楊　耀，周翔宇，江新志，張倬鋮，嚴(yán)一民

(1.電子科技大學(xué)　物理電子學(xué)院，成都　610054；2.合肥市第一中學(xué)，合肥　230000)

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對計(jì)量控制的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊耀1，周翔宇2，江新志1，張倬鋮1，嚴(yán)一民1

(1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054；2.合肥市第一中學(xué)，合肥230000)

針對寵物的自動(dòng)喂養(yǎng)系統(tǒng)，在充分考慮節(jié)能的狀況下，采用了氣壓控制和低功耗電路；采用單片機(jī)編程軟件實(shí)現(xiàn)了對硬件的控制，通過軟件編程定時(shí)來確定投放的食量。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能性、實(shí)用性以及可操作性，通過對實(shí)物各項(xiàng)參數(shù)測試，到達(dá)了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)具備智能工作并自動(dòng)喂食寵物的功能。

節(jié)能；氣壓；智能；控制；喂養(yǎng)；系統(tǒng)

在人們出差在外或是旅游度假時(shí)，不能及時(shí)地對家中的寵物給予很好地照顧，尤其是投放寵物的飲食，成為困擾人們的問題之一。針對市場上的自動(dòng)喂食裝置中因過于粗糙不能達(dá)到智能和自動(dòng)喂養(yǎng)效果的問題，本文設(shè)計(jì)與研發(fā)了一款新產(chǎn)品，在結(jié)合節(jié)能和智能化于一體的同時(shí)，對智能化家居的推動(dòng)起到了積極作用。

1　工作原理

本系統(tǒng)中自動(dòng)供水和供食部分是獨(dú)立的(功能上的獨(dú)立，但結(jié)構(gòu)還是一體的)。

喂水部分無須供電，利用氣壓裝置和開關(guān)全自動(dòng)控制。用戶可選外出和定量供應(yīng)兩種模式。外出模式下供水會(huì)全天候保持水量一定，寵物飲用的水量會(huì)自動(dòng)補(bǔ)足，在定量供應(yīng)模式下，用戶可控制氣壓開關(guān)自主決定用水量。

在通電后喂食裝置啟動(dòng)，用戶可在面板設(shè)定放食時(shí)間和周期放食量，該信息以24小時(shí)為周期循環(huán)，即用戶只需設(shè)定每天的喂食機(jī)制，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)應(yīng)用到每一天。定時(shí)電路根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間，定時(shí)給外部開關(guān)電路一個(gè)驅(qū)動(dòng)的高頻開通信號(通過此信號的時(shí)長變化改變開關(guān)電路的開合時(shí)間，從而達(dá)到放食量的設(shè)定)，外部機(jī)械開關(guān)在電磁鐵作用下打開，食物開始投放，當(dāng)開通信號結(jié)束電磁鐵關(guān)閉，機(jī)械開關(guān)在彈簧的作用下封閉進(jìn)食口。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1　功能框架示意圖

2　機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1氣壓供水結(jié)構(gòu)

供水部分利用氣壓的改變和連通器的改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用戶的半自動(dòng)控制。儲水桶和喂水槽形成半封閉連通器，儲水桶上部的按壓式開關(guān)控制是否氣封。正常狀態(tài)為氣密，與外部隔絕，沒有與大氣的氣壓平衡交換；開關(guān)按下，進(jìn)氣口與儲水桶和大氣壓連通，如圖2的供水結(jié)構(gòu)所示。

1)沒有按壓開關(guān)情況下，儲水桶中的水流入喂水槽，當(dāng)水位高于進(jìn)水口時(shí)大氣不能再通過進(jìn)水口流入儲水桶時(shí)，達(dá)到氣壓平衡：

p0+ρgh0=p1+ρgh1

(1)

式(1)為喂水槽壓力和儲水桶壓力平衡式。當(dāng)喂水槽的水量減少，為保持水壓平衡，進(jìn)水口則會(huì)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)補(bǔ)給。

2)有按壓開關(guān)的情況下，封閉大進(jìn)水口(小進(jìn)水口不能讓氣體進(jìn)入，可以防止大進(jìn)水口對定量的影響)。儲水桶與大氣連通，連通器兩邊氣壓相等，左邊水位高水會(huì)自動(dòng)流入喂水槽，松開開關(guān)兩邊壓力平衡就會(huì)停止進(jìn)水，即通過開關(guān)按壓時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)定量進(jìn)水。實(shí)驗(yàn)得到連通時(shí)間和進(jìn)水量關(guān)系，如圖3所示。

圖2　供水結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　進(jìn)水量時(shí)間變化折線

2.2喂食機(jī)械開關(guān)

食物投放開關(guān)由電磁吸盤控制，而電吸盤的工作狀態(tài)由自動(dòng)控制電路進(jìn)行控制，這里的開關(guān)控制采用一段活動(dòng)的杠桿和彈簧彈力與及食物重量的平衡關(guān)系，并有吸盤對平衡進(jìn)行控制，如圖4所示。

在非投食工作狀態(tài)下，電吸盤并沒有產(chǎn)生吸引力，在彈簧彈力的作用下進(jìn)食管道被開關(guān)上部的杠桿密封。在進(jìn)行投食時(shí)吸盤由于控制電路的作用開始工作，通過杠桿下固定的鐵塊將杠桿拉下進(jìn)食管道打開。

在設(shè)計(jì)中為了更好地實(shí)際效果，通過調(diào)整吸盤和彈簧相對于支點(diǎn)的位置和進(jìn)食管道的彎曲程度(改變食物對密封板的壓力)使受力達(dá)到要求的平衡，即非投食狀態(tài)可以完全地穩(wěn)定的密封進(jìn)食管道，投食狀態(tài)可以很好地拉下密封板進(jìn)行投食，并且恢復(fù)到原狀態(tài)時(shí)又可以很好地密封。

圖4　開關(guān)設(shè)計(jì)示意圖

3　控制電路設(shè)計(jì)

3.1時(shí)間顯示模塊

在硬件設(shè)計(jì)中主要用到AT89S52單片機(jī)、兩片74HC573芯片和一個(gè)6位8段LED共陽數(shù)碼管，硬件電路設(shè)計(jì)框圖，如圖5所示。圖中，AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。而74HC573是擁有8路輸出的透明鎖存器，輸出為三態(tài)門，是一種高性能硅柵CMOS器件[1]。

在設(shè)計(jì)時(shí)，由于需要數(shù)碼管顯示時(shí)間，并且定時(shí)喂食，需要一個(gè)類似于可定時(shí)電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，用到了設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘時(shí)的段選和位選的知識。

單片機(jī)在連接時(shí)，先與74HC573連接，再與74HC573連接到數(shù)碼管。每次只能送一組8位二進(jìn)制數(shù)，其中1位為數(shù)值的小數(shù)點(diǎn)，其他位為數(shù)碼管所要顯示的十進(jìn)制數(shù)值，即為數(shù)碼管的段選位。每次只能送一個(gè)數(shù)的段選位，這樣就導(dǎo)致6位的數(shù)碼管只能同時(shí)顯示一個(gè)數(shù)字。本文電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，要求6位數(shù)碼管顯示不同的數(shù)值，這就需要用到數(shù)碼管的位選線和另一片74HC573鎖存器。通過單片機(jī)連接另外一塊74HC573芯片，送出位選信號，對每一位數(shù)碼管進(jìn)行選擇，就可以在每位上送出不同的數(shù)字。在工作時(shí)這兩組信號，會(huì)交替送出。利用人眼的余暉效應(yīng)可以使數(shù)字在人眼看來是不變的。具體的代碼，在程序設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。

圖5　硬件電路設(shè)計(jì)框圖

3.2開關(guān)控制模塊

通常8051所要驅(qū)動(dòng)的繼電器，大多為DC6V或DC5V的小型電子用繼電器。盡管如此，靠8051輸出口的電流恐怕不夠，況且驅(qū)動(dòng)繼電器線圈這種電感性負(fù)載，還要有些保護(hù)才行！我們可以使用晶體管來控制繼電器電路[2]。電子時(shí)鐘的開關(guān)控制部分如圖6所示，使圖中的繼電器在相應(yīng)的時(shí)間打開，并會(huì)持續(xù)打開一段時(shí)間(可設(shè)置)。圖中L1小燈泡部分在實(shí)物中換為接電吸盤。

圖6　開關(guān)控制模塊連接圖

3.3調(diào)時(shí)按鍵模塊

3個(gè)按鈕式開關(guān)與P1.0、P1.1和P1.2相連，按下時(shí)為“1”，對顯示時(shí)間和定時(shí)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。與單片機(jī)的連接如圖7所示。

4　自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)中，for語句更為靈活，不僅可以用于循環(huán)次數(shù)已經(jīng)確定的情況，還可以用于循環(huán)次數(shù)不確定而只給出循環(huán)結(jié)束條件的情況[3]。此程序設(shè)計(jì)采用了for循環(huán)實(shí)現(xiàn)段選、位選的控制，流程圖如圖8所示，實(shí)現(xiàn)段選和位選的代碼如圖9所示，在這個(gè)for循環(huán)中先打開位選，送出位選信號第一位數(shù)碼管被選中打開。然后位選信號移位，作為下一次的位選信號。之后段選打開，送出段選信號，使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值。然后調(diào)用延時(shí)函數(shù)，給動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管提供時(shí)間，此時(shí)間必須極為短暫，能使人產(chǎn)生視覺暫留。

圖7　調(diào)時(shí)按鍵模塊連接圖

圖8　程序設(shè)計(jì)流程圖

圖9　段、位選代碼圖

5　系統(tǒng)外形材料及結(jié)構(gòu)

考慮到設(shè)計(jì)成本與經(jīng)費(fèi)問題，樣品的構(gòu)造采用瓦楞紙加上美工紙，其中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)都采用膠帶和三角結(jié)構(gòu)支撐。供水部分密封性和防水性要求很高，儲水器利用成品所料制水瓶，喂水槽部分在用瓦楞紙進(jìn)行搭建后，利用防水膠帶和蠟封進(jìn)行防水密封。

5.1進(jìn)水管

在進(jìn)水管中自動(dòng)給水時(shí)，氣體需能進(jìn)入儲水箱進(jìn)行氣壓補(bǔ)給，從而穩(wěn)定水位，所以大進(jìn)水口要求直徑在8mm以上，過大會(huì)使固定水位過高。在手動(dòng)控制進(jìn)水量時(shí)為了防止空氣進(jìn)入進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水，小進(jìn)水管不能超過4mm。

5.2進(jìn)食開關(guān)

由于食物顆粒較大，開關(guān)的密封板和進(jìn)食管的密封要求不高，但是，為避免造成進(jìn)食開關(guān)打開后不能關(guān)閉的情況，對力平衡的要求嚴(yán)格，所以在進(jìn)食管道設(shè)計(jì)時(shí)盡量設(shè)計(jì)成彎管道，以減少食物下滑的動(dòng)能對密封板的沖力。為防止開關(guān)被卡死，支點(diǎn)的活動(dòng)性和潤滑度要求較高。

6　結(jié)束語

計(jì)量控制自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能性、實(shí)用性以及可操作性，對比市場上的同類產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)在自動(dòng)控制方式上利用了全新的設(shè)計(jì)模式，通過實(shí)物各項(xiàng)參數(shù)測試，到達(dá)了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。對該領(lǐng)域具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

[1]韋克利(WakerlyJ.F.)著.數(shù)字設(shè)計(jì)：原理與實(shí)踐(第四版)[M].林生，葛紅，金京林,譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]張義和.例說51單片機(jī)[M].3版.北京：人民郵電出版社，2010.

[3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]周超群．電磁閥的原理及其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].石油化工自動(dòng)化，2006(5)：90-94．

Intelligent System Design for Measurement Control

YANG Yao1，Zhou Xiangyu2，JIANG Xinzhi1，ZHANG Zhuocheng1，YAN Yimin1

(1.SchoolofPhysicalElectronics，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China；2.NO.1MiddleSchoolofHefei，Hefei230000，China)

Thispaperdesignsakindofautomaticfeedingsystemwhichcanbeappliedtopet.Thesystemconsiderstheenergysavingproblemfully，itsfeaturesaretheuseofpneumaticcontrolandlowpowercircuit，toachievethesystemsmartandautomaticallyfeedthefunctionofthepet.Thispaperintroducestheconcreterealizationofthesystemandtheworkingprincipleofthestructureandcontrolcircuit，systemwithmicrocontrollerprogrammingsoftwarerealizationofthehardwarecontrolandfeedonconsideringsensorfeedbackcontrolismorecomplicatedandhighcost.Thetestshowsthatthesystemachievestherequirementofexpecteddesign，canworkintelligentlyandrealizesthefunctionofautomaticfeeding.

energyconservation；atmosphericpressure；intelligent；control；feeding；system

2015-10-11；修改日期: 2016-06-03

全國高校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目基金。

楊耀(1993-)，男，本科生，聲學(xué)及信息控制專業(yè)。

TP27

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.016