目錄TOC\o"1-3"\h\u5455摘要 緒論1.1研究背景和意義由全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品商務(wù)信息公共服務(wù)平臺(tái)咨詢顯示，近年來(lái)，中國(guó)畜牧業(yè)保持平穩(wěn)發(fā)展，2023年全國(guó)豬牛羊禽肉總產(chǎn)量達(dá)9663萬(wàn)噸，增長(zhǎng)率為0.2%，占全球肉類總產(chǎn)量的28%以上，繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。我國(guó)是世界上最大的肉類消耗國(guó)，也是世界上最大的肉類生產(chǎn)國(guó)。且遠(yuǎn)高于第二大和第三大消費(fèi)地區(qū)。我國(guó)正處于從“量增”向“質(zhì)升”轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，我國(guó)生豬養(yǎng)殖行業(yè)面臨嚴(yán)峻的勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示（2023年），養(yǎng)殖場(chǎng)一線工作人員平均年齡高達(dá)47歲，新生代勞動(dòng)力嚴(yán)重不足——90后從業(yè)者占比不到15%。與此同時(shí)，大型養(yǎng)殖企業(yè)的技術(shù)崗位人才缺口顯著，空缺率達(dá)到23%。這種勞動(dòng)力老齡化與專業(yè)技術(shù)人才短缺的雙重困境，疊加持續(xù)攀升的人工成本和生產(chǎn)效率低下的現(xiàn)狀，已成為制約我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)傳統(tǒng)散戶（年出欄生豬＜500頭）：占總養(yǎng)殖戶數(shù)68%，中小規(guī)模戶（500-5000頭）：占比25%，規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)（＞5000頭）：占比7%[2]，我國(guó)大部分養(yǎng)殖場(chǎng)自動(dòng)化程度較低，80%中小養(yǎng)殖場(chǎng)無(wú)力承擔(dān)智能設(shè)備，我國(guó)生豬養(yǎng)殖行業(yè)存在顯著的技術(shù)發(fā)展不均衡現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，具有較高科技含量的現(xiàn)代化養(yǎng)殖技術(shù)主要集中于頭部養(yǎng)殖企業(yè)，而占行業(yè)主體的中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)及個(gè)體養(yǎng)殖戶普遍面臨技術(shù)水平低下、過(guò)度依賴傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)效率偏低等問(wèn)題。在生豬養(yǎng)殖關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，飼喂系統(tǒng)的技術(shù)水平和飼料管理方式直接影響?zhàn)B殖效益。由于中小養(yǎng)殖主體普遍存在專業(yè)素質(zhì)不足、現(xiàn)代化養(yǎng)殖理念薄弱、設(shè)備陳舊等問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)投喂精度差、飼料利用率低等突出問(wèn)題?，F(xiàn)有高端飼喂設(shè)備的高昂價(jià)格超出了中小養(yǎng)殖主體的經(jīng)濟(jì)承受能力，因此急需開(kāi)發(fā)一套兼具成本效益和實(shí)用性的智能化飼喂控制系統(tǒng)，以提升行業(yè)整體養(yǎng)殖水平。根據(jù)以上內(nèi)容，推動(dòng)我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵在于提升規(guī)模化和機(jī)械化水平，其中養(yǎng)殖設(shè)備的智能化升級(jí)是核心突破口。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)以中小型養(yǎng)殖場(chǎng)為主體、飼喂設(shè)備普遍落后的行業(yè)現(xiàn)狀，本研究致力于開(kāi)發(fā)一套兼具精準(zhǔn)飼喂功能、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的智能化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用將有效促進(jìn)傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式向智能化、精準(zhǔn)化方向轉(zhuǎn)型，能顯著提高飼料轉(zhuǎn)化率、降低人工成本，還能幫助養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)現(xiàn)智能化管理，全面提升養(yǎng)殖效益，助力中小養(yǎng)殖主體突破發(fā)展瓶頸。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步和社會(huì)的不斷發(fā)展，智能化的生活方式已經(jīng)成為人們生活的一部分。智能畜牧場(chǎng)的核心作用是提升效率、降低成本、優(yōu)化健康、保障品質(zhì)、促進(jìn)環(huán)保。隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等技術(shù)的成熟，智能養(yǎng)殖將成為畜牧業(yè)的主板模式，推動(dòng)行業(yè)向精準(zhǔn)化、綠色化、無(wú)人化方向發(fā)展，為全球食品安全和可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐[5]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于基于STM32單片機(jī)的智能畜牧場(chǎng)系統(tǒng)的研究也取得了一定的進(jìn)展。在海外，德國(guó)的BigDutchman公司研發(fā)的自動(dòng)喂料系統(tǒng)可減少飼料浪費(fèi)10%以上。實(shí)時(shí)分析牲畜的體重?cái)?shù)據(jù)、生長(zhǎng)周期特征及營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化飼料的投喂配方和供給量。澳大利亞的SwagBot機(jī)器人可自主巡邏牧場(chǎng)，監(jiān)測(cè)牲畜健康并驅(qū)趕野生動(dòng)物；丹麥的PigVision系統(tǒng)利用AI分析豬的行為，預(yù)測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)生豬養(yǎng)殖行業(yè)呈現(xiàn)高度集約化特征，排名前十的養(yǎng)殖企業(yè)占據(jù)了超過(guò)50%的市場(chǎng)份額。這些規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)通過(guò)長(zhǎng)期技術(shù)積累，在飼喂設(shè)備和飼料管理方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。以母豬電子飼喂系統(tǒng)為例，系統(tǒng)地整合了射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)，能夠精準(zhǔn)記錄每頭母豬的采食行為數(shù)據(jù)，包括進(jìn)食頻次、采食量變化曲線等關(guān)鍵指標(biāo)。這種智能化裝備的應(yīng)用顯著提升了養(yǎng)殖管理的精細(xì)化程度。日本在小型化、高精度自動(dòng)化設(shè)備方面具有優(yōu)勢(shì)，如自動(dòng)清糞機(jī)器人、智能孵化器等。韓國(guó)在智慧農(nóng)場(chǎng)（SmartFarm）建設(shè)中廣泛應(yīng)用5G、AI和無(wú)人機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化管理[17]。在國(guó)內(nèi)，智能畜牧場(chǎng)已經(jīng)有了20余年發(fā)展，已從單機(jī)片面的自動(dòng)化邁向全面智能自動(dòng)化新階段。未來(lái)隨著5G等技術(shù)的融合，智能畜牧場(chǎng)將在提升生產(chǎn)效率、保障食品安全、促進(jìn)綠色發(fā)展等方面發(fā)揮更大作用，推動(dòng)我國(guó)從畜牧大國(guó)向畜牧強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)[8]。綜上所述，基于STM32單片機(jī)的養(yǎng)殖場(chǎng)飼喂裝置控制系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注和研究。目前的研究還存在一些不足之處。養(yǎng)殖場(chǎng)、屠宰場(chǎng)、國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)未打通，AI模型訓(xùn)練樣本不足。農(nóng)村地區(qū)缺乏技術(shù)運(yùn)維人員等。未來(lái)的研究方向應(yīng)該進(jìn)一步提升系統(tǒng)的功能和性能，改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并與其他智能畜牧場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)更加緊密的聯(lián)系。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化養(yǎng)殖飼喂裝置主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)投料和按需供水兩大核心功能。在飼料投喂模塊中，采用壓力傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食槽內(nèi)的飼料余量，當(dāng)檢測(cè)值低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，由主控芯片觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)補(bǔ)料。投料精度可達(dá)±5g。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)置的RFID識(shí)別模塊可對(duì)不同欄位的牲畜進(jìn)行個(gè)體化飼喂管理。在飲水供應(yīng)模塊中，通過(guò)雙紅外傳感系統(tǒng)協(xié)同工作：一組探測(cè)器識(shí)別牲畜靠近行為，另一組監(jiān)測(cè)水位變化，主控芯片根據(jù)雙重檢測(cè)信號(hào)控制供水閥門的啟閉。該系統(tǒng)的創(chuàng)新性在于實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)食槽余料量和水箱水位動(dòng)態(tài)調(diào)整投喂量。系統(tǒng)選用高性能單片機(jī)作為控制核心，充分發(fā)揮其運(yùn)行可靠、集成度高、開(kāi)發(fā)便捷、功耗低等優(yōu)勢(shì)，配合高精度壓力傳感器、紅外傳感器等檢測(cè)元件，在確保各項(xiàng)功能完整實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，大幅降低了系統(tǒng)成本，符合中小型養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)際需求。通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度和濕度，讓牲畜養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境更適合牲畜生長(zhǎng)，當(dāng)溫度高于或者低于閾值，就可以啟動(dòng)加熱器或者風(fēng)扇進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)紫外線消毒，來(lái)凈化養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境。使用單片機(jī)作為核心處理器，配合其他傳感器等元器件共同工作，進(jìn)而控制各功能模塊執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。采用模塊化設(shè)計(jì)理念，各功能單元既可獨(dú)立工作又可協(xié)同運(yùn)行，也引入邊緣計(jì)算技術(shù)，使主控芯片具備本地決策能力，低功耗設(shè)計(jì)，待機(jī)電流小于10mA，適合長(zhǎng)期連續(xù)工作；支持WiFi多種通信方式，便于接入智慧養(yǎng)殖場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖加入紅外接近傳感器進(jìn)行陌生人感知，當(dāng)有人靠近時(shí)進(jìn)行報(bào)警響應(yīng)。利用MQ-2型煙霧傳感器等傳感器，將采集到的信息上傳到云系統(tǒng)中，對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)以O(shè)neNET為基礎(chǔ)的云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連接到云計(jì)算平臺(tái)上的各種裝置。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶端對(duì)設(shè)備端數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)測(cè)。2.2系統(tǒng)硬件選型單片機(jī)模塊的選型本系統(tǒng)選用STC公司最新推出的IAP15W4K61S4單片機(jī)作為核心控制器，該芯片采用1T架構(gòu)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有4KBSRAM存儲(chǔ)空間，配備5個(gè)16位定時(shí)器和6路15位高精度PWM輸出，最高工作頻率可達(dá)33.1776MHz。作為STC新一代高速單片機(jī)，它不僅保留了傳統(tǒng)8051系列易用性強(qiáng)的特點(diǎn)，還集成了多種32位單片機(jī)的外設(shè)資源，憑借1T指令周期設(shè)計(jì)，其運(yùn)行速度較早期的8051芯片提升2-10倍。不過(guò)與STM32F103C8T6相比，其性能仍有一定差距。綜合考慮性價(jià)比因素，本設(shè)計(jì)最終采用STM32F103C8T6作為主控芯片。該芯片具有以下優(yōu)勢(shì)：成本效益突出;外設(shè)資源豐富;程序存儲(chǔ)容量充足;運(yùn)算性能優(yōu)異。這些特性使其完全滿足本系統(tǒng)的控制需求。實(shí)物外觀如圖2所示。圖2STM32單片機(jī)核心板實(shí)物圖空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊選型PMS5003是一款基于激光散射原理的數(shù)字式顆粒物濃度傳感器，主要用于檢測(cè)空氣中的PM2.5和PM10等可吸入顆粒物。該傳感器采用先進(jìn)的激光散射檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量激光束照射顆粒物產(chǎn)生的特定角度散射光強(qiáng)度變化，結(jié)合米氏（MIE）散射理論算法，能夠精確計(jì)算出不同粒徑顆粒物的數(shù)量濃度分布。檢測(cè)原理是通過(guò)分析顆粒物對(duì)激光的散射特性，建立散射光強(qiáng)與顆粒物粒徑及濃度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)PM2.5/PM10等細(xì)顆粒物的高精度測(cè)量。最終將濃度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度（μg/m3）輸出。實(shí)物如下圖3所示。參數(shù)見(jiàn)表1。圖3PMS5003實(shí)物圖表1PMS5003參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注測(cè)量范圍0.3μm～1.0μm?最小分辨粒徑?0.3μm?顆粒物質(zhì)量濃度有效量程0～500μg/m3單次響應(yīng)時(shí)間≤1秒?工作電壓5V?工作電流≤100mA待機(jī)電流≤10mA?工作溫度范圍?-10℃～+60℃??外形尺寸?50mm×38mm×20.9mm??顯示模塊選型采用OLED0.96寸顯示屏作為顯示單元，常見(jiàn)的OLED屏幕分為IIC通訊以及ISP通訊控制兩種，使用IIC控制的OLED屏除去電源管腳外只需要兩個(gè)信號(hào)腳就可驅(qū)動(dòng)顯示相比其他顯示屏幕電路的最為簡(jiǎn)潔，該顯示器采用128×64點(diǎn)陣設(shè)計(jì)，具有較高的顯示分辨率和豐富的圖形表現(xiàn)能力。其顯示單元不僅能清晰呈現(xiàn)數(shù)字、字母等字符信息，還可支持漢字顯示和圖形繪制功能，在視覺(jué)表現(xiàn)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)顯示器很為重要，OLED顯示屏的顯示效果比LCD顯示屏和數(shù)碼管要強(qiáng)，硬件接線以及控制方式都非常的簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)使用的為4pin的IIC版本顯示屏分別由兩個(gè)電源腳和兩個(gè)IIC通訊腳組成，128*64的顯示像素可支持顯示任何圖案，文字，字符豐富了對(duì)交互界面的設(shè)計(jì)，如圖4所示。參數(shù)見(jiàn)表2圖4OLED實(shí)物圖表2OLED參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注尺寸0.96cm分辨率?128×64px??工作電壓3.3V～5V工作電流?28mA（工作狀態(tài)）?25uA（休眠狀態(tài)）工作溫度范圍-20℃～60℃?食物監(jiān)測(cè)模塊選型壓力達(dá)到一定程度時(shí)，發(fā)出短信報(bào)警信號(hào)，所以本次設(shè)計(jì)方案采用壓力模塊，壓力模塊由兩部分組成，應(yīng)變片與AD轉(zhuǎn)換芯片HX711。該壓力模塊實(shí)物圖圖示如圖5所示。參數(shù)見(jiàn)表3。圖5壓力模塊實(shí)物圖表3壓力模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注量程0～5kg靈敏度?1.0mV??工作電壓2.6V～5.5V工作電流?工作電流<1.6mA?斷電電流<1μA輸出速率10Hz?自動(dòng)喂食模塊選型自動(dòng)喂食模塊，我選用電機(jī)帶動(dòng)的履帶傳送飼料，通過(guò)前文的壓力傳感器感知飼料剩余重量，當(dāng)達(dá)到閾值，電機(jī)就會(huì)啟動(dòng)，帶動(dòng)履帶把飼料傳送到食槽，或者使用按鈕模塊也可以人工添加飼料。在這次的設(shè)計(jì)中，我使用了一款常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)——28BYJ-48四項(xiàng)五線步進(jìn)電機(jī)。ULN2003和ULN2803是兩種常用的驅(qū)動(dòng)芯片方案。這兩種集成電路均采用高性能達(dá)林頓晶體管陣列設(shè)計(jì)，具有相似的電氣特性和驅(qū)動(dòng)能力。作為大電流驅(qū)動(dòng)器件，它們能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電流切換，確保驅(qū)動(dòng)波形保持理想的矩形特性，從而提升電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。ULN2003作為一款高耐壓、大電流的達(dá)林頓管陣列，內(nèi)部集成了7個(gè)獨(dú)立的NPN達(dá)林頓對(duì)管。其突出的特點(diǎn)是具備5VTTL/CMOS電平兼容性，可直接與各類數(shù)字邏輯電路接口，無(wú)需額外配置電平轉(zhuǎn)換電路。每個(gè)輸出通道均能提供高達(dá)500mA的持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，且集成了續(xù)流二極管，為感性負(fù)載提供完善的保護(hù)功能。這種高度集成的設(shè)計(jì)使其成為小型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的理想選擇。具體的電路圖可參考圖6。參數(shù)見(jiàn)表4。圖6外接步進(jìn)電機(jī)模塊實(shí)物圖表4外接步進(jìn)電機(jī)模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注啟動(dòng)頻率≥550PPS保持轉(zhuǎn)矩?>34.3mN·m??摩擦轉(zhuǎn)矩>380gf·cm?噪音?<40dB?額定電壓?15VDC?工作電壓范圍為5V～12V溫濕度模塊選型DHT11是一款集成了溫濕度檢測(cè)功能的數(shù)字式復(fù)合傳感器。該器件采用獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部包含一個(gè)8位微處理器單元，分別與電阻式濕度傳感元件和NTC溫度測(cè)量元件相連，通過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)直接輸出標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量數(shù)據(jù)。其顯著特點(diǎn)是采用4引腳緊湊封裝，僅需在數(shù)據(jù)線配置上拉電阻即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制便捷、成本效益突出等優(yōu)勢(shì)。性價(jià)比較高。DHT11實(shí)物圖如圖7所示。DHT11傳感器原件的參數(shù)見(jiàn)表5。圖7溫濕度傳感器實(shí)物圖表5溫濕度傳感器參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注溫度量程-20℃～+60℃溫度精度?±2℃?濕度量程5%RH～95%RH濕度精度?±5%RH?供電電壓?3.3V～5.5V?響應(yīng)時(shí)間溫度6s～30s濕度6s–16s尺寸29.0mm×18.0mm水滿感應(yīng)模塊選型將水滿感應(yīng)模塊固定在容器上，當(dāng)水的容量少于設(shè)定的閾值時(shí)，就通過(guò)水泵在水庫(kù)中抽水，當(dāng)水的容量大于設(shè)定的閾值，就會(huì)抽水回水庫(kù)。紅外對(duì)管感應(yīng)模塊的原理是利用紅外對(duì)管，在接收到紅外線信號(hào)后，輸出電壓或電流來(lái)控制電路。K-0135水位傳感器紅外對(duì)管是一種具有特殊功能的光電二極管，在其兩端有兩個(gè)不同的材料，當(dāng)紅外線照射在這兩種材料之間時(shí)，會(huì)在其中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生電流。這種電流通常是微小的，需要經(jīng)過(guò)一定的放大和處理后才能使用從而觸發(fā)感應(yīng)模塊，使其輸出一個(gè)信號(hào)。紅外對(duì)管感應(yīng)模塊廣泛應(yīng)用于安防系統(tǒng)、電子產(chǎn)品、自動(dòng)門等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)、自動(dòng)控制等功能[13]。本次設(shè)計(jì)采用紅外對(duì)管感應(yīng)模塊，當(dāng)牲畜靠近時(shí)，打開(kāi)水源，繼電器模塊打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)水，當(dāng)水位滿時(shí)，水滿模塊外對(duì)管感應(yīng)模塊觸發(fā)，關(guān)停繼電器，從而實(shí)現(xiàn)水滿控制。電路圖如8所示。參數(shù)見(jiàn)表6圖8水位傳感器實(shí)物圖表6水位傳感器參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注工作電壓5V工作電流?<20mA?檢測(cè)面積40mm×16mm工作溫度10℃～30℃工作濕度10RH%～90RH%自動(dòng)供水模塊選型采用三極管驅(qū)動(dòng)方案解決繼電器線圈的電流驅(qū)動(dòng)需求。由于單片機(jī)I/O口的輸出電流有限，我們選用了S8550型PNP三極管作為驅(qū)動(dòng)元件，配合1KΩ基極電阻構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。該電路的工作原理是：當(dāng)單片機(jī)輸出低電平信號(hào)時(shí)，三極管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使繼電器線圈得電吸合，此時(shí)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)與公共端接通；當(dāng)輸出高電平時(shí)，三極管截止，線圈失電釋放，繼電器恢復(fù)至常閉觸點(diǎn)導(dǎo)通狀態(tài)。整個(gè)繼電器模塊由驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，其中三極管承擔(dān)電子開(kāi)關(guān)的核心功能，通過(guò)控制小電流實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流負(fù)載的通斷管理。這種設(shè)計(jì)既保證了驅(qū)動(dòng)可靠性，又有效隔離了高低壓電路。具體的繼電器電路圖如圖9所示。參數(shù)見(jiàn)表7。圖9繼電器模塊電路圖表7繼電器模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注最大負(fù)載電壓交流250V直流30V最大負(fù)載電流?交流10A?直流10A尺寸50mm×26mm×18.5mm語(yǔ)音提示模塊選型語(yǔ)音JQ6500是一款小型語(yǔ)音音頻模塊，它支持多種音頻格式，包括MP3、WAV等。它可以通過(guò)串口控制的方式播放音頻，支持單曲循環(huán)、隨機(jī)播放、順序播放等多種播放模式。此外，它還支持音量調(diào)整、EQ設(shè)置等功能]。電路如圖10所示。參數(shù)見(jiàn)表8。圖10語(yǔ)音模塊實(shí)物圖表8語(yǔ)音模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注輸入電壓供電在3.5V～5V最佳為4.2V額定電流20mA喇叭功率3w工作溫度-40℃～80℃濕度5%～95%按鍵模塊選型單片機(jī)按鍵工作原理如下：1.按鍵接在單片機(jī)的一組I/O引腳上，引腳默認(rèn)為高電平。2.當(dāng)按鍵被按下，按鍵兩端的金屬接觸造成短路，按鍵引腳與地之間就會(huì)形成電流通路。此時(shí)按鍵引腳電位變?yōu)榈碗娖健?.單片機(jī)內(nèi)部的GPIO輸入寄存器檢測(cè)到引腳電位變化，將該狀態(tài)保存在寄存器中。4.軟件程序需要定時(shí)掃描GPIO輸入寄存器，系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指定引腳的電平變化來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)功能。當(dāng)檢測(cè)到該引腳出現(xiàn)從高電平到低電平的跳變（表明按鍵被觸發(fā)）時(shí)，這種邊沿觸發(fā)檢測(cè)機(jī)制能夠準(zhǔn)確識(shí)別用戶輸入操作，同時(shí)有效避免電平抖動(dòng)帶來(lái)的誤觸發(fā)問(wèn)題。如果沒(méi)有檢測(cè)到按鍵按下的狀態(tài)，則繼續(xù)輪詢等待按鍵按下。需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止按鍵抖動(dòng)引起非預(yù)期的觸發(fā)，通常會(huì)在硬件電路或軟件程序中設(shè)置一定的去抖動(dòng)機(jī)制，以保證按鍵能夠正確有效地觸發(fā)。按鍵實(shí)物圖如下圖所示11所示。圖11按鍵實(shí)物圖紫外線消毒模塊選型UVC滅菌組件是一種基于短波紫外線（250-280nm）的消毒技術(shù)裝置。該模塊通過(guò)發(fā)射C波段紫外線，能有效破壞微生物的核酸結(jié)構(gòu)，使其喪失繁殖能力，實(shí)現(xiàn)快速滅菌。UVC消毒模組主要采用250-280nm波段的短波紫外線，該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外光能有效穿透微生物細(xì)胞壁，使其DNA/RNA分子鏈斷裂，從而喪失復(fù)制能力，實(shí)現(xiàn)徹底的殺菌消毒效果。其核心殺菌機(jī)理是通過(guò)高能UVC光子直接作用于病原體的核酸物質(zhì)，破壞其分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到快速滅活各類細(xì)菌、病毒等有害微生物的目的。適用于車載殺菌、空調(diào)殺菌、空氣凈化器等領(lǐng)域，確保室內(nèi)空氣潔凈。實(shí)物圖如下圖12所示，參數(shù)見(jiàn)表9。圖12?UVC消毒模塊實(shí)物圖表9?UVC消毒模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注工作電壓12V?光功率?12mW-24mW??峰值波長(zhǎng)260nm-280nm?出光角100℃?電源電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源采用DC直流電輸入，電壓為5V，使用USB線轉(zhuǎn)5.5mmDC頭輸入的方式，U6為電源輸入總開(kāi)關(guān)D2為電源輸入LED燈。本系統(tǒng)采用5V直流供電方案，可直接適配電腦USB接口或手機(jī)充電器等標(biāo)準(zhǔn)5V電源。針對(duì)電路中需要3.3V電壓的模塊，選用ASM1117低壓差線性穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。具體電源管理設(shè)計(jì)如下：成品單片機(jī)模塊內(nèi)置ASM1117穩(wěn)壓電路，當(dāng)USB輸入5V電源后，首先通過(guò)C8、C6組成的輸入濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初級(jí)濾波，再經(jīng)ASM1117芯片穩(wěn)壓至3.3V，最后通過(guò)輸出端濾波電容進(jìn)行二次濾波，從而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、低噪聲的3.3V工作電源。這種兩級(jí)濾波的電源設(shè)計(jì)有效保證了系統(tǒng)供電品質(zhì)。藍(lán)牙模塊選型HC-05藍(lán)牙模塊作為一款嵌入式串口通信設(shè)備，極大降低了藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用門檻。該模塊兼容藍(lán)牙2.0+EDR規(guī)范，內(nèi)置完整的協(xié)議棧處理功能，開(kāi)發(fā)者只需通過(guò)簡(jiǎn)單的AT指令配置，即可快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，特別適合10米范圍內(nèi)的設(shè)備間通信應(yīng)用。其即插即用的特性使得用戶無(wú)需深入掌握復(fù)雜的藍(lán)牙協(xié)議細(xì)節(jié)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口接口就能輕松完成藍(lán)牙功能的集成開(kāi)發(fā)。HC-05可以在主設(shè)備模式(Master)或從設(shè)備模式(Slave)之間切換，具有較高的靈活性。用戶可以通過(guò)AT指令集配置模塊的工作模式、設(shè)備名稱、配對(duì)密碼等。HC-05模塊可以與多種單片機(jī)(如STM32)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)智能控制和數(shù)據(jù)采集功能。適用于工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、無(wú)線數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域[16]。實(shí)物圖如下圖13所示，參數(shù)見(jiàn)表10。圖13HC-05藍(lán)牙串口通信模塊實(shí)物圖表10HC-05藍(lán)牙串口通信模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注頻段2.4GHz最大發(fā)射功率??4dBm?接收靈敏度?-85dBm通信距離?10m?工作電壓3.6V–6V供電電流40mA加熱模塊選型?PTC加熱片?，即PTC陶瓷發(fā)熱片，我選用JY-2540型，它是一種具有正溫度系數(shù)的陶瓷元件，能夠在溫度升高時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值，從而控制功率輸出和溫度。這種特性使得PTC加熱片在各種應(yīng)用中表現(xiàn)出色，特別是在需要自動(dòng)恒溫和安全保護(hù)的設(shè)備中。是一種自動(dòng)恒溫、省電的電加熱器。實(shí)物圖如下圖14所示，參數(shù)見(jiàn)表11。圖14加熱模塊實(shí)物圖表11加熱模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注尺寸25mm×40mm工作電壓?12V?功率范圍3W-30W電阻值?0.1KΩ-4.5KΩ恒溫范圍40℃-80℃降溫模塊選型MF40101VX-1000U-A99?MF40101VX-1000U-A99是由Sunon公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一款直流風(fēng)扇，通過(guò)加速空氣流動(dòng)促進(jìn)農(nóng)場(chǎng)蒸發(fā)（蒸發(fā)冷卻效應(yīng)），從而降低牲畜體感溫度，但不會(huì)直接降低空氣溫度?。吹散牲畜皮膚周圍被體溫加熱的空氣層，促進(jìn)新鮮空氣與牲畜皮膚接觸，?實(shí)物圖如下圖15所示，參數(shù)見(jiàn)表12。圖15風(fēng)扇實(shí)物圖表12風(fēng)扇模塊參數(shù)參數(shù)技術(shù)條件備注電壓12V氣流40.0mm×40.0mm?靜壓力9.9CFM噪聲62.3Pa工作溫度-10℃～70℃重量15.42g第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1總體硬件電路3.1.1總體硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，主要從以下原則出發(fā)：在本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，采用軟硬件協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)合理的功能分配，將部分硬件功能交由軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用硬件加速軟件處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這種設(shè)計(jì)方法雖然會(huì)在一定程度上增加軟件響應(yīng)時(shí)間并占用CPU資源，在確保功能可行性和實(shí)時(shí)性要求的前提下，優(yōu)先考慮采用軟件方案替代傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方式。這種軟硬件結(jié)合的優(yōu)化策略既保證了系統(tǒng)性能，又實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。本系統(tǒng)采用精簡(jiǎn)化的可靠性設(shè)計(jì)原則，根據(jù)電子系統(tǒng)可靠性理論，元器件數(shù)量與系統(tǒng)MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）呈反比關(guān)系，同時(shí)減少芯片數(shù)量能顯著降低地址數(shù)據(jù)總線在PCB上的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)。在單片機(jī)核心系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，我們堅(jiān)持在確保功能完整性的前提下，通過(guò)高度集成的芯片選型和優(yōu)化的電路布局，最大限度地減少元器件使用數(shù)量。這種最小化設(shè)計(jì)策略不僅提升了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了抗干擾能力，同時(shí)簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝和維護(hù)流程。根據(jù)系統(tǒng)要求和上述硬件設(shè)計(jì)原則,確定系統(tǒng)硬件原理圖。下面詳細(xì)介紹一下主要的電路設(shè)計(jì)。電路原理圖如圖16所示。圖16電路原理圖3.1.2部分硬件電路DS1302是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的一款高性價(jià)比實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）芯片。DS1302采用雙電源供電設(shè)計(jì)，OLED引腳說(shuō)明為；第1腳：GND引腳與單片機(jī)系統(tǒng)的GND相連即可。第2腳：VCC是供電腳，使用5V接入。第3腳：SCL時(shí)鐘引腳。第4腳：SDA數(shù)據(jù)引腳。液晶屏的引腳1和引腳2提供電源，SCL接單片機(jī)PB6，SDA接單片機(jī)PB7引腳。所用到的單片機(jī)內(nèi)部有IIC外設(shè)，設(shè)計(jì)中將對(duì)應(yīng)的信號(hào)腳相連即可OLED顯示電路的原理圖如圖17所示。圖17OLED與單片機(jī)連接電路圖該壓力模塊由兩部分組成，分別是應(yīng)變片和AD轉(zhuǎn)換芯片HX711。應(yīng)變片引出了4條接線，其中黑色電源線與AD模塊上的E相連接，紅色電源線與AD模塊+相連，白色信號(hào)線與AD模塊S-A相連，綠色信號(hào)線與AD模塊S+A線相連接。此外，本次設(shè)計(jì)方案采用5V供電，AD模塊芯片HX711是一種24位專用壓力采集芯片，具有最小分辨率為1g的特點(diǎn)。外部接線方式簡(jiǎn)單，只需在系統(tǒng)供電的情況下與單片機(jī)兩個(gè)I/O口相連，分別為單片機(jī)PC13和PC14即可。內(nèi)部電路圖如圖18所示。圖18HX711稱重模塊電路圖此次設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)采用電壓為5V的方式供電，可以使用電腦或者手機(jī)充電器提供5V電壓。電路中需使用3.3V的電壓，使用穩(wěn)壓芯片ASM1117，將系統(tǒng)電壓值轉(zhuǎn)換成3.3V，電路如圖19所示。圖19電源內(nèi)部電路圖ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片的每個(gè)達(dá)林頓管對(duì)均內(nèi)置2.7KΩ基極電阻，使其在5V工作電壓下可直接兼容TTL和CMOS電平信號(hào)，省去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中必需的電平轉(zhuǎn)換電路。在28BYJ-48四相五線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵要明確電機(jī)接口特性：該電機(jī)采用四相勵(lì)磁方式，僅需連接VCC電源并通過(guò)四個(gè)GPIO端口分別控制各相繞組通斷時(shí)序，即可實(shí)現(xiàn)精確的正反轉(zhuǎn)控制。這種設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了硬件電路結(jié)構(gòu)，又保證了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電氣兼容性。內(nèi)部電路圖如圖20所示。圖20步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部電路圖將蜂鳴器的正極連接至電源正極，負(fù)極則接入單片機(jī)的IO口。為了保護(hù)電路免受蜂鳴器斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)沖擊，三極管8050作為放大器，并且連接了電阻，在蜂鳴器正極計(jì)入5V的電源，與主控模塊的BEEP接口連接，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)傳輸。內(nèi)部電路圖如圖21所示。圖21蜂鳴器電路圖DS1302共有兩個(gè)電源引腳：VCC2是芯片的主電源，而VCC1則是備用電源引腳。備用電源引腳通常連接3V紐扣電池，以供電主電源斷電時(shí)芯片內(nèi)部自動(dòng)走時(shí)的功能。主電源正常工作時(shí)優(yōu)先使用VCC2供電，信號(hào)線（SCLK）連接至微控制器PB14引腳，數(shù)據(jù)通信線（DATA）接入微控制器PB13引腳片選控制線（CE）與微控制器PB12引腳相連。內(nèi)部電路圖如圖22所示。。圖22時(shí)鐘模塊電路圖語(yǔ)音模塊采用串口控制的方式，通過(guò)單片機(jī)下發(fā)指令，使得語(yǔ)音JQ6500模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的聲音信號(hào)，語(yǔ)音模塊的TXD引腳與單片機(jī)的PA10相連接，RXD引腳與單片機(jī)的PA9相連接,BUSY引腳與單片機(jī)的PA15引腳相連。SPK+與SPK-外接4Ω的揚(yáng)聲器即可。內(nèi)部電路圖如圖23所示。圖23語(yǔ)音模塊電路圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，主要是菜單界面的設(shè)定操作。AJ-1與AJ-4作為界面跳轉(zhuǎn)按鈕以及換位和返回功能，摁下AJ-1進(jìn)入設(shè)置界面，可以對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在通過(guò)AJ-2和AJ-3對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。內(nèi)部電路圖如圖24所示。圖24按鍵電路接線圖第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1編程語(yǔ)言和編譯器的選擇在單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)中，主要采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩種編程方式。匯編語(yǔ)言雖然具有代碼精簡(jiǎn)、執(zhí)行效率高的特點(diǎn)，但在處理復(fù)雜邏輯運(yùn)算時(shí)顯得不夠直觀和便捷。相比之下，C語(yǔ)言憑借其豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)支持（包括字符串處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等模塊）、更靈活的編程方式以及更成熟的編譯工具鏈，在開(kāi)發(fā)效率和可維護(hù)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。特別是對(duì)于數(shù)學(xué)運(yùn)算、字符串處理等復(fù)雜功能，C語(yǔ)言能提供更高效的實(shí)現(xiàn)方式。此外，C語(yǔ)言程序的調(diào)試和錯(cuò)誤定位也更為簡(jiǎn)便。根據(jù)上文，本設(shè)計(jì)選擇C語(yǔ)言作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。在開(kāi)發(fā)工具方面，選用KeilMDK作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。該環(huán)境專為ARM架構(gòu)單片機(jī)優(yōu)化，具有很多顯著優(yōu)勢(shì)：智能化的關(guān)鍵字提示和代碼補(bǔ)全功能，提升開(kāi)發(fā)效率；完善的宏定義和庫(kù)文件管理系統(tǒng)，支持模塊化編程；可直接生成可燒錄的HEX文件；內(nèi)置強(qiáng)大的仿真調(diào)試功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控IO端口狀態(tài)；提供詳細(xì)的錯(cuò)誤診斷信息，幫助開(kāi)發(fā)者快速定位問(wèn)題。這些特性使得KeilMDK成為STM32系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)的理想選擇。調(diào)試和編輯時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。他完美的提示可以更快地找到問(wèn)題點(diǎn)和問(wèn)題原因。4.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)以模塊化的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，大致分為主函數(shù)，溫濕度檢測(cè)函數(shù)，重量數(shù)據(jù)采集函數(shù)，時(shí)鐘走時(shí)函數(shù)，OLED顯示函數(shù)，蜂鳴器控制函數(shù)，步進(jìn)電機(jī)控制函數(shù)，語(yǔ)音模塊控制函數(shù)，按鍵識(shí)別函數(shù)，寵物感應(yīng)、水滿識(shí)別函數(shù)。所有的子函數(shù)再在主函數(shù)或者中斷中調(diào)用使用。4.3主程序本系統(tǒng)采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)功能分解構(gòu)建了清晰的模塊連接關(guān)系圖。在程序設(shè)計(jì)層面，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制各功能模塊的接口框圖明確數(shù)據(jù)流向與控制邏輯初始化程序后，各個(gè)模塊啟動(dòng)，水滿模塊啟動(dòng)后，會(huì)判斷水是否達(dá)到閾值，當(dāng)水多于閾值，就會(huì)通過(guò)水泵把水從水槽中抽出，當(dāng)水少于閾值，就會(huì)從水庫(kù)中抽水進(jìn)入水槽。壓力模塊啟動(dòng)后，會(huì)判斷食槽中食物重量，不夠就通過(guò)電機(jī)控制傳送帶把食物送到食槽中?？諝赓|(zhì)量模塊啟動(dòng)后，就監(jiān)測(cè)空氣中PM2.5，當(dāng)空氣中PM2.5超標(biāo)，就啟動(dòng)風(fēng)扇，當(dāng)溫濕度模塊啟動(dòng)后，溫度高于閾值，就啟動(dòng)風(fēng)扇降溫，溫度低于閾值，就啟動(dòng)加熱器加熱，按鈕模塊可以直接控制水泵、傳送帶、風(fēng)扇和加熱器。流程圖如下圖25所示。圖25主程序流程圖4.4溫濕度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)對(duì)傳感器進(jìn)行底層程序編寫時(shí)需要了解其通訊的時(shí)序，時(shí)序正確才能確保與傳感器正常通訊。DHT11傳感器采用特定的單總線通信協(xié)議。主機(jī)通過(guò)將總線電平拉低18ms以上來(lái)發(fā)起通信請(qǐng)求，隨后釋放總線并切換為輸入模式。DHT11檢測(cè)到起始信號(hào)后，會(huì)先將總線拉低80μs作為應(yīng)答信號(hào)，接著拉高80μs準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，每個(gè)比特都以50μs的低電平時(shí)隙開(kāi)始，通過(guò)測(cè)量后續(xù)高電平的持續(xù)時(shí)間來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)位：26-28μs的高電平表示邏輯"0"，70μs的高電平表示邏輯"1"。整個(gè)通信過(guò)程中，總線空閑時(shí)保持高電平狀態(tài)，圖26所示。圖26DHT11控制時(shí)序圖了解完通訊原理即可編輯對(duì)應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng)程序。具體流程圖如下圖27所示。圖27DHT11程序流程圖4.5稱重模塊數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后，模塊初始化，該AD轉(zhuǎn)換模塊采用嚴(yán)格的時(shí)序控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。使能AD轉(zhuǎn)換器（將PD_SCK置為低電平），等待AD轉(zhuǎn)換完成信號(hào)（BUSY引腳檢測(cè)），當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)換完成信號(hào)后，將PD_SCK置高產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。在時(shí)鐘下降沿觸發(fā)時(shí)，執(zhí)行Count變量左移操作（最低位補(bǔ)0），將PD_SCK置低完成一個(gè)時(shí)鐘周期，持續(xù)該過(guò)程直至完成24個(gè)數(shù)據(jù)位的采集在第25個(gè)脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，返回最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。該設(shè)計(jì)通過(guò)精確的時(shí)鐘邊沿控制確保數(shù)據(jù)采集的可靠性，采用移位寄存器方式實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終輸出符合要求的數(shù)字量。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程嚴(yán)格遵循器件工作時(shí)序要求，在保證轉(zhuǎn)換精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效的資源利用。流程圖如圖28所示。圖28稱重傳感器讀取程序流程圖4.6顯示程序設(shè)計(jì)依托于單片機(jī)自帶IIC通訊接口，與顯示屏通訊連接變得較為簡(jiǎn)便只需要調(diào)用系統(tǒng)庫(kù)就可實(shí)現(xiàn)，顯示程序中主要對(duì)界面的顯示編排。具體顯示程序流程圖如下圖29所示。圖29顯示程序流程圖4.7時(shí)間模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電，時(shí)鐘模塊初始化，根據(jù)芯片手冊(cè)，對(duì)相應(yīng)的地址寫入?yún)?shù)，然后讀出對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，并通過(guò)OLED顯示。如圖30所示。圖30時(shí)鐘程序流程圖4.8按鍵程序設(shè)計(jì)在獨(dú)立按鍵的硬件設(shè)計(jì)中，機(jī)械式按鍵因其物理結(jié)構(gòu)特性，在觸點(diǎn)閉合/斷開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可避免的彈性振動(dòng)，導(dǎo)致電平信號(hào)出現(xiàn)瞬態(tài)抖動(dòng)現(xiàn)象。為確保按鍵檢測(cè)的可靠性，需在軟件層面實(shí)施消抖處理。本設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的延時(shí)消抖算法，其實(shí)現(xiàn)邏輯為：當(dāng)首次檢測(cè)到按鍵電平變化時(shí)，啟動(dòng)10-20ms的延時(shí)（具體時(shí)長(zhǎng)根據(jù)按鍵特性調(diào)整），待抖動(dòng)穩(wěn)定后再次采樣確認(rèn)按鍵狀態(tài)。只有連續(xù)兩次檢測(cè)均判定為有效電平，才確認(rèn)為真實(shí)按鍵事件。這種雙重檢測(cè)機(jī)制能有效消除觸點(diǎn)抖動(dòng)帶來(lái)的誤觸發(fā)問(wèn)題，同時(shí)保證系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)性。具體的程序流程如下圖31所示：圖31按鍵程序流程圖第五章系統(tǒng)仿真與測(cè)試5.1電路原理圖、接口、硬件構(gòu)成本系統(tǒng)采用微控制器作為核心處理單元，構(gòu)建了一套智能化的牲畜飼喂解決方案。系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感模塊和紅外檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知功能，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電磁閥執(zhí)行單元完成飼料投放與供水控制，配備液晶顯示界面實(shí)時(shí)展示時(shí)間信息、環(huán)境參數(shù)及飼料余量數(shù)據(jù)。（1）智能投喂功能模塊采用閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼喂。該模塊由三個(gè)核心組件構(gòu)成：參數(shù)設(shè)置單元（按鍵輸入）、重量檢測(cè)單元（壓力傳感器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)）。當(dāng)操作人員通過(guò)按鍵界面預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)投喂量，壓力傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)食槽內(nèi)飼料重量，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘到達(dá)預(yù)設(shè)投喂時(shí)間且檢測(cè)到實(shí)際重量低于設(shè)定值時(shí)，主控芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟料倉(cāng)閘門；在投喂過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)比對(duì)當(dāng)前重量與目標(biāo)值，當(dāng)兩者一致時(shí)立即控制電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)閉閘門，完成定量投喂過(guò)程。該設(shè)計(jì)確保了飼料投放的精確性和時(shí)效性。（2）智能供水系統(tǒng)采用紅外感應(yīng)觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)按需供水。該模塊由紅外探測(cè)單元和電磁控制閥組成，其工作原理為：當(dāng)紅外傳感器陣列檢測(cè)到牲畜進(jìn)入飲水區(qū)域時(shí)，立即向主控制器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，控制器隨即輸出驅(qū)動(dòng)電流使電磁閥勵(lì)磁線圈得電，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)閥芯動(dòng)作，從而開(kāi)啟供水通道；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到牲畜離開(kāi)飲水區(qū)域后，自動(dòng)切斷電磁閥電源，利用復(fù)位彈簧使閥芯歸位，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的快速關(guān)斷。（3）進(jìn)食提醒功能：通過(guò)按鍵可以設(shè)置每天的語(yǔ)音提醒時(shí)間，當(dāng)牲畜需要進(jìn)行喂食時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行工作，響起語(yǔ)音，提醒牲畜進(jìn)食，從而養(yǎng)成牲畜良好的進(jìn)食習(xí)慣。（4）溫度和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能：通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度，使用風(fēng)扇和加熱器調(diào)節(jié)溫度，空氣質(zhì)量可以改變養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境。5.2仿真代碼編寫使用代碼軟件Keil進(jìn)行編寫，首先，需要對(duì)STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行初始化配置，包括時(shí)鐘、GPIO、中斷、串口等外設(shè)的初始化。串口1連接語(yǔ)音模塊，設(shè)置紅外傳感器引腳、LED繼電器引腳、蜂鳴器引腳，還有啟動(dòng)選擇器引腳，所有的結(jié)構(gòu)可以在原理圖中看到，然后就是步行電機(jī)的初始化，設(shè)置輸出化定時(shí)器，設(shè)置初始時(shí)鐘時(shí)間，再到語(yǔ)音模塊，OLED初始化，顯示當(dāng)前時(shí)間和啟動(dòng)自動(dòng)喂食系統(tǒng)，在設(shè)置四個(gè)按鈕的年月日和功能。編碼如下圖32所示：圖32部分編碼5.3仿真與實(shí)物測(cè)試5.3.1仿真測(cè)試使用仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，并于硬件實(shí)物進(jìn)行對(duì)比。如圖33、34所示。圖33仿真結(jié)果圖34實(shí)物模塊連接圖5.3.2電源測(cè)試本系統(tǒng)采用5V直流電源適配器供電。為確保供電安全，在連接適配器前需先用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)其輸出電壓，確認(rèn)穩(wěn)定在范圍內(nèi)后，方可接入電路板。通電后需再次測(cè)量PCB板上的5V供電節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證電壓值符合設(shè)計(jì)要求。再使用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)芯片電源引腳電壓是否滿足供電要求，鋰電池是否可以正常充電以及顯示電量。突然斷開(kāi)外部供電在測(cè)試板內(nèi)電壓是否正常。一切正常后進(jìn)入下一階段。5.3.3交互測(cè)試系統(tǒng)交互由顯示屏和按鍵部分組成，上電后按鍵測(cè)試界面切換是否正常，參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)保存等交互功能是否可以正常運(yùn)行。上電后按下AJ1進(jìn)入閾值設(shè)置界面，在通過(guò)AJ2和AJ3對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)時(shí)間參數(shù)、喂食時(shí)間段的調(diào)整。根據(jù)需要對(duì)寵物喂食時(shí)間段、喂食重量等信息進(jìn)行設(shè)定，按AJ1返回。一切正常后進(jìn)入下一階段。5.3.4傳感器測(cè)試顯示與電源調(diào)試完成后，對(duì)溫濕度感器，紅外對(duì)管傳感器以及蜂鳴器模塊、語(yǔ)音模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、繼電器模塊進(jìn)行測(cè)試。在程序中已經(jīng)將底層程序做好，使用電吹風(fēng)模擬環(huán)境溫濕度變化，查看溫濕度顯示區(qū)域是否出線對(duì)應(yīng)的數(shù)值變化；使用手靠近紅外對(duì)管傳感器，觀察是否有動(dòng)作；手動(dòng)打開(kāi)步進(jìn)電機(jī)，觀察是否轉(zhuǎn)動(dòng)；語(yǔ)音模塊發(fā)送播放指令，觀察喇叭是否有鳴響；單片機(jī)觸發(fā)低電平信號(hào)，觀察繼電器模塊是否吸合；最后測(cè)試一下稱重模塊，查看是否能夠有重量變化，測(cè)試一切正常進(jìn)入下一階段。5.4整體功能測(cè)試在黑龍江省佳木斯市郊區(qū)育繁養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)，當(dāng)前環(huán)境溫度濕度，當(dāng)改變溫度時(shí)，顯示溫度跟隨更改，對(duì)所有模塊測(cè)試正常后，插上所有模塊傳感器，上電后能進(jìn)入顯示界面，所有環(huán)境參數(shù)能否正常顯示，數(shù)據(jù)刷新率與程序設(shè)定的一致，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面設(shè)置界面修改初始化數(shù)據(jù)，保存返回重新上電，查看數(shù)據(jù)能否掉電保存。查看系統(tǒng)時(shí)間正常更改，一切測(cè)試滿足設(shè)計(jì)預(yù)想。實(shí)物通電圖如圖33所示，實(shí)物測(cè)試圖如圖34所示。圖36實(shí)物通電圖圖37實(shí)物測(cè)試圖結(jié)論本文提出的基于STM32單片機(jī)的養(yǎng)殖場(chǎng)飼喂裝置控制系統(tǒng)，旨在解決我國(guó)中、小型養(yǎng)殖企業(yè)和微型養(yǎng)殖戶面臨的飼喂不精準(zhǔn)、飼料浪費(fèi)等問(wèn)題。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心控制器，集成多傳感器協(xié)同工作，構(gòu)建智能化的牲畜喂養(yǎng)解決方案。系統(tǒng)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)模式，硬件層包含數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信模塊，軟件層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、邏輯控制和用戶交互。通過(guò)引入WIFI遠(yuǎn)程控制與語(yǔ)音交互功能，形成"感知-決策-執(zhí)行-反饋"的完整閉環(huán)。適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)與各類傳感器的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)喂食喂水、控制溫度濕度，語(yǔ)音控制喂料，空氣質(zhì)量測(cè)量，根據(jù)剩余量自動(dòng)調(diào)整投食量及供水量等功能，有助于提高養(yǎng)殖水平、減少飼料浪費(fèi)、降低養(yǎng)殖成本。同時(shí)，通過(guò)加入紅外接近傳感器和云計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)手段，該系統(tǒng)有望在推動(dòng)我國(guó)畜牧業(yè)向智能化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展方面發(fā)揮更大作用?；赟TM32單片機(jī)的養(yǎng)殖場(chǎng)飼喂裝置控制系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注和研究。然而，目前的研究還存在一些不足之處。養(yǎng)殖場(chǎng)、屠宰場(chǎng)、經(jīng)銷商數(shù)據(jù)未打通，AI模型訓(xùn)練樣本不足。農(nóng)村地區(qū)缺乏技術(shù)運(yùn)維人員等。未來(lái)的研究方向應(yīng)該進(jìn)一步提升系統(tǒng)的功能和性能，改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并與其他智能畜牧場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)更加緊密的聯(lián)系。中國(guó)畜牧業(yè)從“量增”到“質(zhì)升”的轉(zhuǎn)型，核心在于通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新破解中小戶的規(guī)?；c智能化困境。未來(lái)需以低成本、高適應(yīng)性設(shè)備為突破口，推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新型養(yǎng)殖模式，同時(shí)加強(qiáng)政策支持與人才培育，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的智能畜牧生態(tài)體系，助力我國(guó)從畜牧大國(guó)邁向畜牧強(qiáng)國(guó)。參考文獻(xiàn)[1]唐瑜嶸,沈明霞,薛鴻翔等.人工智能技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].智能化農(nóng)業(yè)裝備學(xué)報(bào)(中英文),2023,4(01):1-16.[2]費(fèi)騰.養(yǎng)殖場(chǎng)智能飼喂管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽(yáng)航空航天大學(xué),2022.DOI:10.27324/ki.gshkc.2022.000625.[3]孫偉.養(yǎng)殖場(chǎng)自動(dòng)飼喂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī),2019,50(09):49.[4]王建軍.養(yǎng)殖場(chǎng)自動(dòng)飼喂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué),2015.[5]胡天賜,王文生,齊景偉等.新一代信息技術(shù)背景下養(yǎng)殖智能裝備發(fā)展趨勢(shì)分析[J].農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)學(xué)報(bào)