智能花盆裝置設(shè)計

李芊依，姚夏元

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京，102206）

0 引言

當(dāng)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(dāng)而導(dǎo)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(jìn)行自動澆水，并且在陽光充足的時候進(jìn)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(jī)以及步進(jìn)電機(jī)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(jī)無線控制的智能插座設(shè)計[1]。 單片機(jī)還被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，單片機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備自動化改造中的應(yīng)用分析[2]。當(dāng)然，單片機(jī)在應(yīng)用的過程當(dāng)中也會有很多的問題，所以也對單片機(jī)的干擾的問題進(jìn)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@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(dāng)前對于步進(jìn)電機(jī)的研究也有很多，有的是對于步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動系統(tǒng)研究[4]，這種研究對于步進(jìn)電機(jī)的精度要求比較高，對步進(jìn)電機(jī)優(yōu)化研究的必要性、特點進(jìn)行了闡述，并詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計方法。以某衛(wèi)星天線驅(qū)動用步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)性能的影響，并進(jìn)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(jī)為運(yùn)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(jìn)電機(jī)以及Y2SD1R5步進(jìn)驅(qū)動器、水泵等模塊組成。LCD1602 液晶顯示器、水泵以及步進(jìn)電機(jī)為輸出部分，與單片機(jī)、繼電器、Y2SD1R5 步進(jìn)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(dāng)光線充足時，BH1750FVI 光照傳感器負(fù)責(zé)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(jī)完成通信，單片機(jī)再把信息傳遞給Y2SD1R5 步進(jìn)驅(qū)動器，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，土壤濕度檢測模塊負(fù)責(zé)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(jī)，進(jìn)而驅(qū)動繼電器，使水泵進(jìn)行澆水操作。原理簡單，易于進(jìn)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(jī)系統(tǒng)

本裝置使用ATMEL 公司開發(fā)的STC89C52 單片機(jī)為核心控制器，該單片機(jī)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(jī)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(yùn)行在空閑模式下，達(dá)到了高效且節(jié)能的效果?？紤]到該系統(tǒng)中，核心單片機(jī)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(yùn)行系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，軟件開發(fā)較為方便。圖2 是 STC89C52 單片機(jī)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(jī)直接對LCD1602 進(jìn)行控制，用來顯示光照的強(qiáng)度，因為STC89C52 單片機(jī)具有直接控制LCD1602 的接口，所以不需要單獨進(jìn)行串口命名和操作，直接有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行操控，這樣，單片機(jī)就可以輕松的把BH1750FVI 光照傳感器模塊的光照強(qiáng)度反映到LCD1602顯示屏上面，裝置還應(yīng)用了單片機(jī)的幾個I/O串口，依次讓單片機(jī)對驅(qū)動器和繼電器進(jìn)行控制，來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，在這之中運(yùn)用了單片機(jī)的中斷功能。

圖2 單片機(jī)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(jī)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(jī)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(rèn)設(shè)置從 I/O 端口鍵入交互界面，其余地址分配給單片機(jī)通信顯示即可。為保證芯片的正常運(yùn)行，接入可調(diào)電阻作為保護(hù)，當(dāng)芯片正常運(yùn)作時，指示燈亮起[9]。LCD1602 與單片機(jī)的連接是在單片機(jī)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(yùn)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(dá)不到設(shè)定閾值時，DO 口輸出高電平，當(dāng)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(jī)直接相連，通過單片機(jī)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(lán)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(qiáng)度傳感器集成電路、利用模塊收集的光線強(qiáng)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(qiáng)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?zé)簟坠釲ED、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(biāo)定FVI、內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換、與5V 單片機(jī)IO 鏈接、支持STM32/51/ardunio。

2.5 Y2SD1R5 步進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(yùn)行電流和細(xì)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(jī)參數(shù)，并由此優(yōu)化電機(jī)電流算法和抗共振電子阻尼系數(shù)，多種細(xì)分參數(shù)設(shè)置，最高可達(dá) 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(hù)，欠壓保護(hù)，過溫保護(hù)，過流保護(hù)，電機(jī)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(jī)的信號控制，顯示器對單片機(jī)發(fā)出的電信號進(jìn)行分析，將模擬信號進(jìn)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(jìn)制碼轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制顯示。該過程完成后，顯示器將信號傳回單片機(jī)并進(jìn)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(jī)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(rèn)是低電平，DO 口連接單片機(jī)和繼電器通信，當(dāng)濕度小于閾值時，說明缺水，DO 端輸出高電平，單片機(jī)檢測到高電平時，發(fā)送指令到繼電器，進(jìn)而開啟水泵，進(jìn)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(rèn)是低電平，DO 口連接單片機(jī)和繼電器通信，當(dāng)濕度小于閾值時，說明缺水，DO 端輸出高電平，單片機(jī)檢測到高電平時，發(fā)送指令到繼電器，進(jìn)而開啟水泵，進(jìn)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(yùn)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(yùn)行，當(dāng)土壤濕度檢測模塊檢測濕度已經(jīng)達(dá)到或者超過閾值時，水泵不會進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，如果濕度小于我們所設(shè)置的閾值，就可以進(jìn)行自動澆水，自動澆水現(xiàn)象如圖6 所示，在澆水過程當(dāng)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(qiáng)度，反映到LCD1602 顯示模塊上，再根據(jù)光照閾值來進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的調(diào)控，當(dāng)識別光照強(qiáng)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(jī)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(dá)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(jī)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(jìn)驅(qū)動器以及步進(jìn)電機(jī)等模塊精準(zhǔn)控制，聯(lián)合成為相互配合的有機(jī)整體，結(jié)構(gòu)和程序較為簡單，但創(chuàng)新性強(qiáng)，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(jìn)電機(jī)控制部分有一定的延遲是我們當(dāng)前需要進(jìn)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(jī)控制多個模塊思想也可以應(yīng)用在更多的領(lǐng)域當(dāng)中。在今后的研究中可以增強(qiáng)深度研究，來提升用戶體驗。