涂穎，劉葉林，李剛

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

隨著社會(huì)生活的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量在逐步提高，對(duì)居住的環(huán)境也有了更高地追求?，F(xiàn)下，養(yǎng)盆栽植物被越來(lái)越多的人所喜愛(ài)，一方面它可以作為生活中一項(xiàng)活動(dòng)去陶冶情操、修養(yǎng)生性、豐富生活；另一方面，植物的光合作用能吸收空氣中有害氣體凈化室內(nèi)空氣，讓環(huán)境更加清新。但是，在快節(jié)奏的日常中，人們總有些忙碌得無(wú)暇顧及的時(shí)候，而眾所周知，養(yǎng)殖花草成敗的關(guān)鍵在于盆栽的澆水量和給與的光照強(qiáng)度是否適時(shí)適量，于是，花費(fèi)時(shí)間去用心呵護(hù)花草反倒成了人們生活中的一個(gè)難題。一邊喜愛(ài)種植卻又擔(dān)心因?yàn)闈菜患皶r(shí)導(dǎo)致花草長(zhǎng)勢(shì)不好，影響了家庭的裝飾效果和自己的心血。因此，設(shè)計(jì)一款能夠自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)光澆水并且能遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能花盆很有實(shí)用意義，讓花草時(shí)刻都能得到悉心的照顧。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32單片機(jī)的智能盆栽補(bǔ)光澆水系統(tǒng)，本套裝置的電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想，分為STM32F103C8T6單片機(jī)核心電路、溫濕度傳感器DHT11電路、LCD1602液晶顯示電路、繼電器控制電路、GSM短信模塊SIM800A電路、高亮LED燈補(bǔ)光電路、光敏電阻檢測(cè)光照強(qiáng)度電路以及電源電路等。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

■2.1 STM32單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

微處理器是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，本文所選單片機(jī)控制芯片為STM32F103C8T6單片機(jī)，STM32系列處理器是意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的一種基于ARM 7架構(gòu)的32位、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器。使用基于ARM架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能、杰出的功耗控制、出眾及創(chuàng)新的外設(shè)，并且最大程度的集成整合，十分易于開(kāi)發(fā)，可使產(chǎn)品快速將進(jìn)入市場(chǎng)。

■2.2 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

繼電器是一種電控制器件，當(dāng)激勵(lì)量的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化。它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系，實(shí)際上一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，即用小電流去控制大電流運(yùn)作，通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。在本系統(tǒng)中，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)單片機(jī)的控制引腳為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)繼電器供電閉合，同時(shí)指示燈LED亮，與LED燈串聯(lián)的電阻為限流作用保護(hù)LED燈，與三極管基集相連的電阻也是限流作用，保護(hù)三極管。繼電器控制電路的原理圖如圖2所示。

圖2 繼電器控制電路

■2.3 高亮LED燈照明電路設(shè)計(jì)

比一般LED發(fā)光二極管的亮度高近百倍即高亮LED燈，其發(fā)光體本身就能發(fā)出某一波長(zhǎng)的光，從而呈現(xiàn)出某一種顏色，其外殼是無(wú)色透明樹(shù)脂封裝，它廣泛應(yīng)用在戶(hù)外廣告牌、交通信號(hào)燈、標(biāo)志牌，汽車(chē)尾燈等方面，具有壽命長(zhǎng)、點(diǎn)亮速度快、高效率（其發(fā)光效率可達(dá)80%～90%，LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4），可靠耐用，維護(hù)費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，選擇白色高亮LED燈作為照明燈使用，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)LED燈的亮滅，電阻為限流電阻，保護(hù)三極管。當(dāng)單片機(jī)的控制引腳為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)，高亮LED燈亮。否則，高亮LED燈不亮。 高亮LED燈照明電路原理圖如圖3所示。

圖3 高亮LED燈照明電路

■2.4 SIM800AGSM模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇SIM800A模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程短信信息交互。SIM800A外觀小巧，性能穩(wěn)定，是一款兩頻GSM/GPRS模塊,為SMT封裝，工作頻率為GSM/GPRS 900/1800MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800A尺寸為24＊24＊3mm，能適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。通過(guò)該模塊主要實(shí)現(xiàn)GSM短信遠(yuǎn)程澆水和補(bǔ)光燈控制，場(chǎng)景如下，當(dāng)用戶(hù)發(fā)送一條短信：澆水，此時(shí)繼電器1打開(kāi)，同時(shí)水泵開(kāi)，當(dāng)水泵打開(kāi)之后時(shí)鐘控制定時(shí)1分鐘關(guān)閉；同樣的，當(dāng)用戶(hù)發(fā)送一條短信：補(bǔ)光，此時(shí)高亮LED燈亮，倒計(jì)時(shí)1分鐘后關(guān)閉。模塊接口原理圖如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 SIM800A模塊接口電路

圖5 SIM800A模塊實(shí)物圖

■2.5 溫濕度傳感器DHT11模塊電路設(shè)計(jì)

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。DHT11采用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，數(shù)據(jù)包由5個(gè)字節(jié)組成，一次傳輸為40位高位先出；數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分；最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)和，由前四個(gè)字節(jié)相加所得。具體數(shù)據(jù)分析讀取如圖6所示。

圖6 讀取5字節(jié)數(shù)據(jù)分析

由以上數(shù)據(jù)就可得到濕度和溫度的值：

humi (濕度)= byte4 .byte3=25.0 (%RH)

temp (溫度 )= byte2 .byte1=81.0 ( ℃ )

jiaoyan(驗(yàn))= byte4+ byte3+ byte2+ byte1=106(=humi+temp)(校驗(yàn)正確)

本設(shè)計(jì)以該模塊為感應(yīng)器件，檢測(cè)盆栽土壤溫濕度，將檢測(cè)到的值送入STM32單片機(jī)，再由單片機(jī)控制輸出到LCD屏進(jìn)行狀態(tài)顯示。

■2.6 光照檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

該傳感器可檢測(cè)周?chē)h(huán)境的亮度和強(qiáng)度，靈敏度可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)，比較器采用LM393芯片，工作電壓在3.3～5V。輸出形式有A模擬電壓輸出和D數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出（0和1），D0口直接與單片機(jī)相連，用單片機(jī)檢測(cè)到電平的高低反映出周?chē)h(huán)境光照強(qiáng)度的改變。當(dāng)在光線(xiàn)較暗未達(dá)到設(shè)定閾值或者黑暗環(huán)境下時(shí)，DO口輸出高電平；反之，D0輸出低電平。模塊接口原理圖如圖7所示。

圖7 光照傳感器接口原理圖

圖8 程序流程圖

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用keil軟件編寫(xiě)與調(diào)試程序，程序語(yǔ)言采取易讀性和移植性高的C語(yǔ)言編寫(xiě)。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖8所示。首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、IO口以及定時(shí)器和外設(shè)串口，然后進(jìn)入GSM串口是否接收到數(shù)據(jù)的判斷，若是則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，否則進(jìn)入光照是否超過(guò)閾值的判斷，當(dāng)超過(guò)時(shí)進(jìn)行光照標(biāo)志處理，否則直接進(jìn)行溫度采集，進(jìn)而是LED以及繼電器的處理，最后通過(guò)LCD1602液晶顯示出來(lái)，同時(shí)進(jìn)入GSM串口是否接到數(shù)據(jù)的循環(huán)。

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

首先在系統(tǒng)上電調(diào)試前，大概觀察下焊接的系統(tǒng)還存在問(wèn)題，例如是否存在比較明顯的斷裂，正負(fù)極接反以及相連、虛焊、等問(wèn)題，然后用萬(wàn)用表檢測(cè)一下，電源正負(fù)極之間是否短路等嚴(yán)重的電源問(wèn)題，最終保證系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題。然后在Keil4軟件中進(jìn)行程序編譯和調(diào)試，直到提示沒(méi)有錯(cuò)誤為止。最后就是硬件整體測(cè)試，主要運(yùn)用萬(wàn)用表、直流電源和示波器進(jìn)行整體調(diào)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了STM32單片機(jī)及其部分相關(guān)設(shè)備，以解決人們無(wú)暇照顧花草的煩憂(yōu)，再具體應(yīng)用中，本系統(tǒng)具有方便實(shí)用、智能科學(xué)、人性化等優(yōu)點(diǎn)，相信對(duì)本系統(tǒng)加以發(fā)展和應(yīng)用，能造福更多人。