基于STC8A8K 单片机的温室浇灌系统实验平台开发

李明枫 杨家欣 高兴宇 彭艳华 廖 斌 邓仕超

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004）

国以民为本，民以食为天。我国人口众多，地大物博，农业也一直是国家政策大力支持的一个重要方面。在新工科和工程教育专业认证的目标提出之后，高校对农业高新科技的研究也提上日程，农业智能装备的发展可谓一骑绝尘，发展迅猛[1-5]。全国大学生智能农业装备大赛随之孕育而生。一方面为大学生参加相关比赛打下基础，另一方面提高大学生的实践应用能力，巩固知识，本文设计一款基于STC8A8K 单片机的温室浇灌系统实验平台，适合学生锻炼动手能力，体验农业科技[6-7]。

该实验平台在机械方面可以完成学生对机械机构设计的实验需求；在电子方面可以完成学生对以单片机为基础的硬件设计和软件设计的实验需求；综合实验能够进一步提高学生机电结合的综合运用能力，激发创新意识，提高创新能力。本实验平台强调理论与实践并重，在学生学习兴趣的基础上，挖掘学生学习潜力，致力于培养高质量人才。

1 实验平台功能需求

温室自动浇灌系统实验平台主要包括两大部分：以三自由度桁架式机械手为基本框架，以同步轮和同步带组成的传动系统的机械结构；以STC8A8K 单片机为核心，包括温湿度检测、限位、电机驱动、红外控制、液晶显示等外围电路的控制系统。共同实现检测温室不同时间湿度温度，并自动调整灌溉水量和位置，显示相关数据的功能。整体框图见图1。

图1 整体框图

2 实验平台的机械结构设计

温室自动浇灌系统实验平台的机械结构如图2，采用了三自由度机械手，三自由度机械手在X，Y，Z 三个维度都能运动，大大提高了灵活性。使得灌溉喷头能到达限定空间之中的所有位置，框架结构更是加大了机械结构的负载能力。

图2 机械结构

机架采用的材料是铝型材。铝型材强度高、重量轻，能控制结构质量较小的情况下保障机械强度和承载能力，三个维度的运动由直线模组构成。直线模组包括MHC-H28 导轨、滑块、轴承、同步轮、同步带、导轨底座、电机支架和J-5718HB3402 步进电机。MHC-H28 导轨是标准型中载滚珠直线导轨，摩擦力小。加以轴承配合，使得电机所做的功更多地用在带动机械结构运动，提高功率。步进电机和同步带轮的组合可以较精准地控制运动距离使灌溉喷头在三维空间中精准定位。

3 实验平台软硬件设计

硬件主要包括主控板、步进电机、温度湿度传感器、限位传感器、电机驱动器、红外、液晶显示屏等。主控板的单片机为STC8A8K64S4A12 单片机。控制系统电路板实物图见图3。

图3 控制系统电路板实物图

3.1 单片机最小系统

本实验平台选用STC8A8K 单片机，实验所需的I/O 口不算多，控制电路较简单，STC 系列单片机就足够胜任STC8A8K 单片机指令代码完全兼容8051，与学生学习的单片机课程相适应，有利于理论结合实践。STC8A8K 内部晶振具有高精度的特点，同时可以设置各种复位模式，提供两种低功耗模式，拥有22个中断源，4 个中断优先级，5 个16 位定时器，宽电压、高速、高可靠、低功耗、较强抗扰。STC8A8K 在本实验平台中用到的功能主要包括：内置时钟、外部中断、定时器中断；STC8A8K 芯片自身就是一个最小系统，其内置的时钟满足本次设计的精度要求；其内置的复位电路可使用软件复位。

3.2 电机控制系统

本实验平台选用TB6600 驱动器，该驱动器控制简单，利于提高程序设计的简洁性。采用SN74HC08N 芯片作为电路的逻辑脉冲分配控制器，SN74HC08N 芯片的作用相当于二输入与门，其内部内置了4 个二输入与门，全1 输出为1，有0 则输出为0。利用单片机的P2.2 口输出脉冲，P2.4 口、P2.3 口和P2.1 口相当于分别控制脉冲输出到X、Y、Z 三个轴上步进电机驱动器的开关。当P2.4 口置低电平时，74HC08 与门的输入口有低电平则输出口输出为低电平，P2.2 口的脉冲方波无论是高电平或低电平，输出到X 轴步进电机驱动器的PUL 口都是低电平，步进电机不转动；当P2.4 口置高电平时，且脉冲方波处于低电平时，输出为低电平，脉冲方波处于高电平时，输出为高电平，电机驱动器可接收到正确的脉冲方波驱动步进电机进行转动。电机驱动脉冲分配电路原理图见图4。

图4 电机驱动脉冲分配电路原理图

3.3 行程限位控制系统

该电路也采用了SN74HC08N 芯片作为逻辑控制器，电路原理图如图5 所示，使用6 个限位开关分别用作X、Y、Z 的正限位和负限位，每个限位开关的C 公共端分别与P1.0 ～ P1.5 口连接，NO 常闭端全部接地。程序初始化将P1.0 ～ P1.5 和P3.2 口全部置1，当某个限位开关的按键被按下，C 公共端和NO 常闭端连通，高电平被拉低，单片机的P3.2 口检测到上升沿或下降沿，触发INT0 中断，然后可以通过程序检测P1.0 ～ P1.5 口哪一个为低电平，就可知道是哪个轴上发生正方向或负方向的越位，并立即停止该轴的运动。P3.2 口为单片机外部中断INT0口，可设置为最高中断优先级，最大限度的防止X、Y、Z 轴上机构的越位而对机构造成损伤。

图5 行程限位开关电路原理

3.4 显示系统

实验平台所要显示数据有X、Y、Z 三个轴的坐标值、电机速度、温度、湿度。LCD1602 每一行能够显示16 个字符，有两行共32 个字符。选用LCD1602 即可满足显示要求本次实验设计。图6 为LCD1602 电路原理图。PIN3-VL 口对地接一个10K 可调电阻可用来调整液晶的对比度，使LCD 1602 达到不同环境下的最佳显示效果。PIN4-RS 选择命令数据口、PIN4-RW 读写信号口及PIN5-EN 使能信号口分别与单片机的P2.5 ～ P2.7 口连接，通过单片机输出高低电平控制对LCD1602 的发送命令、读写数据等操作。PIN-D0 ～ PIN-D7 这8 个数据口分别与单片机的P0 口连接用于发送数据。

图6 LCD1602 电路原理图

3.5 软件控制流程

程序开始先将用到的端口、定时器、中断初始化，外围模块中LCD1602 显示屏、红外遥控器需要初始化。之后检测环境的温度湿度确定浇水时的用水量。检测X、Y、Z 轴的初始位置，与设定位置进行对比，控制三个方向的电机使机械手到达指定的位置。当检测位置于设定位置相同则说明机械手完成位置目标，电机停止旋转，开始浇水。

4 实验设计

根据本实验平台可以设置三类实验，分别是机械类实验、控制类实验、综合类实验。机械类实验包括：桁架结构设计、直线模组的选用、连接件的设计、装配以及动画仿真。控制类实验包括：电机驱动实验、按键中断、定时器中断、LCD 屏显示、串行通信、温湿度检测等。综合类实验包括：按键控制电机运动实验、红外控制电机运动实验、三维空间定点检测温湿度等。实验难度依次增强，从单一学科到交叉学科过度，学生所学的理论知识得到了充分地利用。使学生在创新实践地过程中巩固知识，查漏补缺。

5 结论

基于STC8A8K 单片机的温室浇灌系统实验平台适应于科技发展和教育工作改革，设计出了以农业为大前提的一系列科技实验形式，符合新工科要求，具备一定的创新性。通过该实验平台的设计实验，可以营造积极的学习氛围，激发学生们的学习兴趣，提高学生自主学习的能力。让学生以实战的方式感受科技的魅力，体会时代的变化，促使他们用知识武装自己，用智慧改变未来，这也更加适应现代化对于工程认证的需求，有利于学生进行更加复杂的分析和设计，解决复杂工程问题。