單片機(jī)智能灌溉系統(tǒng)的硬件布局組成及實(shí)現(xiàn)分析案例概述1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件構(gòu)成與布局要實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥的智能灌溉控制，各種數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及各模塊硬件的放置位置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都至關(guān)重要。在此系統(tǒng)硬件的分類里，將整個(gè)系統(tǒng)分成了STM32核心處理部分、數(shù)字傳感器部分、變頻器驅(qū)動(dòng)部分、SIM900A遠(yuǎn)程傳輸部分、控制部分。STM32作為系統(tǒng)的核心，起到連接所有硬件的作用，土壤濕度傳感器檢測(cè)收集麥田的土壤濕度，經(jīng)RS485通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，之后給控制部分發(fā)送相應(yīng)的操作指令。SIM900A遠(yuǎn)程傳輸部分可以通過(guò)手機(jī)短信的方式將警報(bào)信息發(fā)送到用戶的手機(jī)上，用來(lái)告訴用戶此時(shí)系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常。變頻器驅(qū)動(dòng)部分可以通過(guò)改變電源頻率的方式來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)噴灌麥田范圍的大小以及單位時(shí)間內(nèi)的噴水量。圖3-1基本硬件電路組成1.2STM32以及最小系統(tǒng)組成由定義知，最小系統(tǒng)是指維持單片機(jī)正常運(yùn)行的最小硬件單元。對(duì)此系統(tǒng)中用的STM32而言，其最小系統(tǒng)主要有時(shí)鐘單元、復(fù)位單元、燒寫(xiě)單元、單片機(jī)。下圖為STM32核心電路原理圖。圖3-2單片機(jī)核心電路原理圖1.2.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路可以給單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，該系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路采用了一個(gè)8MHz的晶振，以及兩個(gè)22pF的電容，105歐姆的電阻，可以幫助晶振的起振的工作，并保持震蕩信號(hào)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘電路的電路原理圖如下：圖3-3時(shí)鐘電路原理圖1.2.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位方式大體可以分為三種：通電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、程序自動(dòng)復(fù)位。為保證日常生活中系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性，需要設(shè)置復(fù)位電路，在該系統(tǒng)中采用R-C復(fù)位電路。復(fù)位電路原理圖如下：圖3-4復(fù)位電路原理圖在單片機(jī)的使用過(guò)程中，如果出現(xiàn)死機(jī)的情況或程序下載燒錄不成功時(shí)，我們需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，該單片機(jī)的復(fù)位引腳為NRST，工作狀態(tài)為低電平有效，當(dāng)復(fù)位按鍵按下時(shí)，復(fù)位引腳與GND相連接為低電平，此時(shí)單片機(jī)復(fù)位。1.2.3燒寫(xiě)電路燒寫(xiě)電路通俗來(lái)講就是經(jīng)電路接口將編寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)，就STM32單片機(jī)而言，常見(jiàn)的接口主要分為JTAG和SWD，通過(guò)日常使用體驗(yàn)分析，JTAG接口模式在較大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的下載失敗率較高，但是在SWD接口下出現(xiàn)不成功的情況會(huì)少很多，所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選擇SWD接口，并且SWD接口僅用5個(gè)I/O引腳即可實(shí)現(xiàn)程序的下載，比JTAG更加方便。圖3-5SWD接口電路原理圖1.3土壤濕度傳感器設(shè)計(jì)1.1.1傳感器的選擇為達(dá)到智能灌溉麥田的目的，麥田的土壤濕度是非常重要的檢測(cè)數(shù)據(jù)，在本設(shè)計(jì)中，我們采用SM2801B土壤濕度傳感器。該傳感器使用FDR（頻域反射技術(shù)）原理，根據(jù)接觸導(dǎo)體阻值不相同會(huì)產(chǎn)生與發(fā)射信號(hào)同頻不同段的反射信號(hào)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法變換測(cè)量土壤的表層以及土壤深層的濕度數(shù)據(jù)。該傳感器的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性很高，并且檢測(cè)速度快，被廣泛的應(yīng)用于農(nóng)田、大棚以及沙漠等極端土壤環(huán)境下使用。SM2801B土壤濕度傳感器的實(shí)物圖如下：圖3-6土壤濕度傳感器各數(shù)據(jù)線的電路連接如下：紅線：連接電源正極綠線：連接電源負(fù)極黃線：RS485A+藍(lán)線：RS485B-表1.1SM2801B土壤濕度傳感器電氣參數(shù)電氣參數(shù)SM2801B土壤濕度傳感器電源電壓工作范圍DC6V-24V響應(yīng)時(shí)間<1秒測(cè)量時(shí)間2秒水分檢測(cè)量程0-24%運(yùn)行環(huán)境溫度-30℃-85℃測(cè)量精度3%FSD1.1.2RS485通訊接口硬件設(shè)計(jì)圖3-7RS485通訊接口硬件圖RS485硬件接口采用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與變頻器間的通訊，Modbus是一種可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層相互通信的通訊協(xié)議。Modbus網(wǎng)絡(luò)組成的控制系統(tǒng)是由單片機(jī)和變頻器等智能設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)線、光導(dǎo)、同軸電纜等多種方法的電路連接而成，經(jīng)過(guò)其適配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的程序編寫(xiě)和硬件組成可以將使用者所進(jìn)行的控制過(guò)程中的所需要的數(shù)據(jù)參數(shù)反饋給使用者。RS485具有如下的特性：當(dāng)邏輯“1”時(shí)，A、B之間的電壓差以+(2~6)V表示；邏輯“0”時(shí)以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示。與RS232接口相比，接口電平較低，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。RS485通訊接口的傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、支持節(jié)點(diǎn)多和抗干擾能力更強(qiáng)等特點(diǎn)，所以時(shí)至今日RS485硬件通訊具有很廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中采用SP3485作為收發(fā)器，該芯片支持1.3V供電，最大傳輸速度可達(dá)10Mbps，支持多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且有輸出短路保護(hù)。SP3485與單片機(jī)的串口2相互連接，使用單片機(jī)的PD7口控制SP3485的數(shù)據(jù)傳遞和發(fā)送，當(dāng)PD7=0的時(shí)候，為接收狀態(tài)；當(dāng)PD7=1的時(shí)候，為發(fā)送狀態(tài)。硬件設(shè)計(jì)中的R14和R17為兩個(gè)偏置電阻，用來(lái)保證總線空閑時(shí)，A、B之間的電壓差都會(huì)大于200mV。避免總線空閑時(shí)，A、B壓差不定，引起邏輯錯(cuò)亂。1.4液體壓力傳感器設(shè)計(jì)1.4.1JH-131型壓力變送器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用在麥田中鋪設(shè)管道的方法對(duì)小麥實(shí)行噴灌的節(jié)約澆水方式，因此需要在管道上安裝液體壓力傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)管道內(nèi)的水壓，防止水壓過(guò)大將澆水管道損壞。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用的是福建泉州創(chuàng)新者集團(tuán)生產(chǎn)的JH-131擴(kuò)散硅液體壓力變送器。實(shí)物圖和硬件接線圖如下：圖3-8JH-131接線圖圖3-9JH-131實(shí)物圖壓力變送器的電氣參數(shù)如下表所示：表1.2JH-131壓力變送器電氣參數(shù)電氣參數(shù)JH-131壓力變送器工作量程范圍0-6MPa供電電源DC12-24V補(bǔ)償溫度-10-70℃工作溫度-20-80℃采樣時(shí)間2400次/秒影響時(shí)間2ms零點(diǎn)溫度飄移0.5%FS1.4.2壓力變送器的使用在本設(shè)計(jì)中，我們將液體壓力傳感器通過(guò)螺絲固定安裝在澆水管道，用來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)水的壓力值。工作原理如下圖所示：圖3-10JH-131工作原理圖擴(kuò)散硅型液體壓力傳感器的工作原理是利用導(dǎo)體不同壓力值下的阻抗不同這一電氣特性檢測(cè)液體的壓力值。當(dāng)麥田管道里的水?dāng)D壓傳感器的薄膜時(shí)，兩片薄膜之間的介質(zhì)會(huì)受到壓力產(chǎn)生形變，同時(shí)介質(zhì)的阻抗值產(chǎn)生變化，經(jīng)過(guò)這一過(guò)程，傳感器就會(huì)把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給單片機(jī)，再經(jīng)過(guò)ADC模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換之后將壓力值顯示在LCD屏幕上。1.5光照強(qiáng)度傳感器小麥的生長(zhǎng)以及果實(shí)的積累靠的是麥葉的光合作用，因此光是小麥可以正常生長(zhǎng)的很重要的因素，但是當(dāng)陰雨天氣或者冬季時(shí)期，靠天然的陽(yáng)光可能達(dá)不到適合小麥生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度，所以我們需要在麥田里加入光照強(qiáng)度傳感器來(lái)檢測(cè)麥田的光照強(qiáng)度。在本系統(tǒng)中采用GY-30光照強(qiáng)度傳感器，搭配BH1750使用，其內(nèi)部自帶有16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所以可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，不需要經(jīng)過(guò)發(fā)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。圖3-11GY-30傳感器及BH1750數(shù)字模塊光照強(qiáng)度傳感器與單片機(jī)的具體接線圖如下：圖3-12光強(qiáng)傳感器接線圖此傳感器有五條引腳杜邦線，分別為VCC（電源正極），GND（電源負(fù)極），SCL（控制線），SDA（數(shù)據(jù)線），ADDR（通訊地址線）。其中控制線與單片機(jī)PB6的I/O口連接，數(shù)據(jù)線與單片機(jī)PB7的I/O口連接。1.6穩(wěn)壓電路所有的電子產(chǎn)品以及電子設(shè)備只有工作在額定效率下才能正常工作，電子元器件工作時(shí)的實(shí)際功率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命，造成電路的不穩(wěn)定性。所以穩(wěn)壓電路在任何電路系統(tǒng)中都至關(guān)重要。在本系統(tǒng)中，我們采用9V方塊電池給單片機(jī)供電，由穩(wěn)壓模塊經(jīng)LM2596芯片將9V輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V輸出電壓。圖3-13穩(wěn)壓電路原理圖1.7水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變頻器控制設(shè)計(jì)1.7.1電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造及使用設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)按照工作方式可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。對(duì)于農(nóng)民從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)來(lái)說(shuō)，交流電機(jī)比于直流電機(jī)更加方便，選擇額定電壓為220V的交流電動(dòng)機(jī)，就可以直接連入電網(wǎng)使用，所以在實(shí)際規(guī)劃時(shí)我們采用交流電機(jī)的抽水泵。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)到麥田的土壤濕度值低于設(shè)定的濕度下限閾值時(shí)，單片機(jī)就可以控制變頻器從而電機(jī)水泵2工作，電機(jī)從水井中抽水輸送到管道中，開(kāi)始給小麥澆水。圖3-14三相電機(jī)內(nèi)部接線圖電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部分為定子和轉(zhuǎn)子部分，定子又可以分為定子鐵芯和定子繞組，同樣轉(zhuǎn)子部分也可分為轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組。三相異步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子之所以可以旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能從而將水從水井傳遞到澆水管道中，是因?yàn)檗D(zhuǎn)子氣隙內(nèi)有一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)我們給電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入三相交流電后，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子部分會(huì)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子就會(huì)跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能來(lái)進(jìn)行麥田澆水工作。1.7.2電機(jī)無(wú)極調(diào)速及變頻器使用設(shè)計(jì)傳統(tǒng)電機(jī)只能在固定的輸入電壓下工作，不能自身的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)實(shí)際的功率需求，為了能夠?qū)崿F(xiàn)麥田噴灌管道的單位時(shí)間出水量以及噴水范圍的大小，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用德瑪D5M變頻器控制水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)這一功能。通過(guò)RS485硬件通訊接口實(shí)現(xiàn)STM32與變頻器之間的通信，可以根據(jù)麥田的實(shí)際土壤濕度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器的工作原理是把交變的三相電通過(guò)整流器變成平滑直流，然后利用內(nèi)部的IGBT等電子器件組裝而成的三相逆變器，將平滑直流變成電壓、頻率可變的交流電。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際工作需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。下圖為德瑪變頻器的電路接線圖和使用界面。圖3-15德瑪變頻器的接線圖1.8報(bào)警裝置當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作異常時(shí)，如麥田的土壤濕度已經(jīng)達(dá)到了上限閾值但是電動(dòng)機(jī)依然在工作，突然濕度過(guò)高，就會(huì)影響小麥的正常生長(zhǎng)，或者當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高，澆水管道內(nèi)的水壓過(guò)大，可能會(huì)對(duì)管道造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，此時(shí)系統(tǒng)就需要設(shè)置警報(bào)裝置來(lái)告訴勞動(dòng)工作者，需要人工干預(yù)來(lái)消除風(fēng)險(xiǎn)。在本設(shè)計(jì)中我們采用LD3320芯片來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。LD3320是一款集STC11芯片以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、語(yǔ)音輸出接口、麥克風(fēng)接口于一體的智能語(yǔ)音芯片，采用DC5V供電，將需要播報(bào)的聲音存儲(chǔ)在DEMO程序中，通過(guò)外接語(yǔ)音模塊，就可以實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警的功能。報(bào)警裝置實(shí)物圖如下：圖3-16報(bào)警裝置實(shí)物圖1.9

SIM900A模塊SIM900A是可應(yīng)用于工業(yè)級(jí)別的具有超高性能的GSM/GPRS的硬件模塊?？梢?00/1800Mhz雙頻工作，能實(shí)現(xiàn)低功耗的短信、數(shù)據(jù)的傳輸功能。使用時(shí)必須采用一張運(yùn)營(yíng)商的SIM卡并且開(kāi)通GPRS功能以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信功能。下圖為SIM900A模塊的SIM卡卡座部分的電路原理圖。圖3-17SIM卡卡座原理圖該模塊采用穩(wěn)壓DC5V供電，支持RS232接口和LVTTL接口，TTL串口與1.3V以及5V的單片機(jī)的兼容性很好，可以直接與STM32連接.圖3-16RS23