基于51单片机宠物喂食系统设计

1 系统功能介绍

本设计题目为"基于51单片机宠物喂食系统设计"。该系统旨在实现宠物自动化喂食管理，结合实时监控、智能投放与人机交互，为宠物主人提供便捷的喂养体验。通过单片机的控制，用户可以自由设置每日喂食的时间与投放量，并利用液晶屏直观显示关键数据，从而实现智能化的喂养方式。

系统的功能实现主要包括以下几个方面：

实时数据显示：通过LCD1602液晶模块显示当前的时间、环境温湿度以及食物重量，用户能够清楚掌握喂食环境和食物情况。
食物重量检测：采用HX711压力传感器模块实时监测食物重量，保证喂食量的准确性。
喂养时间设置：通过按键设置三个喂养时间段，单片机根据时间自动判断是否执行喂食操作。
喂养量设置：用户可通过按键设置每次投放食物的重量，确保宠物营养摄入的科学性。
自动喂食控制：当系统时间到达预设喂养时间，单片机根据重量传感器的实时检测结果，驱动电机正转执行投食，当重量达到预设值后电机反转，停止喂食。
手动喂食功能：用户可在任意时刻按下手动喂食按键，立即启动电机完成一次投食过程。

该系统不仅能帮助宠物主人节省时间，还能有效避免因忘记喂食或过量喂食带来的健康问题，具有较高的实用价值和推广潜力。

2 系统电路设计

整个系统电路由多个功能模块组成，包括单片机最小系统电路、LCD1602液晶显示电路、HX711重量检测电路、按键输入电路、步进电机控制电路、温湿度传感器电路以及电源电路。

2.1 单片机最小系统电路

系统核心采用STC89C52单片机，它具备稳定性高、性价比高以及良好的兼容性等优点。其最小系统包括：

时钟电路：使用11.0592MHz晶振及电容构成稳定的时钟信号；
复位电路：采用电容、电阻与复位按键组成的上电复位电路，确保单片机上电后能进入初始状态；
电源电路：系统主电源为5V直流电，单片机及LCD工作于5V，部分模块如HX711内部支持3.3V逻辑，通过电源管理芯片进行分压或稳压处理。

2.2 LCD1602液晶显示电路

LCD1602为字符型液晶显示器，可以显示两行，每行16个字符。本设计中用于实时显示时间、环境温湿度以及当前食物重量。其接口包括数据总线与控制信号：

RS引脚区分指令和数据；
RW引脚控制读写操作；
E引脚为使能端口；
数据口与单片机的P0口或P2口相连，用于传输字符数据。

通过编写相应驱动程序，单片机可在屏幕上动态更新信息，便于用户查看。

2.3 HX711重量检测电路

HX711是一款24位A/D转换芯片，广泛应用于电子秤领域。本设计中通过HX711与压力传感器相连，实时监测食物重量。

HX711提供高精度的数字信号输出，接口为双线制（DT与SCK），与单片机IO口相连。
单片机通过时序信号控制SCK，并从DT引脚读取重量数据。
通过标定系数计算，可将数字信号转换为实际重量值（单位g）。

2.4 按键输入电路

系统共设计多组按键，用于：

设置喂养时间；
设置每次喂食的重量；
触发手动喂食。

按键采用下拉电阻设计，未按下时IO口为高电平，按下时接地为低电平。通过程序实现按键消抖处理，保证输入稳定性。

2.5 步进电机控制电路

喂食控制采用电机驱动方式。电机正转表示投食，反转表示停止。

使用ULN2003电机驱动芯片连接步进电机，芯片输入端接单片机IO口，输出端驱动电机。
单片机通过控制脉冲序列实现电机正转或反转，模拟投食的开启与关闭过程。

2.6 温湿度传感器电路

为了保证宠物粮食的储存环境，本系统增加了DHT11温湿度传感器。该模块通过单总线与单片机通信，定期采集环境温湿度，并显示在LCD上。

2.7 电源电路

整个系统需要+5V供电，同时电机部分需较大电流，因此电源部分采用稳压电源与电流驱动能力较强的电源适配器，保证电机与传感器稳定工作。

3 程序设计

系统程序采用C语言编写，在Keil环境下开发，分为主程序与各功能模块子程序，形成模块化结构，便于调试与维护。

3.1 主程序设计

主程序负责整个系统的逻辑调度，包括初始化、按键检测、定时任务执行与电机驱动。

c 复制代码

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "hx711.h"
#include "dht11.h"
#include "uart.h"
#include "key.h"
#include "motor.h"

void main()
{
    float weight;
    unsigned char hour, minute, second;
    float set_weight = 50.0;   //默认喂食重量
    LCD_Init();
    HX711_Init();
    DHT11_Init();
    Motor_Init();
    Timer_Init();

    while(1)
    {
        //读取时间
        GetTime(&hour,&minute,&second);
        //读取重量
        weight = HX711_GetWeight();
        //读取温湿度
        DHT11_Read();
        //显示数据
        LCD_ShowTime(1,1,hour,minute,second);
        LCD_ShowWeight(2,1,weight);
        LCD_ShowTempHumi(1,10);

        //自动喂食判断
        if(CheckFeedTime(hour,minute,second))
        {
            if(weight < set_weight)
            {
                Motor_RunForward();
                while(weight < set_weight)
                {
                    weight = HX711_GetWeight();
                }
                Motor_RunBackward();
            }
        }

        //手动喂食
        if(Key_Scan() == MANUAL_FEED)
        {
            Motor_RunForward();
            while(weight < set_weight)
            {
                weight = HX711_GetWeight();
            }
            Motor_RunBackward();
        }
    }
}

3.2 LCD显示程序

LCD驱动程序实现初始化、写命令、写数据、显示字符串、显示数值等功能。

c 复制代码

#include "lcd1602.h"
#include <reg52.h>

sbit RS = P2^6;
sbit RW = P2^5;
sbit E  = P2^7;

void LCD_WriteCmd(unsigned char cmd)
{
    RS = 0; RW = 0;
    P0 = cmd;
    E = 1; DelayMs(1); E = 0;
}

void LCD_WriteData(unsigned char dat)
{
    RS = 1; RW = 0;
    P0 = dat;
    E = 1; DelayMs(1); E = 0;
}

void LCD_Init(void)
{
    LCD_WriteCmd(0x38);
    LCD_WriteCmd(0x0C);
    LCD_WriteCmd(0x06);
    LCD_WriteCmd(0x01);
}

void LCD_ShowString(unsigned char row, unsigned char col, unsigned char *str)
{
    unsigned char addr;
    if(row==1) addr = 0x80+(col-1);
    else addr = 0xC0+(col-1);
    LCD_WriteCmd(addr);
    while(*str) LCD_WriteData(*str++);
}

3.3 HX711重量采集程序

c 复制代码

#include "hx711.h"
#include <reg52.h>

sbit HX711_DT = P3^2;
sbit HX711_SCK = P3^3;

void HX711_Init(void)
{
    HX711_SCK = 0;
}

long HX711_Read(void)
{
    unsigned long count=0;
    unsigned char i;
    while(HX711_DT);
    for(i=0;i<24;i++)
    {
        HX711_SCK=1;
        count=count<<1;
        HX711_SCK=0;
        if(HX711_DT) count++;
    }
    HX711_SCK=1;
    count ^= 0x800000;
    HX711_SCK=0;
    return count;
}

float HX711_GetWeight(void)
{
    long value = HX711_Read();
    return (float)(value/1000.0); //通过标定系数调整
}

3.4 DHT11温湿度采集程序

c 复制代码

#include "dht11.h"
#include <reg52.h>

sbit DHT11_IO = P3^4;

unsigned char DHT11_ReadByte(void)
{
    unsigned char i,dat=0;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        while(!DHT11_IO);
        DelayUs(30);
        if(DHT11_IO) dat|=(1<<(7-i));
        while(DHT11_IO);
    }
    return dat;
}

void DHT11_Read(void)
{
    unsigned char temp, humi;
    //初始化时序
    DHT11_IO=0; DelayMs(20);
    DHT11_IO=1; DelayUs(30);
    //读取湿度整数部分
    humi = DHT11_ReadByte();
    temp = DHT11_ReadByte();
    LCD_ShowHumi(2,10,humi);
    LCD_ShowTemp(2,14,temp);
}

3.5 电机驱动程序

c 复制代码

#include "motor.h"
#include <reg52.h>

sbit IN1 = P1^0;
sbit IN2 = P1^1;

void Motor_Init(void)
{
    IN1=0; IN2=0;
}

void Motor_RunForward(void)
{
    IN1=1; IN2=0;
}

void Motor_RunBackward(void)
{
    IN1=0; IN2=1;
}

3.6 按键检测程序

c 复制代码

#include "key.h"
#include <reg52.h>

sbit KEY1 = P3^5; //设置时间
sbit KEY2 = P3^6; //设置重量
sbit KEY3 = P3^7; //手动喂食

unsigned char Key_Scan(void)
{
    if(KEY1==0){DelayMs(10); if(KEY1==0) return SET_TIME;}
    if(KEY2==0){DelayMs(10); if(KEY2==0) return SET_WEIGHT;}
    if(KEY3==0){DelayMs(10); if(KEY3==0) return MANUAL_FEED;}
    return 0;
}

4 总结

本设计以51单片机为核心，结合LCD1602液晶显示、HX711压力传感器、DHT11温湿度传感器、按键输入和电机驱动电路，成功实现了一款智能宠物喂食系统。系统具备时间控制、重量监测、自动投食与手动投食等多项功能，能够满足宠物日常规律饮食的需求。

电路设计上，各模块分工明确，硬件接口简洁可靠；程序设计上采用模块化结构，便于扩展与维护。该系统不仅可应用于家庭宠物喂养，还可扩展至小型农场、实验室动物饲养等场景，具有良好的实用性与推广价值。