对计量控制的智能系统设计

杨　耀，周翔宇，江新志，张倬铖，严一民

(1.电子科技大学　物理电子学院，成都　610054；2.合肥市第一中学，合肥　230000)



对计量控制的智能系统设计

杨耀1，周翔宇2，江新志1，张倬铖1，严一民1

(1.电子科技大学物理电子学院，成都610054；2.合肥市第一中学，合肥230000)

针对宠物的自动喂养系统，在充分考虑节能的状况下，采用了气压控制和低功耗电路；采用单片机编程软件实现了对硬件的控制，通过软件编程定时来确定投放的食量。该系统实现了节能性、实用性以及可操作性，通过对实物各项参数测试，到达了预期设计要求，系统具备智能工作并自动喂食宠物的功能。

节能；气压；智能；控制；喂养；系统

在人们出差在外或是旅游度假时，不能及时地对家中的宠物给予很好地照顾，尤其是投放宠物的饮食，成为困扰人们的问题之一。针对市场上的自动喂食装置中因过于粗糙不能达到智能和自动喂养效果的问题，本文设计与研发了一款新产品，在结合节能和智能化于一体的同时，对智能化家居的推动起到了积极作用。

1　工作原理

本系统中自动供水和供食部分是独立的(功能上的独立，但结构还是一体的)。

喂水部分无须供电，利用气压装置和开关全自动控制。用户可选外出和定量供应两种模式。外出模式下供水会全天候保持水量一定，宠物饮用的水量会自动补足，在定量供应模式下，用户可控制气压开关自主决定用水量。

在通电后喂食装置启动，用户可在面板设定放食时间和周期放食量，该信息以24小时为周期循环，即用户只需设定每天的喂食机制，系统会自动应用到每一天。定时电路根据预设的时间，定时给外部开关电路一个驱动的高频开通信号(通过此信号的时长变化改变开关电路的开合时间，从而达到放食量的设定)，外部机械开关在电磁铁作用下打开，食物开始投放，当开通信号结束电磁铁关闭，机械开关在弹簧的作用下封闭进食口。系统框架图如图1所示。

图1　功能框架示意图

2　机械结构

2.1气压供水结构

供水部分利用气压的改变和连通器的改进设计实现了用户的半自动控制。储水桶和喂水槽形成半封闭连通器，储水桶上部的按压式开关控制是否气封。正常状态为气密，与外部隔绝，没有与大气的气压平衡交换；开关按下，进气口与储水桶和大气压连通，如图2的供水结构所示。

1)没有按压开关情况下，储水桶中的水流入喂水槽，当水位高于进水口时大气不能再通过进水口流入储水桶时，达到气压平衡：

p0+ρgh0=p1+ρgh1

(1)

式(1)为喂水槽压力和储水桶压力平衡式。当喂水槽的水量减少，为保持水压平衡，进水口则会进行自动补水，实现水位的自动补给。

2)有按压开关的情况下，封闭大进水口(小进水口不能让气体进入，可以防止大进水口对定量的影响)。储水桶与大气连通，连通器两边气压相等，左边水位高水会自动流入喂水槽，松开开关两边压力平衡就会停止进水，即通过开关按压时间可以实现手动定量进水。实验得到连通时间和进水量关系，如图3所示。

图2　供水结构示意图

图3　进水量时间变化折线

2.2喂食机械开关

食物投放开关由电磁吸盘控制，而电吸盘的工作状态由自动控制电路进行控制，这里的开关控制采用一段活动的杠杆和弹簧弹力与及食物重量的平衡关系，并有吸盘对平衡进行控制，如图4所示。

在非投食工作状态下，电吸盘并没有产生吸引力，在弹簧弹力的作用下进食管道被开关上部的杠杆密封。在进行投食时吸盘由于控制电路的作用开始工作，通过杠杆下固定的铁块将杠杆拉下进食管道打开。

在设计中为了更好地实际效果，通过调整吸盘和弹簧相对于支点的位置和进食管道的弯曲程度(改变食物对密封板的压力)使受力达到要求的平衡，即非投食状态可以完全地稳定的密封进食管道，投食状态可以很好地拉下密封板进行投食，并且恢复到原状态时又可以很好地密封。

图4　开关设计示意图

3　控制电路设计

3.1时间显示模块

在硬件设计中主要用到AT89S52单片机、两片74HC573芯片和一个6位8段LED共阳数码管，硬件电路设计框图，如图5所示。图中，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。而74HC573是拥有8路输出的透明锁存器，输出为三态门，是一种高性能硅栅CMOS器件[1]。

在设计时，由于需要数码管显示时间，并且定时喂食，需要一个类似于可定时电子时钟的设计，用到了设计电子时钟时的段选和位选的知识。

单片机在连接时，先与74HC573连接，再与74HC573连接到数码管。每次只能送一组8位二进制数，其中1位为数值的小数点，其他位为数码管所要显示的十进制数值，即为数码管的段选位。每次只能送一个数的段选位，这样就导致6位的数码管只能同时显示一个数字。本文电子时钟的设计，要求6位数码管显示不同的数值，这就需要用到数码管的位选线和另一片74HC573锁存器。通过单片机连接另外一块74HC573芯片，送出位选信号，对每一位数码管进行选择，就可以在每位上送出不同的数字。在工作时这两组信号，会交替送出。利用人眼的余晖效应可以使数字在人眼看来是不变的。具体的代码，在程序设计中实现。

图5　硬件电路设计框图

3.2开关控制模块

通常8051所要驱动的继电器，大多为DC6V或DC5V的小型电子用继电器。尽管如此，靠8051输出口的电流恐怕不够，况且驱动继电器线圈这种电感性负载，还要有些保护才行！我们可以使用晶体管来控制继电器电路[2]。电子时钟的开关控制部分如图6所示，使图中的继电器在相应的时间打开，并会持续打开一段时间(可设置)。图中L1小灯泡部分在实物中换为接电吸盘。

图6　开关控制模块连接图

3.3调时按键模块

3个按钮式开关与P1.0、P1.1和P1.2相连，按下时为“1”，对显示时间和定时时间进行设置。与单片机的连接如图7所示。

4　自动控制程序设计

程序设计中，for语句更为灵活，不仅可以用于循环次数已经确定的情况，还可以用于循环次数不确定而只给出循环结束条件的情况[3]。此程序设计采用了for循环实现段选、位选的控制，流程图如图8所示，实现段选和位选的代码如图9所示，在这个for循环中先打开位选，送出位选信号第一位数码管被选中打开。然后位选信号移位，作为下一次的位选信号。之后段选打开，送出段选信号，使数码管显示相应的数值。然后调用延时函数，给动态扫描数码管提供时间，此时间必须极为短暂，能使人产生视觉暂留。

图7　调时按键模块连接图

图8　程序设计流程图

图9　段、位选代码图

5　系统外形材料及结构

考虑到设计成本与经费问题，样品的构造采用瓦楞纸加上美工纸，其中的稳定结构都采用胶带和三角结构支撑。供水部分密封性和防水性要求很高，储水器利用成品所料制水瓶，喂水槽部分在用瓦楞纸进行搭建后，利用防水胶带和蜡封进行防水密封。

5.1进水管

在进水管中自动给水时，气体需能进入储水箱进行气压补给，从而稳定水位，所以大进水口要求直径在8mm以上，过大会使固定水位过高。在手动控制进水量时为了防止空气进入进行自动补水，小进水管不能超过4mm。

5.2进食开关

由于食物颗粒较大，开关的密封板和进食管的密封要求不高，但是，为避免造成进食开关打开后不能关闭的情况，对力平衡的要求严格，所以在进食管道设计时尽量设计成弯管道，以减少食物下滑的动能对密封板的冲力。为防止开关被卡死，支点的活动性和润滑度要求较高。

6　结束语

计量控制自动装置设计实现了节能性、实用性以及可操作性，对比市场上的同类产品，其优点在自动控制方式上利用了全新的设计模式，通过实物各项参数测试，到达了预期设计要求。对该领域具有很好的推广和应用价值。

[1]韦克利(WakerlyJ.F.)著.数字设计：原理与实践(第四版)[M].林生，葛红，金京林,译.北京：机械工业出版社，2007.

[2]张义和.例说51单片机[M].3版.北京：人民邮电出版社，2010.

[3]谭浩强.C程序设计[M].4版.北京：清华大学出版社，2010.

[4]周超群．电磁阀的原理及其在工程设计中的应用探讨[J].石油化工自动化，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

全国高校创新训练项目基金。

杨耀(1993-)，男，本科生，声学及信息控制专业。

TP27

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.016