智能花盆裝置設(shè)計

李芊依，姚夏元

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京，102206）

0 引言

當前，綠色生態(tài)越來越接近生活，很多人都嘗試在家中來種植各種盆栽，但是時常因為沒有時間或者照顧不當而導致植物缺水過多死亡或者植物生長得不太對稱美觀，所以針對這種情況，就想要設(shè)計出一款可以在缺水時進行自動澆水，并且在陽光充足的時候進行勻速緩慢地轉(zhuǎn)動，使植物的各個方向得到充足均勻的光照。目前，我國在單片機以及步進電機的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多重要的研究成果，比如，基于單片機無線控制的智能插座設(shè)計[1]。 單片機還被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，單片機在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備自動化改造中的應(yīng)用分析[2]。當然，單片機在應(yīng)用的過程當中也會有很多的問題，所以也對單片機的干擾的問題進行研究，得出了技術(shù)與方法[3]，把多個模塊組合在一起更好地滿足了我們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，這些模塊的互相通信以及控制還可以嘗試使用在其他領(lǐng)域來實現(xiàn)新的功能。當前對于步進電機的研究也有很多，有的是對于步進電機微步驅(qū)動系統(tǒng)研究[4]，這種研究對于步進電機的精度要求比較高，對步進電機優(yōu)化研究的必要性、特點進行了闡述，并詳細介紹了步進電機的設(shè)計方法。以某衛(wèi)星天線驅(qū)動用步進電機為基礎(chǔ)，分析了不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)對步進電機性能的影響，并進行了性能優(yōu)化研究[5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本裝置以STC89C52 單片機為運算和控制中心[6]，主要由LCD1602 液晶顯示模塊、土壤濕度檢測模塊、BH1750FVI 光照傳感器模塊、步進電機以及Y2SD1R5步進驅(qū)動器、水泵等模塊組成。LCD1602 液晶顯示器、水泵以及步進電機為輸出部分，與單片機、繼電器、Y2SD1R5 步進驅(qū)動器等配合，接收來自土壤濕度檢測模塊和BH1750FVI 光照傳感器模塊的信號，完成脈沖的輸出任務(wù)。當光線充足時，BH1750FVI 光照傳感器負責接收光照信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號高低電平，通過接口與單片機完成通信，單片機再把信息傳遞給Y2SD1R5 步進驅(qū)動器，進而驅(qū)動步進電機進行旋轉(zhuǎn)，土壤濕度檢測模塊負責接收土壤濕度信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號高低電平，以同樣方式把信息傳給單片機，進而驅(qū)動繼電器，使水泵進行澆水操作。原理簡單，易于進行更換和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 單片機系統(tǒng)

本裝置使用ATMEL 公司開發(fā)的STC89C52 單片機為核心控制器，該單片機中斷復(fù)位快速方便，可以直接使用串口下載,另外C52 單片機擁有靜態(tài)邏輯操作模式，對于本系統(tǒng)來說，外部連接部件不繁重，算數(shù)不復(fù)雜時，可以運行在空閑模式下，達到了高效且節(jié)能的效果?？紤]到該系統(tǒng)中，核心單片機需要控制的液晶顯示器和傳感器，以上優(yōu)越的性能能夠支持本嵌入式操作運行系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，軟件開發(fā)較為方便。圖2 是 STC89C52 單片機的最小系統(tǒng)，將系統(tǒng)按照該圖連接，即可在此基礎(chǔ)上開發(fā)所需的功能和應(yīng)用。在我們設(shè)計的裝置中，主要應(yīng)用了單片機直接對LCD1602 進行控制，用來顯示光照的強度，因為STC89C52 單片機具有直接控制LCD1602 的接口，所以不需要單獨進行串口命名和操作，直接有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M行操控，這樣，單片機就可以輕松的把BH1750FVI 光照傳感器模塊的光照強度反映到LCD1602顯示屏上面，裝置還應(yīng)用了單片機的幾個I/O串口，依次讓單片機對驅(qū)動器和繼電器進行控制，來對步進電機進行控制，在這之中運用了單片機的中斷功能。

圖2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計圖

2.2 LCD1602 顯示模塊

顯示模塊主要采用了 LCD1602 液晶顯示屏[7]，通過LCD1602 與單片機的密切配合共同完成輸出系統(tǒng)的搭建。LCD1602 顯示器[8]不需要連接其他工作電路、Flash和 RAM 等，其自身具有 32 位的超長交互界面以及高精度的 AD 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將其按照單片機說明書直接與STC89C52 相連，即可直接通信。由于芯片高度集成，操作起來十分方便。LCD1602 自帶的大存儲容量使得用戶可以自主設(shè)計顯示界面，自定義初始化顯示，只需找到使用的物理存儲地址，利用程序?qū)⒛J設(shè)置從 I/O 端口鍵入交互界面，其余地址分配給單片機通信顯示即可。為保證芯片的正常運行，接入可調(diào)電阻作為保護，當芯片正常運作時，指示燈亮起[9]。LCD1602 與單片機的連接是在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上布置的，1602 液晶顯示芯片共有 16 個引腳，引腳 1、2 分別接地和 5V 電源，引腳 3VO 經(jīng)滑動電阻后接地，調(diào)節(jié)液晶顯示器對比度[10]。運行1602 模塊時，按照說明書將所有引腳同理接入，接通電源即可。連接后，整個系統(tǒng)基本完成。系統(tǒng)總設(shè)計圖如圖3 所示。

圖3 LCD1602 顯示芯片工作流程圖

2.3 土壤濕度檢測模塊

該模塊可用于檢測土壤的水分，模塊在土壤濕度達不到設(shè)定閾值時，DO 口輸出高電平，當土壤濕度超過設(shè)定閾值時，模塊D0 輸出低電平，小板數(shù)字量輸出D0 可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度，小板數(shù)字量輸出DO 可以直接驅(qū)動繼電器模塊，并且靈敏度可調(diào)，調(diào)節(jié)藍色的數(shù)字電位器即可，工作電壓3.3V~5V，模塊雙輸出模式，數(shù)字量輸出簡單，模擬量輸出更精確，比較器采用LM393 芯片，工作穩(wěn)定小板模擬量輸出AO 可以和AD模塊相連，通過AD 轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。

2.4 BH1750FVI 光照傳感器模塊

BH1750VI 數(shù)字光照傳感器模塊[11]是一種用于兩線式串行式總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路、利用模塊收集的光線強度數(shù)據(jù)可以調(diào)整液晶、鍵盤背景燈的亮度、模塊分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，工作電壓為5V，通信接口方式為I2C,輸入光范圍為1~65536lx，光譜靈敏度特性：峰值靈敏度波長典型值：560m；光源依賴性弱：白熾燈、熒光燈、鹵素燈、白光LED、日光燈均可；采用ROHM 原裝BH1750FV 芯片；光照范圍：0~65535lx、傳感器內(nèi)置16bitAD 轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出、省略復(fù)雜計算、省略標定FVI、內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換、與5V 單片機IO 鏈接、支持STM32/51/ardunio。

2.5 Y2SD1R5 步進驅(qū)動器

凱福 SD 系列驅(qū)動器是一款高性價比脈沖控制步進電機驅(qū)動器，采用數(shù)字PID 技術(shù)，具有優(yōu)越的性能表現(xiàn)，高速大力矩輸出，低噪音，低振動，低發(fā)熱，驅(qū)動器可工作在脈沖方向模式或雙脈沖模式，通過開關(guān)設(shè)置運行電流和細分等參數(shù)，極大地方便了客戶的應(yīng)用。驅(qū)動器上電初始化自動檢測電機參數(shù)，并由此優(yōu)化電機電流算法和抗共振電子阻尼系數(shù)，多種細分參數(shù)設(shè)置，最高可達 25600；支持脈沖方向模式或雙脈沖模式；光電隔離，差分信號輸入，可支持5~24V；具有過壓保護，欠壓保護，過溫保護，過流保護，電機線開路檢測等。

3 軟件模塊設(shè)計

3.1 LCD1602 顯示器程序設(shè)計

LCD1602 內(nèi)部受繼電器和單片機的信號控制，顯示器對單片機發(fā)出的電信號進行分析，將模擬信號進行整流和AD 轉(zhuǎn)換，使串行信號轉(zhuǎn)化為并行信號輸出，并且在程序作用下將二進制碼轉(zhuǎn)化為十進制顯示。該過程完成后，顯示器將信號傳回單片機并進入等待狀態(tài)。

LCD1602 芯片是最常用的字符型液晶顯示器之一，具有以下幾個優(yōu)點：

（1）顯示質(zhì)量高。字符型的顯示屏本質(zhì)上是點陣結(jié)構(gòu)，顯示器的每一個點在接收到外來信號之后會保持其色彩度和亮度，能夠恒定發(fā)光。不需要刷新新的亮點是液晶顯示器能夠穩(wěn)定輸出，避免閃爍和模糊。

（2）數(shù)字型接口與單片機保持一致，操作方便，信息傳輸便捷。

（3）功耗更低。相比于其他類型的顯示器，LCD1602 具有更低的能耗，其主要能量消耗在內(nèi)部的電極以及驅(qū)動 IC。

（4）體積小，便于攜帶和改裝，相比于傳統(tǒng)的顯示器重量大大減輕，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。

3.2 土壤濕度檢測模塊設(shè)計

系統(tǒng)默認是低電平，DO 口連接單片機和繼電器通信，當濕度小于閾值時，說明缺水，DO 端輸出高電平，單片機檢測到高電平時，發(fā)送指令到繼電器，進而開啟水泵，進行澆水，設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 土壤濕度檢測模塊部分流程圖

3.3 BH1750FVI 光照傳感器模塊

系統(tǒng)默認是低電平，DO 口連接單片機和繼電器通信，當濕度小于閾值時，說明缺水，DO 端輸出高電平，單片機檢測到高電平時，發(fā)送指令到繼電器，進而開啟水泵，進行澆水，設(shè)計流程如圖5 所示。

圖5 BH1750FVI 光照傳感器模塊部分流程圖

4 裝置運行測試

將裝置接通電源，按下開關(guān)，系統(tǒng)的開關(guān)燈亮起，表示裝置可以正常運行，當土壤濕度檢測模塊檢測濕度已經(jīng)達到或者超過閾值時，水泵不會進行操作，本裝置可以自行控制土壤濕度的閾值，如果有些植物需水量比較少，則可以適度進行調(diào)節(jié)，如果濕度小于我們所設(shè)置的閾值，就可以進行自動澆水，自動澆水現(xiàn)象如圖6 所示，在澆水過程當中，如果土壤濕度檢測模塊識別出土壤濕度超過了閾值，就會使水泵迅速停止工作，此過程幾乎無延遲，同時也可以根據(jù)BH1750FVI 光照傳感器模塊得到的光照強度，反映到LCD1602 顯示模塊上，再根據(jù)光照閾值來進行步進電機的調(diào)控，當識別光照強度足夠高時，對于植物的光照在有效光照范圍內(nèi)，可以直接控制電機旋轉(zhuǎn)。多次重復(fù)測試過程中，我們會發(fā)現(xiàn)水泵控制速度很快，敏感度也很高，幾乎沒有時延。但光照傳感部分會有一定的時間延遲，但是為了控制在光照確實達到閾值時再開始轉(zhuǎn)動，對于花盆來說，這部分的時間延遲在合理的范圍內(nèi)。

圖6 實物測試圖

5 總結(jié)

該計數(shù)裝置以 STC89C52 單片機為控制中心，將LCD1602 顯示模塊、土壤濕度檢測模塊、BH1750FVI 光照傳感器模塊、Y2SD1R5 步進驅(qū)動器以及步進電機等模塊精準控制，聯(lián)合成為相互配合的有機整體，結(jié)構(gòu)和程序較為簡單，但創(chuàng)新性強，完成度高。是和日常生活聯(lián)系緊密的容易操作的裝置。但步進電機控制部分有一定的延遲是我們當前需要進行突破的方向。該系統(tǒng)有良好的拓展性，實現(xiàn)了一定程度的智能化，這種通過單片機控制多個模塊思想也可以應(yīng)用在更多的領(lǐng)域當中。在今后的研究中可以增強深度研究，來提升用戶體驗。