電子信息工程自動(dòng)化 基于單片機(jī)的多功能盆栽養(yǎng)殖裝置設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的多功能盆栽養(yǎng)殖裝置設(shè)計(jì)1.總體方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)需求分析社會(huì)在不斷進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展，智能化更接近普通居民的生活，生活水平提高后，物質(zhì)需求市場(chǎng)趨于飽和，對(duì)精神需求市場(chǎng)的需求量逐步增大，在高樓林立的大城市里，綠色的覆蓋度并不能讓人們滿足精神需求，并且長時(shí)間面對(duì)灰色的混凝土建筑，使人焦躁，壓力增大，在家中陽臺(tái)等地種植觀賞性植物可以滿足人們一定的精神需求，家中有一抹綠色也使居家時(shí)更加舒適。本次設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)的家居型智能盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要針對(duì)人群為盆栽種植愛好者。本系統(tǒng)可以做到對(duì)盆栽溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，并且在濕度低于設(shè)定的閾值下限的時(shí)候，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警，GSM通信模塊給用戶手機(jī)發(fā)出短信報(bào)警，同時(shí)水泵展開澆水作業(yè)，當(dāng)濕度值高于閾值設(shè)定上限時(shí)，達(dá)到盆栽的需澆水量后，水泵關(guān)閉，蜂鳴器停止報(bào)警?？梢杂行У慕鉀Q當(dāng)用戶因?yàn)樘厥馇闆r，導(dǎo)致無法給盆栽澆水的問題。并且該系統(tǒng)所選用的器件都具備小型化、便捷化、廉價(jià)等特點(diǎn)，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)方面采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以針對(duì)不同的客戶需求，針對(duì)客戶的預(yù)算情況，有選擇性的給系統(tǒng)增加或減少功能模塊，從而滿足顧客對(duì)系統(tǒng)功能的要求或是解決客戶預(yù)算不足的問題。1.2方案設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)的是一個(gè)基于單片機(jī)的家居型智能盆栽系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備測(cè)量精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低、性能高等特性。想要達(dá)到這些要求，就必須在每個(gè)步驟都盡量做到比較好的水準(zhǔn)，遵循做設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，將可靠性作為第一要求，想要提升可靠性，可以從以下幾點(diǎn)入手，例如：提高硬件水準(zhǔn)；設(shè)計(jì)電路合理；采用抗干擾電源等抗干擾設(shè)備；進(jìn)行軟硬件的濾波；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自診斷功能等。在設(shè)計(jì)這些硬件喝軟件的同時(shí)，還需要考慮操作是否方便，維修是否容易，盡可能地減少不必要的接口，多采用簡(jiǎn)潔的方法。選用單片機(jī)，不僅是因?yàn)閱纹瑱C(jī)體積小，還因?yàn)槭褂脝纹瑱C(jī)成本比較低，性能還很不錯(cuò)。作為一個(gè)基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，如果想要擁有市場(chǎng)，就必須價(jià)格低廉，并且性能優(yōu)異。因此，在設(shè)計(jì)該澆花系統(tǒng)時(shí)，在保持性能的同時(shí)，要盡可能降低成本開銷，盡量簡(jiǎn)化外圍的電路，因?yàn)橛布_銷比軟件要大，所以在能用軟件功能解決的問題上，盡量不要使用硬件功能去解決。在對(duì)使用51系列單片機(jī)構(gòu)建的澆花系統(tǒng)進(jìn)行了解后，選用了STM32系列的單片機(jī)作為主控芯片，STM32系列的單片機(jī)與51系列的單片機(jī)作對(duì)比，它比51系列的功能更多，并且具有更高的運(yùn)行速度，與此同時(shí)，它自身還帶有兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換，可以在設(shè)計(jì)電路時(shí)減少2次轉(zhuǎn)換電路，讓電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。并且，51系列的單片機(jī)在通信方面、控制功能上，與STM32有著巨大的差距。使用STM32單片機(jī)，它擁有5個(gè)串口可進(jìn)行通信，比51系列的單片機(jī)多了4個(gè)串口，5個(gè)串口比1串口使用更方便，在存在多個(gè)需要與單片機(jī)用串口進(jìn)行通信的模塊時(shí)，1串口的51系列的單片機(jī)還需要使用雙串口模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，而STM32就可以用多串口的優(yōu)勢(shì)，無需使用雙串口模塊。在STM32系列中，主控芯片最終采用了STM32F103C8T6單片機(jī)，并用外部電路達(dá)成各部分的功能。其中，主要包括時(shí)鐘晶振電路、濕度測(cè)量電路、溫度采集、光照采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、按鍵模塊、水泵灌溉。用這個(gè)方法得出的智能盆栽系統(tǒng)，單片機(jī)體積小，功耗低，成本低的同時(shí)，還能有較高的性能。本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1家居型智能盆栽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3花架設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的是一個(gè)家居型智能盆栽系統(tǒng)，花架作為擺放花盆的空間，對(duì)其的設(shè)計(jì)也需要考慮。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的花架。該花架結(jié)構(gòu)分為三部分，分別為：上層，套管，底部。在整體上，花架是一個(gè)高50cm，長寬各30cm的長方體。按設(shè)計(jì)分為兩層結(jié)構(gòu)，第一層距離地面10cm，第二層底部距離第一層30cm，每層的正方形平面一邊上，有兩根長方體空心鋁管與對(duì)邊相連接，將該正方形分為三等分的矩形，以達(dá)到放置花盆的目的。上層與底部的構(gòu)筑方式相同，在正方形的平面上向外延申出長方體一段為外部的腳，向內(nèi)則位內(nèi)切套管內(nèi)部的圓柱形空心鋁管。中間部分的套管是空心長方體，兩頭貫通，與套管相連后，將上層與底部連接位一個(gè)整體，從而構(gòu)筑出這個(gè)簡(jiǎn)易花架?；芙Y(jié)構(gòu)圖如圖1.3所示。圖1.2花架結(jié)構(gòu)圖2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)易系統(tǒng)來完成家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在考慮所使用的元器件時(shí)，優(yōu)先對(duì)價(jià)性能、體積、價(jià)格、適用性、與其它元器件是否契合等方面進(jìn)行考慮，所使用的元器件都可用5V電壓電源進(jìn)行供電，供電電流為2A，避免因元器件需求供電電壓不同需要加設(shè)轉(zhuǎn)換電路。在該單片機(jī)澆花系統(tǒng)中，由土壤濕度傳感器YL-69先采集濕度信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)換成為高低數(shù)字電平信號(hào)，輸送至單片機(jī)，然后單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，用LCD1602顯示實(shí)時(shí)的溫濕度值。2.1STM32單片機(jī)選型在本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用的單片機(jī)是STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32F103C8T6作為一款32位的微控制器，它具有功耗低，性能高的優(yōu)秀特性，并且作為STM系列的單片機(jī)之一，它同時(shí)有著十分強(qiáng)大的遠(yuǎn)程通信功能和控制功能。將它用在本次的智能盆栽系統(tǒng)中，可以提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并且，它還擁有自身帶有兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)相關(guān)電路的時(shí)候，可以用這兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換少設(shè)計(jì)兩次轉(zhuǎn)換電路，讓整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)易化，且STM32F103C8T6擁有5個(gè)串口可進(jìn)行通信，當(dāng)處于存在多個(gè)需要與單片機(jī)用串口進(jìn)行通信的模塊時(shí)，擁有5個(gè)串口的優(yōu)勢(shì)的STM32F103C8T6在串口全被使用前，無需設(shè)計(jì)雙串口模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在STM32系列中，STM32F103C8T6它在價(jià)格上是比較便宜的，且具備完成本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所需要的功能，所以本次設(shè)計(jì)單片機(jī)的選型選中了它。STM32特點(diǎn)：（1）STM32C8T6系列的起振晶部分采用了RTC，低負(fù)載的方式，而沒有像傳統(tǒng)的比較廉價(jià)的圓柱晶振；（2）引腳個(gè)數(shù)為48個(gè)；（3）工作頻率為72MHZ；（4）具有3個(gè)普通定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)定時(shí)器；（5）具有2個(gè)2位/16通道的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換；（6）使用了3.3V穩(wěn)壓芯片，可以保證最大輸出300MA電流；（7）支持ST-LINK和JTAG調(diào)試下載；存儲(chǔ)資源為64kbbyteFLASH和20byteSram。STM32F103C8T6單片機(jī)實(shí)物圖如圖2.1所示：圖2.1STM32F103C8T6實(shí)物圖2.2GSM通信模塊選型本次家居型智能盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的通信模塊為SIM800A，此模塊具有體積小，價(jià)格低廉，發(fā)送短信時(shí)間快等特點(diǎn)，被廣泛的運(yùn)用在通信設(shè)置中。當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度值超過設(shè)定值時(shí)，STM32單片機(jī)就會(huì)通過SIM800短信模塊發(fā)送到設(shè)定的手機(jī)號(hào)上，但在發(fā)送短信后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的反向電流，可能會(huì)對(duì)芯片造成損壞，故，于電路中接了一個(gè)二極管防止發(fā)生這種情況。電解電容為850UF，為發(fā)送短信提供了足夠的條件，通信方式采用的是串口通信。GSM通信模塊電路原理圖如圖2.2所示。圖2.2GSM通信模塊電路原理圖2.3土壤濕度傳感器選型土壤濕度傳感器，即測(cè)定土壤的濕度后，能將它按轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)的器件。本次家居型智能盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的濕度傳感器是土壤濕度傳感器YL-69，它適用于檢測(cè)土壤濕度，能與單片機(jī)直連，由單片機(jī)檢測(cè)高低電平測(cè)量土壤濕度。土壤濕度傳感器YL-69的特性：（1）表面鍍鎳，感應(yīng)面積加寬，導(dǎo)電性能高，不易生銹，壽命長；（2）可以寬范圍控制土壤的濕度，通過AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；（2）接線簡(jiǎn)單；（4）設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝。土壤濕度傳感器電路原理圖如圖2.3所示。圖2.3土壤濕度傳感器電路原理圖2.4溫度傳感器選型本次家居型智能盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器為溫度傳感器DS18B20，它作為一款由美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字溫度傳感器，它采用了單總線技術(shù)。它的主要技術(shù)特性如下：（1）具有獨(dú)特的單線接口方式，即微處理器與其接口時(shí)僅需占用1位I/O端口；（2）支持多節(jié)點(diǎn)，使分布式多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡(jiǎn)化；（3）測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件；（4）除了外部供電方式外，還可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式；（5）測(cè)溫范圍為-55~+125℃，測(cè)溫精度為±0.5℃；（6）溫度轉(zhuǎn)換精度9-12位可編程，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出。12位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為750ms。DS18B20溫度傳感器的輸出方式為數(shù)字輸出，并且它有占用I/O端口少的特性，使用DS18B20溫度傳感器可以有效地縮減系統(tǒng)占用空間，也使可靠性得到了一定程度的提高。DS18B20的電路原理如圖2.4所示。圖2.4DS18B20的電路原理DS18B20溫度傳感器它的結(jié)構(gòu)分成四個(gè)部分：64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；溫度傳感器；非易失性電可擦寫溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL；非易失性電可擦寫設(shè)置寄存器。DS18B20溫度傳感器采用了單總線技術(shù)，對(duì)外只有一根可作為I/O總線的DQ線，所以它加上VDD和GND兩個(gè)電源引腳，總共只有3個(gè)電源引腳。在DS18B20溫度傳感器中，含有兩個(gè)溫度系數(shù)不相同的振蕩器，分別為低溫系數(shù)振蕩器和高溫系數(shù)振蕩器。溫度的高低會(huì)影響DS18B20溫度傳感器里的振蕩器的頻率，反之，通過振蕩器的頻率，DS18B20溫度傳感器就可以得出此時(shí)的溫度。2.5光照強(qiáng)度傳感器選型本次家居型智能盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的光照傳感器是BH1750FVI，它其中含有的光敏元件是光敏二極管PD，光敏二極管PD在不同的光照強(qiáng)度下，會(huì)產(chǎn)生出不同大小的電流，對(duì)這個(gè)電流大小的變化，使用運(yùn)算放大器AMP，可以將電流大小的變化轉(zhuǎn)化成為電壓波動(dòng)的變化，從而更容易對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。BH1750FVI中有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再通過總線傳輸給單片機(jī)處理?？偩€由PHILIPS公司設(shè)計(jì)，多用于主控制器和從器件間的主從通信，適合在小數(shù)據(jù)量場(chǎng)合使用，傳輸距離比較短，并且在任意時(shí)刻可以有多個(gè)從機(jī)，卻只能有一個(gè)主機(jī)。光照強(qiáng)度傳感器的電路原理圖如圖3.5所示。圖2.5光照強(qiáng)度傳感器電路原理圖2.6顯示模塊電路設(shè)計(jì)在本次的設(shè)計(jì)中，選用了LCD1602液晶顯示屏所謂顯示模塊的顯示器，它作為一款常用的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可以在屏幕上顯示出兩行字符，且只要花費(fèi)10幾元左右就能買到，它的主要功能為:顯示數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。顯示模塊這個(gè)部分只要將經(jīng)過單片機(jī)處理過后的數(shù)據(jù)顯示出來就能完成工作，且，它的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，將單片機(jī)一個(gè)8位I/O接口與它的8位數(shù)據(jù)段連接，再用三位控制口分別與液晶模塊的RS、R/W、E相連接，就完成了這個(gè)模塊的連接。LCD1602電路原理圖如圖2.6所示。圖2.6LCD1602電路原理圖LCD1602的引腳功能如表1.1所示：表1.1液晶顯示模塊的部分引腳接口說明如下：（1）液晶1,2端為電源；15,16為背光電源；為防止直接加5V電壓燒壞背光燈，在15腳串接一個(gè)10歐姆電阻用于限流。（2）液晶3端為液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)端，通過一個(gè)10k歐姆電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。首次使用時(shí)，在液晶上電狀態(tài)下，調(diào)節(jié)至液晶上面一行顯示出黑色小格為止。（3）液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機(jī)P2.0口。（4）液晶5端為讀/寫選擇端，接單片機(jī)P2.1口。（5）液晶6端為使能信號(hào)，是操作時(shí)必須的信號(hào)，接單片機(jī)的P2.2口。LCD1602基本操作時(shí)序:（1）讀狀態(tài)輸入：RS=L,R/W=H,E=H輸出：D0~D7=狀態(tài)字（2）讀數(shù)據(jù)輸入：RS=H,R/W=H,E=H輸出：無（3）寫指令輸入：RS=L,R/W=L,D0~D7=指令碼,E=高脈沖輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)（4）寫數(shù)據(jù)輸入：RS=H,R/W=L,D0~D7=數(shù)據(jù),E=高脈沖輸出：無2.7水泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)繼電器是水泵的一個(gè)重要的組成部分。繼電器器件是一種用于電子過程控制的元器件，它主要具有自動(dòng)控制整流系統(tǒng)(有時(shí)又稱較小輸入電流回路)和被自動(dòng)控制整流系統(tǒng)(有時(shí)又稱較大輸出電流回路),通常廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制整流電路中，它實(shí)際上也就是用較小的輸入電流信號(hào)去自動(dòng)控制較大輸出電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在控制電路中主要起著自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)、安全自動(dòng)保護(hù)、轉(zhuǎn)換控制電路等重要作用。在水泵的電路系統(tǒng)中，繼電器由8050型號(hào)的三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在閾值超過了設(shè)定的值的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)將低電平跳變成高電平，使三極管導(dǎo)通，繼而電路斷開使電氣室被電源吸合，繼電器在這是起到一個(gè)開關(guān)的作用，可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。水泵驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2.7所示。圖2.7水泵驅(qū)動(dòng)電路原理圖2.8報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)蜂鳴器是用直流電壓供電的一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，主要分為壓電式和電磁式兩種。壓電式蜂鳴器的主要構(gòu)成部件有：諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器、共鳴箱、外殼等。上電后，多諧振蕩器起振，輸出音頻信號(hào)，阻抗匹配器就會(huì)推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)出聲音。電磁式蜂鳴器的主要構(gòu)成部件有：振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片、外殼等。上電后，振蕩器會(huì)產(chǎn)生音頻信號(hào)，然后音頻信號(hào)會(huì)通過電磁線圈，讓其產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與磁鐵產(chǎn)生相互作用，在它們之間的振動(dòng)膜片會(huì)在這股作用力下，發(fā)出周期性的聲音。蜂鳴器報(bào)警電路是此次采用的報(bào)警電路，它通常的工作電流比較大，在本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，得外加一個(gè)電流放大電路，才能達(dá)到蜂鳴器的工作電流，即加一個(gè)三極管，放大通過蜂鳴器的電流，使蜂鳴器能起到報(bào)警作用。設(shè)計(jì)蜂鳴器的電路時(shí)，5V電源接蜂鳴器正極，蜂鳴器的另一端接到三極管的集電極，單片機(jī)的一個(gè)管腳通過與門控制三極管基極。管腳的高低決定了三極管是否導(dǎo)通，管腳低，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；管腳高，三極管截至，蜂鳴器不報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路電路原理圖如圖2.8所示。圖2.8蜂鳴器報(bào)警電路電路原理圖3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本次系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，使用的編程語言是C語言，主要使用編程軟件為Keil，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件時(shí)，將按各功能模塊分類，一一進(jìn)行源程序的編寫。3.1軟件設(shè)計(jì)所用工具要完成本次的家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，程序的編寫是必不可少的。在本次的澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要使用的單片機(jī)編程軟件為Keil。KeilC32它是由美國的KeilSoftware公司出品的32系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，將C語言和其它的匯編語言互相比較，C語言在各種軟件開發(fā)功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上，都有特別大的優(yōu)勢(shì)，并且，C語言要比其它的匯編語言更加簡(jiǎn)單，更容易學(xué)。Keil則為C語言提供了一套里面含有c語言腳本編譯器、宏匯編、連接器、庫數(shù)據(jù)資源管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的整合軟件開發(fā)仿真器和軟件調(diào)試器等在內(nèi)的完整整合軟件開發(fā)應(yīng)用解決方案,通過一個(gè)完全面向集成式的軟件開發(fā)應(yīng)用環(huán)境將這些組成部分完美地組合在一起。3.2軟件設(shè)計(jì)思路在本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)方法。考慮到該系統(tǒng)面對(duì)的客戶群體，可能會(huì)有覺得系統(tǒng)功能含有不必要功能，也可能對(duì)系統(tǒng)功能不夠完善感到不滿，采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以方便的對(duì)功能進(jìn)行縮減，也可以方便的對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展，針對(duì)不同的客戶，可以給出多種不同的選擇。本次設(shè)計(jì)主要使用的編程語言為C語言，它是最為基礎(chǔ)的一門編程語言，十分簡(jiǎn)單、易懂。在該家居型智能盆栽系統(tǒng)中，濕度傳感器會(huì)對(duì)被測(cè)的盆栽里的土壤進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制值后，傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行處理，從而獲得精確的實(shí)際采樣數(shù)據(jù)，再將其傳輸給液晶顯示器，由液晶顯示器顯示出來。同時(shí)，我們也對(duì)濕度值設(shè)定了閾值，當(dāng)它低于設(shè)定的最小值，或是高于設(shè)定的最大值時(shí)，會(huì)由蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3.1所示.圖3.1軟件設(shè)計(jì)流程圖3.3DS18B20溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)上電后，溫度傳感器DS18B20進(jìn)行工作作業(yè)，對(duì)被測(cè)盆栽的溫度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到實(shí)時(shí)的溫度的時(shí)候，將其按照一定的規(guī)律進(jìn)行變換后，轉(zhuǎn)變成為溫度電信號(hào)或者按需求轉(zhuǎn)變成為其他形式所需要的信息進(jìn)行輸出，從而可以更好地達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的要求。DS18B20溫度傳感器可以將檢測(cè)到的溫度值以數(shù)字信號(hào)的形式輸出給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算后得出此時(shí)的溫度，之后顯示在LCD1602液晶顯示器上。溫度檢測(cè)流程圖如圖3.3所示：圖3.2溫度檢測(cè)流程圖3.4GSM通信子程序設(shè)計(jì)AT指令集是從TEC(TerminalEquipment)或DTE(DataTerminalEquipment)向TA(TerminalAdapter)或DCE(DataCircuitTerminatingEquipment發(fā)送的通過TATE發(fā)送AT命令來控制MS(MobileStation)的功能與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互，用戶可以通過AT命令進(jìn)行呼叫短信電話本數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)補(bǔ)充業(yè)務(wù)傳真等方面的控制。下面是一些短消息相關(guān)的常用AT指令：目前，發(fā)送短消息常用Text和PDU(ProtocolDataUnit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。所以此處使用PDU模式來收發(fā)短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。該模塊集射頻電路和基帶于一體，提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸。首先使用命令“AT+CMGF=0<CR><LF>”來選擇PDU模式，比如SMSC(短信中心)號(hào)碼是+8613800471500，對(duì)方號(hào)碼消息內(nèi)容是：“你好”。則手機(jī)發(fā)送的PDU串是0891683149178790F6000800064F60597D0021。STM32單片機(jī)利用AT指令控制GSM模塊，將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送出去。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)實(shí)時(shí)濕度是否超出設(shè)定的濕度閾值。如果檢測(cè)到的濕度超出所設(shè)定的閾值，STM32單片機(jī)會(huì)立即通過串口發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)到GSM模塊，使GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信給預(yù)定要接受該短信的智能手機(jī)，同時(shí)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。關(guān)于短信的常用AT指令如表3.2所示。表3.2短信常用AT指令 3.5土壤濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)在本次的家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所選用的濕度傳感器是土壤濕度傳感器YL-69。在上電后，濕度傳感器首先進(jìn)行了初始化，之后，開始對(duì)被測(cè)盆栽的土壤進(jìn)行濕度的檢測(cè)，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換對(duì)所檢測(cè)到的濕度信號(hào)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，最后，傳輸給單片機(jī)。土壤濕度檢測(cè)流程圖如圖4.5所示。圖3.3土壤濕度檢測(cè)流程圖3.6液晶顯示模塊設(shè)計(jì)在本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，液晶顯示模塊選用了LCD1602液晶顯示屏，。上電后，LCD1602開始進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作，將屏幕清零，并且將內(nèi)部存儲(chǔ)全部清空。然后開始與單片機(jī)STM32進(jìn)行雙向通信，屏幕開始顯示初始化內(nèi)容。STM32單片機(jī)可以控制顯示屏的亮度和顯示屏所顯示的內(nèi)容，在延時(shí)了一定的時(shí)間以后，會(huì)將由其它傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上。在系統(tǒng)設(shè)置溫度的報(bào)警值上下限的時(shí)候，可以使用按鍵對(duì)設(shè)定值進(jìn)行加或減，根據(jù)需求，按實(shí)際情況設(shè)定報(bào)警值。單片機(jī)操控寫入引腳寫入要顯示內(nèi)容的命令。之后顯示屏執(zhí)行指令，將內(nèi)容顯示出來。LCD1602顯示流程圖如圖3.4所示：圖3.4LCD1602初始化流程圖3.7按鍵模塊設(shè)計(jì)按鍵的電路僅僅擁有四個(gè)引腳，并且，把這四個(gè)引腳分為兩對(duì)，每對(duì)引腳的功能相同，所以，在連接按鍵的電路的時(shí)候，只需要使用其中的兩個(gè)不同功能的引腳就可以了。按鍵的工作原理很簡(jiǎn)單，就只是對(duì)一個(gè)信號(hào)是高電平或是低電平進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測(cè)。當(dāng)按鍵處于被按下的狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)引腳的IO口會(huì)檢測(cè)出低電平，通過對(duì)IO口的電平特性進(jìn)行改變，就可以在一定程度上控制設(shè)置好的相應(yīng)的功能。按鍵相對(duì)應(yīng)的程序也特別簡(jiǎn)單，只需要對(duì)按鍵是否按下進(jìn)行一個(gè)判斷，然后再執(zhí)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)即可。本次設(shè)計(jì)中使用了三個(gè)按鍵，它們分別表示加、減和確定三個(gè)功能。按鍵程序流程圖如圖3.5所示：圖3.5按鍵設(shè)置子程序3.8蜂鳴器報(bào)警模塊設(shè)計(jì)對(duì)蜂鳴器報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)，要時(shí)刻用設(shè)定好的濕度閾值與實(shí)測(cè)濕度值比較，在主程序執(zhí)行之后，報(bào)警子程序會(huì)一直對(duì)實(shí)際的濕度值進(jìn)行檢測(cè)，與事先設(shè)定好的溫度閾值作對(duì)比，檢測(cè)實(shí)際溫度值是否超出設(shè)置的閾值，當(dāng)判定實(shí)際濕度值超出閾值時(shí)，由蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)，會(huì)發(fā)送報(bào)警短信到對(duì)應(yīng)的智能手機(jī)上。蜂鳴器報(bào)警的報(bào)警流程圖如圖3.6所示：圖3.6報(bào)警流程圖4.系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試主要分為硬件調(diào)試與軟件調(diào)試兩個(gè)部分。在硬件和軟件的調(diào)試過程中，我們可以找出本次設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮到的問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并趁早解決，避免完成設(shè)計(jì)后才發(fā)現(xiàn)中間的問題缺陷，需要推到再來的問題。4.1硬件調(diào)試購置完所需的所有元器件后，從快遞代領(lǐng)點(diǎn)將元器件領(lǐng)出后，拆包檢查各元器件是否是所訂購的元器件，并檢查外表是否損壞，其后再對(duì)元器件功能進(jìn)行檢查，避免出現(xiàn)元器件損壞影響功能的情況發(fā)生。當(dāng)檢查完畢，確定沒有問題后，就可以開始按照預(yù)先設(shè)計(jì)的原理圖開始進(jìn)行組裝。組裝時(shí)，要求能做到元器件放置的位置合理，整潔，最好導(dǎo)線避免太亂，方便后期檢查，修改。同時(shí)，在安裝時(shí)要注重安裝的順序，一級(jí)一級(jí)地安裝，避免發(fā)生安裝了上一級(jí)后，無法方便地安裝下一級(jí)。并且，在整個(gè)電路板焊接時(shí)，要非常細(xì)心，仔細(xì)地考慮整體布局布線會(huì)不會(huì)對(duì)各模塊的功能造成干擾，還要避免因?yàn)楹附邮炀毝炔桓?，造成虛焊現(xiàn)象，使模塊功能缺失。為了盡可能地降低成本，多使用一些常見且不是很貴的元器件，同時(shí)，盡可能地簡(jiǎn)化電路，防止因電路復(fù)雜產(chǎn)生不必要的開銷。安裝的具體的步驟如下：（1）準(zhǔn)備好安裝時(shí)所需的各元器件，按一定順序擺放好，方便取用。（2）按預(yù)先設(shè)定好的方案，將各元器件按位置安裝，并連接。（3）根據(jù)購置時(shí)商家給的說明書，或百度的器件說明，了解各組件工作原理，對(duì)各模塊進(jìn)行相關(guān)功能的調(diào)試工作。（4）將每一個(gè)小模塊編寫成單獨(dú)的源文件調(diào)試，在確定各模塊正常運(yùn)作后開始統(tǒng)合。（5）將各功能模塊進(jìn)行統(tǒng)合后，進(jìn)行綜合調(diào)試，此時(shí)需注重細(xì)節(jié)，盡可能降低出錯(cuò)率。硬件安裝過程如圖4.1所示。（a）硬件位置布局（b）成品圖圖4.1硬件安裝過程圖片在花架的設(shè)計(jì)時(shí)，最初采用的花架設(shè)計(jì)得體積太大，并不適合小型化的觀念，然后對(duì)花架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，考慮到便攜性和可拆卸的元素，構(gòu)想了一個(gè)高50cm，長寬都為30cm的小型花架，它全部由可拆卸的長方體狀的空心鋁合金構(gòu)成，其中有一些對(duì)穿的孔洞，便于拼接時(shí)采用螺絲與螺帽對(duì)整個(gè)花架進(jìn)行固定。但在實(shí)際去鋁業(yè)定制店面與老板協(xié)商時(shí)，因?yàn)楸容^費(fèi)工夫，鋁業(yè)的老板或是不接這一門生意，又或是價(jià)格太高。最終，在和一位鋁業(yè)老板磋商時(shí)，對(duì)花架的設(shè)計(jì)又進(jìn)行了一次更改，將全可拆卸的長方體空心鋁管換掉，把整個(gè)花架分成了三個(gè)部分：上層、套管、底部。上層與底部，以在它們中間的套管的形式互相連接，從而構(gòu)筑成一個(gè)整體?；芙M裝圖如圖4.2所示。(a)花架組裝過程圖（b）花架組裝完成圖圖4.2花架組裝圖在調(diào)試LCD顯示模塊的時(shí)候，因?yàn)長CD1602在直接加5V電壓的情況下，可能會(huì)對(duì)背光燈造成損壞，所以加了一個(gè)10歐姆的電阻限流。在第一次使用LCD1602時(shí)，還需要先讓其處于上電狀態(tài)，再將液晶顯示屏上面那一行調(diào)整到顯示出黑色的小格子。在調(diào)節(jié)蜂鳴器時(shí)，蜂鳴器的正極端需要連接在5V的電源上，另一端則與三極管的集電極相連接，由于它需要的電流比較大，所以需要給它加上一個(gè)電流放大電路，也就是給它外加上一個(gè)三極管，在選用三極管時(shí)需要注意，需選用PNP型號(hào)的三極管，不然會(huì)因?yàn)殡娏魈?，蜂鳴器無法正常工作。并且，雖然設(shè)置了檢測(cè)光照的模塊，但在盆栽采光不足的情況下，并得不到有效地解決。雖然考慮過使用日光燈進(jìn)行補(bǔ)光的解決辦法，但是考慮到實(shí)際情況，如果加上日光燈對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的體積影響有一些大了，所以對(duì)這個(gè)方案予以放棄。4.2軟件調(diào)試該家居型智能盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)了澆花功能，濕度檢測(cè)功能，溫度檢測(cè)功能，蜂鳴器報(bào)警功能，GSM通信功能等。其中，用STM32單片機(jī)作為該系統(tǒng)的工作處理器的中心，土壤濕度傳感器是這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。土壤濕度傳感器，在系統(tǒng)中主要作用是檢測(cè)被測(cè)土壤的濕度，它可以檢測(cè)較寬的土壤濕度，并反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)判定濕度是否低于閾值，是否需要報(bào)警，當(dāng)濕度低于閾值時(shí)，可驅(qū)動(dòng)水泵，進(jìn)行澆水作業(yè)。該家居型智能盆栽系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用的主要編程語言是C語言，使用Keil軟件對(duì)設(shè)計(jì)程序完成編寫，先按功能模塊進(jìn)行劃分，把每一個(gè)模塊當(dāng)作一個(gè)子程序進(jìn)行編程，分模塊開始進(jìn)行程序調(diào)試工作，確定一個(gè)模塊編程無誤后，再在這個(gè)基礎(chǔ)上，添加一個(gè)模塊，進(jìn)行兩個(gè)模塊一起的調(diào)試，依此類推，逐步給程序添加模塊，直到將預(yù)設(shè)的功能全部實(shí)現(xiàn)為止。（1）在設(shè)計(jì)這個(gè)家居型智能盆栽系統(tǒng)的時(shí)候，最開始時(shí)，對(duì)于遠(yuǎn)程控制模塊，是想使用APP來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的，但是在找資料學(xué)習(xí)制作APP，以及將APP與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)連接的過程中，發(fā)現(xiàn)雖然簡(jiǎn)易APP的制作不是很難，但是對(duì)怎么進(jìn)行APP與單片機(jī)連接的問題沒有辦法解決，然后經(jīng)過考慮，使用GSM通信作為遠(yuǎn)程通信手段。在對(duì)GSM通信模塊進(jìn)行調(diào)試的階段，由于需要給SIM800A插入一張移動(dòng)電話卡作為發(fā)送端，由于卡槽屬于中卡卡槽，而現(xiàn)在電話卡幾乎都是小卡，面臨一個(gè)小卡插入位置的問題，在最初進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，因插入小卡的位置不正確，導(dǎo)致該模塊無法正常運(yùn)行，最終和購置配件的店家詢問后，得知插卡位置解決了這個(gè)問題。SIM800A模塊中，它自帶一個(gè)小的指示燈，指示燈閃爍的速率代表著模塊是否正常運(yùn)作，當(dāng)指示燈快速閃爍時(shí)，表示該模塊還處于初始化階段，或是非正常運(yùn)作；當(dāng)指示燈閃爍變慢，代表模塊正常運(yùn)作。SIM800A調(diào)試圖如圖4.3所示。圖4.3SIM800A調(diào)試圖（2）在對(duì)濕度傳感器YL-69進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于調(diào)試階段傳感器暴露在空氣中，檢測(cè)濕度會(huì)顯示為1%，低于設(shè)定的濕度閾值，觸發(fā)報(bào)警模塊，產(chǎn)生噪音，給用戶手機(jī)發(fā)送短信，干擾調(diào)試，對(duì)這個(gè)問題，使用濕紙巾包裹住YL-69后，得到了正常解決。濕度傳感器YL-69觸發(fā)報(bào)警圖如圖4.4所示。（a）濕度傳感器YL-69測(cè)試濕度圖（b）用戶手機(jī)接受報(bào)警短信圖圖4.4濕度傳感器YL-69觸發(fā)報(bào)警圖在調(diào)試水泵時(shí)最初使用筆記本作為供電電源，水泵只能在啟動(dòng)后向低處進(jìn)行澆水作業(yè)2）換使用5V1A的充電頭進(jìn)行供電后，情況稍微好轉(zhuǎn)，但輸水效率不高，檢查后，發(fā)現(xiàn)使用水泵功率較高，需使用5V2A的充電頭進(jìn)行供電。3）換用5V2A的充電頭后，水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，澆水速率大幅提升。在溫度模塊調(diào)試階段中，用溫度計(jì)與DS18B20溫度傳感器測(cè)試值進(jìn)行多次對(duì)比，取平均差值，得出該器件的實(shí)際誤差值在±0.24℃。測(cè)試數(shù)據(jù)如表4.1所示。溫度對(duì)比測(cè)試圖如表4.5所示。表4.1溫度測(cè)試數(shù)據(jù)（a）DS18B20測(cè)試溫度（b）天氣溫度計(jì)測(cè)試溫度4.5溫度對(duì)比測(cè)試圖5.總結(jié)與展望5.1總結(jié)對(duì)于本次的澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在此作一個(gè)總結(jié)。本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了解決在特殊情況下，盆栽種植者無法給盆栽進(jìn)行澆水的問題。主要以單片機(jī)作為核心處理器，用單片機(jī)加上其它功能模塊組成一個(gè)小型系統(tǒng)，該系統(tǒng)中最重要的部分是濕度傳感器，它能對(duì)盆栽的土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，通過與設(shè)定好的濕度閾值進(jìn)行比較，判定盆栽是否需要澆水，當(dāng)判定為需要澆水時(shí)，配合水泵、蜂鳴器等模塊，在發(fā)出報(bào)警的同時(shí)，水泵開始澆水作業(yè)，解決澆水問題。完成本次家居型智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在過程中可以找到很多設(shè)計(jì)時(shí)的不成熟之處。最初，對(duì)本次設(shè)計(jì)提出的要求特別高，并沒有充分地考慮自己的個(gè)人能力問題，在設(shè)計(jì)預(yù)案中需要運(yùn)用到部分沒有學(xué)習(xí)過的知識(shí)，設(shè)置了一個(gè)相對(duì)很高的目標(biāo)，在設(shè)計(jì)的過程中，由于知識(shí)存儲(chǔ)量的不足，需查詢的資料很多，在查詢了相關(guān)的資料后，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，放棄了在光照不足時(shí)，使用日光燈進(jìn)行補(bǔ)光的構(gòu)想，在對(duì)簡(jiǎn)易app制作的視頻進(jìn)行了學(xué)習(xí)后，沒有考慮到怎么將app與單片機(jī)連接，在對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)后，采用了學(xué)會(huì)的其它的替代方