基于單片機的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24886第1章智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)硬件設計 2223581.1系統(tǒng)硬件設備選型 2240321.1.1主控模塊選型 288801.1.2傳感器選型 2208351.1.3顯示屏選型 5313771.2系統(tǒng)關鍵模塊的硬件設計 664391.2.1核心板電路設計 63121.2.2DHT11溫濕度采集電路設計 817871.2.3光照強度采集電路設計 10244501.2.4OLED顯示電路設計 11280091.2.4步進電機電路設計 11159771.2.4風扇電路設計 12224621.3本章小結 1312662第2章智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)軟件設計 1348892.1KeilμVision簡介 13168962.2軟件設計 1464702.2.1主程序設計 1523512.2.2溫濕度采集、通風系統(tǒng)控制設計 16131112.2.3光照強度采集設計 19304722.3系統(tǒng)調(diào)試 2362162.4本章小結 23第1章智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)硬件設計1.1系統(tǒng)硬件設備選型1.1.1主控模塊選型開發(fā)方式上，STM32控制器與傳統(tǒng)的51單片機存在明顯差異。傳統(tǒng)的51單片機需要通過配置寄存器工作方式，為了完成配置開發(fā)者必須要查閱相關寄存器并按規(guī)定進行寄存器的賦值，效率低出錯率高。而ST公司為開發(fā)者提供的函數(shù)接口STM32庫使得開發(fā)者只需調(diào)用STM32庫便可以完成寄存器配置，做到了節(jié)約時間成本的同時又減少了設備維護成本。本設計選用的主控模塊是由意法半導體公司推出的單片機STM32F103C8T6，一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位的微控制器，，屬于STM32系列。其程序存儲器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB，2個12bitADC合計12路通道，37個通用I/O口，4個16bit定時器，工作電壓2V~1.6V，工作溫度為-40°C~85°C，系統(tǒng)時鐘最高可到72MHz。圖3-1單片機STM32F103C8T61.1.2傳感器選型傳感器是信息采集系模塊的關鍵元器件，在推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的道路上發(fā)揮了舉足輕重的作用。本設計中選用溫濕度傳感器和光敏電阻對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子信息進行采集。溫濕度傳感器此次設計的智能農(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迅速、抗干擾性能強、性價比高等多種優(yōu)點的溫濕度復合傳感器，數(shù)字信號輸出已校準。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，應用了專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術。傳感器包括了一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，其主要技術參數(shù)如下：工作電壓：DC3~5.5V溫度測量范圍：-20~60℃溫度測量精度：±2℃濕度測量范圍：5~95%RH濕度測量精度：±5%RH圖3-2溫濕度傳感器DHT11實物圖實際智能農(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，才能更加準確的采集到農(nóng)作物生長環(huán)境的空氣溫濕度和土壤濕度。檢測室內(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內(nèi)外一流水平，是目前是溫度環(huán)境檢測的最理想產(chǎn)品之一。該傳感器產(chǎn)品具有響應靈敏、穩(wěn)定性高、精度高、使用壽命長、使用簡單并且連接方便等許多優(yōu)點，除此之外可以實現(xiàn)直接現(xiàn)場實時讀取濕溫度，適合應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等各類測量領域。圖3-3壁掛式智能溫濕度傳感器實物圖檢測土壤濕度可以選用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。通過測量土壤的介電常數(shù)測量水分，具有精度高、響應快、密封性好等特點，適合用于溫室大棚、農(nóng)田灌溉、草地牧場等領域。圖3-4土壤溫濕度傳感器實物圖光敏電阻此次設計的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)選用了光敏電阻實現(xiàn)對光照強度信息的采集，光敏電阻實物如圖3-5所示。光敏電阻具有多種優(yōu)點，它的光譜響應范圍寬，特別是對紅光和紅外輻射響應度高，偏置電壓低，工作電流大，動態(tài)范圍寬，不管是強光還是弱光均能靈敏反應。除此之外，光敏電阻的光電導增益大，靈敏度高，電阻無極性，使用方便。通過光敏電阻采集光照強度信息利用的是串聯(lián)分壓，采集節(jié)點電壓原理。圖3-5光敏電阻實物圖光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。光照越強的時候光敏電阻的阻值就越低，當光照強度升高時，光敏電阻阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。光敏電阻對光照強度十分敏感，在沒有光照的時候，呈高電阻狀態(tài)，暗電阻一般可以達到1.5MΩ。而在實際智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中，選用光照強度傳感器更加便于光照強度信息的采集?？梢赃x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對光照強度進行檢測，產(chǎn)品精度高、抗干擾能力強、體積小，被廣泛用于溫室大棚、養(yǎng)殖場、住宅樓宇等場合。圖3-6光照度傳感器實物圖1.1.3顯示屏選型此次設計的智能農(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度實時顯示。OLED即有機發(fā)光二極管，又被稱作為有機電激光顯示、有機發(fā)光半導體，是一種電流型的有機發(fā)光器件，通過載流子的注入復合而發(fā)光顯示，發(fā)光強度與注入的電流成正比。OLED顯示屏如圖3-7所示，是利用有機電自發(fā)光二極管制成的顯示屏，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快。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顯示屏實物圖實際智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的設計中，可以選用能夠將用戶與控制系統(tǒng)進行連接的人機界面，即觸摸屏。在觸摸屏上通過柱狀圖加上數(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)測系統(tǒng)的運行狀態(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。用戶通過在觸摸屏上進行簡單的操作可以完成閾值參數(shù)設置，還可以控制溫室內(nèi)的通風、卷簾的設備運行，不僅使得整個控制過程更加靈活清晰，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觸摸顯示屏實物圖1.2系統(tǒng)關鍵模塊的硬件設計1.2.1核心板電路設計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核心板設備供電，尚未使用USB通信功能，因為核心板上沒有設計USB轉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1.3V電路在控制系統(tǒng)的整個設計過程中，至關重要的是供電電源部分的電路設計，電路能夠進行穩(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STM32F103C8T6，該單片機工作時需要1.3V的穩(wěn)定工作電壓。電源部分的電路設計如圖3-10所示。圖3-10供電電源電路ME6211穩(wěn)壓器有5個引腳，分別是電壓輸入端VIN、電壓輸出端VOUT、接地引腳VSS、開關控制CE和空腳NC具有高紋波抑制、低輸出噪音和超快響應低壓差的性能。電源電路部分選用ME6211穩(wěn)壓器進行電壓轉化，電壓轉化后的1.3V電壓負責給STM32單片機供電。復位電路單片機有許多種復位電路，核心板上的復位電路如圖3-11所示，屬于外部復位。單片機芯片上有外部復位引腳NRST，該引腳為低電平時系統(tǒng)復位。按下復位按鍵時S1，NRST引腳連接到電源地的信號，即低電平狀態(tài)，系統(tǒng)復位。圖3-11復位電路1.2.2DHT11溫濕度采集電路設計本設計中采用了DHT11溫濕度傳感器和STM32F103C8T6芯片對空氣的溫濕度信息進行檢測，對DHT11溫濕度傳感器進行簡單的電路連接就可以實現(xiàn)信息采集。DHT11溫濕度傳感器使用簡化的單總線通信，即僅有一根數(shù)據(jù)線，整個控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和控制都是通過這一根數(shù)據(jù)線完成。主機或從機與數(shù)據(jù)線的連接可以通過一個漏極開路或者三態(tài)端口，這樣在傳感器不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線給其他設備使用。單總線通常要求外接一個上拉電阻，目的是可以在總線閑置時保持高電平狀態(tài)，典型應用電路中當連接線長度短于5m時用2.7KΩ的上拉電阻最為合適，連接線長度大于5m時需要根據(jù)實際情況降低上拉電阻的阻值。本次控制系統(tǒng)電路設計使用1.3V的電壓對傳感器供電，因此連接線應該盡可能短，因為接線過長可能會導致傳感器供電不足，造成測量結果的偏差。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有四個引腳，分別是兩個電源引腳VCC和GND，一個數(shù)據(jù)輸出引腳DATA，一個擴展引腳NC。數(shù)據(jù)輸出引腳DATA與STM32F103C8T6的引腳相連，實現(xiàn)微處理器和DHT11之間的通訊和同步。微處理器把數(shù)據(jù)總線拉低一段時間，通知傳感器準備數(shù)據(jù)，傳感器把數(shù)據(jù)總線拉低再接高已響應主機的起始信號，在收到主機的起始信號后，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校驗位，其中濕度小數(shù)部分為0，8bit校驗位用來校驗接受的數(shù)據(jù)是否準確，當校驗位等于“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)”所得結果的末8位時，說明本次接受的數(shù)據(jù)是正確的。擴展引腳NC懸空。DHT11上電后需等待1秒越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間不能發(fā)送任何指令，上電之后檢測環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)并記錄，同時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設置為輸出的同時輸出低電平，保持時間不能少于18ms，最大不能超過30ms，然后微處理器的I/O設置為輸入狀態(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。微處理器發(fā)送的信號如圖3-13所示。圖3-13主機發(fā)送的信號DHT11的DATA引腳檢測低電平信號，并等待外部低電平信號結束，延遲后DHT11的DATA引腳處于輸出狀態(tài)，作為應答信號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，通知外設準備接受數(shù)據(jù)，發(fā)送信號如圖3-14所示。微處理器的I/O此時處于輸入狀態(tài)，檢測到DHT11發(fā)出的回應信號之后，等待在高電平之后接受數(shù)據(jù)。圖3-14從機發(fā)送的信號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)值其實都是上一次的采集結果，如果是兩次檢測的間隔時間較長的情況，想要獲取實時數(shù)據(jù)的話，需要連續(xù)讀取兩次，并以第二次獲得的數(shù)值為實時溫濕度值。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確的溫濕度數(shù)據(jù)。除此之外，當溫度低于0攝氏度時溫度數(shù)據(jù)的低8位的最高位置為1。1.2.3光照強度采集電路設計設計選用了光敏電阻對光強信息進行采集，基于內(nèi)光電效應，光敏電阻可以根據(jù)光照強度改變自身電阻大小，根據(jù)光敏電阻這一特性設計光照強度采集電路如圖3-17所示。圖3-17光照強度采集電路圖光照強度采集電路的設計基于串聯(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)，這是因為在作為模擬輸入端口時，單片機內(nèi)部的等效電阻極高，如果這時直接將光敏電阻與單片機串聯(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，不便于單片機檢測。光敏電阻的阻值變化范圍非常大，當光照強度升高時，光敏電阻阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下，而在沒有光照的時候，呈高電阻狀態(tài)，暗電阻一般可以達到幾十千歐，最高甚至可達幾兆歐。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，用單片機采集分壓電阻的電壓大小，此時就很容易檢測。電路圖中的PA4節(jié)點電壓因為光敏電阻阻值變化而變化，采集該節(jié)點電壓就可以反映出光照強度大小。采集到的電壓信息是模擬量，還需要運用STM32單片機中的A/D轉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12位的二進制數(shù)，把該二進制數(shù)代表的模擬量（電壓）通過計算即可得到真實電壓值。舉例說明計算方法：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轉化后的二進制數(shù)設為X，真實電壓值設為Y；12位ADC在轉換時將電壓的范圍的范圍大小1.3V分為212份，即4096份，所以轉換后的二進制數(shù)X代表的真實電壓Y=1.3*X/4096。1.2.4OLED顯示電路設計OLED有四個引腳，分別是兩個電源引腳VCC和GND，串行時鐘輸入引腳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步進電機電路設計設計使用5V步進電機模擬卷簾控制，用ULN2003驅動5V步進電機，電路如圖3-20所示。圖3-20電路圖步進電機需要很大的驅動電流，而直接使用單片機時管腳電流并不足以驅動步進電機，且1.3V的單片機也無法驅動5V的步進電機，因此需要轉換電路。ULN2003是一個包含7個單元的非門電路，是大電流驅動陣列，引腳圖如圖3-21所示。它由7個硅NPN達林頓管組成，每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7KΩ的基極電阻。ULN2003起擴展輸出電流以滿足被控元件電流和電壓要求的作用，使驅動電壓變?yōu)?V，驅動步進電機。圖3-22ULN2003引腳圖1.2.4風扇電路設計繼電器線圈需要通過較大的電流才能使繼電器吸合，單片機管腳電流并不滿足其要求，因此必須進行擴流。設計選用NPN型三極管驅動繼電器，三極管的放大作用可以把微弱的電信號放大成一定強度的信號。NPN三極管與繼電器的接線如圖3-22所示。繼電器在集電極，基極電壓很小時三極管就可以飽和導通，繼電器線圈上的壓降可以輕松驅動繼電器。而當繼電器接在發(fā)射集時，落在繼電器線圈上的壓降不足以驅動繼電器。圖3-22風扇電路圖1.3本章小結本章詳細介紹了硬件設計的選型控制系統(tǒng)的的硬件設計。綜合分析各種型號設備的性能及其特性，確保能夠準確采集信息、保證智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)平穩(wěn)運行。設計了基于單片機STM32F103C8T6、OLED屏、傳感器、風扇和卷簾的硬件電路，對控制系統(tǒng)的供電電源、信息采集兩個關鍵模塊的硬件設計結合電路圖進行了分析，設計合理，實現(xiàn)了實時采集溫濕度和光照強度信息、控制風扇和卷簾工作的功能。第2章智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)軟件設計2.1KeilμVision簡介KeilμVision是美國KeilSoftware公司研發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，支持C語言和匯編語言，可以進行代碼編輯、文件管理和程序的編譯調(diào)試等。目前大部分ARM內(nèi)核單片機都選擇使用Keil開發(fā)。C語言在功能、結構和可讀性方面都明顯優(yōu)于匯編語言，易學易用。Keil向用戶提供了完整開發(fā)方案，包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些功能組合在一起。每一個μVision版本下有4個獨立的軟件，分別是C51、C251、C166和ARM，如圖4-1所示。μVisionARM就是MDK，即μVisionMDK-ARM，這一款軟件主要支持ARM7、ARM9和Cortex等內(nèi)核，μVisionC51主要支持51單片機這類芯片的內(nèi)核。圖4-1μVision版本下的不同軟件此次設計使用的Keil5MDK不僅可以與之前的版本兼容，還對傳統(tǒng)的開發(fā)方式進行了升級，將其分為Core和SoftWarePacks兩部分。Core涵蓋了微控制開發(fā)所需的IDE、C++編輯器、調(diào)試跟蹤器等組件，SoftWarePacks部分包含了各種可用的設備驅動。同時Keil5對軟件界面也做出了調(diào)整，界面圖如圖4-2所示。圖4-2KeilMDK界面圖2.2軟件設計本文設計了智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)軟件的現(xiàn)場控制部分，即信息采集模塊和設備控制模塊的軟件設計?，F(xiàn)場控制部分主要實現(xiàn)以下兩方面的功能，一是對溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照強度等幾種環(huán)境因子信息的實時采集功能，二是接收控制命令，控制排風、卷簾機等設備的運行。2.2.1主程序設計1、主程序流程控制系統(tǒng)通電后，首先將硬件資源和系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，包括I/O口、AD和系統(tǒng)時鐘等，然后DHT11溫濕度傳感器對溫室大棚內(nèi)的溫濕度環(huán)境參數(shù)進行采集，光敏電阻電路對光照強強度進行采集并處理。初始化和信息采集這兩步基礎步驟完成后，對控制設備所處的狀態(tài)進行判斷，判斷控制設備是處于自動控制狀態(tài)還是手動控制狀態(tài)。當控制設備處于自動控制狀態(tài)時，通過指令調(diào)用相應環(huán)境參數(shù)的子程序；當控制設備處于手動控制狀態(tài)時，則直接調(diào)用設備控制子程序實現(xiàn)對執(zhí)行設備的開關控制。主程序流程圖如下圖4-3所示。圖4-3控制系統(tǒng)主程序流程圖關鍵程序讀取按鍵值如圖4-4所示，key_up=0，不支持連按。Key_Value=0表示沒有任何按鍵按下；Key_Value=1表示按下KEY0；Key_Value=2表示按下KEY1。圖4-4讀取按鍵值程序參數(shù)檢測如圖4-5所示。圖4-5參數(shù)檢測程序設備控制如圖4-6，自動模式下，當采集到的溫度DHT11_Temp超過設定閾值A_temp_up或濕度DHT11_Hum超過設定閾值A_hum_up時，風扇自動開啟；當光照強度gzqd超出設定閾值A_gzqd時，卷簾自動關閉。手動控制模式下，按下KEY2時，風扇啟動；按下KEY3時，卷簾動作。圖4-6設備控制程序2.2.2溫濕度采集、通風系統(tǒng)控制設計1、控制流程溫濕度采集和通風系統(tǒng)控制流程