基于STM32F103C8的智能澆花系統(tǒng)

高偉+董彥辰+馬慶磊

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種智能濕度感應(yīng)澆花系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103C8 為控制芯片，利用土壤濕度傳感器來檢測土壤的相對(duì)濕度，DHT11檢測空氣溫濕度，再通過單片機(jī)進(jìn)行信息處理，輸出控制信號(hào)，從而控制水泵電源的通斷，完成按需按量自動(dòng)澆花的工作。

關(guān)鍵詞：STM32；智能澆花系統(tǒng)；溫濕度傳感器

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，更多家庭為了改善家居環(huán)境，購買花卉裝點(diǎn)環(huán)境，同時(shí)還能凈化空氣。但現(xiàn)代人的生活節(jié)奏越來越快。植物生長是離不開水的，需經(jīng)常澆灌。很多人有時(shí)忘了及時(shí)、適量給花卉澆水。但由于工作繁忙等原因，不能按時(shí)給花草澆水，植物可能會(huì)出現(xiàn)枯萎。而植物的生長主要依賴水分，過少澆水或者過度澆水都可能對(duì)植物的正常生長造成巨大影響。因此設(shè)計(jì)一款定時(shí)澆花的系統(tǒng)便成為當(dāng)務(wù)之選。本文設(shè)計(jì)了一種智能濕度感應(yīng)澆花系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103C8 為控制芯片，以土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器為主要傳感器。如果傳感器檢測溫度、濕度都達(dá)不到規(guī)定的要求，就開始澆花，達(dá)到了規(guī)定的溫度、濕度就停止?jié)不?。該系統(tǒng)既能按時(shí)、按量的給花卉澆水，還可以為節(jié)約水資源，從而讓花卉更好的生長。

1 智能澆花系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由cpu控制電路，土壤溫度，濕度檢測電路、蜂鳴器報(bào)警電路、水泵控制電路等組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過土壤濕度傳感器測量出土壤濕度信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行AD采集同時(shí)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理并進(jìn)行信號(hào)分析，然后IO輸出控制信號(hào)，控制水泵進(jìn)行工作，最終達(dá)到按需澆花的目的。

2 研究方法和手段

本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)單片機(jī)控制的自動(dòng)澆花系統(tǒng)。有測量溫度、空氣濕度的傳感器，采用菱形分布，均勻采集灌區(qū)的環(huán)境參數(shù)。

再由單片機(jī)集中處理數(shù)據(jù)，分析那片區(qū)域需要澆灌、澆灌量，再由控制部水泵進(jìn)行澆灌。

3 智能澆花系統(tǒng)的工作原理

由于不同的花卉需水特性的差異，在控制澆花的過程中應(yīng)當(dāng)適時(shí)適量，按需澆花。所以系統(tǒng)采用PID控制的方法，從而達(dá)到精確澆花的目的。一方面，通過測量土壤濕度來自動(dòng)控制澆花，以潮濕土壤的電阻值小于干燥土壤電阻值為原理，采用探針來獲取土壤干濕反饋信號(hào)，于考慮到水滲透到土壤中去需要一定的時(shí)間，且一般澆水的速度要大于土壤滲水的速度，為防止?jié)菜^多，產(chǎn)生一個(gè)周期控制信號(hào) ，從而產(chǎn)生我們所需要的澆花信號(hào)。另一方面，單片機(jī)采集空氣溫濕度來控制澆花所需水的量。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)空氣溫濕度值通過PID做出所達(dá)到的目標(biāo)值存入表格，即水泵輸出最大值表，這些數(shù)據(jù)均對(duì)人們長期積累經(jīng)驗(yàn)值的采集分析，并將表格存儲(chǔ)至EEPROM，供單片機(jī)查表使用。例如：在寒冷的冬季對(duì)一些常青類盆栽澆水時(shí)，單片機(jī)將采集到的濕度信號(hào)處理得出合適的水泵輸出量，在合適的時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)澆水。

4 智能澆花系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 土壤濕度檢測電路

土壤傳感器鏈接單片機(jī)AD口，檢測流過電流量，在傳感器的表面進(jìn)行鍍鎳處理，同時(shí)對(duì)感應(yīng)面積進(jìn)行加寬，使導(dǎo)電性能得以提高，防止出現(xiàn)接觸土壤使傳感器表面容易生銹，延長傳感器使用壽命。

4.2 空氣溫濕度檢測電路

DHT11是一款溫濕度傳感器同時(shí)內(nèi)部有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出。測量精度濕度可達(dá)+-5%RH，溫度可達(dá)+-2℃，濕度的測量范圍在20%～90%RH， 溫度的測量范圍在0℃～50℃。傳感器采用串行接口，可以更簡單高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)該傳感器的體積更小，同時(shí)功耗更低。

4.3 水泵控制電路

驅(qū)動(dòng)芯片采用英飛凌BTN7971，BTN7971是一個(gè)完全集成的大電流的半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。一路電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，單板典型最大電流 68A，最小在 50A，工作電壓范圍：7V～14V；最大不能超過 16V；工作溫度范圍：-10℃～55℃，BTN7971 工作溫度范圍：-40℃～150℃， 實(shí)際使用中控制芯片最大溫度不要超過 105℃；同時(shí)在單片機(jī)信號(hào)輸出端增加總線驅(qū)動(dòng)芯片 74LVC245，提高IO信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)對(duì)單片機(jī)控制引腳進(jìn)行隔離保護(hù)。

4.4 報(bào)警電路

因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境中，為防止水泵的開啟影響到他人，該系統(tǒng)內(nèi)置了一個(gè)報(bào)警電路。通常水泵開啟以前就會(huì)出現(xiàn)警報(bào)聲，然后水泵才實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。主要是單片機(jī)來決定三極管開啟與閉合，實(shí)現(xiàn)控制蜂鳴器的通斷。

5 系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)

5.1 濕度值輸出

土壤濕度傳感器采用Bardolino Moisture Sensor，當(dāng)土壤缺少水分時(shí)，傳感器的輸出值會(huì)減小，反之將增大，然后傳送給單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)數(shù)值的大小進(jìn)行查表，最后分析處理判斷是否需要澆水。

5.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)程序初始化、空氣溫濕度檢查子程序、土壤濕度檢測子程序、水泵PWM控制子程序、數(shù)據(jù)處理子程序，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2 所示。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款智能澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)花盆中土壤濕度，來控制水泵的開合及速度。根據(jù)空氣的溫濕度來控制澆水量的多少，即對(duì)土壤的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，和對(duì)人們澆水習(xí)慣的采集分析，與設(shè)定好水泵輸出最大值表進(jìn)行比較，從而判斷澆水量是否符合標(biāo)準(zhǔn)，能夠自尋控制的濕度范圍，最終完全實(shí)現(xiàn)按需按量智能澆花。

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