硬件编程 · 猫咪自动喂食器 · 2026-08-11

需求洞察

目标用户：多猫家庭、经常加班或短期出差的白领养猫人，以及对宠物健康数据有管理需求的年轻群体。

真实痛点：

1. 加班、堵车、周末外出无法准时投喂，猫咪暴饮暴食或长时间断粮易诱发肠胃、胰腺问题。
2. 传统机械喂食器出粮量不准，干粮受潮变质，清理麻烦。
3. 想远程知道“猫咪吃没吃、吃了多少”，但市面智能喂食器价格多在300‑500元，超出预算。

为什么值得做：

将物联网与精确机电控制结合，用<90元实现基础智能喂食闭环。既能解决刚性看护需求，又为程序爱好者和学生提供实战项目，兼具情感价值与学习价值。方案开放可扩展，后期可加入摄像头、AI识别多猫分食等，生命周期长。

方案设计

整体分为四层，均围绕ESP32主控展开：

感知层

• 槽型光电开关（放于出粮口），检测每次落粮脉冲，实时计算颗粒数，校准出粮克数。
• 红外接近传感器（食盆上方），判断猫咪是否靠近，离场后自动收回多余猫粮，减少浪费。
• 干簧管磁控开关（储粮桶盖），检测桶盖是否打开，用以触发补粮提醒。

控制层

• ESP32负责所有逻辑调度：Ticker硬件定时器维护本地RTC时钟，按预设的每日最多6组时间触发喂食；同时维护MQTT长连接，接收云端即时指令。
• 控制板载LED指示网络与出粮状态，引脚资源分配充分考虑步进电机、舵机、传感器的优先级。

执行层

• 28BYJ‑48步进电机配合ULN2003驱动板，推进螺旋输送杆，精准控制旋转圈数→对应出粮克数。
• SG90舵机驱动弧形挡板，喂食时打开出料口，喂食完毕或待机时关闭，防止潮气、蟑螂进入。仓门闭合力度由舵机角度拟合，避免夹伤猫咪胡须。

日志/联网层

• Wi‑Fi连接家用路由器，通过MQTT协议上报主题catfeeder/event（JSON：时间、出粮克数、余量百分比），并订阅catfeeder/cmd接收远程喂食、紧急停止等指令。
• 本地存储最近20条喂食记录于ESP32的Flash模拟EEPROM，断网不丢数据，重连后补传。

物料清单

合计78元，剩余12元用作结构打印或补充线材，满足90元内硬约束。所有物料可从电商平台单件包邮购得，无需批量采购。

接线与结构

接线说明（GPIO完全按给定微调）

• 步进电机驱动板 IN1→GPIO25、IN2→GPIO26、IN3→GPIO27、IN4→GPIO14，共4线。ULN2003供电接5V。
• 舵机信号线→GPIO13，电源由5V供电。
• 槽型光电信号输出→GPIO32（带内部上拉），用于计数。
• 红外接近传感器OUT→GPIO33（可中断唤醒）。
• 干簧管一端接GND，另一端→GPIO34，使能内部上拉，触发低电平。
• MQTT走Wi‑Fi，无需额外接线。

微调理由：原给定引脚适用于步进和舵机，增加了3个传感器输入并选用闲置的ADC1通道，避免与Wi‑Fi共用的ADC2冲突，保证Wi‑Fi稳定。

结构装配：

储粮桶底部打孔，垂直安装亚克力管作为螺旋套筒，步进电机通过联轴器与螺旋杆连接。出料口侧方开窗，前方固定舵机及半圆挡板。光电传感器横跨出料口，红外朝食盆方向安装。主控板与驱动板固定在桶外侧防水盒内。整个电路仅一根电源线外露，整洁安全。

核心代码

以下提供Arduino骨架，基于PlatformIO/Arduino IDE均可编译。已包含Wi‑Fi连接、MQTT、步进电机控制、舵机防潮、掉粮计数及定时喂食核心逻辑。

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Ticker.h>
#include <EEPROM.h>

// 步进电机引脚
#define IN1 25
#define IN2 26
#define IN3 27
#define IN4 14
// 舵机
#define SERVO_PIN 13
// 传感器
#define PHOTO_PIN 32
#define IR_PIN 33
#define REED_PIN 34

// WiFi与MQTT
const char* ssid = "yourSSID";
const char* password = "yourPASS";
const char* mqtt_server = "broker.emqx.io";
WiFiClient espClient;

// 步进电机步序
const int step_seq[8][4] = {
  {1,0,0,0},{1,1,0,0},{0,1,0,0},{0,1,1,0},
  {0,0,1,0},{0,0,1,1},{0,0,0,1},{1,0,0,1}
};

int step_phase = 0;
Ticker feedTicker;
bool feeding_flag = false;
int grain_count = 0;

// 舵机角度
void setDoor(bool open) {
  if(open) {
    // 打开挡板角度，需实测调整
    for(int angle=0; angle<=90; angle++) {
      int pulse = map(angle,0,180,500,2400);
      digitalWrite(SERVO_PIN,HIGH);
      delayMicroseconds(pulse);
      digitalWrite(SERVO_PIN,LOW);
      delay(20);
    }
  } else {
    for(int angle=90; angle>=0; angle--) {
      int pulse = map(angle,0,180,500,2400);
      digitalWrite(SERVO_PIN,HIGH);
      delayMicroseconds(pulse);
      digitalWrite(SERVO_PIN,LOW);
      delay(20);
    }
  }
}

// 步进电机转一圈（2048步）
void stepMotor(int rounds) {
  for(int r=0; r<rounds; r++) {
    for(int i=0; i<2048; i++) {
      for(int pin=0; pin<4; pin++) {
        digitalWrite(IN1+pin, step_seq[step_phase][pin]);
      }
      step_phase = (step_phase+1)%8;
      delay(2);
    }
  }
}

// 喂食执行
void executeFeeding(int gram) {
  feeding_flag = true;
  setDoor(true);
  // 每圈约出粮3g，根据实际校准
  int rounds = gram / 3;
  stepMotor(rounds);
  // 计数值清零，等待传感器新计数
  grain_count = 0;
  delay(500);
  setDoor(false);
  feeding_flag = false;
  // 上报MQTT
  String msg = "{\"event\":\"fed\",\"gram\":"+String(gram)+"}";
  client.publish("catfeeder/event", msg.c_str());
}

// 定时喂食回调
void onTimerFeed() {
  // 示例：默认早上8点、晚上20点各一次，每次出粮20g
  executeFeeding(20);
}

// MQTT回调处理远程指令
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  String msg;
  for(int i=0;i<length;i++) msg += (char)payload[i];
  if(String(topic)=="catfeeder/cmd") {
    if(msg.indexOf("feed")>=0) {
      executeFeeding(20);
    } else if(msg.indexOf("stop")>=0) {
      // 紧急停止
      feeding_flag = false;
      setDoor(false);
    }
  }
}

void reconnect() {
  while(!client.connected()) {
    if(client.connect("ESP32CatFeeder")) {
      client.subscribe("catfeeder/cmd");
    } else {
      delay(5000);
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 引脚初始化
  pinMode(SERVO_PIN,OUTPUT);
  pinMode(IR_PIN,INPUT);

  WiFi.begin(ssid, password);
  while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED) delay(500);
  client.setCallback(callback);

  // 设置定时喂食，每天8:00和20:00，需结合NTP实现，此处用Ticker模拟周期
  // 实际应使用ESP32 RTC定时器唤醒，这里简化演示
  feedTicker.attach(43200, onTimerFeed); // 12小时周期，仅演示
}

void loop() {
  if(!client.connected()) reconnect();
  client.loop();

  // 落粮计数
  if(digitalRead(PHOTO_PIN)==LOW && feeding_flag) {
    grain_count++;
    delay(20); // 消抖
  }
  // 红外检测猫咪靠近，可触发拍照或计数
  if(digitalRead(IR_PIN)==LOW) {
    // 可扩展
  }
  // 桶盖状态上报
  static bool last_reed = HIGH;
  bool now_reed = digitalRead(REED_PIN);
  if(last_reed != now_reed) {
    String status = now_reed?"closed":"open";
    client.publish("catfeeder/event", ("{\"lid\":\""+status+"\"}").c_str());
    last_reed = now_reed;
  }
}