一种鱼缸自动喂食机构及其控制系统设计Word格式文档下载.docx

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机械工程学院

2016年6月

摘要

观赏鱼可为人们带来爽心悦目的感觉，舒缓人们的生活压力，为居家生活平添众多生机。

因此，观赏鱼是众多家庭首先的室内装饰品。

然而，伴随社会的发展，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的同时，时常会遗忘观赏鱼的喂食工作，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的基本理念，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的结构进行调研的基础上，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）针对所设计的自动出食结构，以DSP为核心单元，开发了自动出食机构的控制系统，包括步进电机的控制、鱼食不足报警等方面的功能。

（3）为便于人机交互的功能，课题设计了DSP及触摸屏的连接及信息交换。

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、喂食时间等参数的设定功能。

关键词：

观赏鱼缸；

自动喂食；

DSP；

人机交互；

智能家居

ABSTRACT

Ornamentalfishforpeopletobringcoolfeeling,relievepeople'

slifepressure,asmanyhomelifeaddedvitality.Therefore,ornamentalfishismanyfamiliesfirstindoordecorations.However,withthesocialdevelopment,peoplework,inanincreasinglyfastpaceoflife,peopleintheenjoymentofornamentalfishfunatthesametime,oftenforgottenornamentalfishfeedingwork,resultinginornamentalfishfeedingtimeirregular,feedunevenproblems,resultingintheornamentalfishgetsickorevendie.Thispaperbasedonthebasicconceptofintelligenthome,aroundthekeyproblemsofhouseholdaquariumautomaticfeedingsystemtocarryoutdesignwork.Theconcretedesigncontentisasfollows:

（1）OnthebasisofinvestigationandResearchonthestructureofdomesticfishtankinthecurrentmarket,akindofautomaticfoodfeedingmechanismisdesigned,whichcansatisfythefunctionofthefishfoodstorage,thequantityoffood,theregulationoffoodintakeandsoon.

（2）Accordingtothedesignoftheautomaticoutoffoodstructure,withDSPasthecoreunit,thedevelopmentofautomaticcontrolsystemoffood,includingthesteppermotorcontrol,fishfoodshortagealarmandotheraspectsofthefunction.

（3）Tofacilitatethefunctionofhuman-computerinteraction,thispaperdesignstheDSPandtouchscreenconnectionandinformationexchange.Andthedevelopmentoftheman-machineinterface.Interfacewithfishfoodstockofthesituationmonitoring,feedintake,feedingtimeandotherparameterssettingfunction.

KeyWords:

ornamentalfishtank;

automaticfeeding;

DSP;

humancomputerinteraction;

intelligenthome

第一章绪论

1.研究的意义

1.1课题背景

智能家居（英文：

smarthome,homeautomation）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的设施集成，构建高效的住宅设施及家庭日程事务的管理系统[]，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

随着现代科技的日益发展，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的范畴，拟针对鱼缸自动喂鱼系统关键问题开展设计工作。

1.2自动喂食的意义

观赏鱼是许多居家和办公室必备的装饰物，可为人们带来爽心悦目的感觉，舒缓人们的生活压力，为居家生活平添众多生机。

因此，越来越多的人喜欢饲养观赏鱼。

然而，伴随社会的发展，人们工作、生活节奏越来越快，当你上完一天班，疲惫的回到家中，见到鱼缸中那些鲜活的鱼儿游来游去，顿时会释放你一天的压力，但人们在享受观赏鱼所带来乐趣的同时，时常会遗忘观赏鱼的喂食工作，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。

课题研究在以下几个方面具有重要的意义：

（1）鱼食一次性加注，可以在相当长的时间内实现鱼食存储及自动喂食功能，无需人的参及。

（2）每次喂食量和喂食时间间隔可根据所饲养鱼的种类及数量进行适当的设定，减少人工喂食的主观性、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研究的目的

21世纪是互联网快速发展的时代，随着互联网的发展，人们之间联系的方式多种多样，各种本不应该产生关联的设备在互联网的影响下联系在一起。

智能家居就是通过物联网的技术将家庭的各种家居设备联系在一起，为家庭的控制提供便捷，比如现在家庭里的空调、加热水器、防盗系统、远程监控等都可以通过我们的手机或者一个独立控制系统来控制，将几个独立的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的便捷性。

随着居民的生活水平和消费能力不断提高，家庭环境是每个人最为关心地方，互联网对人们传统生活的改变以及人们对其需求是显而易见的，许多有经济实力的人对智能化设备的需求日益增加。

因此，很多新建的小区都将采用智能化建设，智能家居市场表现的十分火热，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和楼宇照明控制等领域；

从用户角度来看，家居控制和家居环境、娱乐的市场需求较为迫切。

2016年中国产业调研网发布的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[]，尽管智能家居是国内近年发展的新兴行业，它的发展速度十分迅猛，2014年是智能家居中国发展的爆炸期，在短短四年的时间里，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，目前其行业发展的速度是其他传统行业无法超越的[]。

各大生产的厂商都开始布局智能家居板块，比如现在的小米集团，乐视集团一系列的智能家居产品不断的发布，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的日渐兴起，全球的信息创新技术不断的发展，中国居民消费水平的不断提高国家大力推行城镇化、农业现代化、工业化的发展以及宽带的普及和各种新式服务、新产品的不断涌现，奠定了智能家居行业的发展基础，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的发展，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。

从目前的发展趋势来看，在以后制造行业的发展过程中，智能家居行业将成为中国的主流行业之一，它的发展前景十分广阔[]。

1.4目前国内外宠物照看及动物管制发展现状

随着生活水平的提高，城市化发展的迅速以及城市家庭规模的缩小，据资料显示，目前城市中拥有宠物的数量超过一个亿，而且其增长的速度越来越快，有些人将宠物当成自己的孩子来养[]，宠物的行为举止时时刻刻都能牵动主人的心，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的方向对准了宠物，在国外有许多智能宠物喂食机器和互动机器，它内部拥有一个微型摄像头，或者一个麦克风内置扬声器，用户可以通过专门的手机APP远程操作，及动物互动进行交流，如果宠物走进了手机的视频内，你也可以叫它的名字，如果你太忙，没有时间，你也可以开放你的APP权限，可以让你的朋友，亲人帮你照看，非常的人性化和现代化。

在国外，有些智能宠物家居的现代化已经赶上人类的生活水平。

在宠物的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，看起来非常的奢华，还具有一套智能监控系统，可以每时每刻观察宠物状况。

但随着宠物市场的成熟，行业目前暴漏出很多不规范的问题制约着市场的发展，缺少一些监督和管理，而目前国内很多宠物医院缺乏和从事宠物医生的人员的缺少，宠物用品也被国外的品牌占据，业内缺少行业的管理和服务。

目前法律的不完善，动物本身安全防疫工作的缺失，给社会的安全都会带来很大的隐患等[]。

所以国内外宠物市场的发展有着很大的差别，但是随着宠物市场制度的不断完善，这一切都会变得规范。

依照目前国内的发展，宠物市场潜力巨大。

人们除了养猫，狗之外现在家庭水族箱的发展也是越来越快，很多家庭喜欢养鱼，智能家居水族箱的发展上了一个新的台阶，国外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的鱼类进行视频观察、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的平台，还有更多的水箱内部装饰，鱼类的玩具等。

还可以根据鱼类的不同种类直接通过软件设置食物的量，喂食的时间，容器采用称重传感器精准计算鱼料的剩余重量提示用户在鱼料剩余不多的情况下注意添加食物。

还会每天记录喂食的情况，鱼类的生活情况，检查水质的污染情况，水质的养分，自动供氧，科学合理的饲养鱼类。

1.5主要的研究内容

课题基于智能家居的理念及需求，开发鱼缸自动喂鱼系统。

具体设计内容包括以下几个方面：

第二章鱼缸喂食机构机械结构的设计

2.1喂食的特殊要求

现在的水族箱饲养越来越广泛，饲养的鱼类的种类也越来越多，每种鱼类生活习性都不相同，喂养的食物也是各种各样，大小、形状也可能大不相同，因此喂食器的设计就需要满足这类的需求，当然在生活节奏非常快的今天有时候会无暇顾及照料所饲养的鱼儿，在饲养的过程中，可能遇到食物缺失或者一次性给予的食物太多，这都会导致鱼类间接死亡，食物的过多还会导致鱼缸中水质的变化，经常换水又会增加人工麻烦，所以喂食机构的设计还需要根据鱼类饮食的时间设定固定的时间，需要通过查阅资料和咨询售卖鱼类的服务人员沟通，要了解饲养的鱼类的生活习性，从而设定给予食物的时间、食物量。

所以在设计的时候还需要根据不同种类的鱼类设置一次性喂食物的量，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的容量、具备自动出食机构、便于在鱼缸上安装等方面的要求。

2.2喂食机构的设计

为满足鱼食存储及自动出食的要求，本课题所设计的喂食机构机械部分主要包括箱体结构、出食机构等方面。

2.2.1喂食箱体机构的设计

自动喂鱼系统中的箱体主要用来储存一定量的鱼食，以及整体结构及附件安装等方面的功能。

箱体的具体设计及要求：

（1）材料的选取：

由于本箱体结构需要安装到鱼缸的玻璃墙壁上，箱体整体的重量不能超过鱼缸的玻璃墙壁的承重能力。

为减少机构的整体重量，本课题箱体结构选用重量轻、强度大的铝合金材料来设计。

（2）箱体尺寸及外观：

箱体尺寸的大小需要根据鱼缸的大小及饲养鱼的数量来确定，本课题在对花鸟虫鱼市场进行充分调研的基础上，以常见家用鱼缸尺寸及鱼的饲养量为基础，设计箱体的尺寸满足以下几个要求：

鱼食存储容积最大存储满足1个月的供食要求；

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和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：

图2-2内部结构图

鱼食存储空间用于存储适量的鱼食，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。

外观尺寸的具体设计参数：

根据水族箱市场调研为尺寸依据，设计的箱体的长度约为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。

该空间的左右两隔板同时用于安装传动轴轴承。

2.2.2箱体附件的设计

箱体附件是喂食机构不可缺少的零件，附件是支持机构完整运行的条件之一，喂食箱体的美观、装饰、传动都离不附件的支持。

箱体附件图2-3所示主要包括出食漏斗、电机、箱体安装板等，机构在传送鱼食的过程中需要通过螺杆的旋转将鱼料推送出去，为了保证鱼料的不泄露，箱体及外界需要一定的密封性，又能够将螺杆包含在内，因此螺杆的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的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，剩余的部分鱼料会聚集在螺纹的间隙中，依靠螺纹之间的相互阻挡作用，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，不会产生鱼食的泄漏，增加了机构喂食定量的稳定性。

安装板是箱体运行不可缺少的附件，它是支撑机械传动机构的载体是机械系统运行的重要保障。

如图2-4所示，两空间之间安装板可以用于轴承的安装，也可保持两空间部分的相对密封性，侧面两传动轴之间的支撑，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

为了保证出食机构的顺利工作，传动部分是机械设计的核心部位，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

螺杆是食物导出的载体部件，螺杆参数的设计的要求必须满足以条件：

尽可能多的传动鱼料；

螺纹螺距的选择上要符合螺杆的标准螺距且配合食物的传动要求；

螺杆的长度要求必须要和箱体相匹配，能够容易进行安装、拆卸，方便储物箱的箱体的清洗。

如图2-6所示:

图2-6螺杆

根据调研市场上的鱼食的形状、大小，螺杆的切口形状、深度、直径、长度、螺距、截面的形状以及它的螺旋升角的设计都是根据鱼食的大小形状等参数来设计的。

市场上鱼食基本都是小颗粒状，基本尺寸在2~5mm，螺杆的设计长度约为110，螺纹的有效长度约为70mm，，螺纹截面的形状为梯形，直角梯形的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，电机及齿轮之间的传动依靠主传动传动转矩，主传动轴在轴端部的设计还需满足齿轮的及轴承的安装，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

从传动轴的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，轴的两端由两个轴承固定支撑，阶梯轴上揩油键槽用于齿轮的安装，阶梯轴的轴端需要倒角，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的安装，两者之间的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

齿轮的啮合传动是机械传动的主传动，主、从动轴之间力矩的传动依靠齿轮来进行衔接，大小齿轮的啮合传动可以降低从动轴的转速，齿轮的设计需要满足箱体的安装要求；

两个齿轮安装要求；

齿轮及两个传动轴的安装要求。

齿轮传动的优点：

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，便于箱体传动空间的安装，齿轮机构相对于带传动和链传动它需要的空间尺寸比较小，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，选择的齿轮模数为m=2，齿数为Z=40，压力角为20度，的大齿轮，小齿轮齿数Z=20，齿轮啮合条件为：

模数和齿形角都相等；

两齿轮的基圆齿距相等。

如图2-9所示：

图2-9齿轮模型图

（4）步进电机

喂食机构的传动需要动力源，且根据设计要求需要计算螺杆的转动角度，控制螺杆转动的时间，步进电机作为机械传动的动力源，满足喂食机构的传动的需求，步进电机可以控制其转动的角度，电机的选型、安装的方式，直接影响机械结构的运动平稳性。

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的一个执行元件。

步进电机一般分为二相，三相，四相，五相，在没有超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于接收到的脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的[]。

步进电机的选型：

选取的步进电机型号为42系列H2P4010A4的直流混合式两相四线步进电机，步距角1.8度、静转矩0.35NM、相电流1A、直流电压6V、机身长度40mm、轴长20mm、直径5mm。

四线的步进电机，电机里面的两组线圈是绝缘的，分别为A+、A-、B+、B-，驱动器驱动步进电机的转动就是轮流给A组B组连续的脉冲。

在脉冲电压不断的传入，电机就会连续转动。

2.2.4轴承的安装和固定方式

轴承是传动轴转动条件中不可缺少的零件，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的固定连接支撑轴的回转，轴承安装的几个必要条件：

（1）轴的阶梯长度稍微小于轴承内圈的宽度，轴超过内圈宽度会影响轴转动效率，不便于轴承安装；

（2）轴的端部需要倒角，便于轴承安装；

轴承安装需在轴向位置固定；

（3）轴承的径向位置需要轴及轴承之间的过盈配合，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，轴及轴承之间的配合为过盈配合，目的保持轴承的径向固定，第二层轴端顶部顶在轴承的内圈上，轴承不能向右移动，起右侧方向的轴向固定，阶梯的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，轴承座左侧内的弹性挡圈卡住轴承的外圈，起到轴承的左边轴向固定，轴承座作为轴承的轴向固定牢靠、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箱体的摆放位置及固定方式

鱼缸喂食机构的箱体箱体的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的将喂食机构固定鱼缸壁上。

图2-7固定机构示意图

对于箱体的固定，采用了锁扣的方式，两个锁扣相等高度，形状大小一样，在鱼缸的内壁安装保持力的共同作用，由于箱体和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的内壁上面。

锁紧口是一个成倾斜角度活动板，在安装时让鱼缸和锁扣成相同的倾斜角度，鱼料的放置过程中因为倾斜而集中在食物出口附近，方便鱼食的导出，锁扣固定方式利用了螺钉旋转力压中间的平板，平板上面装有防滑垫，将鱼缸玻璃壁紧紧的压在平板和锁扣之间，增加鱼缸的稳定固定。

在螺母的旋转上，设计成塑料的螺纹旋钮，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，将所有的零件组装配合，在安装方面需要注意零件之间的配合间隙，保持机械结构运动的平稳性，智能化的设计在未来水族箱的发展上将会得到越来越多的用处，也是未来智能化发展的趋势。

智能化的设计也可以减少人工劳动强度，鱼缸的喂食机构不但能准确的达到定时、定量的特点，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的情况，非常的方便和智能。

第三章鱼缸喂食机构的控制系统的设计

3.1DSP控制系统设计

自动喂食机构系统由DSP控制器为核心，控制喂食机构的传动。

3.2总体方案的设计

本系统主要包括基于DSP步进电机驱动方式，DSP及触摸屏直接的连接方式，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连接步进电机的驱动器，处理系统给出电机的数据。

DSP及触摸屏之间相连，DSP处理触摸屏中的数据，触摸屏将DSP处理好的数据反馈的屏幕上。

图3-1系统控制框架

3.3控制系统硬件的设计

控制系统硬件的设计主要包括DSP芯片的选型，触摸屏的选型，基于DSP控制步进电机的方式，DSP及触摸屏的连接方式等。

3.3.1DSP硬件的选型

（1）DSP的