基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)

基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)摘要在當今社會快速發(fā)展和科技發(fā)達的背景下，可用淡水資源的儲備糧日益下降且消耗卻日益增加，如何進行高效的對水資源進行利用是社會關(guān)注的重點問題。傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)對于水資源浪費較大，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)代電子技術(shù)對傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)進行改造達到節(jié)約資源的目的已經(jīng)成為當今大環(huán)境的發(fā)展趨勢?；诖?，本文提出了一種基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)，方案采用STM32單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，系統(tǒng)通過DHT11模塊來實現(xiàn)對溫濕度的檢測，并且可對溫濕度閾值進行設(shè)置，通過OLED模塊來對系統(tǒng)的實時狀態(tài)進行顯示，通過電機來控制吸水和灌溉，當灌溉量到達設(shè)定值時系統(tǒng)自動停止灌溉，在檢測到溫度過低時會進行自動覆蓋用來保暖。通過軟硬件設(shè)計對方案進行實現(xiàn)，然后對設(shè)計出的硬件系統(tǒng)進行功能測試，分別對系統(tǒng)各模塊功能進行測試，從測試結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計的基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)符合設(shè)計要求，在滿足設(shè)計的同時，還具有成本低廉、功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，具有較好的社會實際使用價值。關(guān)鍵詞：灌溉系統(tǒng)；溫濕度；吸水灌溉；閾值報警

ABSTRACTUnderthebackgroundofrapidsocialdevelopmentandadvancedscienceandtechnology,grainreservesofavailablefreshwaterresourcesaredecreasingdaybydayandconsumptionisincreasingdaybyday.Howtousewaterresourcesefficientlyisakeyissueofsocialconcern.Traditionalirrigationsystemwastesalotofwaterresources.Withthedevelopmentofelectronictechnology,ithasbecomethedevelopmenttrendoftoday'senvironmenttoadoptmodernelectronictechnologytotransformtraditionalirrigationsystemtosaveresources.Basedonthis,thispaperputsforwardakindofautomaticirrigationsystembasedonSTM32,USEStheSTM32MCUasthemastercontrolchipsystem,thesystemthroughtheDHT11moduletorealizethedetectionoftemperatureandhumidity,andcanbesetthresholdvalueoftemperatureandhumidity,throughtheOLEDmoduletodisplayonthesystemofreal-timestate,throughthemotortocontrolthewaterandirrigation,Whentheirrigationamountreachesthesetvalue,thesystemwillautomaticallystoptheirrigation,andwhenthetemperatureisdetectedtobetoolow,itwillautomaticallycovertokeepwarm.Byhardwareandsoftwaredesignschemeforimplementation,andthentodesignthehardwaresystemforfunctionaltesting,testingsystemhasthefunctionofeachmodulerespectively,canbeseenfromthetestresults,inthispaper,thedesignofautomaticirrigationsystembasedonSTM32complywiththedesignrequirements,inmeetthedesignatthesametime,alsohasadvantagesoflowcost,completefunction,simplestructure,Ithasgoodsocialpracticalvalue.Keywords:irrigationsystem;Temperatureandhumidity;Waterabsorptionirrigation;Thresholdalarm

目錄1緒論 11.1論文研究的背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1國外智能灌溉系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 11.2.2國內(nèi)智能灌溉系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 21.3本文研究的主要內(nèi)容 21.4論文的結(jié)構(gòu)安排 22方案論證 42.1系統(tǒng)設(shè)計方案 42.2主控模塊選型 42.3顯示模塊選型 52.4舵機模塊的選擇 62.5溫濕度檢測模塊選擇 63硬件電路的設(shè)計 83.1單片機 83.1.1單片機最小系統(tǒng) 83.1.2系統(tǒng)時鐘電路 83.1.3系統(tǒng)復(fù)位電路 93.2顯示模塊電路 103.3舵機模塊電路 113.4溫度檢測模塊電路 124系統(tǒng)軟件設(shè)計 144.1系統(tǒng)設(shè)計軟件 144.2軟件設(shè)計流程圖 144.2.1主函數(shù)流程圖 144.2.2按鍵模塊流程圖 154.4.3顯示模塊流程圖 164.4.5溫度檢測模塊流程圖 164.4.4電機模塊流程圖 174.4.4電機驅(qū)動模塊流程圖 185系統(tǒng)測試 195.1系統(tǒng)實物展示 195.2系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 195.3系統(tǒng)功能測試 206總結(jié) 22參考文獻 23致謝 251緒論1.1論文研究的背景及意義地球有著豐富的自然資源，但由于氣候和地形的問題，資源分布的極不均勻，這就導(dǎo)致各國對于資源的占有量和種類天差地別[1]。淡水作為生物維持生命的一種必要資源，也存在著嚴重的分布不均的情況，在全球范圍內(nèi)就存在數(shù)十個國家存在嚴重確認的情況[2]。根據(jù)目前水資源的儲存量以及世界人口來看，每人每年可支配使用的談水資源在一萬立方米左右，我國雖然擁有28000億立方米的淡水資源，但也存在分布不均的情況，因此才有了“南水北調(diào)”工程[3]。對于淡水的使用，除了日常飲食以外，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也需要淡水資源進行灌溉，據(jù)相關(guān)資料顯示，發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上使用的淡水資源占總使用資源的40%左右，而發(fā)展中國家這個比例要高達60%[4]。目前我國在該方面的占有比例在55%左右，處于發(fā)達和發(fā)展中之間。在當今淡水資源缺乏的時代，盡可能提高淡水資源的利用率是整個社會都在關(guān)心的重點問題[5]。傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)是依靠人來進行判斷是否需要進行澆水以及澆水量，這種情況必然會造成水資源利用率低且造成大量浪費[6]。現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展可以通過相應(yīng)設(shè)備來對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各項參數(shù)進行監(jiān)測，并根據(jù)不同需要啟動不同程序，如：土壤濕度過低進行自動澆水、溫度過低進行棉被覆蓋等操作[7]。這樣在很大程度上節(jié)約了資源的使用也能極大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。因此，本文所設(shè)計的自動灌溉系統(tǒng)對于資源節(jié)約以及農(nóng)作物產(chǎn)量的提高具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外智能灌溉系統(tǒng)研究現(xiàn)狀西方發(fā)達國家由于工業(yè)化起步較早，也是最早一批實現(xiàn)工業(yè)工業(yè)化的國家，因此對于農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)和相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)較早[8]。而世界上最早的灌溉系統(tǒng)是一套采用水渠通過自動水利閘門進行灌溉的系統(tǒng)，在當時算是非常先進的控制系統(tǒng)。而針對于灌溉系統(tǒng)的研發(fā)其主力更是一些缺水的國家[9]。如以色列由于全國范圍的極度缺水，因此在智能灌溉系統(tǒng)上進行了大力研發(fā)，并且研究出了一套適合本國國情的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定直接將水送入農(nóng)作物根部，最大程度的降低了水資源的消耗提高水資源利用率[10]。荷蘭雖然國土面積較小，但也進行了相關(guān)設(shè)備的研究，設(shè)備使用前后使灌溉用水量僅為原先的10%，節(jié)約了大量的淡水資源[11]。作為科技大國美國，其代表作為Cropx公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)作物所處地形、土壤情況、農(nóng)作物生長情況進行監(jiān)測[12]。1.2.2國內(nèi)智能灌溉系統(tǒng)研究現(xiàn)狀我國作為農(nóng)業(yè)大國，在相關(guān)設(shè)備研發(fā)上也是不留余力，針對灌溉技術(shù)更是提出了多種方案，尤其是在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的號召下，更多科技公司和研究學(xué)者將研究中心向智能灌溉系統(tǒng)上靠攏，因此也形成了較多的技術(shù)積累[13]。王建華研究員通過遠端服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了一套智能灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)可遠程對灌溉系統(tǒng)進行操控[14]。王麗研究員以STM32為主控搭配ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立了一套監(jiān)控系統(tǒng)，可以對大棚內(nèi)各項指標實時進行監(jiān)控。王燦等人采用LoRa對大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等參數(shù)進行采集并設(shè)置了相應(yīng)的解決方案[15]。李真真采用專家系統(tǒng)來評判是否需要對大棚內(nèi)進行灌溉等操作，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，降低了資源利用率[16]。1.3本文研究的主要內(nèi)容本文所設(shè)計的智能垃圾桶其研究核心為單片機控制系統(tǒng)，作為自動灌溉系統(tǒng)與傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)主要區(qū)別如下：（1）系統(tǒng)能夠自動進行溫濕度的檢測，在溫度過低時會自動覆蓋保暖，溫度過高時會報警提示；（2）能夠自動進行抽水灌溉，并且灌溉的水量達到設(shè)定要求時自動停止灌溉；（3）系統(tǒng)可以分為手動和自動兩種模式，在自動模式下通過按鍵可進行各項功能的操作。上述三點區(qū)別也正是本文所要實現(xiàn)的功能，也是本設(shè)計所需要研究的重點內(nèi)容。為了完成本文所描述的系統(tǒng)，可以將本文系統(tǒng)分為三個部分，首先，系統(tǒng)的硬件選型，這也是設(shè)計的重點和主題，其次，系統(tǒng)的軟件設(shè)計，這是系統(tǒng)能夠正常運行的必要前提，最后，如何正確的進行系統(tǒng)硬件電路的連線，這是本文設(shè)計的核心之一也是軟件設(shè)計各模塊進行通信的前提條件。1.4論文的結(jié)構(gòu)安排本文是基于單片機的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，為了描述本文系統(tǒng)的設(shè)計過程將本文共分為六個章節(jié)進行描述。第一章作為本文的緒論，其主要的功能是描述所設(shè)計的自動灌溉系統(tǒng)的背景及意義，除此之外，對當前的研究現(xiàn)狀和主要研究內(nèi)容進行描述。第二章對本文系統(tǒng)的選型方案進行闡述，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的選型尤為重要，并且在選型時的對比主要用于確保在系統(tǒng)穩(wěn)定的同時盡可能的節(jié)約成本。第三章為本文系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計，硬件電路設(shè)計是信號進行傳輸?shù)那疤釛l件，電信號想要在系統(tǒng)內(nèi)進行傳輸，各模塊之間的數(shù)據(jù)連線是必不可少的。第四章主要對本文系統(tǒng)所涉及到的軟件設(shè)計部分采用流程圖的方式進行描述，一方面描述了系統(tǒng)整體的運行情況，另一方面還對系統(tǒng)各個模塊的運行情況進行描述。第五章對所設(shè)計出的硬件實物進行展示和功能演示，用來判斷本文所設(shè)計的系統(tǒng)是否能夠滿足設(shè)計要求；第六章對本系統(tǒng)從設(shè)計初期到硬件成型的一個總結(jié)。

2方案論證2.1系統(tǒng)設(shè)計方案本課題是基于單片機的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖2.1所示，從圖中可以看出，本文所設(shè)計的系統(tǒng)包含主控模塊用來對整個系統(tǒng)的運行進行控制，舵機模塊用來實現(xiàn)溫度過低時進行棉被覆蓋給作物進行保溫，水泵模塊用來實現(xiàn)抽水和灌溉功能，按鍵模塊是用來進行手自動切換和各項閾值的設(shè)定，顯示模塊用來實時顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)，報警模塊在檢測到溫度過高時會進行報警提示。圖2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖2.2主控模塊選型主控模塊作為電子類設(shè)計的核心，主控的選擇不僅關(guān)乎著系統(tǒng)的穩(wěn)定和運行速度，更關(guān)乎著系統(tǒng)的二次開發(fā)和可擴展性。主控作為整個系統(tǒng)的大腦，其作用用于接收各類傳感器傳輸過來的數(shù)字信號，并對數(shù)字信號進行處理，然后通過分析信號控制外部設(shè)備執(zhí)行各類操作。在進行主控模塊選型時，既要考慮到資源問題又要考慮合理性問題，即在資源夠用的前提下盡可能的節(jié)約成本。因此主控模塊在本設(shè)計中存在以下方案用來選擇。方案一：51單片機是理工科類接觸的第一類單片機，這并非指代哪一種單片機而是一類單片機的泛稱。目前，廣泛使用的有Intel公司的80C系列，Atmel公司的89C系列以及國產(chǎn)的STC系列。即使當今芯片水平已經(jīng)發(fā)展到較高的水平，但51單片機仍有較大的市場份額。STC89C51單片機是一款采用8051作為核心的系統(tǒng)可編程芯片，用來做系統(tǒng)設(shè)計時，其系統(tǒng)時鐘頻率最高可為80MHz，片內(nèi)的具有4K的可重復(fù)擦寫上千次的程序存儲器。在設(shè)計角度上，由于接觸較多，所以設(shè)計起來相對較為容易[17]。方案二：STM32是一類在保持性能較高的前提下依然具備低功耗且低成本的單片機。該類單片機常被應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，主流的產(chǎn)品有STM32F0/F1/F3系列。目前我們常用的產(chǎn)品為STM32F103C8T6和STM32F103RCT6兩款。其中STM32F103C8T6是一款32為的處理器，其最大處理速率可達72Mhz，該芯片引腳多達48個，在存儲方面存在64~128kB閃存和20kB的SRAM，除此之外，該芯片還具有2個12位的ADC通道用來確保A/D轉(zhuǎn)換精度，芯片支持多種通信協(xié)議，工作溫度范圍為-40℃~85℃。通過對上述兩種芯片在性能和設(shè)計難度上進行分析，結(jié)合本文所需要進行的設(shè)計需要的資源，決定采用STM32C8T6芯片作為本文的主控芯片，由于涉及到的傳感器較多，使用該芯片使得該系統(tǒng)二次開發(fā)成為可能。2.3顯示模塊選型作為現(xiàn)代電子設(shè)計，直觀的顯示方式必不可少，因此，本文在設(shè)計時也需要考慮到系統(tǒng)實時信息的顯示，目前，在電子設(shè)計中，普遍存在的幾種顯示方案如下：方案一：LCD1602顯示屏，該顯示屏是目前設(shè)計中使用較為廣泛的一種字符型顯示屏，該屏幕需要通過背光的方式來讓顯示的內(nèi)容得以顯示，在設(shè)計時通過像素點的方式讓所顯示的內(nèi)容呈現(xiàn)出來，該顯示屏最大顯示字符為32個，即可顯示兩行，每行顯示16個字符，在軟件設(shè)計時，通過軟件的方式控制不同的引腳來實現(xiàn)對顯示器的控制[19]。方案二：OLED液晶顯示屏，該顯示屏是一種利用自發(fā)光的有機電二極管設(shè)計而成的。目前針對該顯示屏的生產(chǎn)廠家主要以三星、索尼、pmoled和三菱電機為龍頭，國內(nèi)最為成熟的企業(yè)以Visionox為代表。由于其采用自發(fā)光的設(shè)計原理，所以無需進行背光源的設(shè)計，在進行實時顯示時具有對比度高、產(chǎn)品厚度薄、視角廣和反映速度快等特點，除此之外，該顯示屏在使用時對外部溫度要求較低，構(gòu)造和制作過程較為簡單等優(yōu)點。通過對上述三種顯示方案進行分析，結(jié)合本文設(shè)計的實際需要顯示的情況，雖然LCD1602顯示模塊在當前的電子設(shè)計中常被使用，雖然穩(wěn)定性和抗干擾能力較強但在美觀上和顯示內(nèi)容上存在欠缺，所以本文選擇了OLED顯示屏來進行顯示，并且顯示效果更好。2.4舵機模塊的選擇作為自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，在卷簾門控制和抽水電機上，均需要相應(yīng)的器件進行操作。方案一：舵機模塊在本設(shè)計中的作用是用來控制卷簾門操作，因此本文選擇SG90舵機模塊，該模塊通過單片機發(fā)送PWM波來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和速度的控制。該模塊的工作電壓為4.2~6V，工作溫度為0℃~55℃，最大旋轉(zhuǎn)速度約為0.3s/60°。扭矩為1.5kg/cm，在保障功能強力的同時重量僅為9g。方案二：直流電機是一種給與直流電即可進行旋轉(zhuǎn)的馬達，根據(jù)不同的接法實現(xiàn)順時針和逆時針的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)不同的型號也可以實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，目前市場上3V供電的直流電機轉(zhuǎn)速大概是15000r/min，直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單且設(shè)計簡單的特點。通過對兩種電機模塊的分析和比較，最終決定采用SG90舵機模塊來實現(xiàn)對卷簾門的驅(qū)動，由于該模塊的驅(qū)動能力更強，且壽命和使用安全性更高。2.5溫濕度檢測模塊選擇方案一：DS18B20是一款數(shù)字式溫度傳感器，該傳感器模塊無需經(jīng)過A/D芯片即輸出的就是數(shù)字信號，而且該模塊具有體積小抗干擾能力強精度高等優(yōu)點。經(jīng)過封裝后該傳感器可適用于多種場合，并且該傳感器可根據(jù)實際使用場所進行外觀的改變。該傳感器的工作電壓支持3.3V-5V，所能夠準確測量的溫度范圍為在-55℃~+125℃時溫差范圍在±2℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi)誤差僅為±0.5℃。該傳感器的控制則是通過6條控制命令實現(xiàn)。還傳感器常用于電纜溝測溫、鍋爐測溫、農(nóng)業(yè)大棚測溫等應(yīng)用場所。方案二：DHT11是廣州奧松有限公司生產(chǎn)的一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。結(jié)合本文使用溫濕度傳感器需要對溫室內(nèi)部的溫濕度進行檢測，而DS18B20傳感器僅能對溫度進行監(jiān)測，所以本文僅能使用DHT11傳感器來對溫濕度數(shù)據(jù)進行同時監(jiān)測。

3硬件電路的設(shè)計上個章節(jié)主要對系統(tǒng)的整體設(shè)計方案進行了詳細介紹，并針對本設(shè)計中所用到的器件進行了選型和整體設(shè)計的硬件方案，在本章節(jié)將對系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分進行詳細介紹，包含單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計以及和各個外設(shè)模塊的連接電路形式等。3.1單片機3.1.1單片機最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)是指單片機能夠正常運行所搭配的最少元件的最小單位系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)具有系統(tǒng)資源完全開放，用戶可直接利用最小系統(tǒng)搭配其他模塊實現(xiàn)所需要實現(xiàn)的任意功能[20]，一般來說，最小系統(tǒng)至少應(yīng)該包含單片機、系統(tǒng)時鐘電路、系統(tǒng)復(fù)位電路，本文最小系統(tǒng)電路圖如圖3.1所示。圖3.1單片機模塊3.1.2系統(tǒng)時鐘電路系統(tǒng)時鐘電路是單片機系統(tǒng)運行的必要條件，時鐘電路為系統(tǒng)的運行提供了時鐘的參考，也稱為系統(tǒng)的基礎(chǔ)時鐘或主控時鐘。一般情況，一個系統(tǒng)通常會包含多種時鐘頻率的器件，因此，在使用不同時鐘器件時均通過基礎(chǔ)時鐘進行分頻或倍頻使用。在單片機系統(tǒng)中，單片機的取指令、發(fā)指令等操作都遵循時鐘節(jié)奏，除此之外，時鐘還決定著不同模塊的運行順序，本文設(shè)計的系統(tǒng)時鐘電路如圖3.2所示。圖3.2系統(tǒng)時鐘電路STM32單片機的OSC_IN和OSC_OUT引腳的作用就是用來外接晶振，由圖3.2可以看出，本文設(shè)計的電路圖外接8Mhz的晶振，同時串聯(lián)兩個22pF的電容，表示本文的系統(tǒng)時鐘為8Mhz。一般來講，無論是直接焊接還是PCB的設(shè)計，晶振應(yīng)當盡量靠近芯片的時鐘引腳，以避免對晶振造成影響從而影響系統(tǒng)時鐘。3.1.3系統(tǒng)復(fù)位電路單片機系統(tǒng)的設(shè)計，尤其是復(fù)雜單片機系統(tǒng)的設(shè)計，通常由多個模塊組成，在進行系統(tǒng)硬件調(diào)試時，各種情況均可能發(fā)生，為了避免頻繁對單片機系統(tǒng)進行上電來實現(xiàn)初始化的目的，復(fù)位電路應(yīng)運而生。在調(diào)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯誤時或系統(tǒng)存在其他各類需要進行初始化操作時，通過復(fù)位電路無需進行斷電操作即可實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，本設(shè)計的系統(tǒng)復(fù)位電路如圖3.3所示。圖3.3系統(tǒng)復(fù)位電路STM32單片機的RST引腳用于設(shè)計復(fù)位電路，由圖3.3可以看出，本文的復(fù)位電路通過按鍵來實現(xiàn)復(fù)位，按鍵與電容并聯(lián)接通電源，與10K的電阻串聯(lián)與地相連，通過簡單的電路設(shè)計就可以讓系統(tǒng)以最簡單的方式實現(xiàn)系統(tǒng)初始化。其功能實現(xiàn)的原理為，當按鍵非按下狀態(tài)時復(fù)位引腳時鐘保持低電平，當按鍵按下后，此時引腳變?yōu)楦唠娖?，由此也可以看出，本文系統(tǒng)為高電平復(fù)位。3.2顯示模塊電路本文顯示模塊采用OLED模塊，該模塊是通過IIC協(xié)議來實現(xiàn)控制的，IIC協(xié)議是通過兩條數(shù)據(jù)線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，分別為數(shù)據(jù)線和時鐘線。本文選用的OLED模塊的引腳如表3.1所示。表3.1OLED引腳說明表引腳名稱功能1GND邏輯接地2VDD邏輯電源3SCL串口時鐘輸入4SDA串口數(shù)據(jù)5RES復(fù)位6DC直流供電由引腳表可以看出，本文進行該模塊設(shè)計時需要與單片機的IIC接口進行相連，因此本設(shè)計的顯示模塊電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4顯示模塊電路原理圖由圖3.4可以看出，本文顯示模塊與表3.1所描述一致，在連接時，顯示模塊的引腳3和引腳4分別與單片機的3和4引腳相連。單片機通過IIC協(xié)議來實現(xiàn)對OLED模塊數(shù)據(jù)的傳輸。3.3舵機模塊電路本設(shè)計中，舵機的作用是用來控制對農(nóng)作物進行鋪蓋保暖工作的，本設(shè)計選擇的舵機型號為SG90，該模塊的引腳說明如表3.2所示。表3.2SG90舵機引腳表引腳名稱功能1OUT輸出2GND邏輯地3VDD邏輯高電平本文中共用到了一個舵機，本文的舵機模塊電路圖如圖3.5所示。圖3.5舵機模塊電路圖由圖中可以看出，在舵機模塊上，引腳2與引腳3和表3.2中描述一致，舵機的引腳1為輸出引腳，單片機控制舵機就是通過該引腳來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動角度，而模塊的該引腳與單片機的PA1引腳相連。。3.4溫度檢測模塊電路本設(shè)計中，對于農(nóng)作物生長環(huán)境的溫濕度的檢測是一個非常重要的指標，本文所采用的傳感器模塊前文已經(jīng)進行了介紹，采用模塊為DHT11，引腳說明如表3.3所示。表3.3溫度檢測模塊引腳說明表引腳名稱功能1VCC接通電源3.3V供電2NC空腳3DATA數(shù)據(jù)輸出端口4GND接地本設(shè)計溫度檢測模塊的硬件電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6溫度檢測模塊電路圖由圖3.6可以看出，電路設(shè)計時引腳與表中描述一致，由于STM32內(nèi)部存在A/D轉(zhuǎn)換，所以直接將傳感器的引腳與單片機的PA0引腳相連，這樣溫度傳感器檢測到的信號可以直接供單片機使用。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)設(shè)計軟件Keil分為KeilC51和KeilARM兩種，分別用來兼容51單片機和STM32單片機。這也使得開發(fā)者在使用該軟件進行設(shè)計時增加復(fù)雜度。而隨著版本的更新，目前，單一的Keil版本即可同時支持這兩種單片機的代碼編寫，很大程度降低了由于更換芯片而頻繁更換軟件。該軟件由美國Keil公司于1988年研發(fā)并維護，Keil軟件的發(fā)布使得使用C語言進行單片機的開發(fā)更加便捷。目前常用的的版本為Keil5版本，也是目前的最新版本。通過該軟件對編寫好的驅(qū)動程序進行綜合和編譯即可生成單片機可識別的.hex文件。在生成輸出文件時需要注意進行時鐘頻率的設(shè)置，時鐘頻率根據(jù)不同系統(tǒng)存在不同。4.2軟件設(shè)計流程圖4.2.1主函數(shù)流程圖本文是基于單片機的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，將系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)首先會進入初始化狀態(tài)，初始化完成后，系統(tǒng)的顯示模塊會顯示當前系統(tǒng)的實時狀態(tài)，然后系統(tǒng)開始對溫濕度數(shù)據(jù)進行獲取，在系統(tǒng)處于自動模式下，如果系統(tǒng)檢測到溫度過低則打開卷簾電機進行保溫，如果檢測到缺水則自動進行灌溉。在手動模式下，通過按下不同的按鍵執(zhí)行不同的操作。本文設(shè)計的主函數(shù)流程圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)主函數(shù)流程圖4.2.2按鍵模塊流程圖在電子設(shè)計中，多數(shù)情況下采用的均為機械式彈性開關(guān)。機械師彈性開關(guān)內(nèi)部具有彈簧部分，而這種彈簧金屬片在按下后會極易產(chǎn)生震動，這就使得按鍵可能會存在按一次而被觸發(fā)多次的情況。因此在面對機械開關(guān)時，常采用的有硬件和軟件兩種方式，在硬件設(shè)計上通常采用RC積分電路，而軟件處理的方式則是通過計時20ms時間判斷20ms后的狀態(tài)是否為剛檢測到變化時狀態(tài)一致，即可判斷是否是抖動。機械式按鍵設(shè)計流程圖如圖4.2所示。圖4.2機械式按鍵模塊工作流程圖4.4.3顯示模塊流程圖本項目中的顯示模塊采用6線OLED顯示屏，該顯示屏通過IIC協(xié)議進行數(shù)據(jù)的讀寫，而顯示的內(nèi)容為身體指標的狀態(tài)，關(guān)于顯示屏的相關(guān)描述在前文已經(jīng)進行了詳細的描述，再次就不進行過多內(nèi)容的描述，OLED顯示屏設(shè)計流程圖如圖4.3所示。圖4.3OLED顯示屏設(shè)計流程圖4.4.5溫度檢測模塊流程圖溫濕度檢測傳感器在本設(shè)計中的主要作用是用來對作物生長環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)進行檢測，本設(shè)計中采用的為DHT11溫濕度傳感器，該傳感器使用時非常簡單，且精準度高，本文關(guān)于該傳感器的軟件設(shè)計流程圖如圖4.4所示。圖4.4溫度檢測模塊流程圖4.4.4電機模塊流程圖本文需要實用舵機來進行卷簾的控制，所以需要編寫驅(qū)動模塊來進行舵機模塊的控制，相關(guān)的設(shè)計流程圖如圖4.5所示。圖4.5電機驅(qū)動模塊流程圖4.4.4電機驅(qū)動模塊流程圖本文需要使用電機和電機驅(qū)動模塊來實現(xiàn)灌溉功能的行進，本文采用L298N驅(qū)動芯片，電機則采用最基本的直流電機，在系統(tǒng)運行開始后，開始進行檢測是否需要進行動作，如前進后退等，這些均需要電機進行實現(xiàn)，而接收到的控制信號需要傳輸?shù)絃298N驅(qū)動芯片中去，驅(qū)動芯片輸出相應(yīng)的電平來控制電機的啟動，其設(shè)計流程圖如圖4.6所示。圖4.6電機驅(qū)動模塊流程圖

5系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物展示本文是基于單片機的自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過前面對硬件和軟件的分析描述可以知道本文所具備的各個模塊和所要實現(xiàn)的功能，本文經(jīng)過設(shè)計后所得到的實物圖如圖5.1所示，圖中也采用文字的形式對模塊進行了描述。圖5.1硬件實物圖從圖中可以看出，本文采用5V電源進行供電，為了硬件設(shè)計方便，直接采用了進行了外部I/O接口的設(shè)計，這樣只需要進行外部設(shè)備的連線即可，有效提高了系統(tǒng)的設(shè)計效率。同時系統(tǒng)在后期擴展時也非常方便。5.2系統(tǒng)軟件實現(xiàn)本文系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)部分可以為單片機系統(tǒng)的代碼編寫，由于采用STM32單片機來進行設(shè)計，所以設(shè)計軟件為Keil，使用C語言進行開發(fā)，在Keil軟件中可以實現(xiàn)C語言代碼的編寫、綜合和編譯，最終生成單片機可以識別的Hex文件，只需要通過專用的下載工具即可將程序燒錄進單片機中。開發(fā)界面如圖5.2所示。圖5.2系統(tǒng)軟件設(shè)計界面5.3系統(tǒng)功能測試在對設(shè)計出的硬件系統(tǒng)進行功能測試時，首先給系統(tǒng)進行通電，通電完成后系統(tǒng)會自動完成初始化過程，首先最直觀的的判斷就是通過OLED顯示模塊來進行系統(tǒng)功能的判斷，通電后硬件系統(tǒng)的界面如圖5.3所示。圖5.3系統(tǒng)硬件功能測試由圖5.3可以看出，通電后系統(tǒng)顯示界面實時顯示當前實際測量到的溫度濕度等數(shù)據(jù)，下面開始對系統(tǒng)按鍵功能進行測試，首先按下系統(tǒng)的手動和自動切換按鍵對手動和自動模式進行功能測試，在手動模式下，按下灌溉按鈕此時灌溉電機啟動進行灌溉，在自動模式下，當系統(tǒng)檢測到需要灌溉時進行灌溉，灌溉用水量達到設(shè)定值時停止灌溉，測試效果圖如圖5.4所示。圖5.4灌溉功能測試由圖5.4可以看出，當處于灌溉模式下時，此時系統(tǒng)從一個水杯中進行吸水，并將吸入的水灌到另一個杯子中模擬灌溉的過程，接下來系統(tǒng)還對溫度過低時自動卷簾的功能進行測試，由于轉(zhuǎn)動無法通過圖片進行演示所以該功能可在答辯時進行現(xiàn)場演示，在溫度過高時系統(tǒng)報警同樣無法通過圖片進行展示。綜上所述，本文所設(shè)計的基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。

6總結(jié)本文是基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，因此，本文從自動灌溉系統(tǒng)的背景意義出發(fā)，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了深入研究，主要目的用于分析目前該項技術(shù)或領(lǐng)域的發(fā)展情況以及目前所存在的多種設(shè)計方案及各自的優(yōu)缺點。通過一系列方案分析、器件選型、文獻查閱以及結(jié)合設(shè)計所要實際使用的場所，提出了基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計。為了完成本文所提出的系統(tǒng)，主要完成了以下幾點內(nèi)容。1、本文所設(shè)計的基于STM32的自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計可以劃分為硬件電路原理圖的設(shè)計和系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在硬件電路原理圖設(shè)計部分，主要為硬件電路的設(shè)計，包含了引腳的設(shè)計和分布等。在系統(tǒng)軟件設(shè)計部分，主要為對各部分驅(qū)動程序的設(shè)計，通過驅(qū)動程序來控制各個模塊的功能實現(xiàn)。2、在系統(tǒng)硬件電路原理圖設(shè)計方面，主要包含了硬件器件的選型方案和相關(guān)的連線，由于采用STM32最小系統(tǒng)進行系統(tǒng)設(shè)計，在硬件電路圖設(shè)計方面主要考慮各傳感器與最小系統(tǒng)的連線即可。3、在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，包含了OLED顯示模塊的編寫、舵機驅(qū)動模塊的編寫、電機控制模塊編寫和溫濕度監(jiān)測模塊的編寫等。綜上所述，本文所設(shè)計的自動灌溉系統(tǒng)方案，在經(jīng)過了硬件選型、硬件電路圖繪制和軟件代碼編寫后，對設(shè)計出的實物系統(tǒng)進行功能測試，驗證了提出方案的可行性，但由于時間和精力有限，僅進行了功能的設(shè)計和驗證，在實用性和外觀設(shè)計上仍存在較大缺陷。但該設(shè)計仍為自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計提供了一種設(shè)計方案，具有一定的參考價值。

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