基于STM32智能盆栽远程补光浇水设计

2018-07-27涂颖刘叶林李刚

电子制作 2018年13期

涂颖，刘叶林，李刚

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

随着社会生活的进步，人们的生活质量在逐步提高，对居住的环境也有了更高地追求。现下，养盆栽植物被越来越多的人所喜爱，一方面它可以作为生活中一项活动去陶冶情操、修养生性、丰富生活；另一方面，植物的光合作用能吸收空气中有害气体净化室内空气，让环境更加清新。但是，在快节奏的日常中，人们总有些忙碌得无暇顾及的时候，而众所周知，养殖花草成败的关键在于盆栽的浇水量和给与的光照强度是否适时适量，于是，花费时间去用心呵护花草反倒成了人们生活中的一个难题。一边喜爱种植却又担心因为浇水不及时导致花草长势不好，影响了家庭的装饰效果和自己的心血。因此，设计一款能够自动进行补光浇水并且能远程监控的智能花盆很有实用意义，让花草时刻都能得到悉心的照顾。

1 系统总体设计

本文设计了一个基于STM32单片机的智能盆栽补光浇水系统，本套装置的电路采用模块化设计思想，分为STM32F103C8T6单片机核心电路、温湿度传感器DHT11电路、LCD1602液晶显示电路、继电器控制电路、GSM短信模块SIM800A电路、高亮LED灯补光电路、光敏电阻检测光照强度电路以及电源电路等。系统整体架构图如图1所示。

图1 系统整体架构框图

2 硬件模块设计

■2.1 STM32单片机核心电路设计

微处理器是整个设计的核心，本文所选单片机控制芯片为STM32F103C8T6单片机，STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。使用基于ARM架构的Cortex-M3内核，具有优异的实时性能、杰出的功耗控制、出众及创新的外设，并且最大程度的集成整合，十分易于开发，可使产品快速将进入市场。

■2.2 继电器控制电路设计

继电器是一种电控制器件，当激励量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系，实际上一种“自动开关”，即用小电流去控制大电流运作，通常应用于自动化的控制电路中，起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在本系统中，通过三极管驱动继电器，当单片机的控制引脚为低电平时，三极管导通，此时继电器供电闭合，同时指示灯LED亮，与LED灯串联的电阻为限流作用保护LED灯，与三极管基集相连的电阻也是限流作用，保护三极管。继电器控制电路的原理图如图2所示。

图2 继电器控制电路

■2.3 高亮LED灯照明电路设计

比一般LED发光二极管的亮度高近百倍即高亮LED灯，其发光体本身就能发出某一波长的光，从而呈现出某一种颜色，其外壳是无色透明树脂封装，它广泛应用在户外广告牌、交通信号灯、标志牌，汽车尾灯等方面，具有寿命长、点亮速度快、高效率（其发光效率可达80%～90%，LED比节能灯还要节能1/4），可靠耐用，维护费用低廉等优点。在本设计中，选择白色高亮LED灯作为照明灯使用，通过三极管驱动LED灯的亮灭，电阻为限流电阻，保护三极管。当单片机的控制引脚为低电平时，三极管导通，此时，高亮LED灯亮。否则，高亮LED灯不亮。高亮LED灯照明电路原理图如图3所示。

图3 高亮LED灯照明电路

■2.4 SIM800AGSM模块电路设计

本系统选择SIM800A模块实现对系统的远程短信信息交互。SIM800A外观小巧，性能稳定，是一款两频GSM/GPRS模块,为SMT封装，工作频率为GSM/GPRS 900/1800MHz，可以低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输。SIM800A尺寸为24＊24＊3mm，能适用于各种紧凑型产品设计需求。通过该模块主要实现GSM短信远程浇水和补光灯控制，场景如下，当用户发送一条短信：浇水，此时继电器1打开，同时水泵开，当水泵打开之后时钟控制定时1分钟关闭；同样的，当用户发送一条短信：补光，此时高亮LED灯亮，倒计时1分钟后关闭。模块接口原理图如图4所示，实物图如图5所示。

图4 SIM800A模块接口电路

图5 SIM800A模块实物图

■2.5 温湿度传感器DHT11模块电路设计

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。DHT11采用单总线数据格式实现双向传输，数据包由5个字节组成，一次传输为40位高位先出；数据分小数部分和整数部分；最后一个字节为校验和，由前四个字节相加所得。具体数据分析读取如图6所示。

图6 读取5字节数据分析

由以上数据就可得到湿度和温度的值：

humi (湿度)= byte4 .byte3=25.0 (%RH)

temp (温度 )= byte2 .byte1=81.0 ( ℃ )

jiaoyan(验)= byte4+ byte3+ byte2+ byte1=106(=humi+temp)(校验正确)

本设计以该模块为感应器件，检测盆栽土壤温湿度，将检测到的值送入STM32单片机，再由单片机控制输出到LCD屏进行状态显示。

■2.6 光照检测模块电路设计

该传感器可检测周围环境的亮度和强度，灵敏度可通过电位器调节，比较器采用LM393芯片，工作电压在3.3～5V。输出形式有A模拟电压输出和D数字开关量输出（0和1），D0口直接与单片机相连，用单片机检测到电平的高低反映出周围环境光照强度的改变。当在光线较暗未达到设定阈值或者黑暗环境下时，DO口输出高电平；反之，D0输出低电平。模块接口原理图如图7所示。

图7 光照传感器接口原理图

图8 程序流程图

3 软件模块设计

本系统设计主要采用keil软件编写与调试程序，程序语言采取易读性和移植性高的C语言编写。系统运行流程图如图8所示。首先初始化系统时钟、IO口以及定时器和外设串口，然后进入GSM串口是否接收到数据的判断，若是则进行数据处理，否则进入光照是否超过阈值的判断，当超过时进行光照标志处理，否则直接进行温度采集，进而是LED以及继电器的处理，最后通过LCD1602液晶显示出来，同时进入GSM串口是否接到数据的循环。

4 系统调试与分析

首先在系统上电调试前，大概观察下焊接的系统还存在问题，例如是否存在比较明显的断裂，正负极接反以及相连、虚焊、等问题，然后用万用表检测一下，电源正负极之间是否短路等严重的电源问题，最终保证系统没有问题。然后在Keil4软件中进行程序编译和调试，直到提示没有错误为止。最后就是硬件整体测试，主要运用万用表、直流电源和示波器进行整体调试。