1.概述

当今，宠物是许多人家庭中的伙伴，而在繁忙的生活中给它们喂食是一件“千万不能忘"的事。为了便捷，本项目旨在提出一种利用了光学检测方法的宠物自动喂食系统。通过环境光传感器与MCU的配合使用，我们就能知道那只猫或者狗什么时候吃光了盆里的食物，然后控制电机打开罐子输送食物。 对于有着相关需求的人来说，这可能成为他们在市场上需要的一款产品。

2.方案介绍

系统的主要组成结构如图所示。整个系统使用直流12V电源输入。(框图链接：https://www.digikey.cn/schemeit/project/111111111-6c626e536e2c42ff8e96c97cf4094d2a)

该框图使用Scheme-it工具在线绘制而成。一共包含六大部分：环境光检测装置，MCU，电机驱动模块，直流电机，电源1和2。下面将详细介绍各个部分所使用的元件。

环境光检测装置 使用了来自德州仪器（TI） 的OPT3005 。根据官方的数据手册：

OPT3005 是一款用于测量可见光密度的传感器。传感器的光谱响应与人眼的视觉响应紧密匹配，并且对 850nm 和 940nm 的红外光阻隔率超强（在射角较大时）。 OPT3005 是一款用于测量人眼可见光强度的单芯片照度计。该器件具有精密的光谱响应和超强的红外阻隔功能，让 OPT3005 能够准确测量人眼可见光的强度，且不受光源及 850nm 或 940nm 主动照明产生的任何杂散光影响。对于为追求美观效果而需要将传感器安装在深色玻璃下的工业设计（尤其是 850nm 或 940nm 主动照明）而言，超强的红外阻隔功能还有助于保持高精度。

OPT3005内部集成了模数转换器以及I2C通信模块，可以便捷地通过I2C总线与处理器进行通信，传输数据，无需使用其他额外模块。传感器设置在盆底，每当食物被吃完而光照增强，MCU可获得响应。

系统中使用的MCU 是意法半导体（ST） 出品的STM32F401 。这是一款轻量级的STM32微控制器。它能够兼顾性能和功耗效率： + 性能高达100 MHz/ 125 DMIPS，运行模式的动态功耗低至89 µA/MHz + 利用ST的自适应实时（ART）加速器实现了从内置闪存执行代码零等待状态 + 批采集模式（BAM）始终数据采集开启，即使在内核停止、动态功耗调整时

该芯片的低成本、低功耗特性非常适合这样的家居应用场景。同时该器件的封装体积较小，便于微型化。STM32F401具有3个I2C通道，可以用于和OPT3005进行通信。

L298是一种双全桥驱动器，在系统中用于驱动直流电机。在这里，我们选用了基于意法半导体（ST） 出品的L298N 的电机驱动模块。该器件有工作电压高、输出电流大、驱动能力强、发热量低、抗干扰能力强等特点，可以接受标准TTL逻辑电平信号，通常用来驱动继电器、螺线管、电磁阀、直流电机以及步进电机。在我们的项目中，L298N接收来自控制器STM32F401的逻辑电平输入以控制一个直流电机。

市面上售卖的L298N模块中通常也包含三端口电流正固定电压稳压器78M05。它在系统中作为电源2 的关键部份。电源2输入电压为12V。除了为直流电机提供电力之外，它也作为78M05的输入，而输出是5V电压。5V电压将用于驱动L298N内部的逻辑电路。

电源1 的主要器件是德州仪器（TI） 的TPS62120 。这是一款具备高效率、超低功耗特性的降压转换器。

TPS62120同步转换器可支援省电模式，可在整个电流负载范围内实现高效率，在负载低至 100 uA 时效率也可达到 75%。该装置在轻负载条件下工作模式为脉冲频率调变 (PFM) 模式，静态电流仅为 11 uA。 此外，TPS62120 还可在较高电流条件下保持平稳高效的工作状态，可自动从省电模式转为固定频率脉宽调变 (PWM) 模式。它不但可实现高达 96% 的效率，而且还可透过 2 V 至 15 V 输入电压产生 75 mA 的输出电流。

在这个系统中，TPS62120用于从12V电源输入产生3.3V电压，以向环境光检测装置以及微处理器供电。

3.Scheme-it工具

Scheme-it是电子元器件分销商 Digi-Key Electronics 推出的一款便捷的在线工具，可以在线绘制电路图和原理图。我使用这款工具绘制了所设计系统的框图，无需再安装本地软件，两三下就能搞定，还可以导出所绘制的图像并在线分享，有效提升了效率。

4.心得与体会

作为一个初学者，我还不足以掌握设计一整个电子系统并将其变为现实的全流程。但即使进行初步设计，我也体会到这并非易事，而是综合成本、功能、能耗、可行性等多个因素的复杂工作。