基于STM32的蓝牙版智能宠物喂食系统设计

摘要

随着人们生活水平的提升，宠物逐渐成为家庭生活的重要组成部分，而快节奏的生活使得宠物主人常常面临无法按时投喂、无法实时掌握宠物生活环境状态的难题。传统宠物喂食设备功能单一、操作繁琐，仅能实现简单的手动喂食，无法满足现代宠物饲养的智能化、便捷化需求。本文设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的蓝牙版智能宠物喂食系统，整合温湿度采集、宠物靠近检测、重量检测、水位检测、屏幕显示、自动/手动投喂控制、蓝牙远程交互等多重功能，实现宠物喂食的自动化、精准化与远程化管理。该系统以STM32F103C8T6为核心控制单元，通过各类传感器采集宠物窝环境与设备状态数据，借助OLED屏幕实时呈现关键信息，通过BT04A蓝牙模块实现与手机APP的无线通信，支持远程监测与控制。测试结果表明，该系统运行稳定、响应迅速，各项功能均能满足设计要求，操作便捷、可靠性高，能够有效解决宠物主人的投喂困扰，提升宠物饲养的智能化水平，具有较高的实际应用价值与推广前景。

关键词：STM32F103C8T6；智能宠物喂食；蓝牙通信；传感器检测；自动控制

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

近年来，宠物饲养在我国呈现普及化趋势，越来越多的家庭选择饲养宠物，宠物的生活质量也成为主人关注的重点。然而，现代社会中，人们的工作压力大、出行频繁，常常出现无法按时给宠物喂食、喂水的情况，长期不规律的投喂会影响宠物的身体健康；同时，宠物主人无法实时了解宠物窝的温湿度、食物剩余量、水位等状态，难以及时应对宠物的需求。

传统宠物喂食器多为手动式或简单定时式，缺乏环境监测、宠物状态识别、远程控制等功能，灵活性差、智能化程度低，无法满足宠物主人的多样化需求。基于此，本文设计一款蓝牙版智能宠物喂食系统，结合嵌入式技术、传感器技术与蓝牙通信技术，实现自动定时喂食、宠物靠近感应喂水、环境参数监测、远程控制等功能，能够有效解决宠物主人的投喂难题，保障宠物的健康生活，同时为宠物饲养提供便捷化、智能化的解决方案，具有重要的理论研究意义与实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

国外宠物智能设备产业起步较早，技术体系较为成熟，智能宠物喂食系统产品功能完善，多集成了定时投喂、远程控制、环境监测、宠物行为识别等功能，部分高端产品还支持语音交互、多宠物管理等特性，通过蓝牙或WiFi实现与手机APP的联动，操作便捷、用户体验好，但此类产品价格较高，难以在普通家庭中普及。

国内智能宠物喂食设备市场近年来发展迅速，众多企业纷纷布局相关产品，产品性价比不断提升，功能逐渐完善。目前国内产品多以STM32系列单片机为控制核心，结合传感器与无线通信模块，实现基本的定时喂食与远程控制功能，但部分产品存在检测精度不足、响应速度慢、功能单一、蓝牙通信不稳定等问题，且缺乏宠物靠近感应、重量精准控制等个性化功能。因此，设计一款功能全面、运行稳定、性价比高、蓝牙通信可靠的智能宠物喂食系统，具有广阔的市场前景。

1.3 研究内容与目标

本文的主要研究内容是设计一款基于STM32F103C8T6的蓝牙版智能宠物喂食系统，具体包括系统总体方案设计、硬件选型与电路设计、软件逻辑设计、系统调试与测试等方面，实现预设的所有功能，确保系统运行稳定、操作便捷。

研究目标如下：

• 完成系统硬件选型与电路设计，严格按照材料清单选用元器件，确保各模块协同工作，实现温湿度、宠物靠近、食物重量、水位等参数的精准采集；

• 设计合理的软件逻辑，实现自动模式与手动模式的顺畅切换，自动模式下完成定时喂食、语音播报、蜂鸣提醒、自动喂水等功能，手动模式下实现按键控制喂食与喂水；

• 实现BT04A蓝牙模块与手机APP的稳定连接，完成环境数据上报与控制指令下发，实现手机远程监测与控制功能；

• 通过系统调试与测试，确保系统运行稳定、响应迅速，参数采集精度与控制精度满足设计要求，各项功能均能正常实现，满足用户的实际使用需求。

1.4 论文结构安排

本文共分为6章，具体结构安排如下：

• 第一章为绪论，阐述研究背景与意义、国内外研究现状、研究内容与目标以及论文结构安排；

• 第二章为系统总体方案设计，介绍系统的整体架构、设计原则以及功能模块划分，明确各模块的核心功能与工作逻辑；

• 第三章为系统硬件设计，详细介绍各元器件的选型依据、各功能模块的电路设计以及硬件整体连接关系；

• 第四章为系统软件设计，阐述软件设计思路、主程序流程以及各功能模块的逻辑实现，重点说明蓝牙通信与手机APP的接入方法；

• 第五章为系统调试与测试，介绍调试环境、调试过程以及各项功能的测试结果与分析，验证系统的可行性与稳定性；

• 第六章为总结与展望，总结本文的研究成果，分析系统存在的不足，并对未来的改进方向进行展望。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统整体架构

本智能宠物喂食系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制单元，采用分层设计理念，分为硬件层、软件层与蓝牙通信层三个部分，整体架构如图2-1所示（此处可插入架构图，论文中可预留图位）。

硬件层是系统的基础，主要包括主控单元、环境与状态检测模块、显示模块、执行模块、按键模块、蓝牙通信模块、报警与语音模块，负责参数采集、指令执行、数据显示、蓝牙传输、语音播报与报警提醒；软件层运行于STM32单片机中，负责处理传感器采集的数据、解析用户按键指令与手机APP下发的指令，控制执行模块动作，实现模式切换、阈值调节、定时控制等功能，并与蓝牙模块进行数据交互；蓝牙通信层采用BT04A蓝牙模块，负责实现单片机与手机APP之间的无线通信，完成环境数据上报与控制指令下发，为用户提供远程监测与控制入口。

2.2 系统设计原则

为确保系统的实用性、可靠性、经济性与可扩展性，结合智能宠物喂食的使用场景与用户需求，本次设计遵循以下原则：

• 实用性原则：贴合宠物饲养的实际需求，实现温湿度监测、自动定时喂食、宠物靠近喂水、远程控制等核心功能，操作简洁易懂，无需专业知识即可上手使用；

• 可靠性原则：选用性能稳定、口碑良好的元器件，优化电路设计与软件逻辑，减少故障发生，确保系统长期稳定运行，尤其保证喂食、喂水功能的可靠性，避免影响宠物进食；

• 经济性原则：在满足功能需求与性能要求的前提下，选用低成本、高性价比的元器件，降低系统整体成本，便于批量推广与普通宠物主人使用；

• 可扩展性原则：系统设计预留一定的接口，便于后续增加功能模块（如语音控制、视频监控等），适应不同用户的个性化需求与智能宠物设备的发展趋势。

2.3 系统功能模块划分

根据系统的设计目标与功能需求，结合材料清单中的元器件，将系统划分为以下8个功能模块，各模块协同工作，实现智能宠物喂食系统的全部预设功能：

1. 主控模块：以STM32F103C8T6单片机为核心，是系统的“大脑”，负责接收各模块的反馈信号，解析按键指令与手机APP指令，控制执行模块动作，处理检测数据，实现各模块的协同工作；

1. 检测模块：由DHT11温湿度传感器、光电红外传感器、HX711称重模块、水位传感器组成，负责采集宠物窝温湿度、宠物靠近状态、食物重量、喂水水位等参数，为系统控制提供数据支撑；

1. 显示模块：采用OLED屏幕，负责实时显示当前时间、宠物窝温度、湿度、食物重量、水位、系统工作模式、定时时间、各项阈值等信息，方便用户现场查看；

1. 执行模块：由步进电机、ULN2003步进电机驱动芯片、继电器、水泵组成，步进电机用于模拟喂食控制，继电器与水泵配合实现自动喂水控制；

1. 按键模块：负责实现模式切换（自动/手动）、进入设置界面、参数阈值调节（加/减）、手动控制喂食与喂水等操作，是用户与系统现场交互的主要方式；

1. 蓝牙通信模块：采用BT04A蓝牙模块，负责实现单片机与手机APP之间的无线通信，上传环境与设备状态数据，接收手机APP下发的控制指令；

1. 语音与报警模块：由JR6001语音模块、扬声器、有源蜂鸣器组成，自动模式下定时喂食时，语音模块通过扬声器播报语音，蜂鸣器发出提醒声音，告知宠物进食；

1. 指示模块：由LED灯组成，用于指示系统的工作状态（电源状态、模式状态、蓝牙连接状态等），方便用户快速了解系统运行情况。

第三章 系统硬件设计

3.1 硬件选型

硬件选型是系统设计的基础，结合系统功能需求、性能要求与经济性原则，严格按照用户提供的材料清单进行选型，确保各元器件适配性良好、性能稳定，具体选型如下：

3.1.1 主控单元：STM32F103C8T6单片机

STM32F103C8T6是ST公司推出的一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，主频最高可达72MHz，拥有丰富的IO接口、ADC接口、UART接口等，能够满足系统多传感器数据采集、多设备控制、蓝牙通信等需求。该单片机体积小、功耗低、性能稳定、性价比高，广泛应用于嵌入式系统设计中，非常适合作为本智能宠物喂食系统的主控单元。其最小系统需满足供电、时钟、复位等基本需求，供电电压为3.3V，采用外部8MHz晶体振荡器提供时钟信号，配置复位按键实现系统复位功能，同时设置正确的启动模式，确保单片机正常工作。

3.1.2 检测模块元器件

• DHT11温湿度传感器：采用单总线通信方式，能够同时采集宠物窝的温度与湿度，测量范围为温度0-50℃、湿度20%-90%RH，精度满足宠物窝环境监测需求，接线简单、成本低廉。该传感器通过DATA引脚与单片机进行串行单向数据传输，一次通讯时间约4ms，数据格式包含湿度、温度数据与校验和，确保数据采集的准确性。

• 光电红外传感器：采用漫反射式红外传感器，当有宠物靠近时，传感器输出低电平信号，无人/宠物靠近时输出高电平信号，通过GPIO接口与单片机连接，实现宠物靠近状态的检测，为自动喂水功能提供依据。该传感器检测距离可调，响应迅速，抗干扰能力强，适合宠物靠近检测场景。

• HX711称重模块：专门用于重量检测，采用24位高精度ADC转换，测量精度高、稳定性好，能够准确检测投喂食物的重量，通过DOUT与PD_SCK两个引脚与单片机连接，实现重量数据的采集。该模块支持校准功能，可根据实际需求校准测量范围，适合用于食物重量的精准控制。

• 水位传感器：采用电阻式水位检测模块，通过检测水位变化改变自身电阻值，进而输出不同的电压信号，通过ADC接口与单片机连接，实现喂水水位的检测。该模块灵敏度可调，能够准确检测水位高低，当水位低于阈值时，触发自动喂水功能。

3.1.3 显示模块：OLED屏幕

选用0.96英寸OLED屏幕，采用I2C通信方式，具有分辨率高、功耗低、响应快、视角广、显示清晰等优点，能够实时显示当前时间、宠物窝温湿度、食物重量、水位、系统模式、定时时间等信息。该屏幕体积小、重量轻，便于安装在设备控制面板上，方便用户现场查看系统状态与相关参数，无需额外驱动电路，接线简单，与STM32单片机适配性良好。

3.1.4 执行模块元器件

• 步进电机：选用28BYJ-48步进电机，搭配ULN2003步进电机驱动芯片，能够实现精准的转速与角度控制，用于模拟喂食动作，控制食物的投放量。该电机体积小、力矩大、运行稳定，工作电压为5V，通过GPIO接口与驱动芯片连接，由单片机输出控制信号驱动其正转、反转与停止，实现喂食的精准控制。

• ULN2003步进电机驱动芯片：专门用于驱动步进电机，能够放大单片机输出的控制信号，为步进电机提供足够的驱动电流，保护单片机IO口，同时具有过流保护功能，提升执行模块的可靠性。该芯片与28BYJ-48步进电机适配性良好，接线简单，便于集成。

• 继电器：选用5V继电器模块，用于控制水泵的启停，通过GPIO接口与单片机连接，单片机输出控制信号控制继电器的吸合与断开，进而控制水泵工作，实现自动喂水功能。继电器能够实现弱电控制强电，保护单片机，确保水泵稳定工作。

• 水泵：选用小型直流水泵，工作电压为5V，通过继电器与单片机连接，由继电器控制其启停，用于自动喂水时向喂水盘供水。该水泵体积小、功耗低、出水稳定，适合宠物喂水场景。

3.1.5 按键模块：独立按键

选用5个独立按键，分别用于模式切换（自动/手动）、进入设置界面、参数阈值调节（加/减）、手动控制喂食、手动控制喂水，通过GPIO接口与单片机连接。按键采用高有效方式连接，无需额外添加下拉电阻，可通过软件配置单片机内部下拉电阻，实现按键信号的精准检测，操作简单、可靠，能够满足用户现场操作的需求。

3.1.6 蓝牙通信模块：BT04A蓝牙模块

选用BT04A蓝牙模块，支持蓝牙4.0协议，采用UART通信方式与单片机连接，能够实现与手机APP的稳定无线通信，上传环境与设备状态数据，接收手机APP下发的控制指令。该模块体积小、功耗低、通信距离远（可达10米），支持一对一配对，配对成功后通信稳定，无需复杂的配置，便于用户操作，是实现远程控制的核心元器件。

3.1.7 语音与报警模块元器件

• JR6001语音模块：支持语音录制与播放功能，可预先录制喂食提醒语音（如“小宝贝，该吃饭啦”），通过GPIO接口与单片机连接，当自动模式下定时喂食时，单片机发送控制信号，触发语音模块通过扬声器播放语音，提醒宠物进食。该模块操作简单，支持多段语音录制，音量可调。

• 扬声器：用于播放JR6001语音模块的语音，选用小型8Ω扬声器，工作电压为3.3V，通过音频接口与语音模块连接，音量适中，能够清晰播放语音提醒，适合宠物喂食场景。

• 有源蜂鸣器：用于定时喂食时的声音提醒，工作电压为3.3V，通过GPIO接口与单片机连接，当自动模式下定时喂食时，与语音播报同步工作，发出连续的提醒声音，进一步吸引宠物的注意力。该蜂鸣器无需额外驱动电路，响应迅速，音量可调。

3.1.8 指示模块：LED灯

选用3个普通LED灯（红、绿、蓝），分别用于指示系统电源状态、工作模式、蓝牙连接状态，通过GPIO接口与单片机连接，串联220Ω限流电阻保护LED灯与单片机IO口。红灯亮表示系统通电，绿灯亮表示自动模式，蓝灯亮表示蓝牙连接成功，便于用户快速了解系统运行状态。

3.2 硬件电路设计

系统硬件电路主要包括主控单元电路、检测模块电路、显示模块电路、执行模块电路、按键模块电路、蓝牙通信模块电路、语音与报警模块电路、指示模块电路，各电路相互独立又相互关联，通过导线连接形成完整的硬件系统，电路设计遵循简洁、可靠、抗干扰的原则，确保各模块稳定工作。

3.2.1 主控单元电路

STM32F103C8T6单片机最小系统电路包括供电电路、时钟电路、复位电路与启动模式配置电路。供电电路采用LM1117低压差线性调整器，将5V输入电压转换为3.3V稳定电压，为单片机及其他需3.3V供电的模块（如OLED屏幕、BT04A蓝牙模块）供电，同时在供电引脚旁配置100nF旁路电容，滤除电源噪声，保证供电稳定性；时钟电路采用外部8MHz晶体振荡器，搭配两个22pF匹配电容与1MΩ反馈电阻，为单片机提供稳定的时钟信号，确保单片机正常运行；复位电路采用轻触按键复位，利用单片机内部上拉电阻，无需额外添加上拉电阻，按下按键时实现系统复位，松开按键后系统正常工作；启动模式配置电路通过两个10kΩ电阻将BOOT0与BOOT1引脚下拉到地，默认设置为主Flash存储器启动模式，确保单片机上电后正常加载程序。

3.2.2 检测模块电路

检测模块各传感器电路设计如下：

• DHT11温湿度传感器：VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，DATA引脚通过10kΩ上拉电阻连接到单片机的GPIO引脚，实现温湿度数据的采集，上拉电阻用于保证数据传输的稳定性；

• 光电红外传感器：VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，OUT引脚连接到单片机的GPIO引脚，实现宠物靠近状态的检测，输出低电平表示有宠物靠近，高电平表示无宠物靠近；

• HX711称重模块：VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，DOUT引脚与PD_SCK引脚分别连接到单片机的两个GPIO引脚，通过专用通信协议实现重量数据的采集，模块的VCC引脚旁配置电容，保证供电稳定；

• 水位传感器：采用分压电路，传感器一端接3.3V电源，另一端接地，中间节点连接到单片机的ADC接口，通过检测节点电压的变化，实现水位的采集，电压随水位升高而增大，灵敏度可通过电位器调节。

3.2.3 显示模块电路

OLED屏幕采用I2C通信方式，其SDA引脚与SCL引脚分别连接到单片机的两个GPIO引脚，VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，无需额外驱动电路，通过I2C通信协议，单片机向OLED屏幕发送显示指令与数据，实现各类信息的实时显示，接线简单、功耗低。

3.2.4 执行模块电路

执行模块电路包括步进电机驱动电路、继电器与水泵控制电路：

• 步进电机驱动电路：ULN2003驱动芯片的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，IN1-IN4引脚分别连接到单片机的四个GPIO引脚，驱动芯片的OUT1-OUT4引脚连接到步进电机的四个引脚，由单片机输出控制信号，通过驱动芯片放大后，驱动步进电机正转、反转与停止，实现喂食控制；

• 继电器与水泵控制电路：继电器模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，IN引脚连接到单片机的GPIO引脚，继电器的常开端连接到水泵的正极，水泵的负极接地，单片机输出高电平时，继电器吸合，水泵工作，实现喂水；输出低电平时，继电器断开，水泵停止工作。

3.2.5 按键模块电路

五个独立按键的一端分别连接到单片机的五个GPIO引脚，另一端共同接地，通过软件配置单片机内部下拉电阻，当按键按下时，GPIO引脚检测到高电平信号，单片机通过检测电平变化识别按键操作，实现模式切换、阈值调节、手动喂食、手动喂水等功能，电路设计简洁、可靠，无需额外添加电阻元件。

3.2.6 蓝牙通信模块电路

BT04A蓝牙模块的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，TXD引脚连接到单片机的RX引脚，RXD引脚连接到单片机的TX引脚，通过UART通信协议，实现单片机与模块之间的数据交互，进而实现与手机APP的无线通信。需注意模块与单片机的共地，避免通信干扰，同时在模块电源引脚旁配置100nF旁路电容，保证模块供电稳定。

3.2.7 语音与报警模块电路

语音与报警模块电路包括JR6001语音模块电路、扬声器电路与有源蜂鸣器电路：

• JR6001语音模块：VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，PLAY引脚连接到单片机的GPIO引脚，单片机输出低电平信号时，触发语音模块播放预设语音；语音模块的音频输出端连接到扬声器，实现语音播报；

• 扬声器电路：扬声器的一端连接到语音模块的音频输出端，另一端接地，串联100Ω电阻限制电流，保护扬声器；

• 有源蜂鸣器电路：有源蜂鸣器的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚通过GPIO引脚接地，当单片机输出低电平信号时，蜂鸣器发出提醒声音；输出高电平时，蜂鸣器停止工作。

3.2.8 指示模块电路

三个LED灯的阳极分别通过220Ω限流电阻连接到单片机的三个GPIO引脚，阴极共同接地，单片机输出高电平时，对应LED灯点亮；输出低电平时，LED灯熄灭。红灯对应电源指示，绿灯对应自动模式指示，蓝灯对应蓝牙连接指示，电路设计简洁，能够清晰指示系统运行状态。

3.3 硬件连接总览

系统硬件连接采用模块化设计，各模块通过导线与STM32F103C8T6单片机的对应引脚连接，确保各模块能够正常通信与工作，具体连接关系如下（可根据实际引脚分配调整，均选用单片机空闲IO口与ADC接口）：

• DHT11温湿度传感器：DATA → PA0

• 光电红外传感器：OUT → PA1

• HX711称重模块：DOUT → PA2，PD_SCK → PA3

• 水位传感器：信号输出端 → PA4（ADC接口）

• OLED屏幕：SDA → PB0，SCL → PB1

• ULN2003驱动芯片：IN1 → PB2，IN2 → PB3，IN3 → PB4，IN4 → PB5

• 继电器：IN → PB6

• 按键：K1（模式切换）→ PC0，K2（进入设置）→ PC1，K3（加）→ PC2，K4（减）→ PC3，K5（手动喂食/喂水）→ PC4

• BT04A蓝牙模块：TXD → PC5，RXD → PC6

• JR6001语音模块：PLAY → PC7

• 有源蜂鸣器：GND → PD0

• LED灯：红灯 → PD1，绿灯 → PD2，蓝灯 → PD3

• 水泵：通过继电器连接到5V电源与GND

• 扬声器：通过JR6001语音模块连接到3.3V电源与GND

硬件连接完成后，需对各模块进行绝缘处理，避免引脚短路，确保系统硬件的安全性与可靠性；同时检查各元器件的接线是否正确，避免接反电源导致元器件损坏。

第四章 系统软件设计

4.1 软件设计思路

系统软件设计采用模块化设计思想，以STM32F103C8T6单片机为核心，按照功能模块划分软件模块（检测模块、显示模块、模式切换与控制模块、阈值调节模块、蓝牙通信模块、语音与报警模块、指示模块），各模块独立设计、协同工作，便于软件的调试、修改与扩展。

软件设计的核心思路是：系统上电后，首先完成各模块的初始化，包括单片机IO口、ADC、UART、I2C等外设的初始化，以及各传感器、OLED屏幕、BT04A蓝牙模块、JR6001语音模块等的初始化；初始化完成后，OLED屏幕显示系统启动信息，LED红灯点亮（电源指示），系统进入主循环；在主循环中，系统实时采集各检测参数（温湿度、宠物靠近状态、食物重量、水位），对采集到的数据进行处理与校准；然后判断当前工作模式（自动模式或手动模式），根据模式解析按键指令与手机APP指令，控制执行模块（步进电机、水泵）动作，同时将检测数据上传到手机APP，通过OLED屏幕显示相关信息；当自动模式下达到定时时间时，启动定时喂食流程（语音播报、蜂鸣提醒、步进电机喂食），当宠物靠近且水位低于阈值时，启动自动喂水流程；循环执行上述流程，确保系统持续稳定运行。

4.2 主程序设计

主程序是系统软件的核心，负责统筹各模块的工作，协调各模块之间的数据交互与指令执行，其流程如下：

1. 系统上电，初始化系统时钟、单片机外设（IO口、ADC、UART、I2C）；

2. 初始化各功能模块：检测模块（DHT11、光电红外、HX711、水位传感器）、OLED显示模块、BT04A蓝牙模块、JR6001语音模块、按键模块、执行模块、报警模块、指示模块；

3. OLED屏幕显示系统启动信息（如“智能宠物喂食系统启动中...”），LED红灯点亮，延迟2秒后切换到正常显示界面；

4. 系统进入主循环，首先调用检测模块函数，采集各参数（温湿度、宠物靠近状态、食物重量、水位），对数据进行校准与处理，转换为可显示、可判断的实际数值；

5. 调用显示模块函数，将处理后的检测参数、当前系统模式、定时时间、各项阈值等信息显示在OLED屏幕上，实时更新；

6. 检测按键信号，解析按键指令，实现模式切换、阈值调节、进入设置界面、手动喂食、手动喂水等功能；

7. 检测BT04A蓝牙模块与手机APP的连接状态，若连接正常（LED蓝灯点亮），将检测参数上传到手机APP，并接收APP下发的控制指令，解析后执行相应动作；若未连接，LED蓝灯熄灭，提示蓝牙未连接；

8. 根据当前工作模式执行相应的控制逻辑：自动模式下（LED绿灯点亮），判断是否达到定时喂食时间，若达到则启动定时喂食流程；判断宠物是否靠近且水位低于阈值，若满足则启动自动喂水流程；手动模式下（LED绿灯熄灭），根据按键指令或远程指令控制步进电机（喂食）与水泵（喂水）的动作；

9. 循环执行步骤4-8，确保系统持续稳定运行，实时响应各类指令与状态变化。

4.3 各功能模块软件设计

4.3.1 检测模块软件设计

检测模块软件主要负责采集各传感器的输出信号，并对信号进行处理、校准，得到实际的检测参数，为系统控制提供数据支撑，各传感器的软件处理逻辑如下：

• DHT11温湿度传感器：软件通过GPIO引脚向传感器发送启动信号（拉低总线18ms以上，再拉高20-40us），等待传感器响应后，接收传感器输出的40bit数据，对数据进行校验（前32bit数据的校验和与后8bit校验和一致则数据有效），解析后得到温度与湿度的实际数值；

• 光电红外传感器：通过GPIO接口采集传感器的输出电平信号，检测到低电平时，判定为有宠物靠近；检测到高电平时，判定为无宠物靠近，设置防抖处理，避免误检测；

• HX711称重模块：通过GPIO接口向模块发送控制指令，启动重量采集，接收模块输出的重量数据，对数据进行滤波与校准（根据校准参数消除误差），转换为实际的食物重量值（单位：g），实时监测食物投放量；

• 水位传感器：通过ADC接口采集传感器的输出电压信号，将模拟信号转换为数字信号（0-4095），再通过校准公式转换为实际的水位值，设定水位阈值，当水位低于阈值时，输出低电平信号，触发自动喂水功能。

软件设置定时采集机制，每隔1秒采集一次各检测参数，确保数据的实时性，同时对采集到的数据进行异常判断，若数据超出传感器的测量范围，则视为无效数据，采用上一次的有效数据替代，提升数据采集的可靠性。

4.3.2 显示模块软件设计

显示模块软件负责控制OLED屏幕显示相关信息，采用I2C通信协议，通过编写OLED屏幕的驱动函数，实现字符、数字、字符串的显示，显示界面分为正常显示界面与设置界面。

正常显示界面：实时显示当前时间、宠物窝温度（℃）、湿度（%RH）、食物重量（g）、水位状态（正常/偏低）、系统工作模式（自动/手动）、3个定时喂食时间、食物重量阈值、水位阈值，显示格式清晰、简洁，便于用户现场查看；设置界面：当用户按下“进入设置”按键时，切换到设置界面，显示可设置的选项（当前时间、定时喂食时间、食物重量阈值、水位阈值），用户通过“加/减”按键切换选项与调整参数，设置完成后再次按下“进入设置”按键保存参数并返回正常显示界面。

软件通过定时器实现显示信息的更新，每隔1秒更新一次检测参数与系统状态，确保显示信息的实时性，同时避免频繁刷新导致屏幕闪烁，提升用户体验。

4.3.3 模式切换与控制模块软件设计

模式切换与控制模块软件负责处理按键指令与手机APP指令，实现自动模式与手动模式的顺畅切换，以及执行模块的精准控制，具体逻辑如下：

• 模式切换：当用户按下“模式切换”按键或通过手机APP发送模式切换指令时，系统切换工作模式（自动→手动/手动→自动），并在OLED屏幕上显示当前模式，LED绿灯点亮表示自动模式，熄灭表示手动模式，同时保存当前模式状态，下次上电后自动加载上次的模式；

• 自动模式控制逻辑：系统实时对比当前时间与预设的3个定时喂食时间，当达到任意一个定时时间时，启动定时喂食流程——控制JR6001语音模块通过扬声器播放预设语音，同时控制有源蜂鸣器发出提醒声音，启动步进电机正转（模拟喂食），实时监测HX711称重模块的食物重量，当重量达到设定阈值时，控制步进电机反转，停止喂食，语音与蜂鸣同时停止；同时，系统实时检测宠物靠近状态与水位，当检测到有宠物靠近且水位低于阈值时，控制继电器吸合，启动水泵进行自动喂水，当水位达到正常阈值时，控制继电器断开，停止喂水；

• 手动模式控制逻辑：手动模式下，系统不进行自动调控，用户可通过现场按键或手机APP远程控制喂食与喂水——按下“手动喂食”按键或发送远程喂食指令，控制步进电机正转，达到重量阈值后停止；按下“手动喂水”按键或发送远程喂水指令，控制水泵启动，持续喂水一段时间（如5秒）后停止，或用户再次按下按键停止喂水，动作响应迅速，控制准确。

4.3.4 阈值调节模块软件设计

阈值调节模块软件负责处理用户的设置指令，实现当前时间、3个定时喂食时间、食物重量阈值、水位阈值的调节与保存，具体逻辑如下：

当用户按下“进入设置”按键时，系统进入设置模式，OLED屏幕显示设置菜单，依次显示“当前时间设置”“定时喂食时间1”“定时喂食时间2”“定时喂食时间3”“食物重量阈值”“水位阈值”六个选项，用户通过“加/减”按键切换选项，选中某一选项后，再次通过“加/减”按键调整参数大小（如定时时间范围：00:00-23:59，食物重量阈值：10-100g，水位阈值：0-100%）；设置完成后，按下“进入设置”按键，系统保存当前设置的参数到单片机的Flash中，下次上电后自动加载，同时退出设置模式，返回正常显示界面。

软件设置参数保护机制，确保调节的参数在合理范围内，避免超出范围导致控制逻辑异常，同时设置默认参数，当用户未进行参数设置时，系统采用默认参数运行（如默认定时时间：08:00、12:00、18:00，食物重量阈值：50g，水位阈值：30%）。

4.3.5 蓝牙通信模块软件设计

蓝牙通信模块软件负责实现BT04A蓝牙模块与单片机、手机APP的通信，完成检测数据上报与控制指令接收，具体实现步骤如下：

1. BT04A蓝牙模块初始化：系统上电后，单片机通过UART接口向模块发送AT指令，配置模块的工作模式（从机模式）、蓝牙名称、通信波特率（与单片机一致，如9600bps），完成模块初始化；

2. 手机APP配对与连接：用户打开手机蓝牙，搜索并配对BT04A蓝牙模块（配对密码默认1234或0000），配对成功后，手机APP与蓝牙模块建立稳定通信，LED蓝灯点亮，提示蓝牙连接成功；

3. 数据上报：单片机将处理后的检测参数（温湿度、食物重量、水位、宠物靠近状态）以及系统状态（工作模式、定时时间、各项阈值）通过UART接口发送给BT04A蓝牙模块，模块将数据无线传输到手机APP，供用户远程查看，上报频率为1次/秒；

4. 指令接收：手机APP发送的控制指令（模式切换、手动喂食、手动喂水、参数设置）通过蓝牙模块无线传输到单片机，单片机通过UART接口接收指令，解析后执行相应的动作，并将执行结果上传到手机APP，实现指令的闭环控制。

软件设置蓝牙通信异常处理机制，当蓝牙连接断开时，LED蓝灯熄灭，OLED屏幕显示“蓝牙断开连接”提示，模块自动进入可配对状态，等待手机重新配对；若连续3次配对失败，系统提示“配对失败，请重试”，确保蓝牙通信的稳定性与可靠性。

4.3.6 语音与报警模块软件设计

语音与报警模块软件负责控制JR6001语音模块、扬声器与有源蜂鸣器的工作，实现定时喂食时的语音播报与声音提醒，具体逻辑如下：

自动模式下，当达到定时喂食时间时，单片机输出低电平信号，触发JR6001语音模块播放预设的喂食提醒语音，同时输出低电平信号，控制有源蜂鸣器发出连续的提醒声音，语音与蜂鸣同步工作，持续3-5秒后自动停止；若宠物未及时靠近，可设置每隔10秒重复一次提醒，直至宠物靠近或喂食结束。

手动模式下，语音与蜂鸣模块不进行自动提醒，仅在用户通过按键或手机APP发送提醒指令时启动，确保提醒功能的灵活性；同时软件支持语音音量调节，用户可通过设置界面调整语音与蜂鸣的音量大小。

4.3.7 指示模块软件设计

指示模块软件负责控制三个LED灯的亮灭，实现系统状态的实时指示，具体逻辑如下：

• 电源指示（红灯）：系统上电后，红灯始终点亮，提示系统正常供电；若系统出现供电异常，红灯闪烁，提示用户检查电源；

• 模式指示（绿灯）：系统处于自动模式时，绿灯点亮；处于手动模式时，绿灯熄灭，方便用户快速区分当前工作模式；

• 蓝牙连接指示（蓝灯）：蓝牙模块与手机APP配对成功并建立通信时，蓝灯点亮；蓝牙未连接或连接断开时，蓝灯熄灭，提示用户蓝牙连接状态。

第五章 系统调试与测试

5.1 调试环境与工具

本次系统调试分为硬件调试与软件调试，调试的目的是检查硬件连接的正确性、软件逻辑的合理性，确保系统各项功能正常实现，调试环境与工具如下：

• 硬件调试工具：万用表、示波器、杜邦线、面包板、5V电源适配器、USB A TTL CH340串口工具；

• 软件调试工具：Keil MDK5开发环境、串口调试助手、蓝牙调试APP、手机智能宠物喂食APP；

• 调试环境：室温25℃、湿度50%RH，无干扰的实验室环境，模拟宠物靠近场景（用物体遮挡光电红外传感器），确保调试过程不受外界环境干扰。

5.2 硬件调试

硬件调试的核心是检查各元器件的连接是否正确、各模块是否能够正常工作，供电是否稳定，具体调试步骤如下：

1. 电源调试：将5V电源适配器接入系统，用万用表测量各模块的供电电压，确保STM32单片机、OLED屏幕、BT04A蓝牙模块等需3.3V供电的模块获得稳定的3.3V电压，步进电机、水泵等需5V供电的模块获得稳定的5V电压，无短路、漏电现象，供电引脚无虚焊、脱焊。

1. 主控单元调试：将单片机最小系统单独上电，通过USB A TTL CH340串口工具连接电脑，在串口调试助手发送指令，检查单片机的IO口、ADC、UART、I2C等外设是否正常工作，确保单片机能够正常接收与发送数据，程序能够正常下载与运行。

1. 检测模块调试：分别对各传感器进行单独调试，用万用表测量传感器的输出信号，检查传感器是否能够准确采集参数：用手遮挡光电红外传感器，观察输出电平的变化；向HX711称重模块放置不同重量的物体，观察采集到的重量数据；调整水位传感器的水位，观察输出电压的变化；确保各传感器数据采集正常、响应迅速。

1. 显示模块调试：给OLED屏幕上电，检查屏幕是否能够正常点亮，通过单片机发送显示指令，检查字符、数字、字符串的显示是否清晰、准确，无乱码、卡顿现象，显示界面切换顺畅。

1. 执行模块调试：给步进电机、继电器、水泵供电，通过单片机发送控制信号，检查步进电机是否能够正常正转、反转与停止，继电器是否能够正常吸合与断开，水泵是否能够正常启动与停止，动作响应迅速，无卡顿、异响现象。

1. 蓝牙通信模块调试：将BT04A蓝牙模块与单片机连接，上电后通过蓝牙调试APP搜索模块，进行配对连接，检查模块是否能够正常配对、通信，数据传输是否正常，蓝牙连接距离是否满足要求（≥10米）。

1. 语音与报警模块调试：给JR6001语音模块、扬声器、有源蜂鸣器供电，通过单片机发送控制信号，检查语音模块是否能够正常播放预设语音，扬声器声音是否清晰，蜂鸣器是否能够正常发出提醒声音，音量可调。

1. 指示模块调试：给LED灯供电，通过单片机发送控制信号，检查三个LED灯是否能够正常亮灭，状态指示是否准确，与系统运行状态一致。

经过硬件调试，各模块连接正确，供电稳定，各元器件均能正常工作，无故障现象，数据采集与信号传输正常，满足系统的硬件需求。

5.3 软件调试

软件调试的目的是检查软件逻辑是否正确、各功能模块是否能够正常协同工作，指令解析是否准确，具体调试步骤如下：

1. 初始化调试：将编写好的初始化程序下载到单片机中，上电后检查各模块的初始化是否成功，包括传感器、OLED屏幕、BT04A蓝牙模块、JR6001语音模块的初始化，确保系统能够正常启动，无初始化失败现象。

1. 检测功能调试：运行检测模块软件，采集各检测参数，通过串口调试助手查看采集到的数据，检查数据是否准确、稳定，对采集到的数据进行校准，确保数据误差在允许范围内（如DHT11温度误差±1℃，湿度误差±5%RH；HX711称重误差±1g）。

1. 显示功能调试：运行显示模块软件，检查OLED屏幕是否能够正常显示检测参数、系统模式、定时时间、阈值等信息，显示信息实时更新，无乱码、卡顿现象，设置界面切换顺畅，参数调节显示正常。

1. 模式切换与控制功能调试：分别测试自动模式与手动模式，检查模式切换是否顺畅；自动模式下，测试定时喂食功能（语音播报、蜂鸣提醒、步进电机喂食、重量控制）与自动喂水功能（宠物靠近+水位偏低触发喂水），确保功能正常；手动模式下，测试按键与远程控制喂食、喂水功能，控制准确、响应迅速。

1. 阈值调节功能调试：进入设置界面，测试修改当前时间、3个定时喂食时间、食物重量阈值、水位阈值，检查参数修改是否成功，修改后是否能够正常生效，参数是否能够永久保存，下次上电后是否自动加载，参数调节范围是否在合理范围内。

1. 蓝牙通信调试：测试BT04A蓝牙模块与手机APP的配对、连接，检查检测数据是否能够正常上传到APP，手机APP是否能够实时查看数据；发送控制指令（模式切换、手动喂食、手动喂水、参数设置），检查单片机是否能够正常接收指令并执行相应的动作，指令响应时间≤1s，蓝牙通信稳定可靠。

1. 语音与报警功能调试：自动模式下，测试定时喂食时的语音播报与蜂鸣提醒，检查语音播放是否清晰、蜂鸣声音是否适中，同步工作是否正常；测试语音与蜂鸣的音量调节功能，确保调节有效。

1. 指示功能调试：测试三个LED灯的状态指示，检查电源、模式、蓝牙连接状态的指示是否准确，与系统运行状态一致，无指示错误现象。

经过软件调试，各功能模块逻辑正确，协同工作良好，无程序报错、功能异常现象，指令解析准确，数据传输稳定，满足系统的软件需求。

5.4 系统测试结果与分析

系统调试完成后，对系统的各项功能进行全面测试，模拟实际宠物饲养场景，验证系统的可行性、稳定性与实用性，测试结果如下：

5.4.1 检测功能测试

在不同环境条件下，测试检测模块的采集精度与稳定性，测试结果如下表5-1所示（此处可插入测试表格，论文中可预留表位）：

测试结果表明，各传感器采集精度均满足设计要求：DHT11温湿度传感器的温度测量误差在±1℃范围内，湿度测量误差在±5%RH范围内；光电红外传感器响应时间≤0.5s，检测距离0.1-1m，无漏检、误检现象；HX711称重模块测量误差≤1g，重量采集稳定；水位传感器测量误差≤5%，能够准确检测水位高低；各传感器采集数据稳定，无明显波动，能够准确反映宠物窝环境与设备状态。

5.4.2 显示功能测试

测试

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