602 显示屏 显示系统的主要运行信息，如当前时间、环境温湿度、喂食次数、水位状态、报警提示等。LCD1602 通过 I²C 转接模块与单片机连接，仅占用两个通信引脚，极大节省了 I/O 资源。

2.8 电源模块

系统电源部分采用 5V 稳压电源 供单片机与传感器使用，12V 电源 供电机模块驱动。为保证系统稳定性，电源部分增加滤波电容与 TVS 管进行过压保护。

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3. 程序设计

本系统的软件设计采用模块化结构，分为主控程序、定时喂食模块、喂水模块、清理模块、传感器检测模块、LCD显示模块、上位机通信模块等部分。程序以 C 语言编写，运行在 Keil MDK 环境中。

3.1 主程序逻辑设计

主程序主要负责系统初始化、任务调度和主循环逻辑。系统采用轮询方式结合中断响应机制，实现对各模块的协同控制。

主程序框架如下：

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "lcd1602.h"
#include "usart.h"
#include "motor.h"
#include "sensor.h"int main(void)
{SystemInit();LCD_Init();USART_Init(9600);Motor_Init();Sensor_Init();Timer_Init();LCD_ShowString(0, 0, "Smart Feeder");while(1){Sensor_Update();Feed_Control();Water_Control();Clean_Control();Data_Transmit();delay_ms(200);}
}

3.2 定时喂食模块设计

系统通过定时器中断控制喂食时间，当达到设定时刻时启动喂食电机运行指定时间，完成一次自动喂食过程。投喂量可根据电机运行时间调整。

void Feed_Control(void)
{if(Time_Hour == Feed_Hour && Time_Minute == Feed_Minute){Motor_Feed_Start();delay_ms(Feed_Time * 1000);Motor_Feed_Stop();Feed_Count++;LCD_ShowNum(1, 0, Feed_Count, 2);}
}

3.3 喂水模块设计

喂水模块与喂食模块原理类似，通过继电器或MOS管控制水泵运行。

void Water_Control(void)
{if(Time_Hour == Water_Hour && Time_Minute == Water_Minute){Motor_Water_Start();delay_ms(Water_Time * 1000);Motor_Water_Stop();}if(Water_Level_Low()) // 水位过低报警{LCD_ShowString(1, 10, "LOW");Buzzer_Alert();}
}

3.4 智能清理模块设计

通过红外传感器检测到粪便信号后，系统控制清理电机运转一段时间。

void Clean_Control(void)
{if(IR_Sense() == 1){Motor_Clean_Start();delay_ms(5000);Motor_Clean_Stop();}
}

3.5 传感器检测模块设计

void Sensor_Update(void)
{Temperature = DHT11_ReadTemp();Humidity = DHT11_ReadHumi();Water_Level = ADC_Read(WATER_CHANNEL);Send_To_PC(Temperature, Humidity, Water_Level);
}

3.6 上位机通信模块设计

通信模块通过串口实现上位机与单片机的信息交互。单片机周期性发送当前环境参数，上位机根据需要下发控制指令。

void Data_Transmit(void)
{char buf[50];sprintf(buf, "T:%d H:%d W:%d\r\n", Temperature, Humidity, Water_Level);USART_SendString(buf);
}

3.7 LCD 显示模块设计

LCD用于显示当前状态与喂食次数等关键信息。

void LCD_Update(void)
{LCD_ShowNum(0, 0, Temperature, 2);LCD_ShowNum(0, 5, Humidity, 2);LCD_ShowNum(1, 0, Feed_Count, 2);
}

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4. 系统特点与扩展

该系统不仅实现了宠物喂食的智能化与自动化，同时还具备以下特点：

1. 高可靠性设计：通过光电隔离与电源防护电路，保证控制系统免受电机干扰。
2. 模块化架构：硬件与软件模块独立设计，方便维护与扩展。
3. 上位机实时监控：便于用户查看宠物状态与设备运行情况。
4. 可扩展性强：可加入摄像头模块、语音交互模块或APP远程控制功能，进一步提升系统智能化水平。

本系统实现了宠物喂食的自动化控制与管理，为现代智能家居养宠提供了一种实用的技术解决方案。