1. 系统功能概述
点击链接下载资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081543
本设计的题目为**《基于单片机与上位机的智能宠物喂食管理系统设计》**，旨在实现一种能够自动完成宠物喂食、喂水、清理粪便，并通过上位机进行实时监控与管理的智能化系统。随着现代社会人们生活节奏的加快，宠物成为越来越多家庭生活的重要组成部分，但由于工作和外出等因素，定时喂食与环境维护往往成为养宠用户的痛点问题。本系统以单片机为核心控制器，结合多种传感器、电机驱动模块、光电耦合隔离电路以及上位机通信系统，实现对宠物日常生活环境的智能化管理。
本系统的主要功能如下：
- 自动喂食与喂水：系统可根据预设时间自动启动电机驱动饲料与水泵模块，实现精准定量喂食与供水。
- 智能粪便清理：系统通过红外或超声波感应器检测粪便所在区域，控制舵机或电机驱动清理装置进行自动清扫。
- 安全控制与光电隔离：在高功率电机与控制电路之间加入光电耦合隔离，防止高压干扰导致系统误动作或损坏。
- 上位机监控与控制：系统与计算机上位机通过串口通信进行数据交互，实现实时监测宠物活动状态、环境参数以及投喂记录。
- 环境状态检测：系统可实时检测温湿度、光照强度等环境参数，为宠物提供一个舒适、安全的生活环境。
2. 系统电路设计
本系统的硬件设计围绕单片机控制核心、电机驱动模块、传感器检测模块、光电隔离电路、LCD显示模块、串口通信模块以及电源系统等部分展开。各模块相互协作，共同完成系统的自动化与智能化控制功能。
2.1 单片机控制核心
本系统选用 STM32F103C8T6 单片机作为主控核心。该单片机基于 ARM Cortex-M3 内核，主频可达 72MHz，具备丰富的 I/O 资源与外设接口，适合复杂控制任务。
其主要功能如下：
- 控制电机运行逻辑（喂食、喂水、清理）。
- 采集传感器信号（红外、水位、温湿度）。
- 通过串口与上位机进行数据交互。
- 驱动LCD显示当前系统状态与时间信息。
2.2 喂食与喂水电机驱动模块
喂食系统采用 直流电机+螺旋推进机构 结构，将饲料通过旋转螺旋管精确投放到食碗中。喂水部分采用 水泵电机 控制，定时启动以提供适量饮用水。
为防止主控芯片直接驱动大功率负载，本系统选用 L298N 双H桥电机驱动模块，具有过流保护与方向控制功能。通过单片机的GPIO输出PWM信号，可实现对电机转速与方向的控制。
2.3 智能粪便清理模块
清理模块使用红外传感器或超声波模块（如 HC-SR04）检测粪便位置。当检测到地面异物或特定区域存在障碍物时，系统驱动小型电机带动清扫装置运行。
控制逻辑为：
- 红外检测信号 → STM32 采集 → 判断清理条件；
- 若检测有效，则启动清理电机；
- 清理完成后停止电机，恢复待机状态。
2.4 光电隔离与安全控制电路
由于系统中存在多路电机与传感器，易受电磁干扰影响，为此设计中在高低压部分之间加入 光电耦合器（如 PC817） 实现信号隔离。此设计不仅提高系统抗干扰能力，还能有效防止控制电路因电机瞬态电流损坏。
2.5 传感器检测模块
系统使用多种传感器实现环境与状态监测：
- 温湿度传感器（DHT11）：检测宠物箱内温湿度数据。
- 水位传感器：检测饮水容器水位，防止缺水。
- 红外传感器：检测宠物活动与清理区域状态。
- 光照传感器：辅助判断昼夜状态，优化喂食时间。
这些传感器通过ADC或GPIO口与单片机连接，实现实时数据采集。
2.6 上位机通信模块
系统采用 UART 串口通信 实现单片机与上位机的数据交互。上位机程序可使用 C# 或 Python 编写，接收来自单片机的传感器数据与系统状态信息，并可下发控制指令实现手动控制。
通信波特率一般设置为 9600bps，协议结构为起始位 + 数据位 + 停止位，采用简单的自定义帧格式进行数据封装与校验。
2.7 LCD 显示模块
采用 LCD1602 显示屏 显示系统的主要运行信息，如当前时间、环境温湿度、喂食次数、水位状态、报警提示等。LCD1602 通过 I²C 转接模块与单片机连接，仅占用两个通信引脚，极大节省了 I/O 资源。
2.8 电源模块
系统电源部分采用 5V 稳压电源 供单片机与传感器使用，12V 电源 供电机模块驱动。为保证系统稳定性，电源部分增加滤波电容与 TVS 管进行过压保护。
3. 程序设计
本系统的软件设计采用模块化结构，分为主控程序、定时喂食模块、喂水模块、清理模块、传感器检测模块、LCD显示模块、上位机通信模块等部分。程序以 C 语言编写，运行在 Keil MDK 环境中。
3.1 主程序逻辑设计
主程序主要负责系统初始化、任务调度和主循环逻辑。系统采用轮询方式结合中断响应机制，实现对各模块的协同控制。
主程序框架如下：
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "lcd1602.h"
#include "usart.h"
#include "motor.h"
#include "sensor.h"
int main(void)
{
SystemInit();
LCD_Init();
USART_Init(9600);
Motor_Init();
Sensor_Init();
Timer_Init();
LCD_ShowString(0, 0, "Smart Feeder");
while(1)
{
Sensor_Update();
Feed_Control();
Water_Control();
Clean_Control();
Data_Transmit();
delay_ms(200);
}
}3.2 定时喂食模块设计
系统通过定时器中断控制喂食时间，当达到设定时刻时启动喂食电机运行指定时间，完成一次自动喂食过程。投喂量可根据电机运行时间调整。
void Feed_Control(void)
{
if(Time_Hour == Feed_Hour && Time_Minute == Feed_Minute)
{
Motor_Feed_Start();
delay_ms(Feed_Time * 1000);
Motor_Feed_Stop();
Feed_Count++;
LCD_ShowNum(1, 0, Feed_Count, 2);
}
}3.3 喂水模块设计
喂水模块与喂食模块原理类似，通过继电器或MOS管控制水泵运行。
void Water_Control(void)
{
if(Time_Hour == Water_Hour && Time_Minute == Water_Minute)
{
Motor_Water_Start();
delay_ms(Water_Time * 1000);
Motor_Water_Stop();
}
if(Water_Level_Low()) // 水位过低报警
{
LCD_ShowString(1, 10, "LOW");
Buzzer_Alert();
}
}3.4 智能清理模块设计
通过红外传感器检测到粪便信号后，系统控制清理电机运转一段时间。
void Clean_Control(void)
{
if(IR_Sense() == 1)
{
Motor_Clean_Start();
delay_ms(5000);
Motor_Clean_Stop();
}
}3.5 传感器检测模块设计
void Sensor_Update(void)
{
Temperature = DHT11_ReadTemp();
Humidity = DHT11_ReadHumi();
Water_Level = ADC_Read(WATER_CHANNEL);
Send_To_PC(Temperature, Humidity, Water_Level);
}3.6 上位机通信模块设计
通信模块通过串口实现上位机与单片机的信息交互。单片机周期性发送当前环境参数，上位机根据需要下发控制指令。
void Data_Transmit(void)
{
char buf[50];
sprintf(buf, "T:%d H:%d W:%d\r\n", Temperature, Humidity, Water_Level);
USART_SendString(buf);
}3.7 LCD 显示模块设计
LCD用于显示当前状态与喂食次数等关键信息。
void LCD_Update(void)
{
LCD_ShowNum(0, 0, Temperature, 2);
LCD_ShowNum(0, 5, Humidity, 2);
LCD_ShowNum(1, 0, Feed_Count, 2);
}4. 系统特点与扩展
该系统不仅实现了宠物喂食的智能化与自动化，同时还具备以下特点：
- 高可靠性设计：通过光电隔离与电源防护电路，保证控制系统免受电机干扰。
- 模块化架构：硬件与软件模块独立设计，方便维护与扩展。
- 上位机实时监控：便于用户查看宠物状态与设备运行情况。
- 可扩展性强：可加入摄像头模块、语音交互模块或APP远程控制功能，进一步提升系统智能化水平。
本系统实现了宠物喂食的自动化控制与管理，为现代智能家居养宠提供了一种实用的技术解决方案。