基于单片机的远程控制浇花系统

[21]。在第三章论述过本设计所使用的YL-69土壤湿度传感器湿度测量范围为20－80％RH，故使用YL-69土壤湿度传感器所测得电压经单片机内部ADC转换后，所得到的数值理想状态下最大值为4096的80%左右，即3373。由图3.12及YL-69测量原理可知所测量的土壤湿度越低，传感器测得模拟电压越大，经ADC转换后的数值越大，故直接用此值除以3373所得结果是不对的，应该先用ADC最大值与实时测量数据的差值再除以传感器最大有效测量值，得到传感器测量有效范围内的土壤相对湿度百分比。在之后的程序运行中就运用选择语句和循环语句以soilhmValue的值为判定依据操控水泵启动以及关闭。当soilhmValue的值小于60时将RELAY置1，启动水泵浇水。直到soilhmValue值大于80时将RELAY置0，关闭水泵停止浇水。这样就实现了自动浇水的功能。具体程序实现如下所示。本部分完整程序详见附录。if(soilhmValue<80)//{if(soilhmValue<60)RELAY=1;}//继电器闭合else{RELAY=0;}//继电器断开4.6光照强度补充模块程序设置在装置工作时此模块的工作和土壤湿度调节模块的模式大致相同，主要有两个部分决定，一个是光照强度传感器检测数据与单片机预设数据的比较决定。若光照强度传感器检测数据低于单片机预设数据则此模块开始工作，反之则不工作。另一个是由GSM中短信指令控制，若单片机读取的短信中接收到“light”的内容则模块直接开始工作。短信控制的优先级高于传感器的控制。其工作流程如图4.6所示。图4.6光照强度调节模块工作流程图Fig.4.6Theworkflowchartoflightintensityadjustmentmodule在3.2.4硬件设计中对补光灯的控制是通过单片机的PB12引脚输出一个电平信号给三极管实现开启或关闭补光灯的操作。为简化程序便于理解所以在程序中就将单片机的PB12口定义为LIGHT，再后续的操作中就只需要对LIGHT置0置1实现使PB12引脚输出低电平或者高电平。具体的程序设计为，首先判断短信控制标志mesgWaterFlag是否为1。若为1则不执行此部分程序。防止与短信控制发生冲突。若短信控制标志mesgWaterFlag不为1，那么通过传感器检测到的模拟电压信号通过单片机的PB0引脚送入单片机内部并调用单片机内部ADC转换成一个数字电压，再对其进行处理。与土壤湿度补充模块程序处理相类似，在程序中具体处理方式如下所示。lightValue=100-100*ADC_ConvertedValue[0]/4096与土壤湿度补充模块不同的是，此处可直接用ADC转换得出的值除以ADC转换最大值，因为以光敏电阻为传感器其阻值受光照影响变化非常大，所以可以达到ADC转换最大值。但由于光敏电阻阻值是随光照强度的增加而下降的，所以还需要用100与经PB0接收到的模拟电压经ADC转换得出的值与ADC转换最大值的比值之差求得的结果，才是光照强度的百分比。在之后的程序运行中就运用选择语句以lightValue的值为判定依据操控补光灯是否启动。当lightValue的值小于30时，将LIGHT置为1操控补光灯开启开始补光。当lightValue的值大于30时，将LIGHT置为0操控补光灯关闭停止补光。具体程序实现如下所示。本部分完整程序详见附录。if(lightValue<30){LIGHT=1;}//打开灯光else{LIGHT=0;}//关闭灯光

系统制作与验证在完成系统的总体设计、必要的模块制作、电子元件组装、编程等前期任务后，就需要完成硬件焊接制作，导入程序，然后开始对设备进行测试，看其是否按预期运行。设计实验，验证其功能是否能达到预期的设计需求。5.1模块电路的工作验证在正式焊接之前应该先对整个系统的各硬件电路进行测试，测试其是否能够正常工作。本次测试使用面包板和杜邦线搭建整个系统从而进行测试，清晰直观的将各个电路的工作状态展现出来。此方法还可以直观的测试出每个模块功能是否完好便于在正式焊接前及时发现问题更换元件或设计方案。此过程也就替代了电路的软件仿真过程。面包板搭建测试如图5.1所示。图5.1面包板搭建装置图Fig.5.1Thediagramofabreadboardbuildingdevice在初步从面包板上验证了装置的完整性及可行性之后，由于面包板连接并不够稳定所以还要进行PCB板的制作。在第三章中已完成对PCB板的布线操作，所以在此部分就对照图3.14进行手工焊接即可。5.2硬件焊接与系统调试硬件焊接时主要需要注意的除了元件的位置与接线，还有引脚是否存在虚焊或与其周围是否有短路、断路的现象。可用万用表测量各引脚的电压并于理论值相比较，经过这样检测后能更好的确保系统焊接稳定可靠。焊接全部完成系统上电后，先观察各模块是否可以正常工作，再使用万用表测量各个引脚处的电压等参数是否正常，确认没有问题后再进行程序的烧录。5.2.1单片机程序的烧录本次设计程序烧录选用的是USB转TTL串口的方式进行程序烧录，所使用的串口模块为PL2303，烧录程序选用FlyMcu。此方式非常经济，免去了较为繁琐了JTAG仿真器的调试过程。只需安装一个CH340驱动即可实现程序的烧录。需要注意的是STM32F103C8T6单片机在程序烧录时需要将最小系统版的BOOT0跳线帽置为1，BOOT1跳线帽置为0。也需注意在连接好准备烧录程序时要点按单片机上的复位按键程序才能正常烧录进单片机中。跳线帽位置如图5.2所示，单片机于串口模块的连线如图5.3所示。图5.2程序烧录时跳线帽位置示意图Fig.5.2Thediagramofjumpercappositionwhenprogramburning图5.3单片机与串口PL2303的接线Fig.5.3ThewiringoftheMCUandtheserialportPL2303接线说明：单片机的PA9接口是单片机的RXD接口需要连接PL2303的TXD接口,单片机的PA10接口是单片机的TXD接口需要连接PL2303的RXD接口,单片机的GND口和3V3分别对应连接PL2303的GND和3V3接口。跳线帽将5V和VCC相连如图5.3所示。在程序烧录完成后，测试各模块是否可以达到预期功能。焊接并烧录调试成功后，装置成品焊接情况如图5.4所示。图5.4装置焊接完成图Fig.5.4Weldingcompletiondrawingofthedevice5.2.2系统调试在此部分进行系统调试，具体查看各功能的完整及实际工作状态是否正常。在进行各功能测试后发现当水泵启动瞬间由于系统电流过大，影响了液晶显示屏的工作，造成液晶显示屏闪烁和字符丢失，故在程序当中在水泵启动时进行重新配置液晶用于解决此问题。在使用过程中还发现当水泵启动时GSM模块有时会自动关机，分析原因后发现是由于系统中存在水泵和GSM模块同时工作，所需工作电流较大，原来使用的跳线过于纤细，无法满足较大的电流通过，所以将所有跳线部分换用了更粗的导线以确保两个模块可以正常工作。如图5.5所示。图5.5装置背面图Fig.5.5Pictureofthebackofthedevice整个系统经测试后没有发现其他问题，系统能够满足要求且持续稳定的工作。5.3实验验证与分析在完成焊接、程序烧录和系统调试等工作后，设计实验对其是否满足设计目的进行测量与验证，分析装置的缺陷，思考改进的方式。主要的实验方法为：先将土壤湿度传感器插入干燥土壤样本中，通过人为加水和烘干的方式将土壤样本的湿度先升高后降低，在这个过程中查看装置的工作状态。并以此来验证装置的土壤湿度补充功能是否达到设计要求。在光照强度补充实验部分，使用遮光片缓慢遮挡光照传感器后再缓慢移除遮挡，观察整个过程中USB高亮补光灯的工作状态，以此来验证装置的光照补充功能是否达到设计要求。验证实际使用是否与程序设计相符。在远程控制实验部分，通过手机向GSM模块中电话卡发送相应指令，并观察水分补充模块和光照补充模块的工作状态以此来验证设计是否满足要求。通过以上三个部分最后综合评定装置是否达到设计需求，实现设计目的，并分析装置在实际生活中应用的可行性。完成上述实验后，再次对装置内的元件进行分析，寻找改良的方法。5.3.1设计实验由于装置设计主要是针对家庭使用的，为了更好的模拟家庭使用场景，实验选择在室内常温下进行，通过分别对每个模块的实验，得出结论。实验所需要的土壤样本均为在学校采集，具有随机性。实验用具：干燥的土壤样本、遮光片、手机、电源、吹风机、土壤湿度传感器和光照强度传感器等。5.3.2实验过程第一步：装置上电，观察各模块的工作状态。确保各模块工作正常。装置上电如图5.6所示。图5.6装置上电工作图Fig.5.6Poweronworkingdiagramofthedevice第二步：将土壤湿度传感器插入干燥的土壤样本中，查看补水装置在土壤湿度低于预设下限值60%时是否工作，高于预设上限值80%时是否停止工作。装置工作状态如图5.7和5.8所示。从图5.7中我们可看出，传感器在干燥的土壤中所测得数据为6%，低于预设下限值60%，水泵开始工作为土壤持续补充水分。在图5.8中可以看到此时传感器测量数据为85%高于预设上限值水泵停止工作。图5.7干燥的土壤中装置工作状态Fig.5.7Theworkingstateofthedeviceindrysoil图5.8补水一段时间后装置工作状态Fig.5.8Theworkingstateofthedeviceafteraperiodofhydration第三步：用吹风机从底部向土壤样本吹热风，使土壤中水分快速蒸发，加速土壤湿度的降低，并查看整个过程中装置的工作状态。如图5.9所示在用吹风机持续向土壤底部输送热风一段时间后，土壤相对湿度下降至56%此时水泵又开始工作，直到土壤相对湿度上升至80%停止。图5.9水分蒸发后所测得数据Fig.5.9Datameasuredafterwaterevaporation第四步：开始进行光照强度补充实验部分。用遮光片缓慢靠近光照传感器，再缓慢移开，并观察光照传感器测量读数和补光灯工作状态。如图5.10和5.11所示，当遮光片缓慢靠近光照传感器时，显示屏上光照传感读数下降，并在低于30时自动开启补光灯进行补光；当遮光片缓慢远离光照传感器时，显示屏上光照传感器读数上升并在高于30时自动关闭补光灯。图5.10遮光片靠近时装置工作状态Fig.5.10Theworkingstateofthedevicewhentheshadingsheetisclosetoit图5.11遮光片远离时装置工作状态Fig.5.11Theworkingstateofthedevicewhentheshadingisfaraway第五步：开始进行远程控制实验部分。用手机向GSM模块中的电话卡发送预设指令并观察对应模块的工作状态。用手机发送相应指令后能观察到对应的模块启动工作，并接收到回复如图5.12所示。图5.12用户手机端于GSM模块的通信过程Fig.5.12Thecommunicationprocessoftheuser'smobilephonetotheGSMmodule第六步：实验完成，将装置关机并整理所有实验用具。5.3.3实验结果分析从以上实验结果可以看出，装置实现了所需要的功能。对于土壤湿度补充模块来说，功能正常且传感器较为灵敏，能够达到设计要求，但有时传感器读数会超过100%初步分析出现此现象主要由程序算法的方式，传感器本身的参数以及插入土壤的深度所决定，虽然实验中控制了每组插入土壤深度相同，但并未找到最适宜的插入深度，故造成结果的误差。对于光照强度补充模块来说，也初步实现了所需要的补光功能。但出现了有时用遮光片将光照传感器完全遮住但补光灯仍然不会工作的现象。分析可能是由于传感器距离LCD背光太近，以至于影响了实验结果。但光照并不需要特别准确的精度，实测在装置正常工作的状态下，在实际生活中只要天黑补光灯就会自动开启，也已经满足了设计要求。从整个装置的设计目的方面看，装置各功能均正常工作，功能方面已经完全达到设计要求，且体积小，功耗低，制作成本低。实现了用户对装置的功能需求和经济需求。5.3.5实验总结与展望由于传感器本身不可避免的误差等原因，本装置测量精度并不是非常高，但从实验结果来看还是能够证明装置的灵敏性和实用性。装置工作时各模块电路都运作正常，且能够很好地实现预期功能。由于测量精度不够高的主要原因来自于土壤湿度传感器和光照强度传感器的工作原理，测量范围和工作稳定性。所以并不能在不更换更好的传感器的情况下提升装置的测量精度。市面上精度较高的传感器价格都比较昂贵，如果本装置使用性价比就不高了，也增大了此装置在家庭中普及的难度。虽然本装置主要针对家庭盆栽的种植对测量精度要求并不是特别高，但更高精度可以更盆花提供更适宜的生长条件，从而使盆花长势优良。故希望在感器技术越来越成熟的未来能够拥有经济实惠，性能优良的传感器运用在此装置上。

总结家用远程控制浇花系统能够实时监测花卉的生长环境条件，在花卉无人管理时能够及时的为花卉提供适宜的生长条件，并能够向出门在外的主人通过短信的方式报告花卉实时生长环境，从而使用户能够不惧家庭花卉因自己出门在外造成其死亡，凋零。使每一个养花人更加轻松愉悦的享受花卉绽放带来的快乐。本文针对国内现状，综合电子电路、无线通信、土壤湿度及光照强度监测等技术，设计了一款家用远程控制浇花系统，该装置能够实时监测并调整花卉的生长条件。当土壤湿度过低时，可以自动的为其补充水分。并增加了光照补充的附加功能，当光照强度过低时，可以自动的为其补充光照。装置采用了STM32F103C8T6单片机最小系统、YL-69探头的可拆卸土壤湿度传感器模块、光照强度传感器模块、可拆卸GSM模块、可拆卸显示屏模块、供电电路、补水电路和补光电路。其中除基本电路元件外的各模块与芯片均为可拆卸式，在一定程度上延长了装置使用寿命的同时也降低了装置维修成本使装置更易于维护和调整。同时装置本身成本较低，体积小，工作稳定效率高等特点也使该类花卉生长环境调节系统更容易在家庭用户群众中普及。对于此装置的未来，以目前日益增长的人均生活水平，国人已经脱离了每天为温饱问题烦恼的时代，越来越关注生活质量，生活的情趣追求也越来越高，养花种草这样陶冶情操的方式也越来越追捧。目前市场上价格低廉自动浇花系统要么不够智能，要么过于简单无法确保其工作的稳定，也无法让用户及时获取花卉的实时信息。而本装置具有功能丰富，价格低廉，使用寿命长，易于维护等优点。可以说该装置未来发展前景是十分光明的。若想要使装置在使用体验上更加优秀且智能，可能还需要加入更多更加丰富的功能。目前，物联网技术飞速发展，若可以将此装置与物联网技术相结合，在个人看来会得到更好的使用体验以及更广大的普及程度。

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附录硬件设计原理图附图1装置原理图Fig.1Theschematicdiagramofthedevice

元器件清单元件名称与数量STM32F103C8T6单片机芯片*1焊锡、导线若干40脚IC座*12.54-1*2P排针*1LCD1602显示模块*116P母座*1GSM_SIM800L模块*15P母座*110k电阻*52kΩ电阻*11kΩ电阻*3GL5516光敏电阻*1红色发光二极管*2绿色发光二极管*110μF电解电容*11000μF电解电容*15V继电器*1USB2.0A立式母头灯*1KF30-2P接线端子*1SS12D07开关*1S8050三极管*21N4007二极管*1DC002电源接头DC002电源接头*1USB电源线*1

部分系统程序#include"led.h"#include"delay.h"#include"sys.h"#include"usart.h"#include"timer.h"#include"bsp_lcd1602.h"#include"bsp_adc.h"#defineINIT0x00#defineWATER0x01#defineLight0x02#defineGETMESG0x03#defineSOMEONE0x09chartab[16];u8readsoilHmFlag=0;//读取土壤湿度标志定时器中断处理u16lightValue=0;//光照值u16soilhmValue=0;//土壤湿度值u8mesgWaterFlag=0;//短信浇水标志u8waterCnt=0;//短信浇水计时定时器中处理u8mesgLightFlag=0;//短信补光标志u8lightCnt=0;//短信补光计时定时器中处理unsignedcharstepNum=0;//运行步骤unsignedinttimeCount=0;//接收短信处理延时charCrtl_Z[1]={0x1a};//发送短信最后字节charAT_CMGS[26]="AT+CMGS=\"";unsignedcharrebackMesFlag;//返回短信unsignedcharclearMesFlag=0;//定时清楚短信unsignedcharreadMesIng=0;//读取短信中标志intmain(void){unsignedinti;Delay_Init();//延时函数初始化NVIC_Configuration();//设置NVIC中断分组2：2位抢占优先级2位响应优先级UART_Init(115200);//串口初始化ADCx_Init();LED_Init();//LED端口初始化TIM3_Int_Init(499,7199);//10Khz的计数频率，计数到500为50msLED_GSM=0;LCD_GPIO_Init();//初始化LCD引脚LCD_Init();//初始化LCD屏幕Delay_ms(20);LCD_DispStr(0,0,"MyDesigner!");//初始化显示sprintf(tab,"Hm:%3d%%L:%3d%%",soilhmValue,lightValue);LCD_DispStr(0,1,tab);//初始化显示for(i=0;i<50;i++)Delay_ms(100);//延时有助于稳定UART_SendStr(USART1,"AT+CMGF=1\r\n",11);//设置字符集for(i=0;i<5;i++)Delay_ms(100);//延时有助于稳定UART_SendStr(USART1,"AT+CSCS=\"GSM\"\r\n",15);//设置干什么for(i=0;i<5;i++)Delay_ms(100);//延时有助于稳定UART_SendStr(USART1,"AT+CMGDA=\"DELALL\"\r\n",20);//删除所有短信for(i=0;i<5;i++)Delay_ms(100);//延时有助于稳定LED_GSM=1;//关闭LEDwhile(1){if(readsoilHmFlag==1){readsoilHmFlag=0;lightValue=100-100*ADC_ConvertedValue[0]/4096;//计算百分比soilhmValue=100*(4096-ADC_ConvertedValue[1])/3373;//取土壤湿度传感器有效范围百分比//水泵开启瞬间电流过大，影响液晶工作，需要重新配置一下液晶LCD_WriteCommand(0x38,1);//显示模式设置LCD_WriteCommand(0x0c,1);//显示开，不开游标，不闪烁LCD_DispStr(0,0,"MyDesigner!");//初始化显示sprintf(tab,"Hm:%3d%%L:%3d%%",soilhmValue,lightValue);LCD_DispStr(0,1,tab);//初始化显示if(mesgWaterFlag==0)//未收到短信时控制{if(soilhmValue<80)//{if(soilhmValue<60)RELAY=1;}//打开继电器else{RELAY=0;}//关闭继电器}if(mesgLightFlag==0)//未收到短信时控制{if(lightValue<30){LIGHT=1;}//打开灯光else{LIGHT=0;}//关闭灯光}}if(readFlag==1)//读取短信标志{readFlag=0;//读取标志清零readMesIng=1;//读取短信过程中timeCount++;if((stepNum==0)&&(timeCount>=4))//定时读取短信{UART_SendStr(USART1,"AT+CMGF=1\r\n",11);//设置字符集timeCount=0;//演示设置量stepNum++;//进入操作过程1}elseif((stepNum==1)&&(timeCount>=4))//定时读取短信{for(i=0;i<SIZEBUF;i++){timebuf[i]='0';//清空timebuf}UART_SendStr(USART1,"AT+CMGR=1\r\n",11);timeCount=0;//设置延时量stepNum++;//进入操作过程2}elseif((stepNum==2)&&(timeCount>=4))//定时读取短信{rebackMesFlag=INIT;for(i=0;i<(SIZEBUF-5);i++){if((timebuf[i]=='w')&&(timebuf[i+1]=='a')&&(timebuf[i+2]=='t')&&(timebuf[i+3]=='e')&&(timebuf[i+4]=='r'))//查询是否接收到water{mesgWaterFlag=1;//短信控制标志waterCnt=0;//浇水计数RELAY=1;//打开继电器rebackMesFlag=WATER;//返回短信标志break;}elseif((timebuf[i]=='l')&&(timebuf[i+1]=='i')&&(timebuf[i+2]=='g')&&(timebuf[i+3]=='h')&&(timebuf[i+4]=='t'))//查询是否接收到light{mesgLightFlag=1;//短信控制标志lightCnt=0;//计数LIGHT=1;//打开灯光rebackMesFlag=Light;//返回短信标志break;}elseif((timebuf[i]=='g')&&(timebuf[i+1]=='e')&&(timebuf[i+2]=='t'))//查询是否接收到get{rebackMesFlag=GETMESG;//返回短信标志break;}if((timebuf[i]=='+')&&(timebuf[i+1]=='8')&&(timebuf[i+2]=='6'))//查询短信息的来源号码{LED_GSM=0;rebackMesFlag=SOMEONE;//有人发送短信AT_CMGS[9]=timebuf[i+0];//提取号码AT_CMGS[10]=timebuf[i+1];AT_CMGS[11]=timebuf[i+2];AT_CMGS[12]=timebuf[i+3];AT_CMGS[13]=timebuf[i+4];AT_CMGS[14]=timebuf[i+5];AT_CMGS[15]=timebuf[i+6];AT_CMGS[16]=timebuf[i+7];AT_CMGS[17]=timebuf[i+8];AT_CMGS[18]=timebuf[i+9];AT_CMGS[19]=timebuf[i+10];AT_CMGS[20]=timebuf[i+11];AT_CMGS[21]=timebuf[i+12];AT_CMGS[22]=timebuf[i+13];}}AT_CMGS[23]='"';//整理字符串AT_CMGS[24]=0x0d;AT_CMGS[25]=0x0a;if(rebackMesFlag!=INIT){UART_SendStr(USART1,"AT+CMGDA=\"DELALL\"\r\n",20);//删除所有短信for(i=0;i<5;i++)Delay_ms(100);//延时有助于稳定UART_SendStr(USART1,"AT+CMGF=1\r\n",11);//设置字符集for(i=0;i<3;i++)Delay_ms(100);//延时有助于稳定UART_SendStr(USART1,"AT+CSCS=\"GSM\"\r\n",15);//设置干什么