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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 机械维修及检测技术教育班级学号： 学生姓名： 指导教师： 副教授 二一六年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计一种鱼缸自动喂食机构及其控制系统设计A fish tank automatic feeding mechanism and its control system design专业班级：机检1111学生姓名：陈益磊指导教师： 副教授学 院：机械工程学院2016 年 6 月第 1 页摘 要观赏鱼可为人们带来爽心悦目感觉，舒缓人们生活压力，为居家生活平添众
2、多生机。因此，观赏鱼是众多家庭首先室内装饰品。然而，伴随社会发展，人们工作、生活节奏越来越快，人们在享受观赏鱼所带来乐趣同时，时常会遗忘观赏鱼喂食工作，造成观赏鱼喂食时间不规则，喂食量不均匀等问题，进而造成观赏鱼生病甚至死亡。本课题基于智能家居基本理念，围绕家用鱼缸自动喂食系统关键问题开展设计工作。具体设计内容如下：（1）在对当前市场上家用鱼缸结构进行调研基础上，设计了一种便于安装到鱼缸上自动出食机构。机构可满足鱼食存储、定量出食、出食量调节等功能。（2）针对所设计自动出食结构，以DSP为核心单元，开发了自动出食机构控制系统，包括步进电机控制、鱼食不足报警等方面功能。（3）为便于人机交互功能，
3、课题设计了DSP及触摸屏连接及信息交换。并开发了人机交互界面。界面具备鱼食存量情况监控，喂食量、喂食时间等参数设定功能。关键词：观赏鱼缸；自动喂食；DSP；人机交互；智能家居ABSTRACTOrnamental fish for people to bring cool feeling, relieve peoples life pressure, as many home life added vitality. Therefore, ornamental fish is many families first indoor decorations. However, with the so
4、cial development, people work, in an increasingly fast pace of life, people in the enjoyment of ornamental fish fun at the same time, often forgotten ornamental fish feeding work, resulting in ornamental fish feeding time irregular, feed uneven problems, resulting in the ornamental fish get sick or
5、even die. This paper based on the basic concept of intelligent home, around the key problems of household aquarium automatic feeding system to carry out design work. The concrete design content is as follows:(1) On the basis of investigation and Research on the structure of domestic fish tank in the
6、 current market, a kind of automatic food feeding mechanism is designed, which can satisfy the function of the fish food storage, the quantity of food, the regulation of food intake and so on.(2) According to the design of the automatic out of food structure, with DSP as the core unit, the developme
7、nt of automatic control system of food, including the stepper motor control, fish food shortage alarm and other aspects of the function.(3) To facilitate the function of human-computer interaction, this paper designs the DSP and touch screen connection and information exchange. And the development o
8、f the man-machine interface. Interface with fish food stock of the situation monitoring, feed intake, feeding time and other parameters setting function.Key Words: ornamental fish tank; automatic feeding; DSP; human computer interaction; intelligent home目 录第一章 绪论11.研究意义1课题背景1自动喂食意义1研究目2目前国内外宠物照看及动物管
9、制发展现状2主要研究内容3第二章 鱼缸喂食机构机械结构设计4喂食特殊要求4喂食机构设计4喂食箱体机构设计4箱体附件设计52.2.3 自动出食及传动机构7轴承安装和固定方式9箱体摆放位置及固定方式10第三章 鱼缸喂食机构控制系统设计123.1 DSP控制系统设计12总体方案设计123.3 控制系统硬件设计123.3.1 DSP硬件选型123.3.2 基于DSP步进电机控制设计14基于DSP人机交互系统设计15触摸屏选型15触摸屏及DSP连接方式163.4.3 人机界面设计16结论及展望201.结论:202.展望20参考文献21致谢22第一章 绪论1.研究意义智能家居（英文：smart home,
10、 home automation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关设施集成，构建高效住宅设施及家庭日程事务管理系统1张海萍.小小水族箱装着大市场N.市场报,2002-10-21.，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能居住环境。随着现代科技日益发展，智能家居已包含：控制主机（集中控制器）、智能照明系统、电器控制系统、家庭背景音乐、家庭影院系统、对讲系统、视频监控、防盗报警、电锁门禁、智能遮阳（电动窗帘）、暖通空调系统、太阳能及节能设备、自动抄表、智能家居软件、家居布线系统、家庭网络、厨卫电视系统、运动及健康监
11、测、花草自动浇灌、宠物照看及动物管制、室内空气质量检测及分析等方面。本课题属于智能家居宠物照看及动物管制范畴，拟针对鱼缸自动喂鱼系统关键问题开展设计工作。1.2自动喂食意义观赏鱼是许多居家与办公室必备装饰物，可为人们带来爽心悦目感觉，舒缓人们生活压力，为居家生活平添众多生机。因此，越来越多人喜欢饲养观赏鱼。然而，伴随社会发展，人们工作、生活节奏越来越快，当你上完一天班，疲惫回到家中，见到鱼缸中那些鲜活鱼儿游来游去，顿时会释放你一天压力，但人们在享受观赏鱼所带来乐趣同时，时常会遗忘观赏鱼喂食工作，造成观赏鱼喂食时间不规则，喂食量不均匀等问题，进而造成观赏鱼生病甚至死亡。本课题基于智能家居基本理念
12、，围绕家用鱼缸自动喂食系统关键问题开展设计工作。课题研究在以下几个方面具有重要意义：（1）鱼食一次性加注，可以在相当长时间内实现鱼食存储及自动喂食功能，无需人参及。（2）每次喂食量与喂食时间间隔可根据所饲养鱼种类及数量进行适当设定，减少人工喂食主观性、随机性，确保观赏鱼健康生长。（3）具备鱼食存储功能，鱼食干燥、密封存储。 当鱼食存量不足时可及时发出报警信息，提示加食。1.3研究目21世纪是互联网快速发展时代，随着互联网发展，人们之间联系方式多种多样，各种本不应该产生关联设备在互联网影响下联系在一起。智能家居就是通过物联网技术将家庭各种家居设备联系在一起，为家庭控制提供便捷，比如现在家庭里空调
13、、加热水器、防盗系统、远程监控等都可以通过我们手机或者一个独立控制系统来控制，将几个独立设备通过物联网技术联系在一起。大大提高了对分散设备控制便捷性。随着居民生活水平与消费能力不断提高，家庭环境是每个人最为关心地方，互联网对人们传统生活改变以及人们对其需求是显而易见，许多有经济实力人对智能化设备需求日益增加。因此，很多新建小区都将采用智能化建设，智能家居市场表现十分火热，智能产品供不应求。智能化程度越来越高尤其是防盗报警系统与楼宇照明控制等领域； 从用户角度来看，家居控制与家居环境、娱乐市场需求较为迫切。2016年中国产业调研网发布中国智能家居市场现状调查及未来发展趋势趋势报告显示2朱欣.水族
14、箱养殖热带观赏鱼常识J。科学养鱼1999.，尽管智能家居是国内近年发展新兴行业，它发展速度十分迅猛，2014年是智能家居中国发展爆炸期，在短短四年时间里，各大智能家居生产商纷纷崛起，都开始加入到智能设备领域，目前其行业发展速度是其他传统行业无法超越3葛华.多功能观赏鱼缸自动控制系统的设计D.南京:东南大学机械工程学院。各大生产厂商都开始布局智能家居板块，比如现在小米集团，乐视集团一系列智能家居产品不断发布，空气进化器、智能电视、智能照明等等，随着智能家居热潮在世界范围内日渐兴起，全球信息创新技术不断发展，中国居民消费水平不断提高国家大力推行城镇化、农业现代化、工业化发展以及宽带普及与各种新式服
15、务、新产品不断涌现，奠定了智能家居行业发展基础，目前国家大力鼓励创新，移动互联网，云计算，大数据等名词大热，加快了智能终端产业化发展，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展最新方向。从目前发展趋势来看，在以后制造行业发展过程中，智能家居行业将成为中国主流行业之一，它发展前景十分广阔4彭国平，邓洪波，梁振权.水族箱自动装置的设计J.广东自动化与信息工程 1999（3-4）.。1.4目前国内外宠物照看及动物管制发展现状随着生活水平提高，城市化发展迅速以及城市家庭规模缩小，据资料显示，目前城市中拥有宠物数量超过一个亿，而且其增长速度越来越快，有些人将宠物当成自己孩子来养5李开春.小小水族箱 装着大世界
16、N.宠物世界，1998-10-20.，宠物行为举止时时刻刻都能牵动主人心，智能家居宠物照看机器就可以解决这个问题。目前国内外很多智能家居制造公司将智能发展方向对准了宠物，在国外有许多智能宠物喂食机器与互动机器，它内部拥有一个微型摄像头，或者一个麦克风内置扬声器，用户可以通过专门手机APP远程操作，及动物互动进行交流，如果宠物走进了手机视频内，你也可以叫它名字，如果你太忙，没有时间，你也可以开放你APP权限，可以让你朋友，亲人帮你照看，非常人性化与现代化。在国外，有些智能宠物家居现代化已经赶上人类生活水平。在宠物智能设备上有跑步机，可以让动物运动减肥，有平板电脑，有浴盆，看起来非常奢华，还具有一
17、套智能监控系统，可以每时每刻观察宠物状况。但随着宠物市场成熟，行业目前暴漏出很多不规范问题制约着市场发展，缺少一些监督与管理，而目前国内很多宠物医院缺乏与从事宠物医生人员缺少，宠物用品也被国外品牌占据，业内缺少行业管理与服务。目前法律不完善，动物本身安全防疫工作缺失，给社会安全都会带来很大隐患等6王天元基于ADSP BF561车载多媒体系统J，现代电子技术，2006。所以国内外宠物市场发展有着很大差别，但是随着宠物市场制度不断完善，这一切都会变得规范。依照目前国内发展，宠物市场潜力巨大。人们除了养猫，狗之外现在家庭水族箱发展也是越来越快，很多家庭喜欢养鱼，智能家居水族箱发展上了一个新台阶，国外
18、一些智能养鱼设备通过手机APP绑定，通过手机随时随地对饲养鱼类进行视频观察、临时喂食，还可以进行拍照录像，并且可以将照片传至第三方平台，还有更多水箱内部装饰，鱼类玩具等。还可以根据鱼类不同种类直接通过软件设置食物量，喂食时间，容器采用称重传感器精准计算鱼料剩余重量提示用户在鱼料剩余不多情况下注意添加食物。还会每天记录喂食情况，鱼类生活情况，检查水质污染情况，水质养分，自动供氧，科学合理饲养鱼类。1.5主要研究内容课题基于智能家居理念及需求，开发鱼缸自动喂鱼系统。具体设计内容包括以下几个方面：（1）在对当前市场上家用鱼缸结构进行调研基础上，设计了一种便于安装到鱼缸上自动出食机构。机构可满足鱼食存
19、储、定量出食、出食量调节等功能。（2）针对所设计自动出食结构，以DSP为核心单元，开发了自动出食机构控制系统，包括步进电机控制、鱼食不足报警等方面功能。（3）为便于人机交互功能，课题设计了DSP及触摸屏连接及信息交换。并开发了人机交互界面。界面具备鱼食存量情况监控，喂食量、喂食时间等参数设定功能。第二章 鱼缸喂食机构机械结构设计2.1喂食特殊要求现在水族箱饲养越来越广泛，饲养鱼类种类也越来越多，每种鱼类生活习性都不相同，喂养食物也是各种各样，大小、形状也可能大不相同，因此喂食器设计就需要满足这类需求，当然在生活节奏非常快今天有时候会无暇顾及照料所饲养鱼儿，在饲养过程中，可能遇到食物缺失或者一次
20、性给予食物太多，这都会导致鱼类间接死亡，食物过多还会导致鱼缸中水质变化，经常换水又会增加人工麻烦，所以喂食机构设计还需要根据鱼类饮食时间设定固定时间，需要通过查阅资料与咨询售卖鱼类服务人员沟通，要了解饲养鱼类生活习性，从而设定给予食物时间、食物量。所以在设计时候还需要根据不同种类鱼类设置一次性喂食物量，在饲养过程中才会注意细节，饲养好鱼类。因此，本喂食机构需要具备适当容量、具备自动出食机构、便于在鱼缸上安装等方面要求。为满足鱼食存储及自动出食要求，本课题所设计喂食机构机械部分主要包括箱体结构、出食机构等方面。喂食箱体机构设计自动喂鱼系统中箱体主要用来储存一定量鱼食，以及整体结构及附件安装等方面
21、功能。箱体具体设计及要求：（1）材料选取：由于本箱体结构需要安装到鱼缸玻璃墙壁上，箱体整体重量不能超过鱼缸玻璃墙壁承重能力。为减少机构整体重量，本课题箱体结构选用重量轻、强度大铝合金材料来设计。（2）箱体尺寸及外观：箱体尺寸大小需要根据鱼缸大小及饲养鱼数量来确定，本课题在对花鸟虫鱼市场进行充分调研基础上，以常见家用鱼缸尺寸及鱼饲养量为基础，设计箱体尺寸满足以下几个要求：鱼食存储容积最大存储满足1个月供食要求；外观尺寸及鱼缸整体尺寸相协调；箱体内部满足传动机构安装要求。箱体外观如图2-1 所示：图2-1 箱体外观箱体内部主要分鱼食存储空间与驱动及传动机构安装空间两部分，箱体内部结构如图2-2所示
22、：图2-2内部结构图鱼食存储空间用于存储适量鱼食，为便于出食，箱体底部采取左高右低、流线型设计，以保证当鱼食不足时，剩余鱼食可以自动下滑并聚集到出口处，便于出食。外观尺寸具体设计参数：根据水族箱市场调研为尺寸依据，设计箱体长度约为320mm，宽为220mm，高度为180mm。该尺寸能够及鱼缸整体尺寸相协调，不影响鱼缸其他设备工作。驱动及传动机构安装空间用于安装驱动电机、齿轮减速机驱动轴等部件。该空间左右两隔板同时用于安装传动轴轴承。箱体附件设计箱体附件是喂食机构不可缺少零件，附件是支持机构完整运行条件之一，喂食箱体美观、装饰、传动都离不附件支持。箱体附件图2-3所示主要包括出食漏斗、电机、箱体
23、安装板等，机构在传送鱼食过程中需要通过螺杆旋转将鱼料推送出去，为了保证鱼料不泄露，箱体及外界需要一定密封性，又能够将螺杆包含在内，因此螺杆设计需要满足以下几个要求：出食漏斗必须比螺杆大，约为三分之二；保证食物不随意泄漏螺杆整体约四分之一需在漏斗中。图2-3出食漏斗螺杆在静止状态下，剩余部分鱼料会聚集在螺纹间隙中，依靠螺纹之间相互阻挡作用，鱼料不会泄漏出去，鱼食在传动时通过螺杆直接从漏斗机构掉入鱼缸中，不会产生鱼食泄漏，增加了机构喂食定量稳定性。安装板是箱体运行不可缺少附件，它是支撑机械传动机构载体是机械系统运行重要保障。如图2-4所示，两空间之间安装板可以用于轴承安装，也可保持两空间部分相对密
24、封性，侧面两传动轴之间支撑，轴承座需安装在板上，支撑轴传动，电机安装板通过螺钉紧固连接板及底板之间，电机通过安装板作为依托固定在箱体中，保证传动部分平稳传动。如图2-4箱体安装2.2.3 自动出食及传动机构为了保证出食机构顺利工作，传动部分是机械设计核心部位，自动出食及传动机构零部件包括螺杆、传动轴、齿轮、电机、轴承等。如图2-5所示：图2-5传动机构（1） 螺杆设计要求螺杆是食物导出载体部件，螺杆参数设计要求必须满足以条件：尽可能多传动鱼料；螺纹螺距选择上要符合螺杆标准螺距且配合食物传动要求；螺杆长度要求必须要与箱体相匹配，能够容易进行安装、拆卸，方便储物箱箱体清洗。如图2-6所示:图2-6
25、螺杆根据调研市场上鱼食形状、大小，螺杆切口形状、深度、直径、长度、螺距、截面形状以及它螺旋升角设计都是根据鱼食大小形状等参数来设计。市场上鱼食基本都是小颗粒状，基本尺寸在25mm，螺杆设计长度约为110，螺纹有效长度约为70mm，螺纹截面形状为梯形，直角梯形斜边对着出口让传动效果更加通畅，螺旋升角60度，螺纹旋向为左旋。螺杆及传动轴分开安装，用联轴器或紧固连接方式将传动轴及螺杆连接一起，装拆方便。（2） 主传动轴，从传动轴传动设计需满足机械结构传动要求，电机及齿轮之间传动依靠主传动传动转矩，主传动轴在轴端部设计还需满足齿轮及轴承安装，在阶梯轴上需开键槽，电机及主传动轴通过联轴器相连，联轴器用于
26、轴之间连接稳定，且在安装中比较容易，占用空间较小，传动平稳。如图2-7所示：图2-7主传动轴从传动轴设计是配合主传动轴，将传动力矩传送给螺杆，通过螺杆将食物送出储物箱，从传动轴设计为一个阶梯轴，轴两端由两个轴承固定支撑，阶梯轴上揩油键槽用于齿轮安装，阶梯轴轴端需要倒角，便于轴承安装，主从动轴通过齿轮啮合传动，从传动轴及螺杆一分为二是为了便于安装，两者之间安装为螺钉紧固连接。如图2-8所示：图2-8从传动轴（3） 齿轮齿轮啮合传动是机械传动主传动，主、从动轴之间力矩传动依靠齿轮来进行衔接，大小齿轮啮合传动可以降低从动轴转速，齿轮设计需要满足箱体安装要求；两个齿轮安装要求；齿轮及两个传动轴安装要求
27、。齿轮传动优点：齿轮作为机械传动因为传动效率比较高，能保证瞬时传动比恒定，工作可靠性高，传递运动准确，结构相对紧凑，便于箱体传动空间安装，齿轮机构相对于带传动与链传动它需要空间尺寸比较小，传动比稳定，齿轮使用寿命比较长，传动可靠、平稳，齿轮传动相对于其他传动优点较多。根据箱体安装空间尺寸计算，选择齿轮模数为m=2，齿数为Z=40，压力角为20度，大齿轮，小齿轮齿数Z=20，齿轮啮合条件为：模数与齿形角都相等；两齿轮基圆齿距相等。如图2-9所示：图2-9齿轮模型图（4）步进电机喂食机构传动需要动力源，且根据设计要求需要计算螺杆转动角度，控制螺杆转动时间，步进电机作为机械传动动力源，满足喂食机构传
28、动需求，步进电机可以控制其转动角度，电机选型、安装方式，直接影响机械结构运动平稳性。步进电机工作原理：步进电机是将一种电脉冲信号转化为角位移或者是线位移一个执行元件。步进电机一般分为二相，三相，四相，五相，在没有超载情况下，电机转速、停止位置只取决于接收到脉冲信号频率与脉冲数，而不受负载变化影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度，它旋转是以固定角度一步一步运行7邱爱忠。基于DSP的异步电机矢量控制变频调速系统研究J.国外电子测量技术，2010,29。步进电机选型：选取步进电机型号为42系列H2P4010A4直流混合式两相四线步进电机，步距角1.8度、静
29、转矩0.35NM、相电流1A、直流电压6V、机身长度40mm、轴长20mm、直径5mm。四线步进电机，电机里面两组线圈是绝缘，分别为A+、 A-、 B+、 B-，驱动器驱动步进电机转动就是轮流给A组B组连续脉冲。在脉冲电压不断传入，电机就会连续转动。2.2.4轴承安装与固定方式轴承是传动轴转动条件中不可缺少零件，轴承是用来支撑主从动轴转动，轴承安装在轴承座中，通过轴承座及安装之间固定连接支撑轴回转，轴承安装几个必要条件：（1）轴阶梯长度稍微小于轴承内圈宽度，轴超过内圈宽度会影响轴转动效率，不便于轴承安装；（2）轴端部需要倒角，便于轴承安装；轴承安装需在轴向位置固定；（3）轴承径向位置需要轴及轴
30、承之间过盈配合，如图2-6所示：图2-6轴承安装示意图图中所示轴承安装剖面图，轴承内圈卡在阶梯轴上，轴及轴承之间配合为过盈配合，目保持轴承径向固定，第二层轴端顶部顶在轴承内圈上，轴承不能向右移动，起右侧方向轴向固定，阶梯长度不能超过轴承内圈宽度，起到安装方便且不及挡板起到摩擦，轴承安装在轴承座中，起到支撑轴承作用，轴承座左侧内弹性挡圈卡住轴承外圈，起到轴承左边轴向固定，轴承座作为轴承轴向固定牢靠、稳定，四个螺钉将轴承座及安装板紧固连接，结构稳定且安装方便。2.2.5箱体摆放位置及固定方式鱼缸喂食机构箱体箱体摆放需要固定机构将其固定在鱼缸壁上，根据设计要求箱体固定需要满足以下要求：由于鱼缸基本为
31、玻璃壁，固定机构不能将玻璃划花；鱼缸在安装上需要成一个角度，方便食物积聚出食口要求；锁紧机构能够稳定牢靠将喂食机构固定鱼缸壁上。如图2-7所示：图2-7固定机构示意图对于箱体固定，采用了锁扣方式，两个锁扣相等高度，形状大小一样，在鱼缸内壁安装保持力共同作用，由于箱体与内部机构整体重量很轻，两个锁扣锁紧状态下完全可以满足将箱体固定在鱼缸内壁上面。锁紧口是一个成倾斜角度活动板，在安装时让鱼缸与锁扣成相同倾斜角度，鱼料放置过程中因为倾斜而集中在食物出口附近，方便鱼食导出，锁扣固定方式利用了螺钉旋转力压中间平板，平板上面装有防滑垫，将鱼缸玻璃壁紧紧压在平板与锁扣之间，增加鱼缸稳定固定。在螺母旋转上，设
32、计成塑料螺纹旋钮，直接手动旋转，非常舒服不会咯压手指。喂食机构各个零部件组成一个整体自动喂食箱，将所有零件组装配合，在安装方面需要注意零件之间配合间隙，保持机械结构运动平稳性，智能化设计在未来水族箱发展上将会得到越来越多用处，也是未来智能化发展趋势。智能化设计也可以减少人工劳动强度，鱼缸喂食机构不但能准确达到定时、定量特点，而且如果储存单元中没有食物，系统还会自动检测，并且在面板上显示报警状态，提醒你目前箱体内部情况，非常方便与智能。第三章 鱼缸喂食机构控制系统设计 DSP控制系统设计自动喂食机构系统由DSP控制器为核心，控制喂食机构传动。本系统主要包括基于DSP步进电机驱动方式，DSP及触摸
33、屏直接连接方式，人机交互界面等模块，控制系统控制框架图如图3-1所示。图中所示为DSP连接步进电机驱动器，处理系统给出电机数据。 DSP及触摸屏之间相连，DSP处理触摸屏中数据，触摸屏将DSP处理好数据反馈屏幕上。图3-1系统控制框架3.3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计主要包括DSP芯片选型，触摸屏选型，基于DSP控制步进电机方式，DSP及触摸屏连接方式等。 DSP硬件选型（1）DSP概念：DSP芯片（数字信号处理器）是一种专用于数字信号处理器件，广泛应用于实时快速进行信号处理场合8刘书明.ADI DSP应用技术集锦M.北京电子工业出版社，2009，通常DSP芯片拥有高精度并行高速硬件乘法
34、器。现在人工智能发展很迅猛，这些都及数字信号处理密不可分，DSP还具有处理能力强，多级流水线，功耗低，资源配置灵活等特点。美国TI公司是目前世界上生产DSP最优秀厂家之一。主要产品型号TMS320C2000系列、TMS320C5000系列、TMS320C6000系列。（2）DSP最小系统：DSP硬件是DSP应用系统设计基础，它内部设计采用了快速存储器设计，大量使用多端口存储器，具有中断处理与硬件I/O支持。要组成一个DSP应用系统还必须一些外围辅助模块。用到最多就是ADC模块，输入输出接口，A/D转换等等。最基本电路包括电源，时钟晶振，复位电路仿真口JTAG等，这些最基本电路与DSP芯片就可以
35、构成一个最小系统。在智能家居系统中， DSP在喂食器定时控制，定量控制，食物剩余，电机转动次数等具体数据分析与处理数据方面有着很大优势。DSP芯片选型要求： DSP性能、价格、常用性；能够及电机、触摸屏之间连接简便，综合分析选取了TMS320F2812型号DSP芯片。图3-2TMS320F2812 引脚封装图(3）TMS320芯片性能特点：320系列是TI公司推出一款32位定点DSP控制器，是目前最优秀处理器之一，最高频率150Mhz，哈弗总线结构，12位16通道ADC模块，有高达56位输入输出引脚，供电核心电压3.8V,I/O电压3.3V。这款芯片运行速度、兼容性以及对自然型数据处理包括音频
36、，视频，语音压缩与调制等性能非常好，还具有成本效率高，速度快等特点，具有异步串口能及PC相连。它有128个引脚，可以根据系统需求选取所需要接口进行电路连接，如图3-2所示为TMS320F2812引脚图。TMS320F2812芯片有128个引脚，每个引脚功能各不相同，在喂食机构控制系统中，除了DSP最小系统外还需要引脚接口如图表3-3所示：表3-3引脚引用表引脚号引脚名称I/O特性引脚功能114IADC数字电源42/746875PWM16I/OPWM输出引脚66/67SCI串行接口3.3.2 基于DSP步进电机控制设计在系统控制上，DSP不能直接控制步进电机转动，必须用专门驱动器，然后由驱动器发
37、出控制脉冲给步进电机，步进电机接收到脉冲信号就会走相对应角位移，DSP控制电机要了解：电机控制原理；DSP如何控制电机；电机与驱动器之间关系。（1）步进电机控制原理：通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位目；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动速度与加速度9慧仇.手把手教你学51单片机M.北京 电子工业出版社, 2009.。而且步进电机控制性能好，在一定频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。它每一步精度在3%5%区间内，还不会将其误差累计。（2）DSP控制步进电机原理：通过DSP（TMS320F2812）控制电机驱动器环节，通过面板给定参数， DSP通过通用定时器及四个I/
38、O接口向步进电机驱动器发送PWM脉冲信号，驱动器接收一个脉冲信号PUL，电机就旋转一个步角，脉冲信号频率及电机转速快慢成正比，PWM3及驱动器方向电平DIR相连，此信号是控制电机转向，比如如果此信号为高电平时顺时针转反之就是逆时针转动。驱动器上A、B两组接口是及电机四根引线相连控制电机方向及转速。如图3-4所示DSPPWM输出口控制驱动器连接示意图。（3）电机及驱动器连接原理：步进电机驱动器上面有两组线圈控制线，分别会标有不同颜色，电机上四根线及驱动器上四个接口对应连接10江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选M.北京清华大学出版社,2008，驱动器发出脉冲通过连接线路控制电机转动与方向
39、，在控制器上面有一个直流电源接口，可以用电池组来给驱动器供电。 图3-4 DSP及驱动器控制接口示意图基于DSP人机交互系统设计在智能家居系统中，需要人为对设备进行参数设置，例如鱼缸喂食器定量，定时等参数设置。人机交互界面作为中间媒介连接着人及机器之间交流。3.4.1触摸屏选型在智能家居系列中，触摸屏是人机互动最简单模式，人们通过触摸屏可以控制整个智能家居设备，智能家居化效果直接表达在触摸屏上面，触摸屏是一种液晶显示装置，它可以是一个集成化小型计算机，它及液晶屏幕区别是它可以用手指或者触摸笔直接操作面板上数据，经过显示屏处理后显示出图案或文字，人与家居设备就完成一次交互，触摸屏是一种目前运用比
40、较广泛多媒体交互设备。在智能家居系统中，需要操作不同设备，系统需要显示各种不同画面与数据，触摸选择要符合多种复杂画面与繁琐数据处理。触摸屏选型包括：触摸屏型号；触摸屏及DSP连接方式。施耐德HMIGTW5354型号这款触摸屏11邢军，徐玲。单片机与IBM/PC机通接口及编程J.单片机与嵌入式系统应用。2001，（1-6）:310-313。它有着10.4寸触摸显示器、1600万色TFT真彩、分辨率为800*60012谭浩强. C程序设计M. 北京:清华大学出版社,1991.。处理器型号是InterAtomZ510 1.1GHZ有着处理内存1GB、外部储存2GB、可支持扩展SD卡13陈峰。Blac
41、kfin 系列DSP原理与系统设计M.北京电子工业出版社，2004。在输入输出接口上有着2个USB2.0、1个RS232C、两个Ethernet10/100/1000Mbps以太网接口、直流电源24V。系统可以运行WES2009，操作简便，便于开发。3.4.2触摸屏及DSP连接方式施耐德HMIGTW5354型号这款触摸屏具有多种数据连接方式，它在运行WES2009时就相当于一个小型PC机，可以运行组态王软件， DSP、触摸屏通信方式为DSP采用串行通信接口（SCI）及RS232串行接口进行DSP及PC之间相连接。如图3-5所示是TMS320F2812串通信接口电路，该电路是采用RS232标准驱
42、动芯片MAX232进行串行通讯14阎石.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社.2006,1.，MAX232最好优点是供电电源为35V，直接及DSP相连不需要其他转换电路，驱动芯片接口直接及PC相连。图3-5 TMS320F2812串行通信接口电路3.4.3 人机界面设计本设计为智能家居系统一部分，课题组所设计智能家居人机交互界面如图3-6所示。界面主要包括火灾自动报警及监测、自动浇花系统监测、室内PM2.5监测、鱼缸内壁清洗监测、鱼缸自动喂食监测等。火灾监测可以预防家庭火灾，保证家庭安全，目前空气污染严重，PM2.5监测可以有效预防空气污染伤害，自动浇花可以省去劳力与时间，保证花对于水需要
43、，鱼缸内壁清洗保证鱼缸清洁度，保证鱼类生活水质。自动喂食监测可以防止鱼儿没有食物而死亡，保证鱼类生活环境。如图3-6主控界面本课题针在以上总体结构基础上，对鱼缸自动喂食系统人机交互界面进行系统地设计。在自动鱼缸喂食过程中需要控制鱼料喂食时间，喂食量，根据不同情况修改面板里设置参数，喂鱼时间、食物量，系统界面控制如图3-7所示。经过试验储物箱中可以装2kg鱼料，如图触摸屏面板上会显示鱼料充足剩余100%，在系统设置中可以设置鱼料喂食间隔时间，喂食量。例如面板中设置8小时，每个8小时系统自动会喂食一次，一次喂食为40克，倒计时时间归零后重新计时，此时面板上绿灯亮，表示鱼料充足图3-7 面板界面当喂
44、食储物箱中鱼料剩余70%时候，系统根据食物总量，每次喂食量，计算剩余量，每次喂一次鱼料系统会自动计算剩余量，剩余次数，喂食倒计时时间，会根据不同设置状况，自动计算其他量值。如图3-8所示，当鱼料当前状况，系统会以计算好结果直接呈现在面板上，一目了然可以观察到，非常智能、方便。图3-8 面板界面当鱼料箱中剩余鱼食不足时候，系统会自动报警且面板上黄灯亮起提醒你食物不足，鱼料剩余19%提示要注意添加鱼料，系统面板界面上显示各项数据会直接显示目前鱼料剩余情况如图3-9所示：图3-9面板界面当食物箱中食物完全没有，系统面板会亮起红灯报警，提示添加食物，此时你可以重新设置各项参数如图3-10所示：图3-1
45、0 面板界面结论及展望1.结论:本论文从刚开始选择课题到最后顺利完成论文经历很多挫折，在智能家居设计课题中，需要了解智能家居概念，了解设计机械结构如何传动，如何设计人机交互界面，了解DSP控制电机方式，了解它们之间如何连接，这些都是论文中重要部分，尤其在机械部分设计中，经历很多困难。自动鱼缸喂食机构在智能家居产业是一个新部分，人们可以减轻劳动力，方便对鱼类照料。在未来智能产业中，水族产业是非常重要一部分，也是今后人们对于鱼类饲养上一个新产业。自动喂食机构是水族箱产业智能化一个开始，更过智能化设备发展将会带动更多新式发展，智能化发展不仅是社会进步也是科技进步。对未来人类生活水平提高提供发展基础。
46、未来水族箱发展将会带动智能化水族产业进步，人们再饲养鱼类方式上与功能上有了更多选择，未来将更多技术应用到水族产业，将水族鱼类饲养更加智能与方便。未来可以在移动客户端及智能化设备箱连接，更加有效便捷控制设备终端。参考文献致谢 首先感谢我指导教师张仕海教师，从开题到论文结束，帮我收集很多相关资料，全力支持，指导我，帮我整理整个机械结构设计，到控制系统设计，多次专门辅导点播我，张教师严谨求实态度让我对整片论文设计充满热情，从选题后不了解到逐渐学会怎么设计与完成论文，这个过程中，我懂得很多，也学会很多。 感谢与我一同研究智能家居大课题同学们，在系统控制部分我们一起讨论，一起研究，最终确定芯片、面板选型，感谢你们为我论文设计出想法，提意见弥补我论文不足，感谢你们付出时间与汗水。 最后感谢我室友们，谢谢你们容忍深夜里我吵到你们美梦，感谢在五年时间里你们对我包容，我们相聚在一起日子是我大学最快乐时光，一月后我们各奔前程，祝你们身体健康，幸福。