基于STM32F103C8的智能澆花系統

高偉+董彥辰+馬慶磊

摘 要：本文設計了一種智能濕度感應澆花系統。系統以單片機STM32F103C8 為控制芯片，利用土壤濕度傳感器來檢測土壤的相對濕度，DHT11檢測空氣溫濕度，再通過單片機進行信息處理，輸出控制信號，從而控制水泵電源的通斷，完成按需按量自動澆花的工作。

關鍵詞：STM32；智能澆花系統；溫濕度傳感器

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科學的不斷發展和生活質量的提高，更多家庭為了改善家居環境，購買花卉裝點環境，同時還能凈化空氣。但現代人的生活節奏越來越快。植物生長是離不開水的，需經常澆灌。很多人有時忘了及時、適量給花卉澆水。但由于工作繁忙等原因，不能按時給花草澆水，植物可能會出現枯萎。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植物的正常生長造成巨大影響。因此設計一款定時澆花的系統便成為當務之選。本文設計了一種智能濕度感應澆花系統。系統以單片機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、濕度都達不到規定的要求，就開始澆花，達到了規定的溫度、濕度就停止澆花。該系統既能按時、按量的給花卉澆水，還可以為節約水資源，從而讓花卉更好的生長。

1 智能澆花系統的組成結構

該系統主要由cpu控制電路，土壤溫度，濕度檢測電路、蜂鳴器報警電路、水泵控制電路等組成。具體結構如圖1 所示。通過土壤濕度傳感器測量出土壤濕度信號，單片機進行AD采集同時對采集信號進行濾波處理并進行信號分析，然后IO輸出控制信號，控制水泵進行工作，最終達到按需澆花的目的。

2 研究方法和手段

本設計是設計單片機控制的自動澆花系統。有測量溫度、空氣濕度的傳感器，采用菱形分布，均勻采集灌區的環境參數。

再由單片機集中處理數據，分析那片區域需要澆灌、澆灌量，再由控制部水泵進行澆灌。

3 智能澆花系統的工作原理

由于不同的花卉需水特性的差異，在控制澆花的過程中應當適時適量，按需澆花。所以系統采用PID控制的方法，從而達到精確澆花的目的。一方面，通過測量土壤濕度來自動控制澆花，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，于考慮到水滲透到土壤中去需要一定的時間，且一般澆水的速度要大于土壤滲水的速度，為防止澆水過多，產生一個周期控制信號 ，從而產生我們所需要的澆花信號。另一方面，單片機采集空氣溫濕度來控制澆花所需水的量。在軟件設計時，根據空氣溫濕度值通過PID做出所達到的目標值存入表格，即水泵輸出最大值表，這些數據均對人們長期積累經驗值的采集分析，并將表格存儲至EEPROM，供單片機查表使用。例如：在寒冷的冬季對一些常青類盆栽澆水時，單片機將采集到的濕度信號處理得出合適的水泵輸出量，在合適的時間進行適當澆水。

4 智能澆花系統硬件設計

4.1 土壤濕度檢測電路

土壤傳感器鏈接單片機AD口，檢測流過電流量，在傳感器的表面進行鍍鎳處理，同時對感應面積進行加寬，使導電性能得以提高，防止出現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內部有已校準數字信號輸出。測量精度濕度可達+-5%RH，溫度可達+-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行數據采集。同時該傳感器的體積更小，同時功耗更低。

4.3 水泵控制電路

驅動芯片采用英飛凌BTN7971，BTN7971是一個完全集成的大電流的半橋電機驅動應用。一路電機驅動輸出，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℃， 實際使用中控制芯片最大溫度不要超過 105℃；同時在單片機信號輸出端增加總線驅動芯片 74LVC245，提高IO信號驅動能力，同時對單片機控制引腳進行隔離保護。

4.4 報警電路

因為該系統主要應用在室內環境中，為防止水泵的開啟影響到他人，該系統內置了一個報警電路。通常水泵開啟以前就會出現警報聲，然后水泵才實現補水。主要是單片機來決定三極管開啟與閉合，實現控制蜂鳴器的通斷。

5 系統相關數據

5.1 濕度值輸出

土壤濕度傳感器采用Bardolino Moisture Sensor，當土壤缺少水分時，傳感器的輸出值會減小，反之將增大，然后傳送給單片機進行AD轉換，單片機根據數值的大小進行查表，最后分析處理判斷是否需要澆水。

5.2 系統硬件設計

系統軟件設計主要包括系統程序初始化、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、數據處理子程序，系統的主程序流程圖如圖2 所示。

結語

本設計采用STM32F103C8單片機作為主控芯片，設計了一款智能澆花系統。該系統根據花盆中土壤濕度，來控制水泵的開合及速度。根據空氣的溫濕度來控制澆水量的多少，即對土壤的濕度進行實時監測，和對人們澆水習慣的采集分析，與設定好水泵輸出最大值表進行比較，從而判斷澆水量是否符合標準，能夠自尋控制的濕度范圍，最終完全實現按需按量智能澆花。

參考文獻

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