基于TOF模组的智能猫盆猫砂余量精准检测设计

摘 要：本文聚焦于智能猫砂盆猫砂余量测量的关键问题，引入时间飞行法（TOF）模组来优化测量方案。深入剖析了TOF模组的运作原理及其特性，并结合智能猫砂盆的实际应用场景，设计了一种高效且精准的猫砂余量测量方法。试验结果显示，该方法不仅具有极高的测量精度，而且误差率低、稳定性强。该方案为传统猫砂余量检测方法的不足提供了有效解决途径，对提升智能猫砂盆的用户体验和智能化水平具有重要意义。

关键词：TOF模组；智能猫砂盆；猫砂余量测量；精准检测；传感器技术；智能化

中图分类号：TP 18" " 文献标志码：A

随着宠物猫广泛流行，越来越多的人开始享受养猫的乐趣。然而，随着养猫人数增加，猫的护理问题也变得越来越突出，特别是在猫的排泄习惯方面。猫的自然习性决定了它们对排泄有特定要求，如果粪便不及时、有效地清理，它们可能会不愿意继续使用同一个猫砂盆，甚至可能寻找其他排泄的地方。此外，猫粪的强烈气味也给宠物主人带来了不小的挑战，特别是在保持家中清洁和无异味方面。为了解决这些迫切问题，人们亟需一种先进、智能的自动猫砂盆系统。这个系统不仅需要能迅速、高效地清理猫的粪便，还需要具备监控和远程控制功能，为宠物主人提供便利和安心。此外，这个系统还需要能自动检测猫砂的级别，使宠物主人能够确定何时需要更换猫砂，并深入了解猫的排泄习惯。鉴于目前猫砂盆的局限性，本文设计了一个集实时监控、智能提醒、数据分析和优化于一体的智能猫砂盆和猫砂余量检测系统。该系统利用先进技术，旨在为宠物主人提供一个全面解决排泄问题的方案，使他们在养猫的过程中更轻松，同时确保猫的舒适和卫生。

1 TOF模组的工作原理与技术特点

时间飞行法（TOF）模组是一种先进的测距传感器，其工作原理是基于光信号的往返时间来计算距离。具体来说，TOF模组通过发射器发射调制光信号，经物体反射后由接收器接收。通过测量光信号的往返时间并结合光速恒定原理，可以计算出目标物体与模组间的距离[1]。与传统的测距方法相比，TOF模组具有精度高、测量范围大和抗干扰能力强等优点。

2 TOF模组在智能猫砂盆猫砂余量测量中的设计

2.1 智能猫砂盆整体系统图

猫砂盆整体系统框图如图1所示，TOF检测电路在整个智能猫砂盆系统中具有重要的作用，它和MCU主板通过总线连接，将检测到的猫砂余量等信息实时传输给MCU主板。MCU主板收到相关信息后，判断猫砂是否低于标准阈值，如果是就驱动加沙检测传动单元动作，从而为砂仓内自动补充猫砂，同时将砂仓余粮的信息和已自动加沙的信息通过联网模组通知用户，以方便用户准确知道猫砂盆运行状态。

2.2 TOF器件选型和安装位置设计

在硬件选型方面，需要选择具有合适测量范围和精度的TOF模组。测量范围应足够覆盖猫砂的高度变化，精度决定了余量测量的准确度。此外，考虑智能猫砂盆的尺寸和结构，TOF模组的尺寸应尽可能小，以便于安装和固定。

对于安装位置的设计，需要全面、细致地考虑以下因素，以确保TOF模组能够准确、稳定地测量猫砂余量，同时便于日常维护和清洁。

首先，对于猫砂的流动特性，需要深入了解猫砂的堆积密度、颗粒大小以及在使用过程中可能出现的流动模式。猫砂堆积时可能会形成不同的坡度，而被挖出时，其流动方向和速度也会有所变化。因此，TOF模组的安装位置应在猫砂堆积相对稳定、流动特性较一致的区域，例如猫砂盆的一侧或中心位置。这样，无论猫砂处于何种状态，TOF模组都能捕捉到准确的测量数据。

其次，对于TOF模组的视角和盲区问题，需要根据猫砂盆的具体尺寸和形状来设计安装位置[2]。TOF模组的视角范围通常有限且存在一定的盲区[3]，为了避免盲区对测量造成影响，可以将TOF模组安装在猫砂盆的上方，以垂直向下的视角进行测量。同时，调整TOF模组的安装高度和角度，确保其视角能够完全覆盖猫砂盆内的猫砂区域，从而避免盲区问题的出现。

最后，考虑猫砂盆的维护和清洁需求，TOF模组的安装位置应便于操作。可以将TOF模组安装在猫砂盆的边缘或外部支架上，日常清理和更换猫砂时就可以轻松地移除或调整TOF模组位置，避免对其造成不必要的干扰或损坏。此外，为了确保TOF模组的稳定性和耐用性，还可以选择使用防水、防尘材质进行包装和保护。

综上所述，考虑结合智能猫砂盆实际运行工况，TOF传感器选用光微电子的N01传感器。它是一款超小尺寸的TOF传感器，内部集成了高精度的单点TOF芯片、符合人眼安全class1的VCSEL微型激光器、先进的微型透镜和控制运算单元。特点是测量范围广、测距精度高、抗阳光干扰、抗盖板脏污干扰且室内外均可使用。其测试距离为2cm～100cm，满足猫砂余量为空猫砂时距离TOF传感器40cm、满猫砂时距离传感器60cm的范围，同时N01测量精度的测量精度为2mm，满足精准测量余量高精度的标准。

2.3 硬件方案的设计

硬件原理框图如图2所示，TOF检测电路的设计主要由5V电源输入端口、LDO降压稳压电路、MCU单片机、输出串口以及TOF传感器构成。具体描述如下所示。1）5V电源输入端口。5V电源输入端口是TOF检测电路的能量来源，用于接收主板提供的稳定5V供电电压。该设计确保了电路的稳定性和可靠性，能为整个系统提供持续、稳定的电力支持。2）LDO降压稳压电路。LDO降压稳压电路采用了微盟电子的ME6221CM5G芯片，其主要作用是将输入的5V电源电压有效降压并稳压至3.3V。该设计不仅满足了单片机和TOF传感器对电源电压的特定需求，同时也确保了电源的稳定性和可靠性，避免了电压波动对电路性能造成的不利影响。3）MCU单片机。MCU单片机采用了STM32F030F4型号，是一款具有20脚的微型控制器，用于控制和处理TOF模组采集的数据，是整个电路的核心处理单元。此外，MCU单片机还需要与主板进行通信，将数据处理结果准确传递给主板，以实现信息的有效交互。4）输出串口。输出串口是MCU单片机与主板间信息交流的桥梁，可确保数据准确传输，使TOF检测电路能够将处理结果实时反馈给主板，从而实现整个系统的协同工作。5）TOF传感器。TOF传感器采用了光微科技的N01型号，用于采集目标物体的距离信息。通过精确测量和数据处理，TOF传感器为整个系统提供了可靠的数据支持。

综上所述，TOF检测电路的设计充分考虑了各个部分的特性和需求，通过电路设计和元件的合理选择，确保了电路的稳定性和可靠性。但在细节设计和具体实现过程方面，还需要进一步深入研究和优化，以提高电路的性能和效率。

该设计中包括电源、滤波、稳压、单片机控制和传感器读取等关键环节的布局和连接。这些局部设计的详细说明如下所示。

第一，电源输入与滤波。电源输入和滤波电路如图3所示，5V电源通过端子P1接入，这是整个电路的能量来源。为了确保电源的稳定性，本文采用C1和C2共2个滤波电容，其主要作用是滤除电源中的高频噪声和杂波，为后续电路提供一个更纯净的电源环境。该设计对保护电路中的敏感元件，尤其是单片机和传感器至关重要。

第二，DC稳压电路设计。如图3所示，经过滤波后的5V电源进入DC稳压芯片U2型号为ME6221CM5G，此芯片的主要功能是将输入的电压通过电阻R12、R13和电容C3、C4稳定地转换为3.3V并输出。这种设计不仅满足了单片机和传感器对特定电压的需求，同时也确保了输出电压的稳定性和可靠性。ME6221CM5G芯片具有出色的稳压性能和温度稳定性，能够在各种环境下为电路提供稳定的电源。

第三，单片机最小系统设计。STM32F030F4单片机最小系统

STM32F030F4单片机最小系统如图4所示。单片机U6（STM32F030F4）采用了最小系统设计[3]，表明本文只使用了单片机所必需的基本元件，如外部晶振X1、复位电路电阻R17和电容C8，其中单片机PA4口直接串联电阻R21和LED4指示灯，PA13和PA14引脚直接与端子P2连接，作为烧录口，PA2、PA3口直接连接端子P3，作为和主板通信的串口电路。这种设计有助于降低电路的复杂性，提高系统的稳定性和可靠性。同时，外部晶振电路为单片机提供了精确的时钟信号，确保单片机能够正常工作。

第四，TOF传感器的通信设计。TOF传感器电路如图5所示，其中U1为TOF传感器芯片型号为N01，芯片的XSHUT中断引脚直接与对应的U6单片机XSHUT引脚相连。GPIO引脚直接与对应的单片机GPIO网络引脚相连。芯片的I2C接口I2C_SCL、I2C_SDA通过电阻R16、R18上拉后，直接与对应的单片机I2C_SCL、I2C_SDA引脚相连。I2C接口是一种双向串行通信协议，允许单片机与传感器间进行数据高效传输和控制。通过这种连接方式，单片机可以读取传感器U1测量的距离信息，并对其进行处理。单片机处理完U1传感器的数据后，需要将其通过串口传给上位机主板。串口通信是一种广泛应用的通信方式，具有传输速度快、稳定性好等优点。本设计采用了标准的串口通信协议，确保了数据的准确传输和系统的稳定运行。

在实际制作和调试过程中，还需要注意元件的选型、布局和焊接等细节问题，以确保电路的性能达到最佳状态。

2.4 软件方案的设计

在编程实现上，本文采用C语言作为编程语言，并将keil软件作为编程软件。keil软件具有强大的功能和易用性，能够满足本文对TOF检测电路软件的需求。编译后的hex文件通过JFLASH软件、J-LINK仿真器或USB离线下载器烧录进STM32F030单片机中[4]，从而实现软件固化。

TOF检测电路的软件部分是整个系统的关键之一，主要由系统初始化程序、串口接收中断程序、标定程序、测量数据处理程序以及校准程序等多个模块组成。每个模块都具有相应作用，共同确保TOF检测电路稳定运行和精确测量。

TOF模组程序主流程图如图6所示。系统初始化程序是软件启动时的首要任务，用于配置单片机的各种寄存器、初始化串口通信参数以及设置其他必要的外围设备。这一过程至关重要，为后续的程序运行奠定了坚实基础。

标定程序是确保测量精度的关键步骤。通过测量标准物体，得出系统的误差范围并进行补偿。这一过程需要精确控制和计算，以确保标定结果的准确性。

测量数据处理程序是对接收的原始数据进行处理和分析，提取出有用的信息。这一过程包括滤波、平滑和拟合等操作，以消除噪声和干扰，提高测量结果的可靠性。

校准程序用于定期对系统进行校准，以确保其长期的稳定性和准确性。通过与实际测量结果进行比较，程序可以自动调整系统参数，使其始终保持在最佳状态。

2.5 测量数据处理

需要对TOF模组获取的原始数据进行数据处理，以提取出准确的猫砂高度信息，并根据高度信息得到猫砂的余量。检测猫砂余量测量示意图如图7所示，该过程涉及关键环节如下。

2.5.1 数据预处理

进行数据预处理时，本文对TOF模组获取的原始距离数据进行了多次测量，以确保数据的稳定性和可靠性。具体步骤如下所示。1）多次测量。为了获得更准确的数据，本文对同一目标进行了多次测量。例如，设定每次测量间隔为1s，共进行30次测量，以获取一个包括30个数据点的数据集。这样做的好处是可以减少单次测量带来的偶然误差。2）滤除最大值和最小值。获得多次测量的数据集后，本文观察到数据中可能存在一些异常值，这些异常值可能是由环境噪声、设备干扰或其他不可预知的因素导致的。为了消除这些异常值的影响，本文采用滤除最大值和最小值的方法。即去除数据集中的最大和最小数据点，只保留剩余的中间值。这样做可有效降低噪声和干扰对数据的影响。3）求平均值。滤除最大值和最小值后，可得一组更稳定的数据。为了进一步提高数据的准确性和可靠性，本文采用求平均值的方法来处理这组数据。通过将剩余数据点的值相加并除以数据点的数量，可以得到一个平均值，并将其作为最终处理结果。平均值可有效消除数据中的随机误差和波动，提高信号测量质量。

2.5.2 高度数据提取

2.5.2.1 传感器位置空仓距离L0

将距离传感器设置在球形仓底部最低点的正上方，使距离传感器发射的光线垂直射入球形仓底部的最低点，这样的设置可使该距离传感器测得的距离即为垂直距离，方便后期的公式计算，节省时间，无须再进行垂直距离转换，便于距离传感器的安装与固定。当球形仓为空仓时，即当盛放猫砂的球形仓为空，不盛放任何猫砂时，在球形仓的上方利用距离传感器测得球形仓底部最低点的距离。

2.5.2.2 获取初始猫砂的距离L1

根据球形仓的规格，在球形仓内放置相应量的初始猫砂，并将其铺平。铺平的初始猫砂形成一个初始平面，而TOF传感器即检测这个平面内的初始猫砂到距离传感器的距离，通过读取测量值得出球形仓中初始猫砂的距离。

2.5.2.3 获取剩余猫砂的距离L2

随着猫砂不断减少，剩余猫砂在球形仓内呈铺平状态，形成一个剩余平面。无论是初始猫砂还是剩余猫砂，铺平状态可以通过人工实现，也可以通过猫砂盆铺平实现。TOF传感器检测这个平面内的剩余猫砂到距离传感器的距离，得出球形仓中剩余猫砂的实时距离。

2.5.2.4 计算初始猫砂和剩余砂高度

初始平面与球形仓底部最低点间的距离H1=L0-L1；剩余猫砂即剩余平面与球形仓底部最低点间的距离H2=L0-L2。将H1与H2分别转换为垂直距离h1和h2。由于本装置中的距离传感器设置在球形仓底部最低点的正上方，因此测得的距离均为垂直距离，即H1=h1，H2=h2。根据球缺体积公式分别计算初始猫砂的体积V1和剩余猫砂体积V2。

初始猫砂体积V1如公式（1）所示。

（1）

式中：L0为空仓距离；L1为初始猫砂的距离；R为球形仓半径。

剩余猫砂体积V2如公式（2）所示。

（2）

式中：L2为剩余猫砂的距离。

由于初始猫砂和剩余猫砂在球形仓内呈铺平状态，具有初始平面和剩余平面，而球形仓为一个球体，因此可以运用球缺体积公式求取初始猫砂的体积和剩余猫砂的体积。根据上述初始猫砂体积和剩余猫砂体积，可得剩余猫砂所占百分比V3为V3=·100%。

2.5.3 可扩展性与可配置性

为了进一步保证测量的精度，将距离传感器与初始猫砂所在平面间的距离为10cm～100cm。由于测量球形仓时固定了距离传感器的位置，因此可在球形仓没有装猫砂时做一个初始猫砂的标记，只需要将初始猫砂加到该标记处即可。对距离传感器与初始猫砂所在平面间的距离做进一步限定，避免两者间距离过小，导致距离传感器无法检测，二者间距离过大，距离传感器容易受到干扰，进一步保证测量结果的精准度。

为了在保证测量精度的基础上进一步扩大距离传感器的安装范围，本设备中所射光线与竖直线间的夹角低于35°，角度过大或过小均会影响测量结果。角度过大会增加安装成本，同时影响测量精度。将距离传感器与竖直线间呈35°设置，因此h1=H1·cos35°，h2=H2·cos35°，同时初始猫砂体积如公式（3）所示。

（3）

剩余猫砂体积如公式（4）所示。

（4）

2.6 试验验证

为了全面评估基于TOF模组的智能猫砂盆性能，本文设计了一系列试验。

首先，试验场景设置。为了模拟真实环境，本文设置了不同的猫砂余量状态（10%～100%）和多种环境条件（如室内光线变化、猫砂盆位置变化等）。

其次，精度与误差分析。比较TOF模组测量结果与实际值，所得数据见表1。

通过误差分析可发现测量误差在±0.1cm以内，满足大多数用户的需求。

最后，稳定性测试。本文收集了30位用户的使用反馈测试，数据见表2。在多种环境条件下，TOF模组的测量结果稳定、波动小，但也有部分用户在某些特定环境下（如夜晚光线较暗时）的测量效果略有下降。

测量与实际高度的对比、误差范围如图7、图8所示，通过比较30位用户使用过程中猫砂余量实际高度和测量高度，可知测量结果基本一致，误差低于0.1cm，符合设计要求，测量结果稳定。

3 试验结果与分析

经过测试验证，基于TOF模组的智能猫砂盆在猫砂余量测量方面表现出优异性能。试验结果表明，该方案具有高精度、低误差和稳定性强等优点，能够满足实际应用的需求。与传统检测方法相比，基于TOF模组的智能猫砂盆能够提供更精准、可靠的猫砂余量检测服务。

4 结语

本文重点探讨了TOF模组在智能猫砂盆猫砂余量测量中的设计和应用。通过深入分析TOF模组的原理和特点，并结合智能猫砂盆的实际需求，本文提出了一种高效、精准的猫砂余量测量方案。试验结果表明，该方案具有高精度、低误差和稳定性强等优点，为解决传统猫砂余量检测方法的问题提供了有效途径。未来将继续优化和完善基于TOF模组的智能猫砂盆设计，提高其自动化程度和用户体验，同时也将关注该技术在其他智能家居设备中的应用前景，以期拓展其应用范围和领域。

参考文献

[1]张涛.TOF传感器技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2021.

[2]刘阳.3DTOF传感器技术[M].北京：国防工业出版社，2022.

[3]陈忠平.STM32F030微控制器原理与实践[M].北京：电子工业出版社，2020.

[4]刘军.STM32F030单片机应用开发实战指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2022.