基于PIC單片機的自動噴料機設計與應用

1 引言

目前，我國人工養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。但是養(yǎng)殖方法卻很落后，多數(shù)仍舊是采用傳統(tǒng)的人工方式投放飼料，費時費料、飼料投放不均、距離不遠,不便于定時定量地科學養(yǎng)殖。文中介紹了一種在魚塘里自動噴料機的電路設計。經(jīng)過實踐證明。該自動噴料機不僅能夠定時定量地噴灑飼料。而且噴料均勻，噴灑距離遠，能明顯節(jié)約飼料。大大提高養(yǎng)殖效益。

2 自動噴料機的硬件設計

在漁業(yè)養(yǎng)殖中，大多數(shù)需要在早、中、晚噴灑飼料，每次噴料時間約在兩三個小時。噴飼料是按噴幾十秒、停幾十秒斷續(xù)進行，具體一天噴飼料幾次、噴料時間長度、噴停時間長度，因魚的品種、飼料的品種、魚的養(yǎng)殖密度、環(huán)境氣候等因素而不同,可由用戶根據(jù)具體情況自行設定。為實現(xiàn)上述自動控制，本設計采用以PIC單片機為核心的電路，配以電源模塊、按鍵顯示、時鐘電路、驅動控制(包括噴料方向控制。噴料距離控制，噴料的量控制)構成完整系統(tǒng)，其結構框圖如圖1所示。

2.1 電源模塊的設計

自動噴料機硬件電路如圖2所示。由220 V交流電降壓后經(jīng)整流濾波后得到+24 V直流電壓,向驅動控制電路供電；+24 V直流電經(jīng)過7805穩(wěn)壓后向按鍵顯示等電路供電；當主電源有電時，主電源向各電路供電并向備份電源(3.6 V充電電池)充電；當主電源斷電時，由備份電源向PIC單片機及時鐘電路供電，以維持正常走時和保存預設的信

息，而顯示及驅動控制部分電路則停止工作。輸入到PIC單片機RA5口的模擬電壓經(jīng)A/D轉換。若轉換值小于154(對應模擬值為3 V)，則單片機進入低功耗模式，此時由備份電池供電，僅保證正常走時和保存預設的信息，按鍵顯示和驅動控制部分電路均停止工作，該情況下電路耗電流僅幾十微安。

2.2 時鐘電路設計
本系統(tǒng)要求時間相對精確，故需一個硬件計時電路，該電路主要由PIC單片機內(nèi)部的16位定時計數(shù)器TMR1和外部的32.768 kHz晶體振蕩器電路組成，TMR1工作在計數(shù)狀態(tài)，每當計數(shù)滿16 384時產(chǎn)生一個半秒(為方便秒閃編程)中斷輸出,用于精確計時。該方法電路簡單、編程方便、計時精確。在低功耗狀態(tài)下，TMR1能正常工作，TMR1每次溢出時喚醒單片機檢測是否有主電源，若有主電源，則由低功耗狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài)。

2.3 按鍵顯示電路的設計

按鍵顯示電路共有12個按鍵及4位數(shù)碼管，2個秒閃發(fā)光二極管及8個狀態(tài)指示發(fā)光二極管。狀態(tài)指示燈也可用于1位數(shù)碼管與另外4位數(shù)碼管進行動態(tài)掃描顯示，節(jié)省I/O口。12個按鍵設計為2×6按鍵矩陣且與掃描顯示的段位共用I/O口，充分利用單片機的I/O口資源，同時為避免按鍵和動態(tài)掃描顯示互相影響，增加二極管(IN4148)進行隔離。12個按鍵的功能分別為設置鍵、右移鍵、上升鍵、下降鍵、噴料最大距離加鍵、噴料最大距離減鍵、噴料的量加鍵、噴料的量減鍵、噴料方向左和右位置檢測鍵、噴料的量最大和最小檢測鍵。8個狀態(tài)指示燈分別指示：設定時間狀態(tài)、設定噴料總長時間狀態(tài)、設定第一二三四次噴料時間狀態(tài)、設定噴料時連續(xù)噴時間長度狀態(tài)、設定噴料時暫停時間長度狀態(tài)。

2.4 驅動控制電路的設計

驅動控制電路是系統(tǒng)設計的重點。噴灑飼料的方向及飼料的量涉及到電機轉動方向控制和左轉、右轉到位檢測，而噴料的距離則涉及到電機轉速的控制。

2.4.1 噴料方向控制電路

由于噴料機安裝在魚塘岸邊，為了能將飼料均勻地噴向魚塘，要求噴料方向不斷地轉動。即由左到右，再由右到左，如此反復。噴料的方向是由一個功率為幾十瓦的小直流電機驅動。本電路采用功率管構成橋式結構控制電機正反轉，另配合兩個行程開關(電路中的按鍵)檢測是否轉動到極限位置,避免電機轉動到極限位置還繼續(xù)工作,從而損壞電機或機械裝置。當I/O1和I/O2為00時，Q6、Q7、Q1O、Q11四個功率管都截止，加在噴料方向電機上的電壓為O，電機不轉。當I/O1和I/O2為01時，Q7、Q11導通且Q6、Q10截止。當I/O1和I/O2為10時。Q7、Q11截止且Q6、Q10導通，這兩種情況流經(jīng)噴料方向電機上的電流互為相反，電機轉動方向也相反。當I/O1和I/O2為11時，Q6、Q7、Q10、Q11四個功率
管都導通，+24 V電源經(jīng)Q7、Q11和Q6、Q10到地，此時電機不轉，但Q6、Q10和Q7、Q11導通時內(nèi)阻很小，流過的電流很大，會損壞功率管．處于禁止狀態(tài)。

2.4.2 噴料量控制電路

魚類對飼料量的需求因魚類品種、養(yǎng)殖密度、環(huán)境氣候等因素不同而不同，因此要對噴灑飼料的量進行控制，由用戶根據(jù)不同情況設定。其工作原理是由一個小功率減速電機帶動飼料箱口開啟的大小，該電機在正反轉極限位置檢測按鍵的配合下正反轉工作，其電路原理同噴料方向的控制電路。

2.4.3 噴射距離控制電路

為了把飼料均勻噴灑到池塘中，不僅要求噴料方向要左右轉動，而且噴料距離也要由近而遠或由遠而近地變化噴灑。噴料最遠距離可根據(jù)池塘的大小進行設定。飼料的噴灑是由壓縮空氣吹射而完成，噴料的距離由壓縮空氣的速度決定,而壓縮空氣的速度則由電機轉速而定。利用單片機輸出PWM信號，該信號的占空比決定了電機的轉速,占空比越大電機轉速越快，反之越小。因此，該控制方法簡單實用，可滿足設計要求。

3 軟件設計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計,同時輔以看門狗、軟件陷阱、軟件冗余等措施提高系統(tǒng)運行的可靠性。

為了方便修改，多人配合完成，本系統(tǒng)軟件分為實時時鐘模塊、按鍵掃描模塊、掃描顯示模塊、正常工作模塊、設定時間模塊、設定噴料時間長度模塊、設定第一二三四次噴料時間模塊、設定噴料時連續(xù)噴時間長度模塊、設定噴料時暫停時間長度模塊。主程序采用散轉結構便于修改和提高程序運行可靠性。主程序流程圖如圖3所示。

4 抗干擾設計

系統(tǒng)共有三臺電機工作，會產(chǎn)生較強的電磁干擾。這些干擾信號很可能導致系統(tǒng)死機、程序亂飛、破壞系統(tǒng)參數(shù)等不正?，F(xiàn)象，因而在硬件和軟件上都相應地采取了一些抗干擾措施。

4.1 件抗干擾

控制系統(tǒng)的電源輸入端接入電源濾波器，濾除電網(wǎng)中的高次諧波和脈沖干擾。單片機選型時選擇帶硬件看門狗的型號，或者通過外加看門狗電路，能有效地監(jiān)視程序陷入死循環(huán)故障。在每個器件的電源輸入端與共地端并聯(lián)一只0.1μF去耦電容。PCB板布線時注意數(shù)字地和模擬地分開布線，大電流電源線應單獨布線，PCB板空白位置采用大面積覆銅設計。

4.2 軟件抗干擾

第一,軟件冗余。對任意的輸出信號和設置均不斷重復刷新，且周期設定為4 ms?？梢杂行У乇苊飧蓴_信號對輸出信號和設置等關鍵數(shù)據(jù)的干擾。

第二，軟件陷阱。軟件陷阱技術是通過跳轉指令強行將捕獲到的亂飛程序引入復位地址0000H，使程序納入正軌。在各程序模塊之間和未使用的程序空間設置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛，使程序運行更加可靠。

5 結束語

該自動噴料機已開始批量生產(chǎn)，用戶反映本機不僅可以滿足功能要求，而且可靠性高、故障率低、使用效果良好。