基于单片机的智能温感称重小车设计

王昂，周智恒，李海侠，梁鸿栎

（桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西桂林，541004）

0 引言

随着中国社会的不断繁荣发展，我国人民日益增长地对美好生活的需要，宠物养殖需求成为近些年来活跃在年轻人中的一个重大需求，然而由于社会的压力及工作的繁忙，大多数年轻人不具备完善的养殖宠物的能力，这使得大多数宠物得不到良好的照顾而患病，也使得宠物主人花费更多的时间和金钱，并且对环境要求苛刻的宠物在养护方面对于环境温度、湿度和食物量等方面有更高的要求。如何科学有效地提高宠物养殖的智能一体化，是广大宠物爱好者考虑的重要问题，一个完善的智能温感称重小车设计显得尤为重要。

本文针对宠物养殖出现的问题，设计了一款基于单片机的智能温感称重小车，以STC89C52 单片机为核心，考虑了宠物对环境温度、湿度、通风条件和食物需求量等的特殊要求，设计实现了针对宠物养殖环境控制系统，与普通家用控制系统相比，在温湿度控制及通风、定时投食控制方面均有较大不同。通过对系统进行测试，结果证明该系统反应灵敏，能够满足基本要求，且具有简单易操作和经济实用等优点。

1 智能温感称重小车设计的总体设计方案

■1.1 智能温感称重小车设计的基本工作原理

本文设计基于单片机的智能温感称重小车，利用DS18B20 温湿度传感器模块[1]可以实时实现对温湿度的智能调控；利用HC-SR 04 超声波测距模块实时检测与障碍物之间的距离，当检测到障碍物时，HC-SR04 超声波测距模块[2]输出指示灯亮，系统报警；利用压力传感器模块实时检测食物的余量；利用DS18B20 数字温度传感器实时检测温度，将温度变化信号转换为数字的信号；利用OLED 屏会显示系统相关信息；然后利用按钮进行紧急的情况确认，并启动蜂鸣器报警程序。

■1.2 功能设计

本文设计的智能温感称重小车有手动控制和自动控制两种模式，系统上电后默认为自动控制模式，此时温湿度传感器模块、压力传感器模块和HC-SR04 超声波测距模块正在运行。切换到手动模式后，可以通过红外遥控装置对智能小车进行控制并对宠物生活环境温度、湿度和食物余量进行实时监测，并作出相应的指令，同时系统可手动调节相关阈值。当温湿度超过设定阈值时，系统启动自动降温补水装置，并通过DS18B20 温湿度传感器模块发送当前环境温度相关信息到LCD1602 模块实时显示。若食物余量不足，HX711发送信息至投食装置，并同时发送信息到用户手机，提醒用户实时关注宠物当前状况。

图1 智能温感小车控制系统示意图

■1.3 机械结构设计

智能温感称重小车的机械结构设计包括车身结构、轮子、电机、前后轮悬挂、重量传感器等。车身结构需要考虑到小车的稳定性、承重能力和机动性。轮子需要具有一定的耐磨性和抗滑性，以便小车能够在不同的路面上行驶。电机需要根据小车的负载和速度要求来选择。前后轮悬挂结构需要能够缓冲小车在不平路面上的震动，从而保证小车的稳定性。其结构组成如图2 所示。

图2 机械结构设计组成图

2 系统硬件设计

■2.1 硬件选型

控制系统选择STC89C52 单片机为控制芯片。STC89C52 单片机是一种常见的基于8051 内核的单片机，STC89C52 单片机采用了经典的8051 内核架构，这使得它非常成熟和稳定。电路简单、丰富的存储空间、丰富的外设和接口、低功耗[3]。

压力检测模块采用HX711 传感器HX711 传感器采用了特殊的采样技术和抗干扰设计，具有较好的抗干扰能力和稳定性。它能够在复杂的环境中提供可靠的测量结果，并且对温度变化和电源波动的影响较小。

显示模块采用LCD1602 显示器LCD1602 显示器采用液晶技术，可以显示2 行16 列的字符信息，每个字符由5×8 个像素点组成。它能够以高对比度、清晰可见的方式显示文本和简单图形，使得信息易于阅读和理解。总而言之，LCD1602 显示器具有显示效果清晰、低功耗、简单接口、可编程性、低成本和可靠性等优点。它在各种应用场景中被广泛使用，如嵌入式系统、仪器仪表、家电和DIY 项目等，为用户提供清晰可见的字符信息显示功能。

温度检测模块采用DS18B20 数字温度传感器，DS18B20 数字温度传感器具有单总线接口、高精度测量、多点测量、低功耗设计、高抗干扰能力、宽工作温度范围和工作稳定可靠等优点。它在温度监测和控制领域得到广泛应用，如室内温度监测、气象站、工业自动化等。

电机驱动模块采用ULN2003，电机驱动模块ULN2003是一种常用的集成电路，用于驱动步进电机或直流电机。具有高可靠性、多通道输出、内部保护功能、方便接口、市场成熟度高和成本效益高等优点。它被广泛应用于各种电机控制和驱动系统中，为用户提供便捷可靠的电机驱动解决方案。

报警模块采用蜂鸣器、1k 电阻和PNP8550 三极管组成，蜂鸣器通常体积小巧，可以方便地安装在各种电子设备中。这使得它可以被广泛应用于各种小型电子产品和嵌入式系统中。蜂鸣器通常具有较低的功耗，尤其是无源蜂鸣器，不需要外部电源供应。这使得它在需要长时间工作或电源资源有限的场合下非常实用。

电源模块采用Micro-USB 作为电源接入口，接口设计了反插保护机制，即接口只能正确连接在一个方向上，避免了错误插入导致的损坏。图3 为整体硬件电路示例图。

图3 整体硬件电路图

■2.2 硬件接口电路的设计

智能温感称重小车使用的STC89C52 资源为：电机DC引脚与单片机P1.0～P1.3 引脚连接，压力传感器DC 端口与单片机P2.0～P2.1 引脚连接，温度传感器DQ 引脚与单片机P3.7 引脚连接，显示模块将LCD1602 的RS、RW 和EN 引脚分别连接单片机的P2.6、P2.5 和P2.7 引脚，去皮按键DO 引脚与单片P3.1 引脚连接，还原按键可以和单片机引脚P 三点零连接，进行精确测量和数据的传输，在按键功能中加减、减键和确认键分别与单片机P3.3、P3.4 和P3.5引脚相连，报警模块与单片机P3.6 引脚相连，电源模块与单片机USB 口相连。单片机I/O 口资源分配如表1 所示。

表1 智能温感称重小车单片机I/O口及外设资源分配表

3 系统软件设计

系统编程一般采取模块化的设计思想，先创建和调试好各种子进程，然后再把这些子程序进行排列组合，重组为一个整体的程序。这样的设计思想不但便于整个系统的正常运行，同时也可以简单快捷地在项目间实现人员迁移，从而简化了项目开发周期。

■3.1 压力传感器设计

HX711 是根据单晶硅不定向应力时电导率是同性的只有定向受力时才表现出各项异性，由于应力能引起能带的变化，能谷能量移动，导致电阻率的变换，从而产生压阻效应。其压力传感器模块的流程图如图4 所示。

图4 压力传感器模块流程图

■3.2 温度传感器子程序设计

DS18B20 初始化：主器件首先发出一个480～960ms 的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480μs时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有DS18B20 温度传感器已做出应答。若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无DS18B20温度传感器应答。说明总线上无DS18B20 温度传感器应答。

DS18B20 温度转换原理：DS18B20 温度传感器返回16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。如果高五位全部为1，则代表返回的温度值为负值。如果高五位全部为0，则代表返回的温度值为正值。其温度传感器模块的流程图如图5 所示。

图5 温度传感器模块流程图

■3.3 LCD1602 显示子程序设计

本文采用以SSD1306为驱动IC 的OLED 显示模块作为显示器件，单片机对LCD1602 的控制就是对其驱动芯片的控制，其控制显示过程为：复位-＞驱动IC 初始化代码-＞开启显示-＞清零显示-＞开始显示（显示实时检测值与设置阈值）。其LCD1602 显示屏模块的流程图如图6 所示。

图6 LCD 显示屏模块流程图

4 系统调试

系统上电后，显示屏显示预设温度阈值与实际温度值。若系统上电后无故产生报警，超声波模块输出指示灯或压力传感器模块输出指示灯亮起，则需调节模块灵敏度。

实验中，打开超声波传感器模块，当检测距离小于阈值时系统启动报警，显示屏显示相应闪烁字样提示报警信息。当压力传感器检测到食物余量小于预设值时，系统报警，显示屏分别显示相应闪烁字样。当温度传感器检测到的温度值超过系统设置上限值，系统同样会启动报警并在显示屏上显示相应闪烁字样。图7 为串口通信显示超声波测试数据的示例图。

5 结论

本文设计、制作了一个基于STC89C52 的智能温感称重小车，可实时监测宠物生长环境温度湿度是否泄露不适的情况，以及食物是否需要补充，并在屏上显示相关信息。用户便可根据手机上的数据操作小车进行降温、加湿或者投食操作。