家畜自动喂养系统设计

PAGEPAGE32哈尔滨工业大学毕业设计（论文）I-摘  要随着科学技术的进步，我国养殖业现代化飞快发展。在养殖业技术的饲养和管理中，从最开始的的人力控制，到目前的全新自动控制设备，基于嵌入式设备的家畜自动喂养系统正在日益发展。目前我国家畜养殖数量在不断增加，大部分家畜养殖仍然是人工管理模式。本文在对嵌入式研究的基础上，模拟了一种新型的自动喂养系统。本系统利用嵌入式技术、传感器技术来构建其家畜自动喂养系统，实现对家畜的自动喂养，根据预先设置摄食时常和摄食总重，当倒计时结束后，通过传送带将饲料运输到饲料槽，当重量达到预定值后，系统发出喂食释放信号吸引家畜，家畜进行摄食。其设计主要的研究工作就是其预设时间点和载重量并放出摄食讯号。家畜自动喂养系统主要包括STM32F103RCT6控制器、电源电路、传送带、称重传感器、按键电路、显示模块。本设备主要解决的是大规模化的家畜喂养的效率问题，以及极大的减少了人工劳动力，并且系统操作简单，运行稳定。关键词：养殖业；自动喂养；嵌入式；STM32F103RCT6

AbstractWiththeprogressscienceandtechnology,themodernizationofaquacultureinChinaisdevelopingrapidly.Inanimalhusbandry,fromtheinitialmanualcontroltomodernautomationequipment,embeddedequipmentisused,thelivestockautomaticfeedingsystemisdevelopingdaybyday.Atpresent,thenumberoflivestockinourcountryisincreasing,Mostofthemarestilloperatedbyhand,thispaperproposesanautomaticlivestockfeedingsystem.Thesystemusesembeddedtechnologyandsensortechnologytobuildwirelesssensornetworktorealizeautomaticfeedingoflivestock,thatis,bysettingfeedingtimepointandfeedingweight,arriveat,thefoodistransportedtothefeedingportthroughtheconveyorbelt,whentheweightreachesthepresetvalue,thesystemsendsoutfeedingsignaltoattractthepetandfeedautomatically.Thisdesignmainlystudieshowtosettimepointandweightandsendoutfeedingsignal.PetautomaticfeedermainlyincludesSTM32F103RCT6controller,keycircuitanddisplaymodule.Thisdesignsolvestheproblemthattheownercan'tfeedthepetandthepet'sdietisnotregularduringworkingdaysorholidays.Thissystemissimple,stableandhassomeaddedvalue.Keywords:Aquaculture Feeding Embedded STM32F103RCT6目  录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题研究背景 11.2国内外研究现状 11.2.1国外家畜自动喂养系统的发展及现状 11.2.2国内家畜自动喂养系统的发展及现状 21.3目的和意义 31.4课题研究内容 3第2章方案选择 52.1系统分析 52.2方案的选取 52.2.1主控制器的选取 52.2.2显示组件的选取 72.2.3称重组件的选取 102.2.4电机组件的选取 102.2.5输入单元的选取 12本章小结 13第3章硬件设计 143.1系统硬件总体设计 143.2主控制器设计 143.3步进电机模块设计 153.4显示模块设计 163.5蜂鸣器模块设计 173.6称重模块设计 183.7按键模块设计 18本章小结 20第4章软件设计 214.1系统开发环境 214.2主程序流程设计 224.3喂食流程设计 234.4按键处理程序设计 244.5称重传感器程序设计 254.6显示模块程序设计 25本章小结 26第5章系统的调试与测试 275.1系统整体功能调试 275.2硬件调试 285.3软件测试 295.4系统联调 29本章小结 31结论 32致谢 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。附录1译文 错误!未定义书签。附录2英文参考资料 错误!未定义书签。附录3硬件原理图 错误!未定义书签。附录4程序代码 错误!未定义书签。第1章 绪论1.1 课题研究背景家畜自动喂养系统是一种非常有实用价值的设备，它的应用给家畜饲养者和小型饲养企业带来了很大的便利。传统的喂养方式不方便，不精确，导致了人员利用率的下降，这样就导致了大中小型家畜养殖企业的持续发展的问题，难以符合大中小型家畜养殖企业的效益期望。 现在越来越多的养殖大户都饲养猪、鸡、牛、羊等家畜，但是由于各种原因，需要大量的人力资源进行喂食等看养，大大的浪费了人力资源的合理利用，本文设计的家畜自动喂养系统可以解决这一问题，合理化了人员的分配，提升了生产率，减少了固定位置人员的分配，减少了养殖家畜所消耗的成本，可以提高经济的效益，并且家畜自动喂养系统可以定时定量的进食，且设计简单方便，少数人群就可以控制使用，大大的减少人力资源的浪费有一定的实用价值。为了满足企业的效益期望，设想出由STM32F103RCT6为核心的系统，以步进电机为元器件，其构造简便，成本低。具备安全性高、准确性强、简便等特点，并增加了许多新功能，如食物称重，诱食等。1.2 国内外研究现状1.2.1国外家畜自动喂养系统的发展及现状自动喂养技术起源于国外西方发达国家，20世纪50年代，专业型家畜自动喂养开始慢慢层出不穷，使养殖场环境监控和自动喂养技术产生了革命性的变化。80年代，随着计算机技术的发展和价格的下降，同时人们对自动喂养控制提出了更高的要求，以计算机为核心的自动喂养系统，在西方得到了很大的发展。近年来，家畜自动喂养系统迈入了网络化和智能化的阶段，国外家畜饲养装置早就开发到非常严谨的层面，并构成了自己的制度化体系。英国肯巴沃克所研究出的全智能家畜自动喂养设计，它的方案在英国农场获得大量采用，并且国外家畜饲养场内所有设备全是由计算机控制。计算机对家畜自动喂养系统的管控并不是简便的、脱离的、独立的数字控制。而是在生态环境建模上的监督管控，以及基于AI技术的控制。在众多国家中，家畜自动喂养系统正往AI方向发展。家畜自动喂养系统的现状是存在于智能农业不可缺少的因素，是国际农业装备产业技术竞争的焦点。在目前世界上很多的国家都建设了家畜自动喂养系统的检测功能，目的在于升级和优化目前的家畜自动喂养系统，让家畜自动喂养系统有更一步的提升。当然不同国家建立的系统，采用的设备、建设费用、技术方法和管理模式等方法均有所不同。1.2.2国内家畜自动喂养系统的发展及现状目前，发展中国家大多数面临着家畜的喂养以及家畜的繁殖的问题。制约之大多数发展中国家的畜牧产业的发展，就导致国家经济的亏缺。慢慢的这种亏缺就影响到了人们的生活方面，不得不引起了国家的注意力。如何解决家畜的自动喂养和家畜繁殖问题成了国家政府的一个难题。现在国家的家畜喂养大多数还停留在人力喂养的环节，且人工喂养饲料的重量不准确，会导致家畜营养不良，所导致家畜体重较轻，繁殖质量低等问题，还会造成一定量的劳动力浪费。为了解决此难题，准备设计出一种非常有实用价值的设备，家畜自动维养系统。其优点会极大的提升家畜的重量，和繁殖的质量。大量减少劳动力的浪费，让饲养者的利用率极大的提升，降低资源浪费，带动国家经济发展。对于家畜喂养的传统方法就是人工自动喂养，然后由人工进行喂食与饲料的调配。由于人工操作不可避免的会带来各种各样的操作误差。但是随着经济和技术的发展，出现了家畜自动喂养的系统。早期的家畜自动喂养系统还并不是很全面，只是可以进行简单的饲料传送，但是这样的系统会出现很多的缺点，喂食的时间很难确定，就会导致家畜摄食很不规律，让其家畜不能更好生长与生产。其次由于当时家畜自动喂养系统的硬件庞大，仍然导致人工消耗量依然庞大，人工利用率很低。并且当时家畜喂食的时间与重量很难统计，这样就导致汇总很麻烦。这样的系统会导致比其之前更加麻烦，让国家担忧。鉴于此，国家内外都在采取积极的应对方案，结合嵌入式技术为核心，结合饲养学的方法原理，以传感器检测为依托结合单片机应用，提升了多种优点例如：加强了家畜摄食的规律化，提升了人工的利用率，加强了家畜的生产能。为家畜自动喂养系统提供了重要手段。比如国内的各大养殖场以前都采用人工饲养，而现在都采用了半自动化饲养模式。效率逐年递增。1.3 目的和意义家畜自动喂养系统的设计目的在于是解决各种传统形式饲养场的人工喂养效率低的问题，提高了生产率，减少了相对应的劳动力，降低了养殖的所消耗的成本，逐步提高经济效益，成本低于只适用于大型养殖场的喂养装置。本系统硬件以STM32F103RCT6为核心，构建了对饲养家畜饲料的全自动化供给的状况监测，在供给饲料的流程中对必要性的数值做到全过程获取与归纳，必须第一时间给出明确的处理方案，并且开始进行自动调配饲料、饲养、监测的要求。开发一个家畜自动饲喂系统意义在于，实现对畜禽的精确饲喂。将要通过数据分析，计算，根据在不同大小时家畜的进食量不同，需要调节不一样的发育环境，并给予不同重量的饲料饲养。同时大力节省了人力资源的分配，较少了人工费用，提高劳动强度的同时提高了效率。家畜自动喂养系统智能化，易操作，可靠性强，易升级，可辅助畜禽养殖场，实现优质高产高效的养殖目的。1.4 课题研究内容本次设计研究如何设定时间点和倒计时时间点并发出摄取食物的音频信号。家畜自动喂养系统主要包括STM32F103RCT6单片机控制、电机传动部分，称重部分、门的自动闭合和蜂鸣器发出音频信号提示、倒计时模块的系统设计。当时间倒计时结束后，蜂鸣器发出音频信号，吸引家畜过来进食并自动投放食物。本设计解决了在工作或在其他特殊情况时，由于主人不在不能对家畜进行喂食，避免了家畜由于饮食不正常所产生的问题。在构建家畜自动喂养的设计中，需要使用STM32F103RCT6单片机对所有的子系统实施掌控。利用键盘来设定计时的时间，STM32F103RCT6单片机反复的记录着时间的变化，并且通过倒计时时间，来确定传送带传送饲料的时间。当倒计时时间到达设定的时间后，启动传送模块，开始传送饲料，到达称重模块上。并且称重模块实时显示当时通过传送带传送过来饲料的重量。同时接有蜂鸣器，当到达摄取饲料的重量后，蜂鸣器发出音频信号吸引家畜进行摄食，自动停止。主要功能如下：1．系统利用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片，利用电机和传送带构造传动装置。2．设定时间将饲控制的传送带料通过电机运送到饲料槽。3．利用压力传感器对入食口的食物进行称重，当重量达到喂养要求，停止电机转动。4．当食物满足要求后，门自动打开，蜂鸣器发出声音，诱食。5．利用电机传送带将饲料送到称重模块上就行测量。第2章 方案选择在应用系统设计中，软件和硬件是紧密相关的。好的选择方案可减轻主控制器负担，大大提升工作效率。应用软件的利用效率提高可以一定程度上降低资金使用，但该技术人员的工作效率也得大幅度增加。但是对于系统设计，有一大些地方需要由硬件来启动，有一小些地方需要由软件来启动，有一些需要连接在一起的部分，需要更多的实验来寻找最好的解决方案。2.1 系统分析家畜自动喂养系统是为了各种家畜养殖企业的利益和方便性出发，适用于各种大小的家畜企业，该系统主要由STM32F103RCT6为核心的系统，实现了对其饲养的家畜的自动供应和各种活动的情况的检测，在喂食的过程中以步进电机为元器件，其构造简便，成本低。具备安全性高、准确性强、简便等特点，并增加了许多新功能，如食物称重，诱食等功能。2.2 方案的选取2.2.1主控制器的选取方案一：STC89C52是一种功耗消耗低、可靠性强的8位微处理器，与传统的51微处理器相比之下，有相当大的改良，使得STC89C52成为了极大部分嵌入式操控领域系统，既有效率又方便的解决方案。它既可以使用串口下载，同时也满足并口的需求，8K的字节程序存储空间，256字符数据信息的内存空间，具有两个中断的多线程Node服务器端，并且也享有多个定时器。STC89C52是一种功耗消耗低、可靠性强的8位微处理器的系统。并且具有以下特点：内部含有的只读存储器可以被查改近千次。拥有能够在系统中直接编写程序的提点。可以配搭上主机端的控制程序就可以把使用者的程序代码传输到微控制器的内部。引脚相对简单方便，适合刚入手的操作，但是价格相对昂贵。 操作起来简单快捷。使用STC89C52来操控整个电路，其效率高，功耗消耗低。但是在不工作的时候其中央处理器的工作便会停止，相对于随机存储器、串口、计数器等是允许继续工作的。

在有掉电保护的状况下，在随机存储器中的内容是极易被保存的，同时会冻结振荡器，

单片机的工作也会被停止，会一直持续到下一个硬件或中断复位。最高工作35MHz

。对于大多数的嵌入式系统，

STC89C52单片机是能够进行较高的灵活度和较低成本的解决方式的提供的。单片机如图2-1所示。图2-1 STC89C52单片机方案二：单片机是在大学生活种主要讲解的一种微控制器，它应用的区域非常广泛，可以在自动化过程控制、智能化仪器仪表、机电一体化产品、家用电器方面等等，并具有以下特点：1．集成度超高，体积较小。在一个故有芯片上，构造出一台微型控制器所需要有的所有部件，能满足许多地方对硬件的功能需求。2．实时的操控能力非常强大，性能强。CPU可以直接对输入输出端口进行各个方面的操作，能对单独任务进行控制。3．使用的效能低。可以满足使用广泛等要求，且内部的工作电压设计的人性化仅仅为1.8~3.6V，而且工作电流仅仅为几百微安。4．使用非常简便，比较容易生产产品。开发一个完整的嵌入式的系统，从具体的开发分为四个阶段：应用程序层、模块驱动层、电脑系统层以及操作系统层。而STM32F103RCT6是MCU的一种，故也属于嵌入式技术。单片机STM32F103RCT6都具备以上所讲述的各个种类的特点以及特性，其中效能低，使用简便更是超过了同型号的单片机例如51单片机种种，并且它采用的是双CPU结构，使其有更快的加快运算的速度，有效的提高了处理能力。STM32F103RCT6单片机如图2-2所示。图2-2 STM32F103RCT6单片机本系统芯片选择STM32F103RCT6作为主芯片，芯片采用高性能的CPU内核，传输速率到几乎可以达到72MHz甚至跟高。在同类产品中是性价比能最高的产品。此外，STM32F103RCT6芯片还具有三种低功耗模式，分别是休眠、停止、待机模式，大大的降低的系统的功耗。2.2.2显示组件的选取方案一：1602液晶屏LCD显示的种类有很多种其中就包括1602液晶屏，它是嵌入式方向经常使用的液晶屏种类因为它可以显示丰富的内容，以及连接简单非常适合这次研究。LCD液晶屏的特点是操控起来非常简单，并且消耗的成本也非常低，还是字符型的液晶，显示字母和数字比较方便，非常适合家畜自动喂养的设计原理和需求。但是缺点也有很多比如有，显示数字的字体大小非常有局限性，还有就是根本不能用来显示图形等等。具体参数如表2-1所示。表2-1 LCD1602技术参数表显示容量：16×2字符LCD芯片工作量：4~5V最佳工作电流：2Ma模块工作电压：5V连接接口频率参数表如图2-2所示。表2-2 连接接口信号表格编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2DataI/O2VSS电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4R/W读/写选择端13D6DataI/O5E使能信号14D7DataI/O6D0DataI/O15BLA背光源正极采用其LCD1602原因是它在嵌入式方向应用广泛，绝大多数嵌入式操作系统的显示组件选取都是选择的1602的类型，其原因是体积相对小，嵌入式方便，显示丰富的内容，更能清楚的显示出其设计的时间和重量部分的数字，但是它不能显示图形的这个功能，也是本次设计并不需要的环节，综合优点以及确定才进行选择。显示模块实物图如图2-3所示。图2-3 显示模块实物图方案二：数码管使用LED数码管显示。它的内部核心是由很多个发光二极管组合成的一个器件。里面的各种线在其核心内部进行连接。这些段分别由字母a，b，c，d，e，f，g，dp来表示。LED数码管具有特点是硬件电路简单，价格低廉，并且可以很好的显示数字，它呈现数字的方法实时扫描呈现法。在连接单片机时，占用的其输入输出端口线也是少。其缺点是，由于使用的是实时扫描呈现法，需要利用位移寄存器进行位移，才能读取数字，操作起来非常复杂，并且容易出现失误，失误就会导致全体的失败，结LED数码管的种种优点以及缺点，来确实了本次实验不适合选用LDE数码管来当显示模块。LED数码管如图2-4所示。图2-4 显示模块实物图方案三：12864液晶屏LCD液晶屏12864的显示模块是用来显示汉字及图形。内部有8192个中文汉字（16*16点阵）和128个字符（8*16点阵）另外还有64乘以256点阵显示RAM（GDRAM）。它可以与CPU单独的连接。与其相连接的微处理器会显示出来几个不相同的界面，来让使用者进行选取。分别是8位并行连接方式和8位串行连接方式。还有多种功能例如光标显示、画面移位等。LCD液晶屏12864的优点有功耗消耗极低，体积尤其娇小，不占面积。重量及其轻，并且超级薄等。缺点有液晶显示的信息量超级大，并且电路设计和程序都相当复杂。价格昂贵且不方便。结合了解的所有的优点和缺点，LCD液晶显示屏12864并不适合本次设计，因为本次设计涉及的经费相对较少，并且需要操作简单，方便。12864液晶屏实物图如图2-5所示。图2-5 显示模块实物图综合以上三种方案，本系统选择了性能较好，适合显示文字信息的1602液晶屏模块，而且也能很好的完成任务的方案一。2.2.3称重组件的选取HX711是一款专门为称重来设计的一款转换芯片，与其他称重芯片来比较，它其中内部的电压更加的稳定。并且具备集成度高、反应时间短、抵抗扰乱性强等特点。并且价格低廉实惠，降低了成本的情况下，还提高的本次毕设的成功性。根据其中的优点以及缺点，本次毕设的称重组件的选择必定是HX711称重传感器。实物图如图2-6所示。图2-6 HX711称重传感器2.2.4电机组件的选取电机是家畜自动喂养系统中非常重要组成部分，系统在输送实物都过程中需要电机带动传送带，对实物进行运输，同时在实物运输完毕时，开门时，也需要电机带动。方案一28BYJ-48步电机是一种常常用在嵌入式方向的电机，它是通过内部的电流，来影响脉冲信号来进行转动的。用简单的方式来讲就是电机接受到其他电流信号的影响，它就按照其设计的方向和位置进行转动。它可以按照给的电流脉冲信号的大小进行多大角度的转动，这样就可以准确操控它的转动的频率以及速度。这样设计更加的稳定及其多元化。这种准确的操控非常适合嵌入式的操作，因为嵌入式方面的操作是严谨的，不能出现丝毫错误的，出现一点点的错误，进可能导致整个设计全部瘫痪，结合步进电机的优点以及缺点，本次设计决定使用28BYJ-48步进电机作为电机的选取。28BYJ48实物图如图2-7所示。图2-7 28BYJ48步进电机实物图方案二42BYGH34Handerbao42mm系列采用双相混合步进电机，原德国本土生产，工艺完备，每个电极同时有两相绕组。转轮上的圆柱形磁石钢，在轴上磁化。转轮两边放置齿形磁铁，由软磁材料制成，并在圆周内分出螺旋桨。当绕组与励磁电流相结合时，单极下的电流会增加，而其他的则回减少。同样适用于两极，一端会上升，另一端会减弱。改变励磁绕组的相位序列并产生相应的力矩转盘可在1/4螺距上旋转，达到稳定平衡。42mm混合步进电机不仅运行频率高，且性能也高，还解决了电机丢步等问题。电机实物图如图2-8所示。图2-8 42BYGH34步进电机实物图该电机体积较大，驱动电路较为复杂，且该电机成本较高，不适宜本系统的使用。所以该系统选择方案一作为传动组件。但是在真正的畜牧业的生产中最好是使用汽油形发电机组，其工作电压在3-10kw之间，这样的发电机才能寿命更长，工作效率最大。2.2.5输入单元的选取输入单元是整个系统的人机交互主要输入接口，目前流行的输入接口有采用触摸按键、矩阵按键、触摸屏等硬件接口，本系统对主流的输入接口做如下分析：方案一：触摸按键。触摸按键目前主流的芯片功耗比较高，并且稳定性和一致性稍微要比机械按键略差，所以在该系统中我们不采用此类方案。方案二：触摸屏。触摸屏在显示效果、处理方式上有一定的优势，但是其功耗高，不稳定性是一大弊端，所以在该系统中也不采用此类方案。方案三：矩阵键盘。机械按键在传统工业、汽车等领域机械按键目前还是不可撼动的地位，其工作稳定、一致性好、功耗低等特点在该系统中要求极高的稳定性上非常适用。矩阵键盘实物图如图2-9所示。图2-9 矩阵键盘实物图根据以上的分析与解释，本次准备选择矩阵键盘来当本次毕设的系统输入单元。本章小结本章首先根据实际需要制定了具体的监测方案，其次本章还提供了多种方案的选择，以确保系统的适当设计，并大大提高其效率，最后还是取决于具体的应用程序的具体实施。对所选系统传感器的一般描述。市场上有许多传感器和其他类型的设备，其中许多比系统选择的好。根据实际情况和应用情况，上述备选方案更为合适，也就是说，更具成本效益。第3章 硬件设计在本次系统设计中，硬件的功能是至关重要的，本章主要讲述压力传感器的设计、时钟电路的设计，按键电路的设计、电源电路的设计、显示模块的设计、电机传动的设计、以及门装置的设计。一个系统能否正常的运行和硬件的设计关系是息息相关的。3.1 系统硬件总体设计本文设计的家畜自动喂养系统在硬件上主要分为时钟电源模块，按键模块，电机驱动模块，蜂鸣器模块，压力传感器模块以及显示模块。系统硬件实物图如图3-1所示。压力传感器压力传感器STM32F103RCT6显示模块显示模块时钟电路时钟电路电机模块电机模块按键电路按键电路门装置门装置电源电路电源电路图3-1 系统硬件框图3.2 主控制器设计STM32F103RCT6是作为主芯片，芯片采用高性能的CPU内核，传输速率到几乎可以达到72MHz甚至跟高。在同类产品中是性价比能最高的产品。此外，STM32F103RCT6芯片还具有三种低功耗模式，分别是休眠、停止、待机模式，大大的降低的系统的功耗。STM32F103RCT6如图3-2所示。STM32F103RCT6开发板结构如下：1. 处理器：单片机内存，LQFP64，FLASH：128K，SRAM：20K。2. 1个标准的JTAG/SWD调试下载口。3. 标准的2.4/2.8寸LCD接口，支持触摸屏。4. 1个USB串口，PC14-OSC32。5. 1个USBSLAVE接口，PC15-OSC32。6. 1组5V电源供应/接入口。7. 1组3.3V工作电压接口。8. 1个复位按钮，可用于复位液晶显示屏。BOOT060NRST7BOOT060NRST7OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16PA0-WKUP14PA115PA216PA317PA420PA521PA622PA723PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/JTMS/SWDIO46PA14/JTCK/SWCLK49PA15/JTDI50PB026PB127PB2/BOOT128PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PB557PB658PB759PB861PB962PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC08PC19PC210PC311PC424PC525PC637PC738PC839PC940PC1051PC1152PC1253PC13-TAMPER-RTC2PC14-OSC32_IN3PC15-OSC32_OUT4PD254VBAT1VDD_132VDD_248VDD_364VDD_419VDDA13VSS_131VSS_247VSS_363VSS_418VSSA12U1STM32F103RCT6D1D2VCC3.3BT1GND104C1S111610KR1AVCC3.3RESET1232.768KHzY11161MR2A128MHzY1GND22C122C110ufC2104C3VSSAVDDA116100uHL1AVCC3.3RESET104C8VDD_1GND104C9VDD_2GND104C10VDD_3GND104C11VDD_4GNDTXDRXD3.3 步进电机模块设计 步进电动机是自动控制系统中的执行装置，随着科技发展，尤其是最近几年时间内，内置的控制技术和集成电路的发展，传动装置的实际上的应用领域更加广泛。步进电机是一种驱动装置，要将直流信号转换成脉冲电信号，必须使用一个特殊的装置，而不是直接连接到直流电源。控制器可以发送脉冲频率从几到几十千赫，而且频率可以连续变化。它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是：为了在步进电机的所有阶段控制电路中分配脉冲序列并通过放大器放大控制步进电机的旋转功率。它可以按照给的电流脉冲信号的大小进行多大角度的转动，这样就可以准确操控它的转动的频率以及速度。典型步进电机控制系统如图3-3所示。环形分配器环形分配器功率放大器辅助电路控制器步进电机图3-3 步进电机控制系统其次，计算机软件实现了网络分配所需的功能，功率放大器将信号加了一个小的输出信号环，用来加强信号的传输。电机采用三相三线步进电机驱动，由于步进电机容易受外部干扰。故本系统采用硬环形分配器。步进电动机的三相调节器是电动机的主要系统，主要由指令控制模块组成，脉冲分配模块和功率控制模块。脉冲分配模块在日本三孔公司使用C-7600集成芯片并分配投入。在6脉冲功率控制模块中的时钟信号，三相步进电机的转速只能通过改变钟表芯片的频率来控制。电机的旋转和维护也可以通过控制简单的逻辑信号来进行调试。内置的死区生成器可以有效地保证两个相同的电机不会发生任何事故。3.4 显示模块设计液晶显采用其LCD1602原因是它在嵌入式方向应用广泛，绝大多数嵌入式操作系统的显示组件选取都是选择的1602的类型，其原因是体积相对小，嵌入式方便，显示丰富的内容，并且电路设计简单，价格低廉，而且性价比及强，并且更能清楚的显示出其设计的时间和重量部分的数字，但是它不能显示图形的这个功能，也是本次设计并不需要的环节，综合优点以及确定才进行选择。LCD1602液晶屏具明确的基本功能如下：第1引脚：GND为电源地。第2引脚：与5V家用电压相连接。第3引脚：V0是LED液晶显示屏的对比端口。第4引脚：RS为内存的选取，当电平高时选取数据寄存器、当电平低时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写寄存器。第7~14引脚：用来进行传输数据。第15引脚背光正极。第16引脚背光负极。连接电路如图3-4所示。图3-4 显示模块电路图3.5 蜂鸣器模块设计蜂鸣器装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，多适用于家用报警器的报警声音源。本系统采用STM32F103RCT6的PWM功能驱动蜂鸣器都发声，STM32F103RCT6的PWM接口输出占空比一定的脉冲，诱食时蜂鸣器会发出如警笛的声音。本系统设计的蜂鸣器原理图如图3-5所示。图3-5 报警电路原理图3.6 称重模块设计按照设计要求，系统要求输出电流信号为20~1000mA，步骤1mA，需要显示的数字。因此，要给出一个定量执行元件A/D转换器，它大概需要16个转换精度。结合之前所设计的接口，会导致STM32F103RCT6的输入输出接口紧张，甚至不足，最终所有HX711来进行称重。HX711接口电路如图3-6所示。图3-6 HX711接口图HX711是一款专门为称重来设计的一款转换芯片，与其他称重芯片来比较，它其中内部的电压更加的稳定。并且具备集成度高、响应速度块、高噪声免疫、性能强、可靠性反应时间短、抵抗扰乱性强等特点。并且价格低廉实惠，降低了成本的情况下，还提高的本次毕设的成功性。STM32F103RCT6芯片内编程非常简单。非常适合本次设计。测试了通道b64固定增益系统的参数。电源芯片可以直接提供给传感器和芯片在A/D转换器中提供电力系统板无电源供应。此外，仿真时钟振荡器芯片不需要任何外部组件。自动复位函数简化了初始化过程。3.7 按键模块设计本设计采用4×4的矩阵式键盘输入方式，矩阵式键盘减少了I/O口所占的接口数目，降低了主控制器中的引脚资源和内存资源，这种方式是通常是在按键比较多的情况下使用。行与列的交叉是不同的，使用键盘来连接，使用行与列的矩阵结构只需要多根行线与列线，即可组成行列矩阵键盘。在输入矩阵键盘的单片机中，键盘执行程序是从按键开始，第一步先要断定按键到底有没有按键按下操作，如果确定当时有按键按下，就要确定是哪一个按键按下的。如果确定按键那在什么地方地方按下的方式有两种，是扫描法和线转法。在本设计中我采用的是第二种，速度较快的线反转法。具体步骤如下：第一步进行一波判断，判断是否有按键按下。第二步进入判断状态，通过写入的按键状态判断是否正确。具体方法是向横线发出全扫描字，并把列线改成低电平，将电平状态发送给单片机。也就是说只要有按键被按下，总有一个低电平。本次设计采用的是矩阵键盘，其中用键位1和3来控制喂食重量或者设计时间进行增加或者是相对应的减少。用*键位来进行切换设置项，也就是切换设置时间和喂食重量。用#键位来进行确定。用数字键位6来进行启动，LCD会根据设置的喂食时间进行倒计时。整个系统运行过程中可以利用数字键9来进行终止。采用矩阵键盘的原因是功能性强，稳定性强，符合家畜自动喂养的设计思路，功耗低等特点非常适用于系统运行，通过普通的I/O口连接。如果按键有效则进行键值处理，矩阵键盘电路图如图3-7所示。图3-7矩阵键盘电路图本章小结本章首先主要介绍在设计时所需要的各个器件的设计，包括压力传感器的设计、时钟电路的设计，按键电路的设计、电源电路的设计、显示模块的设计、电机传动的设计、以及门装置的设计。对各个元器件都有了更多的认识以及理解。最后了解了其中的硬件功能、优缺点、用法以及相关电路。只有更加了解这些知识，才会在毕设的设计完整性有更好的突破。

第4章 软件设计在本次设计毕业设计中，最重要的是能做到设计的完整性，但是只有硬件是远远不够的，想开设计出一个完整性高、性能稳定、可靠行强、只拥有硬件是远远不能所及的，软件的设计在毕设中是必不可少，它会提高整体的全部性能，它是毕设的核心灵魂。4.1 系统开发环境本系统中STM32F103RCT6控制器的软件编写是采用KEIL4软件，该软件集编译和调试于一体，包括检查各种输入输出端口，各个串口通信的连接，以及编写的代码输入等等。KEIL4是美国公司出品的51系列、STC系列以及STM32F103RCT6系列单片机C语言软件开发系统，与其他汇编语言相比较例如C#、C++、JAVA等有着明显的优势。优势在于C语言的简便性、结构性、准确性、都是其他汇编语言不能及的，并且C语言简单，基础知识容易掌握。KELL4软件里面包括C语言的汇编程序、适配器、数据库的管理和一个超级强大的仿真调试器等，各种各样的整合设计方案。开发环境如图4-1所示。图4-1 KEIL4开发环境界面图4.2 主程序流程设计本课题的设计思想是根据家畜自动喂养系统的要求来设计的，如图4-2所示。程序的主要流程的大致过程如下：系统上电后，首先对硬件进行初始化，硬件的初始化包括系统的中断初始化，定时器初始化，IIC通信接口都初始化，显示模块的初始化，按键模块的初始化以及称重传感器的初始化，系统初始化结束后，系统会判断是否处于喂食状态，如果处于喂食状态，系统则对喂食时间进行计时，计时时间到则进入喂食处理程序，当系统处于空闲状态时，系统会实时扫描按键，根据系统所处状态，对按键的消息进行处理。系统的主控制流程如图4-2所示。开始开始系统初始化系统初始化YY喂食时间到？喂食时间到？NNY喂食处理有按键？Y喂食处理有按键？N按键处理N按键处理喂食时间？喂食时间？N结束？N结束？YY结束结束图4-2 主程序流程图4.3 喂食流程设计当用户设置好喂食时间以及喂食重量后，则进入喂食状态，系统在喂食状态下，会自动计时，当计时时间到达喂食设定的时间后，系统启动传送带对实物进行运送，此时称重设备将要开始进行工作，控制系统会对称重设备进行同步的信号测定，当测定到喂食重量大于等于设置的食量后，传送带停止工作，此时，投食工作结束，系统会将门打开，释放家畜，同时蜂鸣器发声诱食，此时整个喂食流程结束。家畜自动喂养设计流程图如图4-3所示。开始开始喂食时间到？N喂食时间到？NYY打开门装置打开门装置蜂鸣器诱食蜂鸣器诱食传送带投食传送带投食读称重传感器读称重传感器达到重量？N达到重量？NYY结束结束图4-3 喂食程序流程图4.4 按键处理程序设计按键处理程序设计是重要组成部分，用户需要通过按键设置喂食的时间，对喂食的时间进行调整，包括喂食时间都增加、减小，除此之外，用户还需要对每次喂食都重量进行设置，对喂食重量的增加以及减少都需要国通按键进行处理。本次设计采用的是矩阵键盘，其中用键位1和3来控制喂食重量或者设计时间进行增加或者是相对应的减少。用*键位来进行切换设置项，也就是切换设置时间和喂食重量。用#键位来进行确定。用数字键位6来进行启动，LCD会根据设置的喂食时间进行倒计时。整个系统运行过程中可以利用数字键9来进行终止。按键处理程序流程如图4-4所示。开始开始更改设置项？参数增加？参数减小？确认？结束对应参数修改YYYYNNNN图4-4 按键处理程序流程图4.5 称重传感器程序设计HX711称重传感器设计要求，系统要求输出电流信号为20~1000mA，步骤1mA，需要显示的数字。因此，要给出一个定量执行元件A/D转换器，它大概需要16个转换精度。HX711在A/D启动后进行格式化，然后把传输过来的信号进行转换，然后传输至STM32F103RCT6芯片上。进行信号转换时必须是保持低电平。当全部结束后，由处理器向STM32F103RCT6芯片发送时钟脉冲信号，然后进行转动。HX711称重传感器程序流程如图4-5所示。开始开始A/D采样A/D采样对对10次采样数据滤波去均值根据根据A/D值换算重量达到设定值？N达到设定值？Y结束结束图4-5 HX711称重传感器流程图4.6 显示模块程序设计由于设计中要求能够设置并显示系统的喂食时间，还可以对系统剩余喂食时间进行显示，对喂食都重量设置并显示，故要用到很多个显示子程序来显示不同的内容。虽然显示的子程序有很多，但由于其控制原理几乎都是差之毫厘的，所以就不用完全介绍一边，只要可以能够熟练的使用LCD1602各个控制指令，这些不同逻辑功能的子程序也就基本上一致的。本章小结本章首先主要介绍了本系统各模块的软件设计，用图文的方式说明了各部分的设计思想及程序流程。其次把每个模块的程序设计都用流程图的方式表示出来。最后一目了然的看出程序设计的思想与方。通过本章可以看出本系统的软件程序设计的过程是很重要的，按照程序的结构一步一步的编写程序，这样才能达到想要的效果。

第5章 系统的调试与测试在本次毕业中设计了多种硬件，以及软件，并且一次的介绍了硬件的性能和调试方法，本章节就对整体的系统硬件进行功能上的调试，以及软件上的调试。还对其中的数据进行了表格式的分析。毕业设计的成功性的大小大部分在于硬件与软件的调试。5.1 系统整体功能调试硬件调试是先通过插器件将检测电路调试成功后，在用万用板焊器件进行调试。硬件焊接完成之后，通过与其仿真器和KEIL4共同调试电路。在进行硬件调试时，万用表是不可少的，测电路通断、元器件阻值的大小等。本系统硬件调试的过程主要是在毕设硬件连接完电路之后，调试中会需要系统性的工具例如：电笔、万用表等。下面是硬件运行整体效果图如图5-1所示。图5-1 整体运行效果图5.2 硬件调试首先进行机械加工电路板，在此之前，首先必须对其所有的精选器件展开检测，来测定所有器件都是否能进行正常的使用，然后才可以进行下一步的焊接。首先要了解所有原机件的原理，然后板上搭一下电路，检测元器件是否可用；用万用表测一下电阻是否灵敏，是否在资料上所写的阻值范围内；再搭建电路，用示波器检测是否有震荡信号；在各个器件检测好以后我们就通过电路原理图，在板上将电路搭建好，然后细细的查看是否有电路连接不好的地方。当所有连接线都接好了以后，就可以利用准备好