單片機控制的寵物喂食器系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6079單片機控制的寵物喂食器系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計案例 1191141.1系統(tǒng)硬件原理圖 1292011.2STC89C52概述 86601.3按鍵控制電路 11140551.4電源電路 14196141.5溫濕度傳感器模塊電路 15175101.6壓力傳感器模塊電路 17245031.7電機控制電路 191.1系統(tǒng)硬件原理圖本次設(shè)計的單片機型號為STC89C52，壓力傳感器檢測當(dāng)前投放食物重量，溫濕度傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境溫濕度。LCD1602液晶屏用于顯示，按鍵用來設(shè)定早中晚三個時間段投食，并設(shè)置投放重量，圖中單片機驅(qū)動ULN2003芯片控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。承接第二部分系統(tǒng)原理框圖，其硬件電路原理圖如圖1.1所示：圖1.1系統(tǒng)硬件原理圖首先51單片機對數(shù)據(jù)進行處理，處理完成后通過液晶來顯示當(dāng)前的信息，如圖1.2、1.3所示：圖1.2單片機圖1.3顯示器信息的采集通過DHT11和HX711來完成，主要是對溫濕度和食物重量進行數(shù)據(jù)采集，如圖1.4、1.5所示：圖1.4DHT11圖1.5HX711電源按鍵用來進行設(shè)置和控制，第一按鍵為設(shè)置鍵，第二、三按鍵為增減鍵，第四按鍵為當(dāng)前喂食的時間。當(dāng)按鍵按下時，輸出低電平；當(dāng)按鍵松開時，輸出高電平，如圖1.6所示：圖1.6按鍵設(shè)置單片機的最小系統(tǒng)由單片機、振蕩電路、復(fù)位電路以及系統(tǒng)供電電源組成，如圖1.7、1.8、1.9所示：圖1.7振蕩電路圖1.8復(fù)位電路圖1.9電源這個組件是晶振，給單片機提供特殊的晶振頻率，然后通過電容進行濾波，如圖1.10所示：圖1.10晶振電路復(fù)位電路接入10μF的電解電容于RST復(fù)位引腳，復(fù)位一般分為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。在這次設(shè)計中，我們使用的是上電復(fù)位，只要我們重啟一下電源開關(guān)，單片機就會自動重啟，如圖1.11所示：圖1.11復(fù)位電路電容單片機在使用時P0口必須要接上拉電阻，上拉電阻的范圍在4.7k到10k即可，無特殊要求，如圖1.12所示：圖1.12上拉電阻連接顯示模塊采用的是LCD1602，其中LCD表示的是液晶，16表示的是每行顯示十六個字符，02表示的是由兩行來進行顯示，如圖1.13所示：圖1.13顯示器電位器用來進行調(diào)節(jié)當(dāng)前液晶的背光亮度。因為我們在供電上有時會使用1.5v和2v電源，有時會直接接入筆記本電腦進行供電，所以會造成液晶背光強度的不一致，通過旋轉(zhuǎn)電位器使其進行滑動變阻，這樣就可以改變當(dāng)前的液晶背光亮度。其有三個引腳，但我們只需要用其中兩個引腳，如圖1.14所示：圖1.14電位器控制部分ULN2003相當(dāng)于驅(qū)動步進電機，為四相八拍，可以用來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，如圖1.15所示：圖1.15步進電機溫濕度傳感器通過單總線來進行數(shù)據(jù)通信，上面接入了10k的上拉電阻以保證電路的正常進行，如圖1.16所示：圖1.16DHT11電路連接壓力傳感器通過內(nèi)部AD把當(dāng)前電流信號進行放大，根據(jù)電流的大小，來判斷出當(dāng)前的重量，如圖1.17所示：圖1.17壓力傳感器電路連接單片機程序的下載口，支持串行下載，通過串口線連接到P1.0、P1.1，可以進行程序的收錄，如圖1.18所示：圖1.18程序下載口供電電源，當(dāng)按下開關(guān)時，1、3就導(dǎo)通了，當(dāng)USB接入時，就有3輸出vcc，如圖1.19所示：圖1.19供電電源連接1.2STC89C52概述單片微型計算機簡稱單片機，簡單來說就是集CPU(運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲-內(nèi)存)、ROM(程序存儲)、輸入輸出設(shè)備(串口、并口等)和中斷系統(tǒng)處于同一芯片的器件，在我們自己的個人電腦中，CPU、RAM、ROM、I/O這些都是單獨的芯片，然后這些芯片被安裝在一個主板上，這樣就構(gòu)成了我們的PC主板，進而組裝成電腦，而單片機只是將這所有的集中在了一個芯片上而已。51單片機是對所有兼容Intel8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱，這一系列的單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著flashROM技術(shù)的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展成為了應(yīng)用最廣泛的8bit單片機之一，他的代表型號就是ATMEL公司的AT89系列。STM32單片機則是ST(意法半導(dǎo)體)公司使用arm公司的cortex-M為核心生產(chǎn)的32bit系列的單片機，他的內(nèi)部資源(寄存器和外設(shè)功能)較8051、AVR和PIC都要多的多，基本上接近于計算機的CPU了，適用于手機、路由器等等。本次設(shè)計根據(jù)實驗條件采用STC89C52，STC89C52單片機是一款低功耗、高性能的微控制器，其作用是控制各種傳感器和外設(shè)，自行計算處理得到的數(shù)據(jù)和信號，并進行相應(yīng)的操作，在工業(yè)生產(chǎn)中起到大腦的作用。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期鐘/機器周期可以任意選擇。主要特性如下：增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.工作電壓：5.5V～1.3V（5V單片機）/1.8V～2.0V（3V單片機）工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)片上集成512字節(jié)RAM通用I/O口（32個），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P1.0,TxD/P1.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片具有EEPROM功能共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）STC89C52RC單片機的工作模式空閑模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA圖1.20STC89C52RC引腳圖STC89C52RC引腳功能說明（如圖1.20）VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在對FlashROM編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX@DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX@R1”指令）時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器SFR區(qū)中的P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對FlashROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P1.0～P1.7，10～17引腳）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。在對FlashROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。RST（9引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復(fù)位初始化操作。看門狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。/VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。1.3按鍵控制電路單片機的按鍵控制電路是由4個微動開關(guān)并聯(lián)組成的電路按鍵開關(guān)的檢測其原理就是高低電平的檢測。圖1.21為按鍵控制電路原理圖：圖1.21按鍵控制電路當(dāng)仿真開始時，顯示模塊時間正常計時到2秒，如圖1.22所示：圖1.22顯示仿真圖當(dāng)按下第一個設(shè)置鍵位時，此時會出現(xiàn)設(shè)置界面，以黑塊閃爍表示，如圖1.23、圖1.24所示：圖1.23按鍵仿真圖圖1.24按鍵后顯示圖再次按下設(shè)置鍵就會進行時間位數(shù)的切換，如圖1.25所示：圖1.25再按鍵顯示圖這個時候再按下加減按鈕就可以進行手動設(shè)置時間，結(jié)果如圖1.26所示：圖1.26設(shè)置后顯示圖同樣的，按下查看喂食時間按鈕，顯示模塊就會切換到查看界面，如圖1.27、1.28、1.29所示：圖1.27第一時間點圖1.28第二時間點圖1.29第三時間點以上顯示的是三個時間段的投食時間，同理，按下加減鍵可以自行設(shè)置時間段，食物的初始重量限制設(shè)置也可以在此界面進行，我們的初始設(shè)定是0.5kg。如圖1.30所示：圖1.30初始重量1.4電源電路單片機的電源采用直流5V供電，電源模塊包括一個3腳的電源座子和6腳的電源開關(guān)。電源座子用于連接外部的電源插頭，1口引腳連接到電源開關(guān)的3口引腳，電源開關(guān)的1、3口引腳和4、6口引腳的作用相同，用于電源的正極輸出。電源開關(guān)的2、5口引腳作為單片機的接地引腳，在使用時采取相對的選擇，即選擇1、3口引腳作為輸出，那么就要選擇5口引腳作為接地引腳，選擇4、6引腳作為輸出端口，2口引腳則作為接地引腳。本次單片機的傳感器和無線傳輸芯片的電壓都在5V內(nèi)，所以5V的電壓電源足夠滿足。本次設(shè)計的電源電路如圖1.31所示：圖1.31電源電路1.5溫濕度傳感器模塊電路本設(shè)計采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度和濕度的復(fù)合傳感器。DHT11溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，能分別檢測濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。它的工作電壓范圍1.5~5.5V，能輸出單總線數(shù)字信號，由于輸出的是數(shù)字信號，就不需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這大大簡化了硬件設(shè)計。DHT11是通過內(nèi)部的感濕元件和測溫元件來采集溫濕度數(shù)據(jù)的。DHT11的內(nèi)部自帶有處理器和存儲器，用于處理溫濕度數(shù)據(jù)和存儲溫濕度數(shù)據(jù)。它有4個外部引腳，其引腳功能介紹如下（如表3-1所示）：表3-1DHT11引腳介紹引腳號引腳名稱引腳功能1VCC供電電源正極2DATA單總線串型數(shù)據(jù)線3NC懸空腳4GND接地腳1號引腳和4號引腳用來給溫濕度傳感器供電，2號引腳是信號引腳，3號引腳懸空，不用接入電路。DHT11溫濕度傳感器主要應(yīng)用與汽車數(shù)據(jù)記錄器、暖通空調(diào)測試及檢測設(shè)備、消費品自動控制、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。然而DHT11也有它的缺點，就是它的測量范圍不夠大和測量精度不夠高，它的測量范圍為：濕度范圍20~90%RH，溫度范圍0~50℃，測量精度為：濕度±5%RH，溫度±2℃。溫濕度傳感器模塊電路圖如圖1.32所示：圖1.32溫濕度傳感器模塊電路圖在初始仿真時，顯示重量為81克，溫度為27度，因為是軟件仿真，我們用手動調(diào)節(jié)來模擬傳感器獲得外部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的過程，結(jié)果如圖1.33所示：圖1.33溫濕度傳感器初始值此時可以看到溫度上升了2度，食物重量上漲了3克，如圖1.34所示：圖1.34溫濕度傳感器設(shè)置值1.6壓力傳感器模塊電路本次設(shè)計在重量檢測方面采用HX711壓力傳感器，其工作原理是通過檢測物體與傳感器接觸面的壓力值，然后按照線型比例，將壓力值轉(zhuǎn)換成重量值，然后發(fā)送給單片機，最后顯示在液晶屏上。我們采用型號為CZL-A、量程大小為10kg的電阻應(yīng)變式重量傳感器進行重量檢測，一旦測量到被測物體的重量，重量傳感器就會將采集到的信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，并輸出電壓信號。設(shè)計系統(tǒng)采用的是HX711轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)采集和編程，此模塊檢測到模擬電壓通過24位A/D轉(zhuǎn)換芯片把模擬量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，然后通過串行方式來和單片機進行通信，這樣就完成數(shù)據(jù)的采集功能。HX711內(nèi)部構(gòu)造如圖1.35所示。圖1.35HX711內(nèi)部構(gòu)造圖1.36HX711電路圖其仿真情況如圖1.37所示：圖1.37HX711仿真圖因為是軟件仿真的緣故，所以我們通過手動的按鍵來模擬壓力傳感器增重和減重的過程。初始時，加減鍵都沒有按下，傳感器重量顯示為0kg，如圖1.38所示：圖1.38壓力傳感器初始值當(dāng)按下增重按鈕時，表示有0.603kg的食物被投放，如圖1.39所示：圖1.39壓力傳感器投放值當(dāng)按下減重按鈕時，表示食物減少到了0.17kg。如圖1.40所示：圖1.40壓力傳感器減重值1.7電機控制電路寵物喂食的過程我們通過4相8拍的步進電機進行模擬控制，當(dāng)喂食時間到后電機正轉(zhuǎn)表示打開喂食艙門，然后停止等到hx711檢測到當(dāng)前的食物重量大于我們設(shè)置的值，電機反轉(zhuǎn)表示關(guān)閉喂食，步進電機正反轉(zhuǎn)我們主要是通ULN2003來進行驅(qū)動。圖1.41電機控制電路步進電機的相關(guān)特性：步進電機的步進值，不會因為電壓的大小、電流的數(shù)值、溫度變化、波形變化等限制。步進電機驅(qū)動電路ULN2003：步進電動機在工作時需要驅(qū)動，因為第一電路中的電流相對較小，并且步進電動機必須在第二單片機發(fā)出的指令側(cè)具有控制單元。因此