智能農(nóng)業(yè)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15971智能農(nóng)業(yè)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 1142141.1系統(tǒng)硬件設(shè)備選型 2158931.1.1主控模塊選型 220381.1.2傳感器選型 2141691.1.3顯示屏選型 5207461.2系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì) 6244701.2.1核心板電路設(shè)計(jì) 6265041.2.2DHT11溫濕度采集電路設(shè)計(jì) 886151.2.3光照強(qiáng)度采集電路設(shè)計(jì) 10305521.2.4OLED顯示電路設(shè)計(jì) 11154321.2.4步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì) 11258201.2.4風(fēng)扇電路設(shè)計(jì) 121.1系統(tǒng)硬件設(shè)備選型1.1.1主控模塊選型開(kāi)發(fā)方式上，STM32控制器與傳統(tǒng)的51單片機(jī)存在明顯差異。傳統(tǒng)的51單片機(jī)需要通過(guò)配置寄存器工作方式，為了完成配置開(kāi)發(fā)者必須要查閱相關(guān)寄存器并按規(guī)定進(jìn)行寄存器的賦值，效率低出錯(cuò)率高。而ST公司為開(kāi)發(fā)者提供的函數(shù)接口STM32庫(kù)使得開(kāi)發(fā)者只需調(diào)用STM32庫(kù)便可以完成寄存器配置，做到了節(jié)約時(shí)間成本的同時(shí)又減少了設(shè)備維護(hù)成本。本設(shè)計(jì)選用的主控模塊是由意法半導(dǎo)體公司推出的單片機(jī)STM32F103C8T6，一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位的微控制器，，屬于STM32系列。其程序存儲(chǔ)器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB，2個(gè)12bitADC合計(jì)12路通道，37個(gè)通用I/O口，4個(gè)16bit定時(shí)器，工作電壓2V~1.6V，工作溫度為-40°C~85°C，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可到72MHz。圖3-1單片機(jī)STM32F103C8T61.1.2傳感器選型傳感器是信息采集系模塊的關(guān)鍵元器件，在推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的道路上發(fā)揮了舉足輕重的作用。本設(shè)計(jì)中選用溫濕度傳感器和光敏電阻對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子信息進(jìn)行采集。溫濕度傳感器此次設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)選用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，如圖3-2所示。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種具有響應(yīng)迅速、抗干擾性能強(qiáng)、性價(jià)比高等多種優(yōu)點(diǎn)的溫濕度復(fù)合傳感器，數(shù)字信號(hào)輸出已校準(zhǔn)。為了確保傳感器能夠擁有非常高的可靠性和優(yōu)秀的穩(wěn)定性，應(yīng)用了專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。傳感器包括了一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓：DC3~5.5V溫度測(cè)量范圍：-20~60℃溫度測(cè)量精度：±2℃濕度測(cè)量范圍：5~95%RH濕度測(cè)量精度：±5%RH圖3-2溫濕度傳感器DHT11實(shí)物圖實(shí)際智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中，需要在溫室大棚內(nèi)均勻放置大量的溫濕度傳感器，才能更加準(zhǔn)確的采集到農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫濕度和土壤濕度。檢測(cè)室內(nèi)外空氣溫濕度可以選用JWSK-6ACW型壁掛式智能溫濕度傳感器，如圖3-3所示。JWSK-6ACW型智能溫濕度傳感器性能屬于國(guó)內(nèi)外一流水平，是目前是溫度環(huán)境檢測(cè)的最理想產(chǎn)品之一。該傳感器產(chǎn)品具有響應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性高、精度高、使用壽命長(zhǎng)、使用簡(jiǎn)單并且連接方便等許多優(yōu)點(diǎn)，除此之外可以實(shí)現(xiàn)直接現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)讀取濕溫度，適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等各類測(cè)量領(lǐng)域。圖3-3壁掛式智能溫濕度傳感器實(shí)物圖檢測(cè)土壤濕度可以選用ISS-0124型土壤溫濕度傳感器采集土壤溫濕度參數(shù)，如圖3-4所示。通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)測(cè)量水分，具有精度高、響應(yīng)快、密封性好等特點(diǎn)，適合用于溫室大棚、農(nóng)田灌溉、草地牧場(chǎng)等領(lǐng)域。圖3-4土壤溫濕度傳感器實(shí)物圖光敏電阻此次設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)選用了光敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度信息的采集，光敏電阻實(shí)物如圖3-5所示。光敏電阻具有多種優(yōu)點(diǎn)，它的光譜響應(yīng)范圍寬，特別是對(duì)紅光和紅外輻射響應(yīng)度高，偏置電壓低，工作電流大，動(dòng)態(tài)范圍寬，不管是強(qiáng)光還是弱光均能靈敏反應(yīng)。除此之外，光敏電阻的光電導(dǎo)增益大，靈敏度高，電阻無(wú)極性，使用方便。通過(guò)光敏電阻采集光照強(qiáng)度信息利用的是串聯(lián)分壓，采集節(jié)點(diǎn)電壓原理。圖3-5光敏電阻實(shí)物圖光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照越強(qiáng)的時(shí)候光敏電阻的阻值就越低，當(dāng)光照強(qiáng)度升高時(shí)，光敏電阻阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。光敏電阻對(duì)光照強(qiáng)度十分敏感，在沒(méi)有光照的時(shí)候，呈高電阻狀態(tài)，暗電阻一般可以達(dá)到1.5MΩ。而在實(shí)際智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中，選用光照強(qiáng)度傳感器更加便于光照強(qiáng)度信息的采集。可以選用GHHB-002-485-PVC型光照度傳感器，如圖3-6所示。該傳感器采用感光球?qū)庹諒?qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)品精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小，被廣泛用于溫室大棚、養(yǎng)殖場(chǎng)、住宅樓宇等場(chǎng)合。圖3-6光照度傳感器實(shí)物圖1.1.3顯示屏選型此次設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)顯示屏選用了OLED顯示屏將采集到的空氣溫濕度和光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)顯示。OLED即有機(jī)發(fā)光二極管，又被稱作為有機(jī)電激光顯示、有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體，是一種電流型的有機(jī)發(fā)光器件，通過(guò)載流子的注入復(fù)合而發(fā)光顯示，發(fā)光強(qiáng)度與注入的電流成正比。OLED顯示屏如圖3-7所示，是利用有機(jī)電自發(fā)光二極管制成的顯示屏，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快。與LCD比較可以發(fā)現(xiàn)OLED顯示屏更輕薄、亮度更高、功耗低、響應(yīng)快、清晰度高、柔性好、發(fā)光效率高。圖3-74針I(yè)IC型OLED顯示屏實(shí)物圖實(shí)際智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以選用能夠?qū)⒂脩襞c控制系統(tǒng)進(jìn)行連接的人機(jī)界面，即觸摸屏。在觸摸屏上通過(guò)柱狀圖加上數(shù)值的圖表模式精確顯示各種環(huán)境參數(shù)，除了可以向用戶顯示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)這一功能之外，還可以完成普通液晶顯示屏做不到的功能。用戶通過(guò)在觸摸屏上進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作可以完成閾值參數(shù)設(shè)置，還可以控制溫室內(nèi)的通風(fēng)、卷簾的設(shè)備運(yùn)行，不僅使得整個(gè)控制過(guò)程更加靈活清晰，還減少了按鈕等儀器的使用。綜合考慮產(chǎn)品的功能、成本和質(zhì)量等參數(shù)，可以選擇DOP-B10S411型觸摸屏，如圖3-8所示。圖3-8觸摸顯示屏實(shí)物圖1.2系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì)1.2.1核心板電路設(shè)計(jì)1、USB接口電路USB接口電路如圖3-9所示，該電路目前只用于對(duì)核心板設(shè)備供電，尚未使用USB通信功能，因?yàn)楹诵陌迳蠜](méi)有設(shè)計(jì)USB轉(zhuǎn)TTL電路，所以也不支持USB串口調(diào)試下載。圖3-9USB接口電路2、5V轉(zhuǎn)1.3V電路在控制系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，至關(guān)重要的是供電電源部分的電路設(shè)計(jì)，電路能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠工作的前提條件就是性能穩(wěn)定的供電電源?？刂葡到y(tǒng)中選用的核心處理器是單片機(jī)STM32F103C8T6，該單片機(jī)工作時(shí)需要1.3V的穩(wěn)定工作電壓。電源部分的電路設(shè)計(jì)如圖3-10所示。圖3-10供電電源電路ME6211穩(wěn)壓器有5個(gè)引腳，分別是電壓輸入端VIN、電壓輸出端VOUT、接地引腳VSS、開(kāi)關(guān)控制CE和空腳NC具有高紋波抑制、低輸出噪音和超快響應(yīng)低壓差的性能。電源電路部分選用ME6211穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，電壓轉(zhuǎn)化后的1.3V電壓負(fù)責(zé)給STM32單片機(jī)供電。復(fù)位電路單片機(jī)有許多種復(fù)位電路，核心板上的復(fù)位電路如圖3-11所示，屬于外部復(fù)位。單片機(jī)芯片上有外部復(fù)位引腳NRST，該引腳為低電平時(shí)系統(tǒng)復(fù)位。按下復(fù)位按鍵時(shí)S1，NRST引腳連接到電源地的信號(hào)，即低電平狀態(tài)，系統(tǒng)復(fù)位。圖3-11復(fù)位電路1.2.2DHT11溫濕度采集電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用了DHT11溫濕度傳感器和STM32F103C8T6芯片對(duì)空氣的溫濕度信息進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路連接就可以實(shí)現(xiàn)信息采集。DHT11溫濕度傳感器使用簡(jiǎn)化的單總線通信，即僅有一根數(shù)據(jù)線，整個(gè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和控制都是通過(guò)這一根數(shù)據(jù)線完成。主機(jī)或從機(jī)與數(shù)據(jù)線的連接可以通過(guò)一個(gè)漏極開(kāi)路或者三態(tài)端口，這樣在傳感器不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線給其他設(shè)備使用。單總線通常要求外接一個(gè)上拉電阻，目的是可以在總線閑置時(shí)保持高電平狀態(tài)，典型應(yīng)用電路中當(dāng)連接線長(zhǎng)度短于5m時(shí)用2.7KΩ的上拉電阻最為合適，連接線長(zhǎng)度大于5m時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況降低上拉電阻的阻值。本次控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)使用1.3V的電壓對(duì)傳感器供電，因此連接線應(yīng)該盡可能短，因?yàn)榻泳€過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致傳感器供電不足，造成測(cè)量結(jié)果的偏差。由此，溫濕度傳感器電路圖如圖3-12所示。圖3-12DHT11溫濕度采集電路圖DHT11有四個(gè)引腳，分別是兩個(gè)電源引腳VCC和GND，一個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳DATA，一個(gè)擴(kuò)展引腳NC。數(shù)據(jù)輸出引腳DATA與STM32F103C8T6的引腳相連，實(shí)現(xiàn)微處理器和DHT11之間的通訊和同步。微處理器把數(shù)據(jù)總線拉低一段時(shí)間，通知傳感器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，傳感器把數(shù)據(jù)總線拉低再接高已響應(yīng)主機(jī)的起始信號(hào)，在收到主機(jī)的起始信號(hào)后，傳感器一次性從數(shù)據(jù)總線傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。傳送的40位數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位，其中濕度小數(shù)部分為0，8bit校驗(yàn)位用來(lái)校驗(yàn)接受的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，當(dāng)校驗(yàn)位等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位時(shí)，說(shuō)明本次接受的數(shù)據(jù)是正確的。擴(kuò)展引腳NC懸空。DHT11上電后需等待1秒越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間不能發(fā)送任何指令，上電之后檢測(cè)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)并記錄，同時(shí)DHT11的DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高，一直保持高電平狀態(tài)，DATA引腳處于輸入狀態(tài)。微處理器的I/O設(shè)置為輸出的同時(shí)輸出低電平，保持時(shí)間不能少于18ms，最大不能超過(guò)30ms，然后微處理器的I/O設(shè)置為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻，微處理器的I/O隨之變高，等待DHT11發(fā)出回答信號(hào)。微處理器發(fā)送的信號(hào)如圖3-13所示。圖3-13主機(jī)發(fā)送的信號(hào)DHT11的DATA引腳檢測(cè)低電平信號(hào)，并等待外部低電平信號(hào)結(jié)束，延遲后DHT11的DATA引腳處于輸出狀態(tài)，作為應(yīng)答信號(hào)DATA引腳輸出83微秒的低電平，接著再輸出87微秒的高電平作為通知信號(hào)，通知外設(shè)準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)，發(fā)送信號(hào)如圖3-14所示。微處理器的I/O此時(shí)處于輸入狀態(tài)，檢測(cè)到DHT11發(fā)出的回應(yīng)信號(hào)之后，等待在高電平之后接受數(shù)據(jù)。圖3-14從機(jī)發(fā)送的信號(hào)DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)至微處理器，位數(shù)據(jù)“0”輸出為54微秒的低電平和23~27微秒的高電平，如圖3-15所示。位數(shù)據(jù)“1”輸出為54微秒的低電平和68~74微秒的高電平，如圖3-16所示。圖3-15位數(shù)據(jù)“0”格式圖3-16位數(shù)據(jù)“1”格式DATA數(shù)據(jù)引腳輸出數(shù)據(jù)之后，繼續(xù)輸出54微秒低電平后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。使用DHT11溫濕度傳感器還需要注意每次傳感器讀出的溫濕度數(shù)值其實(shí)都是上一次的采集結(jié)果，如果是兩次檢測(cè)的間隔時(shí)間較長(zhǎng)的情況，想要獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的話，需要連續(xù)讀取兩次，并以第二次獲得的數(shù)值為實(shí)時(shí)溫濕度值。但是不建議連續(xù)多次讀取傳感器，每次讀取傳感器間隔只要大于兩秒就可以采集到準(zhǔn)確的溫濕度數(shù)據(jù)。除此之外，當(dāng)溫度低于0攝氏度時(shí)溫度數(shù)據(jù)的低8位的最高位置為1。1.2.3光照強(qiáng)度采集電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)選用了光敏電阻對(duì)光強(qiáng)信息進(jìn)行采集，基于內(nèi)光電效應(yīng)，光敏電阻可以根據(jù)光照強(qiáng)度改變自身電阻大小，根據(jù)光敏電阻這一特性設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度采集電路如圖3-17所示。圖3-17光照強(qiáng)度采集電路圖光照強(qiáng)度采集電路的設(shè)計(jì)基于串聯(lián)分壓原理，在串聯(lián)電路中，各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓紙盒等于電路的總電壓，用公式表示為R1:R2=U1:U2。根據(jù)串聯(lián)分壓原理將光敏電阻與10KΩ電阻串聯(lián)，這是因?yàn)樵谧鳛槟M輸入端口時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的等效電阻極高，如果這時(shí)直接將光敏電阻與單片機(jī)串聯(lián)，光敏電阻的阻值變化的大小并不能引起輸入端電壓的明顯變化，不便于單片機(jī)檢測(cè)。光敏電阻的阻值變化范圍非常大，當(dāng)光照強(qiáng)度升高時(shí)，光敏電阻阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下，而在沒(méi)有光照的時(shí)候，呈高電阻狀態(tài)，暗電阻一般可以達(dá)到幾十千歐，最高甚至可達(dá)幾兆歐。與分壓電阻串聯(lián)后，光敏電阻的阻值變化可以引起串接電阻的電壓的明顯變化，用單片機(jī)采集分壓電阻的電壓大小，此時(shí)就很容易檢測(cè)。電路圖中的PA4節(jié)點(diǎn)電壓因?yàn)楣饷綦娮枳柚底兓兓杉摴?jié)點(diǎn)電壓就可以反映出光照強(qiáng)度大小。采集到的電壓信息是模擬量，還需要運(yùn)用STM32單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)化模塊將模擬量量化為數(shù)據(jù)量，流程框圖如圖3-18所示。圖3-18模數(shù)轉(zhuǎn)化框圖初始化ADC引腳后，獲取模擬量數(shù)據(jù)，模擬量數(shù)據(jù)是一個(gè)12位的二進(jìn)制數(shù)，把該二進(jìn)制數(shù)代表的模擬量（電壓）通過(guò)計(jì)算即可得到真實(shí)電壓值。舉例說(shuō)明計(jì)算方法：供電電源給電路提供1.3V的電壓，所以采集分壓電阻的電壓范圍是0~1.3V；將AD轉(zhuǎn)化后的二進(jìn)制數(shù)設(shè)為X，真實(shí)電壓值設(shè)為Y；12位ADC在轉(zhuǎn)換時(shí)將電壓的范圍的范圍大小1.3V分為212份，即4096份，所以轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)X代表的真實(shí)電壓Y=1.3*X/4096。1.2.4OLED顯示電路設(shè)計(jì)OLED有四個(gè)引腳，分別是兩個(gè)電源引腳VCC和GND，串行時(shí)鐘輸入引腳SCK，串行數(shù)據(jù)輸入引腳SDA，接線如圖3-19所示。圖3-19OLED電路圖1.2.4步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)使用5V步進(jìn)電機(jī)模擬卷簾控制，用ULN2003驅(qū)動(dòng)5V步進(jìn)電機(jī)，電路如圖3-20所示。圖3-20電路圖步進(jìn)電機(jī)需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，而直接使用單片機(jī)時(shí)管腳電流并不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且1.3V的單片機(jī)也無(wú)法驅(qū)動(dòng)5V的步進(jìn)電機(jī)，因此需要轉(zhuǎn)換電路。ULN2003是一個(gè)包含7個(gè)單元的非門(mén)電路，是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，引腳圖如圖3-21所示。它由7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成，每一對(duì)達(dá)林頓