基于CW32單片機+ESP01S WiFi模塊的自動澆花器設計

摘 要：由于人們日常事務繁忙，經常無法及時給花卉澆水，導致有的花卉因缺水而枯萎。為解決這一問題，文中設計了一款以CW32單片機為主控制器、以土壤濕度傳感器為感應部件、運用ESP01S WiFi模塊實現(xiàn)網絡遠程控制的自動澆花器。該自動澆花器通過串口將CM32與ESP01S連接起來，并利用CM32的UART功能與ESP01S通信，同時預留多個外設接口，可連接土壤濕度傳感器、10 V太陽能板等設備。連接土壤濕度傳感器將檢測值傳遞至CM32與預設參數(shù)相比，即可驅動電機抽水澆灌。該自動澆花器具有定時自動澆花、檢測濕度自動澆花、聯(lián)網遠程控制澆花等功能，可應用于室內澆花、戶外澆灌等領域。

關鍵詞：CW32單片機；ESP01S WiFi模塊；土壤濕度傳感器；自動澆花器；遠程控制；太陽能板

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

近些年，人們對美好生活的品質追求越來越高，常會在自己生活、辦公區(qū)域內養(yǎng)植一些花草來裝飾環(huán)境、愉悅身心。然而現(xiàn)今快節(jié)奏的生活狀態(tài)和高強度的工作壓力，使得人們常忘記給花卉澆水，以至于很多花卉因澆水不及時而出現(xiàn)枯萎情況[1]。由此可見，設計一款可定時、可遠程控制的自動澆花器是實際所需。本設計結合花卉種植環(huán)境以及需求，選用國產CW32單片機作為主控制器，使用土壤濕度傳感器實時監(jiān)測土壤濕度值，利用ESP01S WiFi模塊將控制命令以及參數(shù)通過串口發(fā)送給CW32驅動電機控制水泵進行自動抽水澆花，同時考慮到電機啟動瞬間容易導致聯(lián)網模塊掉電問題，采用鋰電池供電；采用顯示屏顯示時間、澆花模式、水泵狀態(tài)、電池電壓等參數(shù)，考慮到電池電量續(xù)航問題，本設計增加了一個充電口，輸入電壓為DC 8.4～9 V，可接一個10 V的太陽能板，既解決了電池續(xù)航問題又節(jié)能環(huán)保，通過以上模塊完成了自動澆花器的設計。

1 硬件設計

1.1 自動澆花器結構設計

文中所設計的自動澆花器采用CW32單片機作為核心控制器，利用土壤濕度傳感器把土壤濕度值傳輸給CW32單片機內部集成的擁有12位精度、最高1 MSPS轉換速度的逐次逼近型模數(shù)轉換器，即可得到數(shù)字化土壤濕度。通過按鍵設置水泵自啟動工作閾值，當檢測到的土壤濕度值低于所設置的閾值時，CW32單片機控制水泵開始澆水；當檢測到濕度高于所設定的閾值時，水泵停止工作。本設計秉承安全、低功耗的設計初衷，對輸出電機的電壓和電流不斷進行檢測，一旦電壓過高或過低則停止電機。同時，ESP01S的電源可通過CW32單片機打開或關閉，用來降低功耗（默認上電自動聯(lián)網）。自動澆花器總體設計方案如圖1所示。

1.2 電路設計

總體電路分為MCU電路、電流電壓采樣檢測電路、SPI接口電路、土壤濕度采集電路、電機驅動電路、LDO降壓電路、按鍵電路和ESP01S電路、DC-DC降壓電路等。自動澆花器總電路接線如圖2所示。

1.2.1 電源電路設計

自動澆花器的供電系統(tǒng)由充放電電路、DC-DC降壓電路和LDO降壓電路組成。

充放電電路：增加一個充電口，接入單片10 V的太陽能板，充電口正極經過一個二極管接7.4 V鋰電池保護板，該鋰電池保護板既能給2串鋰電池充電，也可以放電，進而構成充放電電路。

DC-DC降壓電路：為減少輸出電壓的紋波和噪聲干擾，使用LM2596S-ADJDC-DC降壓芯片（輸入電壓范圍為4.5～35 V，輸出為1.23～35 V可調節(jié)，輸出電流為3 A）穩(wěn)定輸出6.0 V電壓[2]。

LDO降壓電路：在電源管理電路中使用AMS1117-3.3LDO降壓芯片，其最大輸入電壓為18 V，輸出電壓為

3.3 V，輸出電流為1 A[3]。

1.2.2 土壤濕度采集電路設計

該自動澆花器預留了3個擴展接口，可外接溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等設備。土壤濕度傳感器為電容式，反應靈敏且不易被腐蝕。工作原理：利用土壤中含水量的不同，其導電率存在差異，從而實現(xiàn)土壤濕度測量。其接口端一側供電，另一端為電壓采集口[4]。

1.2.3 顯示電路設計

顯示電路使用1.7寸12864黑白屏，屏幕控制器采用SPI方式驅動，無需背光電源，該設備功耗低、體積小、重量輕，顯示的信息量大[5]。主要顯示內容：時間、澆花模式、水泵狀態(tài)、電池電壓、澆花時間、澆花時長以及頁面設置等信息。

1.2.4 按鍵電路設計

按鍵電路由3個6×6 mm輕觸開關組成，主要用于切換屏幕顯示內容：按鍵3長按進入參數(shù)設置狀態(tài)，短按是切換顯示內容，按鍵1和按鍵2分別代表加減來調整具體參數(shù)，比如改變澆花模式、澆花時間、澆花時長等[6]。

1.2.5 水泵電機驅動電路設計

該電路采用PC817光耦、WSP9926A N溝道MOS管設計電機驅動電路控制水泵，當單片機引腳為低電平時，光耦驅動側無電壓，內部LED不發(fā)光，輸出側三極管關斷，MOS管Q1的柵極由R15電阻下拉至GND，由于VGS=0，所以NMOS管關斷，電機不工作。當單片機引腳為高電平時，光耦驅動側電壓為3.3 V，通過限流電阻R13驅動內部LED發(fā)光，輸出側三極管導通，N-MOS管柵極被拉高，此時VGS=VOUT×R14/（R14+R15），N-MOS導通，電機開始旋轉，抽水澆花，同時LED1指示燈亮。當N-MOS管由導通轉為關斷時，由于電機是感性負載，有阻礙電流突變的能力，會產生高壓擊穿N-MOS管，所以使用二極管D1作為續(xù)流二極管，電機和二極管D6構成一條電流回路，避免損傷N-MOS管[7-9]。

2 軟件設計

該自動澆花器的特點是有多種工作模式可供選擇，其中聯(lián)網模式可以根據需要隨時隨地進行遠程控制，同時外帶

10 V的太陽能板，即可以節(jié)省能源消耗又能提升供電續(xù)航能力，甚至未來升級改造后可以用于西部干旱偏遠地區(qū)澆灌。設備通電后，系統(tǒng)首先進行初始化，其中包括ESP01S、ADC、FLASH、INA226、SPI、RTC等的初始化，之后系統(tǒng)聯(lián)網可設置自動澆花器相關參數(shù)，然后土壤濕度傳感器將讀取的數(shù)量與設置的參數(shù)進行比較，如果低于所設定的濕度閾值，則啟動水泵澆水，如果高于所設定的濕度閾值，則停止工作。同時，對輸出電機的電壓和電流進行檢測，電壓過高或過低停止電機，空載電流（水箱無水）停止電機，系統(tǒng)流程如圖3所示。

3 PCB設計

依據PCB布線原則，采用雙層板，完成了基于CW32單片機+ESP01S WiFi模塊的自動澆花器PCB設計，有效減少了信號間的交叉干擾[10]。CM32芯片位于板子中間，便于控制外部設備，整體元器件布局合理且留有多個外部接口便于后期拓展。具體布線如圖4所示。

4 結 語

以國產CM32單片機和ESP01S WiFi模塊為核心設計的自動澆花器結構簡單、制作成本低、抗干擾能力強，工作模式多樣，能滿足不同類型客戶的需要。同時，自動澆花器預留有多個擴展接口，不僅可外接土壤濕度傳感器以自動控制是否澆水，未來還能外接溫濕度傳感器來檢測空氣溫度和濕度，以便更加精準地控制澆水的時間以及出水量；而且還能外接10 V太陽能板，在增強設備續(xù)航能力的同時還更節(jié)能，未來升級改造后甚至可以用于西部偏遠地區(qū)的澆灌，具有一定的推廣價值和使用價值。

參考文獻

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作者簡介：閆治宇（1989—），男，碩士研究生，講師，研究方向為自動控制、模式識別等。