【《某智能花盆的系统实现案例分析》7100字】

某智能花盆的系统实现案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u8817某智能花盆的系统实现案例分析 1127061.1传感器部分 1212321.1.1温度传感器设计与实现 1240211.1.2光敏传感器设计与实现 277831.1.3土壤湿度传感器设计与实现 3286381.2执行机构部分 5238411.2.1加湿装置设计与实现 5242691.2.2旋转平台的设计与实现 7292091.2.3浇水装置的设计与实现 9207911.3控制单元设计 107801.3.1传感器数据接收 11290431.3.2数据处理 1215941.3.3操纵执行机构 1394451.4各部分的安装方案 15传感器部分本节中主要会介绍温度传感器、光敏电阻传感器和土壤湿度传感器的设计与实现以及应用。温度传感器设计与实现DS18B20是达拉斯公司推出的一种数字式温度传感器，它不仅具有体型小、集成度高、精度高、数字化的优势，并且价格适中，不需要使用复杂的转换电路，在工业、民用领域中都有广泛的应用[19]。图4-1DS18B20DS18B20测温范围一般为零下55摄氏度到零上125摄氏度。在零下10摄氏度到零上85摄氏度的范围内，精度能达到正负0.5摄氏度，分辨率能够达到0.5摄氏度，在智能花盆的使用场景下能够满足使用需求。相较于常见的采用热敏电阻的温度传感器，DS18B20发送的是数字信号，不易受电磁干扰，可以将测得的数据按照摄氏度转换可供控制单元直接使用的串行数字信号，通过发送简单的数字控制命令即可获得8~12bit精度的数据。每个DS18B20的ROM中都包含一个独一无二的64位数字，可以并接到地址线上，通过查询ROM和特定的单片机进行通信，大大节省了单片机的管脚。DS18B20与单片机的接口极其简单，只需要将DQ与单片机的一个管脚连接即可。用STM32单片机的I/O口PA.0管脚与DS18B20芯片连接。这样即可通过PA0管脚进行读写操作。光敏传感器设计与实现光敏传感器是由光敏电阻和处理模块组成的。光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，此时可小至1KΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻值状态，暗电阻一般可达1.5MΩ[20]。光敏电阻的时延特性是指当光线照射光敏电阻时，需要经过一段时间流经光敏电阻的电流才能达到稳定，而在光敏电阻不在受到光照射后，电流也不会瞬间降至零。不同种类的光敏电阻的有不同的时延特性，多数光敏电阻的时延都比较大，不能用在要求快速响应的场合。但在智能花盆系统中，对快速响应的要求并不严格，可以满足要求。图4-2光敏电阻传感器模块经过处理模块的转换，在模块的AO管脚上可以测量到模拟电压，将AO管脚连接到单片机上具有ADC功能的管脚，通过单片机的ADC功能转换，可以获得初步的光照强度数据。土壤湿度传感器设计与实现系统使用YL-69湿度传感器来探测土壤湿度，由土壤探头和湿度处理模块组成的。YL-69是一种广泛使用的土壤湿度传感器，采用湿敏电容的原理。当环境湿度发生改变时，例如土壤中水分增加，空气湿度变大，会使电容的介电系数发生变化，使得湿敏电容的电容值产生变化，电容值和湿度值成正比[21]。它的探头经过了表面镀镍处理，保护探头不被腐蚀，提高了使用寿命。图4-3土壤湿度传感器的探头探头检测到的电流信号需经过处理模块的变换后得到模拟电压信号。湿度处理模块包括探头接口、电源输入、电源指示灯、湿度数字量输出、湿度模拟量输出等。该湿度传感器的输出有数字量输出和模拟量输出两种，在本系统中利用的是模拟量信号。图4-4使用的处理模块通过实验发现，土壤湿度值越低，传感器输出的模拟电压越低，在土壤湿度为零时模拟电压为最大值。此外还发现传感器的稳定性不够好，回传数据容易发生突变，要实现定量测量则需要在短时间内进行多次测量，取平均值，从而获得较为可靠的数据。由于水的扩散需要时间，因此浇水过程中土壤湿度传感器测量到的数据并不准确，无法反映土壤中真实的含水量，需要在一次浇水后等待传感器读数稳定后，将稳定时的数据作为可信的数据。执行机构部分本部分主要介绍执行机构的具体设计，包括浇水装置、旋转平台和加湿装置的设计。加湿装置设计与实现空气加湿的方法可分为两类，向空气中蒸发水和向空气中喷入水蒸气。提高加湿速度主要有加热和增大蒸发面积两种方法。增大加湿面积，可以采用将水破碎成细小的水滴的方法，有时也会使用亲水性的浸湿面。将水破碎成细小的水滴的方法有，有加压喷雾、离心雾化、超声波雾化、静电雾化等。在市场上，现在可以找到多种采用不同运行原理的加湿器，例如超声波加湿器、电极加湿器和离心式加湿器等[22]。超声波加湿是国内外应用较广的一种加湿方式。它在工作时无任何机械元件驱动、噪声低、无污染、故障率低、能耗低、雾化处理效率高、成本低、维护方便。采用这种加湿方式的加湿器具有高效可靠的优势，不仅可对较大区域空间湿度进行均匀加湿，也可对特殊空间进行局部湿度补偿，具有较高的使用灵活性和积极性[23]。超声波加湿原理：人类通常只能听到最高大约20KHz以下的声波，超过20KHz的声波就是超声波。同等振幅下，一个物体振动产生的能量跟振动频率的二次方成正比。超声波在水中传播时，水的振动频率高，振动能量大，剧烈的振动会让水破碎成大量细小的水滴，这些水滴会自然扩散到空气中，增加空气湿度。实际运用时，使用超声波振子将电能转换成机械能，进行高频振动，向水中发射110KHz的超声波。水在空化效应的作用下产生直径1微米到10微米的水滴。在智能花盆系统中加湿装置对加湿精度和加适量的要求不高，能提供较为清洁的水源，同时要求装置体积小，价格低廉便于控制成本。因此采购市面上最为常见的小型超声波加湿装置。采购到的加湿装置通过USB口供电，通过开关控制。图4-5加湿装置的雾化片图4-6加湿装置的驱动板为了能够使其电路能够被单片机控制，需要对加湿装置的驱动电路进行改造。通过分析该元器件的PCB板，观察电路板上的线路布置，在电路上找到正负极接口，在相应焊点上焊上电线，引出供电的正负极。图4-7改造后的加湿装置的驱动板如图4-7所示，电路板下的红线引出了正极，褐色电线引出了负极。改造后的驱动板上去掉了一些不需要的元器件，例如开关和USB口，从而提高运行的稳定性、便于做绝缘防护。驱动板负极直接和电源的负极相连，正极和电源的正极接在继电器的输出口上，通过单片机引脚的高低电平控制继电器的开通和关断。图4-8使用的继电器旋转平台的设计与实现旋转平台主要功能是承载花盆，并带动花盆旋转。此外一些传感器和执行机构需要直接放置在花盆和平台上，所需要的线束都要穿过平台。旋转平台选择的是市面上常见的商品转盘展示台，其承重能力约为2kg，可以满足承载大部分花盆。图4-9购买到的转台采购到的平台通过开关控制，使用干电池供电。要对其进行改造，使其能被单片机控制。图4-10改造前的转台控制电路板分析转盘的控制板，识别PCB板的走线，找出并引出VCC和GND端口。图4-11改造后的转台控制电路板由于需要控制住在转盘的转速，不能使用继电器控制，使用MOS开关进行控制，将电源和转盘的供电线分别接在MOS管开关模块的两端，单片机的管脚接在模块的信号端，在该管脚上输出PWM波，通过脉冲宽度调制（PWM）方式来调整转盘的转速。图4-12使用的MOS管开关模块浇水装置的设计与实现浇水装置由微型潜水泵、MOS管开关模块、水箱、水管组成。MOS管开关电路是利用MOS管栅极（g）控制MOS管源极（s）和漏极（d）通断的原理构造的电路。潜水泵的工作原理：通电后，叶轮旋转，液体随叶片旋转，在离心力作用下，向外射出，在扩散室内速度逐渐变慢，压力增加，从排出管流出。此时，在叶片中心处，由于液体已经在叶片作用下被甩向四周，形成既了没有空气，没有液体的真空低压区，液体在大气压的作用下，由吸入管流入泵内，液体就这样不断地被从水箱中进入泵中，又从排出管流出[24]。潜水泵可以安装在水下，安装方式较为简单方便。装置设计的核心是使单片机能够控制水泵的开启和关闭，以及水泵的转速，从而控制浇水装置的水流量。图4-13使用的小型潜水泵解决方案是将电源和水泵的供电线分别接在MOS管开关模块的两端，单片机的管脚接在模块的信号端，在该管脚上输出PWM波，通过脉冲宽度调制（PWM）方式来实现，系统以某个固定的频率来控制水泵运行与否，不断地通过调整PWM波中高电平在一个周期中所占的时间来调整水泵的转速。在实验中发现，浇水装置的水流量易受到水压的影响。在水泵转速相同的情况下，在液面高度较高时，水流量较大，液面高度较低时水流量较小。而液面高度会随着浇水过程而不断下降。因此，如果输出的PWM波如果保持不变，浇入花盆的水流量会不断变小。其他因素例如供电电压等也会影响水泵的供水能力。如果要维持较为稳定的水流量，则需要以传感器、水泵和单片机搭建一个自动控制系统，使用PID算法使水流量保持在设定值。此外由于水流量的测量用的传感器较为复杂昂贵，因此在水箱下安装压力传感器作为代替，通过测量水箱质量的变化，测量水流量的变化。控制单元设计控制单元采用基于STM32F103系列单片机开发的开发板。STM32F103系列微处理器是基于ARM架构的32位标准RISC（精简指令集）处理器。这种微处理器的主频达到了72MHz，内置了Flash存储器和SRAM存储器，容量分别达到了128K字节的和20K字节，具有丰富的通用I/O端口。作为使用广泛的嵌入式ARM处理器，它为微型控制单元的设计提供了低成本的平台，强大的计算能力以及先进的中断系统[25]。图4-14STM32单片机嵌入式软件的开发在KeilμVision5上进行。KeilμVision5IDE是一个基于图形界面的集成软件开发平台，有功能较为完备的代码编辑器和工程管理器，集成了嵌入式系统开发所需的大部分主要工具如调试器、C/C++编译器、AXF文件生成器等。在这一开发平台上，开发者可以新建工程、选择对应的单片机、创建文件、编辑源代码、生成HEX文件，并且KeilμVision5上集成了下载功能，可以直接连接识别下载器，将可执行文件下载到单片机上。进行调试工作时，开发者在线监测某一变量、设置断点、单步执行等，为排除程序中的故障和进行错误代码的修正提供了极大的便利。图4-15KeilμVision5开发中使用ST-LINK/V2作为下载器。ST-LINK/V2是为STM8和STM32单片机开发的调试编程器。开发板上的STM8或STM32单片机可以通过单线通信接口（SWIM）和JTAG/串行线调试（SWD）接口与ST-LINK进行通信。STM32单片机可以通过USB高速接口与ST图形化开发软件进行通讯，或与第三方的图形化集成开发环境例如Keil、IAR等进行通信。图4-16ST-LINK下载器传感器数据接收（1）温度传感器数据接收①发送跳过ROM命令该命令使控制单元不用发送64位序列号便可以访问所有的DS18B20，由于只采用一片温度传感器，不需要进行寻址。②发送写RAM命令发出该命令后，微控制器要接着发送2个字节的配置命令(报警温度的上、下限值和配置寄存器的值)。必须按照先后顺序，将3个字节从低位到高位串行发送。在这里，不设置报警温度，温度转换的分别率位默认。③发送温度转换命令发出该指令，开始进行温度转换。在该命令发出后，可以使程序延时一段时间,以等待温度转换的完成。在温度转换过程中，温度传感器会将总线拉低；当温度转换完成时，会释放总线为高电平。④发送跳过命令由于只采用一片温度传感器，不需要进行寻址。所以发送跳过读取ROM中传感器ID的指令。⑤发送读命令选择一个DS18B20后发送该命令,读取其中存储的温度值。接收到该命令后，温度采集模块将按照0字节到8字节、由低至高位的顺序发送中的数据。由于只需要读取RAM中的最低两个字节中的温度值数据，因此在读入两个字节之后，单片机可以终止温度转换程序，返回温度值。单片机与DS18B20进行数据通信前，必须要先进行初始化操作，且每发送一个操作命令前，都要调用初始化子程序对进行初始化；在发送和操作命令时，要调用写命令子程序；在读取温度值时，要调用读温度值子程序。初始化子程序、写命令子程序和读温度值子程序都要严格遵守技术文档中的时序要求。在每一个时序中，总线只能传输一位数据。（2）光敏传感器和土壤湿度传感器数据的接收光敏传感器和土壤湿度传感器都通过模拟电压回传数据，原理相同，因此在本节中一并论述。将传感器的通信管脚连接在STM32上带有AD转换功能的管脚上，将收到的模拟电压信号转换为数字信号。首先在单片机上选定要启动的AD转换通道，设置分辨率为12位，启动传换命令，然后等待转换完成，读取AD转换值。这样就获得了传感器回传的数据。数据处理数据处理主要目的是为了将传感器回传的数据转换为有意义的物理数据。并且排除可能出现的干扰和抖动。（1）温度数据的处理温度传感器回传的是已经转换为实际温度值的数字数据，不需要进行转换。实际使用中，由于供电不足，接线不稳定，可能会回传错误数据，需要想办法排除。在程序中，当温度数据超过设定值，不立即启动加湿装置，而是立即连续进行三次温度测量，当收到的温度数据都超过设定值时，才认定环境温度在设定范围之外，启动加湿。（2）光敏传感器数据的处理光照强度数据主要用于判断是否有光照，并对比处光照强度的大小。因此不将AD转换值转换为实际的光照强度值。但在模拟数据的采集中，干扰和抖动非常常见，必须要考虑采用软件滤波的方法降低信号干扰的影响。本设计采用算术平均滤波法，算术平均滤波法适用于对一般的具有随机干扰的信号进行滤波[26]。对管脚上的模拟电压进行连续十次采样，将10次采样所得值的总和求算术平均值，将这个平均值作为滤波的有效值。由于采样频率较高，数据量较小，所以滤波过程对RAM和处理器的占用较小。(3)土壤湿度传感器数据土壤湿度传感器数据的AD转换值同样通过算术平均滤波法进行处理。使用技术文档中给出的公式，将AD转换数据换算为土壤湿度的百分比。水分在土壤的扩散较为缓慢，在浇水后，土壤湿度传感器的数据不能准确反映土壤中的水分情况。因此，在浇水后，等待一段时间以后，再接收土壤湿度数据。重启土壤湿度采样后，连续三次采样数据波动范围不超过5%时，认定此时水分扩散的过程已经完成，再进行一次采样，将此时的数据作为当前的土壤湿度数据。操纵执行机构（1）加湿装置加湿装置的控制较为简单，只需要控制其开关即可。当检测温度超过设定值时，连续进行三次温度检测，当这三次检测获得温度数据都超过设定值时，在程序中将相应的控制变量置为1，将相应管脚变为高电平，控制继电器将加湿器的供电线与电源相接，从而启动加湿装置。当连续三次温度检测获得的温度数据都低于设定值时，将相应控制变量置为0，相应管脚变为低电平，关闭加湿装置。（2）转盘控制转盘的控制主要通过外接MOS开关模块和在相应管脚输出PWM波进行。PWM（PulseWidthModulation）即脉冲宽度调制。这种控制方式是对开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。脉冲宽度调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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。要改变转盘的转速，只需要改变PWM波的占空比即可。①在防止向光生长的模式下，光敏传感器回传数据显示有光线照射时，将相应控制变量置为一，启动转盘，以相同速率缓慢旋转。没有光线照射时，将相应控制变量赋值为零，关闭转盘。②在寻光模式下，每隔十五分钟，启动转盘以固定速率旋转一周，由于光敏电阻传感器会随着转盘一起旋转，可以检测各个方向的光照强度。旋转一周结束后，控制转盘旋转到检测到的光强最大处。这种控制方式对环境光照的变化不敏感，无法做出快速响应。但对于家庭养花的情境下，环境光照条件的改变较为缓慢，这种控制方案可以满足要求。③浇水时，由于浇水装置是固定不动的，要使水能被均匀地浇到花盆的各部分，需要配合浇水装置启动转盘。在启动浇水装置的同时，给相应控制变量赋值，转盘以较快的速率转动，当浇水结束后，控制转盘回到之前的转动模式。（3）浇水装置的控制浇水装置的控制主要通过外接MOS开关模块和在相应管脚输出PWM波进行。将微型潜水泵的正负极和电源的正负极分别接在MOS管开关模块的输出输入端，将单片机上输出PWM波的管脚接在MOS管开关模块的信号输入端口。由于浇水装置的水流量会受到水箱中水量的影响，当液面高度下降时，需要加大水泵的转速才能保证水流量保持不变。因此，在浇水装置下方安置一个压力传感器，通过测量压力变化测量水流量。以压力