基于STM32单片机的家用智能立体种植系统设计

崔弘

基于STM32单片机的家用智能立体种植系统设计

崔弘

（齐齐哈尔大学 计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

设计了一种基于单片机的家用智能立体种植系统，该系统以单片机STM32F103RCT6为主控芯片，利用光敏传感器和湿度传感器采集信息并反馈给单片机，单片机利用自身的ADC转换器分析接收到的信号，经过内部处理后控制电机和水泵工作，实现系统自动逐日和浇水功能，最大程度地保证了种植果蔬的产量和质量。为了防止环境变化及系统故障，设置了按键及显示电路，可手动控制电机工作，也可设置光强和湿度阈值，增加了系统的使用寿命。

单片机；立体种植系统；逐日

随着人们生活水平的提高、家居条件的改善，人们越来越重视日常生活中消费的蔬果品质。目前日益严重的生态环境破坏和农药的肆意使用使人们对市场、超市出售的果蔬越来越失去信心[1-3]。由于楼房居住是没有耕地的，因此，根据社会现状和实际需求设计了家用智能立体种植系统，可以利用家里较小的空间，实现小型果蔬的种植。

1 系统总体设计方案

整体设计方案框图如图1所示，包括主控单元（STM32单片机）、数据采集单元（传感器）、控制单元（电机、水泵）、执行设备（框架）、保护单元、通信单元。系统采用单片机作为主控芯片，通过光敏传感器和湿度传感器，分别检测外部光照条件和内部土壤湿度，并将检测结果返回单片机，单片机根据检测结果与内部设置相比较，控制电机和水泵工作，实现立体种植系统的逐日和自动灌溉功能。逐日是根据各部位光敏电阻阻值的变化控制装置自动转动，使装置处于阳光直射的状态，增加植物光照率；自动浇水是根据土壤中湿度传感器检测值变化控制水泵工作，使土壤保持合适的湿度，为植物提供充足的水分。系统还设计了限位保护电路，以防电机运动过度毁坏装置。同时还设置了按键及显示电路，在自动跟踪出现故障时，通过手动按键调节装置位置；在环境湿度较大时，通过手动按键调节预设的湿度值，可通过显示屏查看。

图1 总体设计框图

2 智能立体种植系统硬件电路设计

系统的硬件电路包括主控单元电路、电机驱动电路、数据采集模块、控制驱动电路、保护电路、操作显示电路等，本部分只对部分主要电路进行介绍[4]。

2.1 STM32单片机控制电路

考虑到传感器检测的是模拟信号，需要模数转换才能被单片机接收，为了使硬件系统占地较小且功能齐全，选择性能较优越的STM32单片机作为主控芯片。家用智能立体种植系统以STM32F103RCT6为核心控制器件，完成系统的信号处理和协调控制功能。STM32F103RCT6是STMicroelectronics公司生产的STM32F1系列中的一款增强型芯片，具有集成度高、功耗低、成本低、性能高等优点。其最小系统由芯片本身、晶振电路、复位电路及供电电路组成[5]。

图2 最小系统电路图

2.2 电机驱动电路

家用智能立体种植系统逐日部分设计采用间歇跟踪方式，跟踪角度精度较高，但跟踪速度非常慢，因此选择步进电机作为跟踪机构。由于是双电机工作，驱动芯片采用可以驱动二相和四相电机的专用驱动器L298N。L298N为内含2个H桥的高电压、大电流双全桥驱动器，可以直接与单片机相连，通过IO口进行控制，电路简单，使用方便，电路如图3所示。ENA和ENB为控制使能端，高电平有效，分别控制电机A和B的停转；IN1~IN4为控制输入端，接收单片机输入的控制电平，决定电机的正反转，其中，IN1, IN2控制电机A，IN3, IN4控制电机B；OUT1~OUT4为控制输出端，OUT1, OUT2接电机A，控制框架上下旋转；OUT3, OUT4接电机B，控制框架左右旋转。图中的8个二极管作为箝位使用，目的是保护L298N不受电机线圈在运转过程中两边产生反电势的冲击。

图3 电机驱动电路图

2.3 数据采集电路

数据采集模块有光敏传感器和湿度传感器[6]，考虑到系统的结构以及光敏传感器的使用，光敏器件选择了工作原理简单、性价比较高的光敏电阻，光敏电阻的工作原理是根据不同光照下光敏阻值的变化，控制装置逐阳，使太阳光始终垂直照射在光敏电阻上。光敏电阻的位置图4(a)中标出[8]，当太阳光直接照射在装置上时，4个光敏电阻感受的光强相同，阻值不变，装置不移动；当太阳光偏射时，东西或者南北两组光敏电阻感受光强不同，阻值发生变化，电路定时采集变化的电压，送到STM32单片机自带的模数转换中，算法转换后控制步进电机转动，使太阳光重新直射装置，达到精确逐日的目的[7]。电路图如图4(b)所示。

图4 系统逐日原理图

根据实际使用情况，湿度传感器需检测土槽内土壤湿度，需要选择埋入式湿度传感器，考虑到元件的大小和造价，选择湿度传感器YL69。湿度传感器模块的工作原理是根据埋入式湿度传感器检测的湿度值，判断是否缺水。当达到最低阈值时启动水泵补水，当到达湿度最大值时停止补水[8]。埋入位置图如图5(a)所示[8]，接线图如图5(b)所示。K1为土壤探头，当土壤湿度低时，探针间电阻接近无穷大，此时AC口采集的电压值相当于VCC；当土壤湿度高时，探针间电阻减小，AC口采集的电压值发生变化。LM393为比较器，标准值可通过R1设定。当土壤湿度大即AC采集值小时，OUT端输出低电平，相反输出高电平。OUT端为YL69的DO端，输出数字量，用于湿度阈值控制开关。AC端为YL69的AO端，输出模拟量，用于实时显示湿度值，本系统应用的OUT端，根据预设的湿度值，控制系统自动补水[9]。

图5 系统灌溉原理图

3 系统软件设计

系统的软件设计包括主程序、逐日流程、智能补水流程、电机控制流程、数据转换流程、按键及液晶显示等，本部分只对部分主要流程进行介绍。

3.1 系统主流程

系统上电后，先进行初始化及自检，完成后开始扫描与传感器相连的I/O口。当检测到相应I/O口有信号变化时，执行相应的判断程序，由单片机协调和控制电机或水泵工作，程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

3.2 逐日流程

以上侧光敏传感器检测为基准，当光强大于一定的值时，光敏传感器模块开始运作，分析判断上下左右侧光照强度，将由于光敏电阻值变化引起的电压变化反馈给单片机，进而控制驱动电路驱动两个步进电机转动。光敏传感器检测顺序为上、下、左、右[7]，程序流程图如图7所示。

3.3 电机控制信号输出流程

脉冲宽度调制（PWM），就是对脉冲宽度进行控制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。也是控制步进电机运动的一种有效的技术。STM32单片机本身就可以产生PWM输出，其中高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生7路的PWM输出，而通用定时器也能同时产生4路的PWM输出[10]。控制步进电机的PWM输出程序流程图如图8所示，通过芯片内部配置即可实现输出。

图7 逐日流程图

图8 控制信号PWM输出流程图

4 结束语

随着城市人口的增多，考虑到物价和果蔬安全问题，家用智能农业具有巨大的应用前景。本文设计了基于STM32单片机的家用智能立体种植系统，具有自动逐日和灌溉功能，占地面积比较小，适合城市家庭应用。

[1] 张怀波，张伟娟，周保龙，等. 我国阳台农业发展现状评析[J]. 安徽农业科学，2014(18): 5825-5826, 5830.

[2] Schupp J L, Sharp J S. Exploring the social bases of home gardening[J]. Agriculture and Human Values, 2012, 29(1): 93-105.

[3] 殷振新，辜松，范开钧，等. MINI 温室智能种植系统构建[J]. 农机化研究，2021, 43(7): 136-140.

[4] 王丽敏. Altium Designe在电子电路设计中的应用[J]. 数字化用户，2019, 25(7): 55.

[5] 梅丽凤. 单片机原理及接口技术[M]. 北京：交通大学出版社，2018.

[6] 黄继昌. 传感器工作原理及应用实例[M]. 北京：人民邮电出版社，2017.

[7] 李欣雪，陈贵镔，江炼强，等. 智能农业光伏发电追踪系统应用研究[J]. 信息技术与信息化，2020(8): 200-202.

[8] 杨勤，刘大帅，王卫星，等. 基于SET/TRIZ的家庭智能蔬菜种植箱创新设计[J]. 包装工程，2020, 41(16): 170-175.

[9] 孙浩文. 基于单片机的温室温湿度采集系统设计[J]. 自动化与仪器仪表，2017(3): 198-200．

[10] 蓝厚荣. 单片机的PWM控制技术[J]. 工业控制计算机，2010, 23(3): 97-98.

Design of household intelligent stereo planting system based on STM32 single chip microcomputer

CUI Hong

(College of Computer and Control Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161000, China)

This paper design a kind of household intelligent three-dimensional planting system based on single chip microcomputer, the system with the STM32F103RCT6 as main control chip, using photosensitive sensor and humidity sensor to collect the information and feedback to MCU, MCU using its ADC converter analysis of the received signal to control the motor and pump work, to realize the automatic daily and irrigation function, the greatest degree of assurance the production and quality of planted fruits and vegetables. In order to prevent environmental change and system failure, the key and display circuit are set, the motor can be manually controlled, the light intensity and humidity threshold can also be set, which increases the service life of the system.

single-chip computer；stereo planting system；tracking the sun

2021-03-10

齐齐哈尔大学教育科学研究项目（GJZRYB202025）

崔弘（1993-），女，吉林长春人，助教，硕士，主要从事电力电子与电力传动研究，1543136019@qq.com。

TP273+.5

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1007-984X(2021)04-0022-05