智能花盆装置设计

李芊依，姚夏元

（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京，102206）

0 引言

当前，绿色生态越来越接近生活，很多人都尝试在家中来种植各种盆栽，但是时常因为没有时间或者照顾不当而导致植物缺水过多死亡或者植物生长得不太对称美观，所以针对这种情况，就想要设计出一款可以在缺水时进行自动浇水，并且在阳光充足的时候进行匀速缓慢地转动，使植物的各个方向得到充足均匀的光照。目前，我国在单片机以及步进电机的应用领域已经取得了很多重要的研究成果，比如，基于单片机无线控制的智能插座设计[1]。 单片机还被应用到农业领域，单片机在农业机械设备自动化改造中的应用分析[2]。当然，单片机在应用的过程当中也会有很多的问题，所以也对单片机的干扰的问题进行研究，得出了技术与方法[3]，把多个模块组合在一起更好地满足了我们日常生活的需要，这些模块的互相通信以及控制还可以尝试使用在其他领域来实现新的功能。当前对于步进电机的研究也有很多，有的是对于步进电机微步驱动系统研究[4]，这种研究对于步进电机的精度要求比较高，对步进电机优化研究的必要性、特点进行了阐述，并详细介绍了步进电机的设计方法。以某卫星天线驱动用步进电机为基础，分析了不同的转子结构、电磁参数对步进电机性能的影响，并进行了性能优化研究[5]。

1 系统整体设计

本装置以STC89C52 单片机为运算和控制中心[6]，主要由LCD1602 液晶显示模块、土壤湿度检测模块、BH1750FVI 光照传感器模块、步进电机以及Y2SD1R5步进驱动器、水泵等模块组成。LCD1602 液晶显示器、水泵以及步进电机为输出部分，与单片机、继电器、Y2SD1R5 步进驱动器等配合，接收来自土壤湿度检测模块和BH1750FVI 光照传感器模块的信号，完成脉冲的输出任务。当光线充足时，BH1750FVI 光照传感器负责接收光照信号并转换成数字信号高低电平，通过接口与单片机完成通信，单片机再把信息传递给Y2SD1R5 步进驱动器，进而驱动步进电机进行旋转，土壤湿度检测模块负责接收土壤湿度信号并转换成数字信号高低电平，以同样方式把信息传给单片机，进而驱动继电器，使水泵进行浇水操作。原理简单，易于进行更换和调节，系统设计流程如图1 所示。

图1 系统设计流程图

2 硬件模块设计

2.1 单片机系统

本装置使用ATMEL 公司开发的STC89C52 单片机为核心控制器，该单片机中断复位快速方便，可以直接使用串口下载,另外C52 单片机拥有静态逻辑操作模式，对于本系统来说，外部连接部件不繁重，算数不复杂时，可以运行在空闲模式下，达到了高效且节能的效果。考虑到该系统中，核心单片机需要控制的液晶显示器和传感器，以上优越的性能能够支持本嵌入式操作运行系统的正常运转，软件开发较为方便。图2 是 STC89C52 单片机的最小系统，将系统按照该图连接，即可在此基础上开发所需的功能和应用。在我们设计的装置中，主要应用了单片机直接对LCD1602 进行控制，用来显示光照的强度，因为STC89C52 单片机具有直接控制LCD1602 的接口，所以不需要单独进行串口命名和操作，直接有相应的程序对其进行操控，这样，单片机就可以轻松的把BH1750FVI 光照传感器模块的光照强度反映到LCD1602显示屏上面，装置还应用了单片机的几个I/O串口，依次让单片机对驱动器和继电器进行控制，来对步进电机进行控制，在这之中运用了单片机的中断功能。

图2 单片机最小系统设计图

2.2 LCD1602 显示模块

显示模块主要采用了 LCD1602 液晶显示屏[7]，通过LCD1602 与单片机的密切配合共同完成输出系统的搭建。LCD1602 显示器[8]不需要连接其他工作电路、Flash和 RAM 等，其自身具有 32 位的超长交互界面以及高精度的 AD 转换系统，将其按照单片机说明书直接与STC89C52 相连，即可直接通信。由于芯片高度集成，操作起来十分方便。LCD1602 自带的大存储容量使得用户可以自主设计显示界面，自定义初始化显示，只需找到使用的物理存储地址，利用程序将默认设置从 I/O 端口键入交互界面，其余地址分配给单片机通信显示即可。为保证芯片的正常运行，接入可调电阻作为保护，当芯片正常运作时，指示灯亮起[9]。LCD1602 与单片机的连接是在单片机最小系统的基础上布置的，1602 液晶显示芯片共有 16 个引脚，引脚 1、2 分别接地和 5V 电源，引脚 3VO 经滑动电阻后接地，调节液晶显示器对比度[10]。运行1602 模块时，按照说明书将所有引脚同理接入，接通电源即可。连接后，整个系统基本完成。系统总设计图如图3 所示。

图3 LCD1602 显示芯片工作流程图

2.3 土壤湿度检测模块

该模块可用于检测土壤的水分，模块在土壤湿度达不到设定阈值时，DO 口输出高电平，当土壤湿度超过设定阈值时，模块D0 输出低电平，小板数字量输出D0 可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度，小板数字量输出DO 可以直接驱动继电器模块，并且灵敏度可调，调节蓝色的数字电位器即可，工作电压3.3V~5V，模块双输出模式，数字量输出简单，模拟量输出更精确，比较器采用LM393 芯片，工作稳定小板模拟量输出AO 可以和AD模块相连，通过AD 转换，可以获得土壤湿度更精确的数值。

2.4 BH1750FVI 光照传感器模块

BH1750VI 数字光照传感器模块[11]是一种用于两线式串行式总线接口的数字型光强度传感器集成电路、利用模块收集的光线强度数据可以调整液晶、键盘背景灯的亮度、模块分辨率可以探测较大范围的光强度变化，工作电压为5V，通信接口方式为I2C,输入光范围为1~65536lx，光谱灵敏度特性：峰值灵敏度波长典型值：560m；光源依赖性弱：白炽灯、荧光灯、卤素灯、白光LED、日光灯均可；采用ROHM 原装BH1750FV 芯片；光照范围：0~65535lx、传感器内置16bitAD 转换器直接数字输出、省略复杂计算、省略标定FVI、内部包含通信电平转换、与5V 单片机IO 链接、支持STM32/51/ardunio。

2.5 Y2SD1R5 步进驱动器

凯福 SD 系列驱动器是一款高性价比脉冲控制步进电机驱动器，采用数字PID 技术，具有优越的性能表现，高速大力矩输出，低噪音，低振动，低发热，驱动器可工作在脉冲方向模式或双脉冲模式，通过开关设置运行电流和细分等参数，极大地方便了客户的应用。驱动器上电初始化自动检测电机参数，并由此优化电机电流算法和抗共振电子阻尼系数，多种细分参数设置，最高可达 25600；支持脉冲方向模式或双脉冲模式；光电隔离，差分信号输入，可支持5~24V；具有过压保护，欠压保护，过温保护，过流保护，电机线开路检测等。

3 软件模块设计

3.1 LCD1602 显示器程序设计

LCD1602 内部受继电器和单片机的信号控制，显示器对单片机发出的电信号进行分析，将模拟信号进行整流和AD 转换，使串行信号转化为并行信号输出，并且在程序作用下将二进制码转化为十进制显示。该过程完成后，显示器将信号传回单片机并进入等待状态。

LCD1602 芯片是最常用的字符型液晶显示器之一，具有以下几个优点：

（1）显示质量高。字符型的显示屏本质上是点阵结构，显示器的每一个点在接收到外来信号之后会保持其色彩度和亮度，能够恒定发光。不需要刷新新的亮点是液晶显示器能够稳定输出，避免闪烁和模糊。

（2）数字型接口与单片机保持一致，操作方便，信息传输便捷。

（3）功耗更低。相比于其他类型的显示器，LCD1602 具有更低的能耗，其主要能量消耗在内部的电极以及驱动 IC。

（4）体积小，便于携带和改装，相比于传统的显示器重量大大减轻，结构更加优化。

3.2 土壤湿度检测模块设计

系统默认是低电平，DO 口连接单片机和继电器通信，当湿度小于阈值时，说明缺水，DO 端输出高电平，单片机检测到高电平时，发送指令到继电器，进而开启水泵，进行浇水，设计流程如图4 所示。

图4 土壤湿度检测模块部分流程图

3.3 BH1750FVI 光照传感器模块

系统默认是低电平，DO 口连接单片机和继电器通信，当湿度小于阈值时，说明缺水，DO 端输出高电平，单片机检测到高电平时，发送指令到继电器，进而开启水泵，进行浇水，设计流程如图5 所示。

图5 BH1750FVI 光照传感器模块部分流程图

4 装置运行测试

将装置接通电源，按下开关，系统的开关灯亮起，表示装置可以正常运行，当土壤湿度检测模块检测湿度已经达到或者超过阈值时，水泵不会进行操作，本装置可以自行控制土壤湿度的阈值，如果有些植物需水量比较少，则可以适度进行调节，如果湿度小于我们所设置的阈值，就可以进行自动浇水，自动浇水现象如图6 所示，在浇水过程当中，如果土壤湿度检测模块识别出土壤湿度超过了阈值，就会使水泵迅速停止工作，此过程几乎无延迟，同时也可以根据BH1750FVI 光照传感器模块得到的光照强度，反映到LCD1602 显示模块上，再根据光照阈值来进行步进电机的调控，当识别光照强度足够高时，对于植物的光照在有效光照范围内，可以直接控制电机旋转。多次重复测试过程中，我们会发现水泵控制速度很快，敏感度也很高，几乎没有时延。但光照传感部分会有一定的时间延迟，但是为了控制在光照确实达到阈值时再开始转动，对于花盆来说，这部分的时间延迟在合理的范围内。

图6 实物测试图

5 总结

该计数装置以 STC89C52 单片机为控制中心，将LCD1602 显示模块、土壤湿度检测模块、BH1750FVI 光照传感器模块、Y2SD1R5 步进驱动器以及步进电机等模块精准控制，联合成为相互配合的有机整体，结构和程序较为简单，但创新性强，完成度高。是和日常生活联系紧密的容易操作的装置。但步进电机控制部分有一定的延迟是我们当前需要进行突破的方向。该系统有良好的拓展性，实现了一定程度的智能化，这种通过单片机控制多个模块思想也可以应用在更多的领域当中。在今后的研究中可以增强深度研究，来提升用户体验。