基于单片机的自动灌溉系统设计

张学芹

关键词：自动灌溉系统；单片机；STM32F103

全球气候变化和人口增长使得农业面临着越来越大的挑战。为了满足不断增长的粮食需求，农业生产需要提高效率和产量。然而，传统的农业灌溉方法通常浪费水资源，并且无法满足植物的精确灌溉需求。单片机可以作为控制中心，接收来自传感器的数据，并根据预设的灌溉算法进行决策和控制。通过编程和硬件设计，可以实现高度自动化的灌溉过程，提高灌溉的效率和精确性。本文基于单片机设计一种自动灌溉系统，希望能为相关农业系统发展提供参考。

1 自动灌溉系统需求分析

1） 系统需要能够准确地监测土壤湿度，以确定植物的水分需求。可以使用湿度传感器或土壤水分传感器来实现土壤湿度的监测。2） 系统需要能够根据植物的生长阶段和环境条件制定合理的灌溉计划。这可以通过预设的程序或算法来实现，并可以根据需要手动调整。3） 系统需要具备节水功能，避免过度灌溉和水资源的浪费。可以通过根据实时数据动态调整，或者设置灌溉量上限来实现节水效果。4） 系统需要提供用户友好的界面，让用户可以进行监测系统状态、设置参数、调整灌溉计划等操作，可以使用显示屏、按键或者手机应用程序等形式来实现。5） 系统需要具备稳定可靠的运行特性，能够适应各种环境条件和应对突发状况。同时，系统需要具备安全防护措施，以防止未经授权的访问或操作。

2 总体方案设计

2.1 整体方案

本次基于单片机的自动灌溉系统包括主控模块、执行器（舵机、水泵）模块、温湿度监测模块、用户交互模块和显示报警模块等。主控模块作为系统的核心，负责数据处理、决策控制和与其他模块的通信。执行器模块包括舵机模块和水泵模块，通过主控模块的控制实现对作物的保温和灌溉。用户交互模块通过按键和显示模块实现用户与系统的交互和参数设定。报警模块用于监测温度异常并提醒用户注意。通过以上模块的协作，实现自动灌溉系统的设计和功能实现。整体方面示意图如图1所示。

2.2 芯片选择

本次选择的芯片是STM32F103，STM32F103系列芯片具有高性能、丰富的外设接口、大容量存储器、低功耗特性、多种封装和存储器选项、成熟的开发生态系统以及良好的可靠性和稳定性等优势，适用于各种嵌入式应用[1]。STM32F103 系列芯片采用ARMCortex-M3内核，具有高性能的处理能力和优异的运算速度。其工作频率可达到72 MHz，能够处理复杂的算法和任务[2]。STM32F103系列芯片提供了丰富的外设接口，包括多个通用输入/输出端口（GPIO） 、通用定时器、串行接口（USART、SPI、I2C等）、模拟输入/输出（ADC、DAC） 等。这些接口可满足各种应用需求，方便系统地扩展和连接其他外部设备。STM32F103系列芯片具有较大的闪存和SRAM容量，可以存储更多的程序代码和数据。闪存容量从64 KB到512 KB不等，SRAM容量从20 KB到64 KB不等，满足不同应用的存储需求。同时，STM32F103芯片采用了低功耗设计，在保证高性能的同时，能够有效降低功耗消耗[3]。

3 基于单片机的自动灌溉系统的硬件设计

3.1 主控模块

基于STM32F103的主控模块是整个自动灌溉系统的核心部分，负责传感器数据的采集、处理、决策控制以及与其他模块的通信。主控模块使用STM32F103 系列芯片作为主控芯片，该系列芯片基于ARMCortex-M3内核，具有丰富的外设接口和较高的性能。连接所需的传感器和执行器模块，包括土壤湿度传感器、温度传感器、湿度传感器、舵机模块、水泵模块等。配置适当的引脚连接和电源供应，确保与其他模块的通信和控制。

3.2 温度检测模块

本系统采用DS18B20温度传感器作为温度检测模块，DS18B20是一款数字温度传感器，具有单总线接口和高精度测量性能[4]。连接DS18B20模块的引脚包括数据线、电源线和地线，确保与主控模块的通信正常，需要为DS18B20提供合适的电源供应，并根据实际情况添加上拉电阻。

3.3 舵机模块

舵机模块的设计主要涉及舵机的选型和与主控模块的连接，选择的舵机来实现温度过低时的棉被覆盖操作。舵机具有控制角度的能力，可在一定范围内旋转。也应当考虑选择具有适当转动角度范围、扭矩和响应速度的舵机，以满足覆盖棉被的需求[5]。在连接部分需要将舵机的控制线连接到主控模块的一个PWM输出引脚。舵机通常需要PWM信号来控制其角度，确保舵机的电源和地线与主控模块的电源和地线连接。在使用舵机模块之前，需要进行舵机的角度校准。校准过程通常涉及将舵机调整到特定的初始位置，并记录相关的PWM信号值。

3.4 水泵模块

水泵模块设计旨在实现抽水和灌溉功能。根据系统需求和灌溉区域的大小，选择适合的水泵。考虑水泵的流量、扬程和功率等参数，确保能够满足系统的灌溉需求。水泵应具备稳定性和耐用性，并能适应所用的水源类型（如自来水、井水等）。基于上述要求，本次自动灌溉系统采用的水泵为SG型高效卧式双吸中开泵。将SG型高效卧式双吸中开泵与主控模块连接，通过适当的电源供应和电路保护措施确保水泵的正常工作。根据SG型高效卧式双吸中开泵的电源要求，配置合适的电源电压和电流。在电路中加入适当的电压稳定器和电流保护电路，以保护SG型高效卧式双吸中开泵和其他电路免受电源波动和过电流的影响。使用继电器或场效应管等开关元件，通过主控模块的控制信号来控制水泵的启停。

3.5 显示报警模块

基于LCD1062的顯示模块是自动灌溉系统中用于实时显示系统状态、传感器数据和其他相关信息的重要组件。本次灌溉系统使用LCD1062液晶显示屏模块，该模块具有高分辨率、良好的视角和丰富的显示功能，适合用于显示系统信息。连接LCD1062模块的数据引脚（数据线、使能线等）和控制引脚（读写使能、复位等），确保与主控模块的通信正常。

4 基于单片机的自动灌溉系统的软件设计

4.1 主控模块

基于STM32F103的主控模块负责整个系统的控制和协调。通过硬件设计和软件设计的协同工作，实现对传感器数据的采集和处理、决策控制、与执行器模块和用户交互模块的通信以及系统状态的监测与报警等功能。系统使用STM32CubeIDE开发环境进行嵌入式软件的开发，编写软件程序来实现传感器数据的采集和处理，包括读取土壤湿度、温度、湿度等传感器的数据。设计算法和逻辑来根据传感器数据进行决策控制，例如根据土壤湿度判断是否需要进行灌溉，根据温度判断是否需要启动舵机模块进行保温覆盖等。与执行器模块进行通信，通过控制舵机模块和水泵模块的工作状态来实现灌溉和保温控制。与用户交互模块进行通信，接收用户的输入指令和参数设定，并根据用户的选择切换自动或手动模式，调整阈值设定。监测系统状态包括传感器数据、执行器模块状态和报警状态等，并与显示模块进行通信，发送相关数据供显示，通过串口、I2C、SPI等接口与其他模块进行通信，包括与显示模块进行数据传输和与报警模块进行触发报警信号。系统流程图如图2所示。

4.2 温度检测模块

首先，在主控模块的软件中配置GPIO口用于与DS18B20 通信，并设置相应的引脚状态（输入或输出）。然后，编写驱动程序来实现与DS18B20的通信和数据采集。DS18B20采用1-Wire总线协议进行通信，因此需要在软件中实现相应的协议解析和数据读取。通过发送指令，主控模块向DS18B20请求温度数据，并接收传感器返回的数据。根据DS18B20提供的温度计算公式，将接收到的原始数据转换为实际温度值。DS18B20传感器可能存在温度偏差，因此可以进行校准以提高测量的准确性。在系统初始化或设定阶段，用户可以采集环境中已知的温度值，并与DS18B20测量到的值进行对比校准。根据校准结果，可以通过软件程序对测量的温度值进行修正，提高系统的测量准确性。用户可以通过用户交互模块（如按键模块）设定温度阈值，用于系统的温度控制。根据设定的阈值，主控模块可以根据测得的温度值来判断是否触发相应的保温措施或报警。

4.3 舵机模块

在主控模块的软件程序中，需要使用适当的PWM输出库函数控制舵机的角度。根据温度数据和设定的阈值，主控模块可以计算出覆盖棉被的需要程度，并生成相应的PWM信号来控制舵机的角度。可以使用逐渐增加或减小的PWM信号来实现平滑的舵机运动，以避免突然变化或振荡。在软件程序中，可以根据校准过程中记录的PWM信号值来调整舵机的角度。通过上述设计，主控模块可以通过生成PWM 信号来控制舵机的角度，从而实现温度过低时的棉被覆盖操作。主控模块根据温度数据和设定的阈值决定是否触发舵机动作，并根据需要调整PWM信号的占空比，控制舵机的角度以达到保温的目的。

4.4 水泵模块

在水泵模块的软件层面，需要基于SG型高效卧式双吸中开泵的特点设计控制逻辑，以求在主控模块的软件中，实现控制水泵的逻辑。根据系统的需求和传感器数据（如土壤湿度），确定灌溉的触发条件和灌溉时间。当达到触发条件时，主控模块发送控制信号给水泵模块，启动SG型高效卧式双吸中开泵进行灌溉。灌溉时间可以根据系统需要设定固定时间或通过传感器数据动态调整。定时器可以用于控制灌溉时间的精确控制，通过定时器中断或轮询检测的方式，实现灌溉时间的计时和水泵的停止控制。

同时还要基于SG型高效卧式双吸中开泵的运行特点考虑系统的安全性和节约资源的目标，设计相应的保护机制。添加水位传感器或液位开关来检测水源是否充足，避免水泵在水源不足的情况下工作，以防止损坏。考虑温度保护，当温度过高时，通过温度传感器检测到并停止水泵工作，以防止过热和损坏。设计故障检测机制，通过监测水泵的电流、压力或其他参数，检测水泵是否正常工作。当检测到异常情况时，主控模块可以触发报警，例如发出声音警报、发送短信或通过显示模块显示故障信息。通过以上设计方案，可以实现基于STM32的自动灌溉系统的水泵模块功能，实现灌溉的自动化控制和保护机制。设计中应考虑系统的可靠性、安全性和节约资源的目标，确保水泵的正常工作和系统的稳定运行。

4.5 显示模块

本次自动灌溉系统根据LCD1062模块的数据手册编写驱动程序，实现与该模块的通信和数据传输。定义合适的显示格式和界面布局，将系统状态、传感器数据和其他信息以易于理解的方式显示在LCD1062屏幕上。通过与主控模块的通信，接收需要显示的数据，并根据需要进行数据处理和格式转换，以便在LCD1062屏幕上正确显示。要求能够显示系统的工作状态，例如自动模式还是手动模式、灌溉状态等；能够显示土壤湿度、温度、湿度等传感器采集到的实时数据，以帮助用户了解当前环境条件；能够显示用户操作的提示信息，例如按键操作提示、设定阈值成功提示等；能够在系统检测到异常情况时，显示相应的报警信息，提醒用户注意。

在LCD1062屏幕上显示菜单选项或设置界面，通过与主控模块的通信，接收用户的输入指令和参数设定。根据用户的操作，切换自动或手动模式，调整阈值设定等，确保用户与系统的交互顺畅和灵活。通过以上设计和功能实现，基于LCD1062的显示模块可以提供清晰、直观的界面，将系统状态、传感器数据和其他信息直接展现给用户，方便用户了解系统运行情况和进行操作。

5 結束语

总的来说，基于单片机的自动灌溉系统设计涉及多个模块的协作和功能实现。通过合理的方案设计和系统集成，能够实现对植物灌溉的自动化控制，提高效率和减少人工成本，为农业生产提供便利和效益。同时，研究还需要考虑系统的可靠性、安全性和节约资源的目标，确保系统的稳定运行和灌溉效果的优化。