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花园土壤温度湿度检测和补水控制器毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

随着时代的发展,在传统农业方面,人力面临着越来越多的问题,而机器不仅可以全天无休的工作,并且操作精确,与人力相比有着无与伦比的优势,人力被机器取代乃是大势所趋,人们种植的花园需要维持一定的温湿度,若在以往,人们需要自己检测花园的温度与湿度,然后再决定是否给花园进行补水,这样耗费了大量的人力与物力。现如今,我们可以设计一个自动补水系统,使得花园的环境得到维持。

本文设计了一种花园土壤温度湿度检测和补水控制器,系统可以采集花园的温度以及土壤中的湿度,再通过显示模块显示到屏幕上,并可以通过蓝牙模块将湿度数据上传到手机,并且手机可以主动控制水泵的工作状态,实现全方位有效的温湿度检测与补水控制。本设计采用了stm32f407开发板以及土壤湿度传感器、微型水泵、蓝牙hc-05模块实现系统的功能。

关键词: stm32f407、温湿度检测、HC-05、自动浇水

Abstract

With the development of the times, in the traditional agriculture, manpower is facing more and more problems, and the machine can not only work all day, but also operate accurately, and has an unparalleled advantage compared with manpower. Manpower is replaced by machines. It is the trend of the times that people plant gardens need to maintain a certain temperature and humidity. If in the past, people need to check the temperature and humidity of the garden themselves, and then decide whether to replenish the garden, which consumes a lot of manpower and material resources. Nowadays, we can design an automatic water supply system to maintain the garden environment.

This paper designs a garden soil temperature and humidity detection and hydration controller. The system can collect the temperature of the garden and the humidity in the soil, and then display it to the screen through the display module, and upload the humidity data to the mobile phone through the Bluetooth module, and the mobile phone. It can actively control the working state of the pump to achieve all-round effective temperature and humidity detection and hydration control. This design uses the stm32f407 development board and soil moisture sensor, micro water pump, Bluetooth hc-05 module to achieve the system's functions.

Key Words:stm32f407;temperature and humidity detection;HC-05; automatic watering

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外发展状况及问题 1

1.3主要研究内容 2

第2章 总体方案设计 3

2.1 任务目标 3

2.2 总体模块设计 3

2.3方案设计选择 4

2.3.1 芯片选择 4

2.3.2显示模块选择 5

2.3.3 湿度传感器选择 5

第3章 硬件设计 6

3.1 stm32f407 6

3.1.1 STM32f407介绍 6

3.1.2 STM32f407的管脚分配 7

3.1.3电源模块 7

3.1.4 复位电路 8

3.2 温度传感器 8

3.3 液晶显示接口 9

3.4 蜂鸣器电路 10

3.5 按键电路 10

3.6 ADC 10

3.7 FC-28湿度传感器 12

3.7.1 湿度传感器简介 12

3.7.2 FC-28硬件连接 12

3.8 蓝牙hc05 12

3.8.1 蓝牙hc05简介与性能介绍 12

3.8.2 蓝牙hc05引脚与指示灯功能说明 12

3.8.3 ATK模块接口 13

3.9 水泵 14

3.9.1 水泵简介与性能介绍 14

3.9.2 水泵模块硬件设计 15

第4章 系统软件设计 16

4.1 开发环境 16

4.2 总体系统设计 16

4.3 系统初始化设计 16

4.4 温湿度采集模块设计 17

4.5 按键模块设计 18

4.6 蜂鸣器与水泵模块设计 19

4.7 液晶显示模块设计 19

4.8 蓝牙模块设计 20

第5章 系统调试及结果分析 23

5.1温湿度检测功能测试 23

5.2按键功能测试 24

5.3蜂鸣器与水泵工作状态测试 24

5.4蓝牙功能测试 25

第6章 总结 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景

温度与湿度是植物生长过程中最基本的物理量,它与植物的生长息息相关,因而对温度与湿度的监测一直是人类的一个重要的研究课题,温湿度的测量可以通过多种方式去实现,在以往人们往往只能凭借人力去测量温湿度并对花园进行补水,而随着计算机技术的蓬勃发展,单片机也随之走向我们社会的方方面面。为了能给作物提供一个合适的生长环境,需要加强植物环境的湿度调节。不论是农业生产还是社会生活,使用单片机进行管理都有着无可替代的优势,为了植物的健康生长,可以采用温湿度实时检测系统并进行自动补水,当湿度出现了偏差,与设定的阈值偏离时,通过温湿度传感器,单片机发出信号,使水泵开始工作,将水传输到土壤中,加大土壤的湿度,这样可以有效的实现植物环境的自动补水控制,从而解放出人力资源,使人们可以把精力放在其他方面。

1.2 国内外发展状况及问题

目前,温度传感器主要可以分为两个大类,一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器,划分依据为传感器与被测介质的接触方式。第一类的测量温度的元件通过热传导达到热平衡,显示值即为温度值,第二类采用的是辐射交换原理, 可测量运动状态很小的目标,但受环境影响比较大。湿度的测量主要是通过湿敏元件进行的,湿敏元件主要分为电阻式、电容式两类。湿敏元件的测量原理为:通过在基件上覆盖一层感湿材料的膜,当水蒸气吸附在膜上时,湿敏元件的电阻值会发生改变。

过去100年里,人们对温度与湿度的测量大多是使用机械式仪表,近几十年里,国内外传感器、电子、通信技术飞速发展,随着微电子技术的进步与单片机的日新月异,现如今,人们已经不再凭借自己的经验或者机械式仪表去了解花园的温湿度并进行补水。以单片机为核心的温湿度传感器越来越成为当今的主流。与此同时,我们也可以将单片机与计算机相结合,将传送给单片机的数据进行整理分析,并能实现联网控制。

国内的市场有多种多样的温湿度检测系统,与之前相比有很大的进步,但在精度等方面仍有很大的进步空间,与国外相比更是远远不足。国外对温湿度传感的研究早一些,早在1970年就对该方面的传感器有所突破,而我国对该方面的研究较晚,直到1980年左右,我国才在国外研究的基础上,实现了室内微机的温湿度控制。

此外,美国、日本、德国等发达国家是传感器市场分布最大的国家,有很多全球大公司如:美国的精量电子(Measurement)、霍尼韦尔(Honeywell)、Keller America、罗克韦尔自动化有限公司,德国的西门子、爱普科斯(EPCOS)、Balluff GmbH,日本的Yokogawa

Electric、欧姆龙(OMRON)、富士电机集团(Fuji Electric Group)。而且国外传感器方面在技术上有很多优点。优点主要集中在精度、稳定性、功能性以及环境适应性等方面,并且国际上很多发达国家的温湿度传感器早就往模块化、智能化、网络化发展,而我国还有所欠缺。一方面,我国的生产和管理模式落后。另一方面是基本没有创新能力。我国的传感器生产目前能基本满足低中端市场,但是在高精端市场方面还有着很大的空白,目前,我国的传感器企业有很多仍处于仿制阶段,只有少数企业进行自主创新,进入了根据技术发展趋势的跟踪性创新阶段。还有一个大问题是传感器设计不仅需要创新能力,还关乎于工程技术能力,比如若是车床精度不够会很大影响制造出的传感器的精度。

我国很多地方区域还在使用机械式温湿度传感器,与智能电子传感器相比,机械式传感器有许多欠缺与不足,不久后,电子式系统必将以它无可置疑的优越性全面取代人力控制。

1.3 主要研究内容

本文主要是设计出一个花园土壤温湿度检测与补水控制系统,考虑到运算速度等原因,单片机采用stm32f407开发板,其他外部硬件包括土壤湿度传感器、微型水泵、蓝牙hc-05模块。本文主要研究内容安排如下:

第1章:对课题研究的背景、目的和意义进行了简单介绍,并且说明了国内外研究现状,最后对课题研究内容、实验现象等进行总结。

第2章:对总体方案进行了设计并对总系统的工作原理进行阐述,之后对硬件设备进行了选择并说明原因。

第3章:对系统的硬件部分进行原理解释并介绍硬件连接的电路图。

第4章:对所用的代码进行模块化设计,并介绍所设计的模块中一些的重要函数并简要阐述其功能。并且给出各个模块的流程图。

第5章:对系统进行试验对实验结果进行总结分析,记录并分析结果产生的原因。

第6章:对本次设计进行总结分析,分析包括存在的不足和缺点、设计过程中遇到的难题以及解决方案。

第2章 总体方案设计

2.1 任务目标

(1)用单片机设计一个能检测土壤湿度和环境温度的控制器,根据情况控制阀门,对花园土壤进行补水并可以用手机控制。

(2)完成花园温度湿度检测和补水控制器方案制订和硬件电路设计

(3)完成花园温度湿度检测和补水控制器的软件设计并对整个系统进行软硬件调试

(4) 完成不少于12幅图(包括:电路原理图、流程图、结构框图、程序框图等)

2.2 总体模块设计

本次设计的系统计划以stm32f407为核心,要完成温湿度检测功能、自动浇水功能以及手机控制功能。我认为需要以下几个模块:温湿度检测模块、显示模块、蓝牙模块、蜂鸣器/水泵模块、按键模块,同时还需要用一个手机的蓝牙串口app进行通信。总体结构图如图2.1所示。

1.温湿度检测模块

温湿度检测模块我认为需要温度传感器、湿度传感器、ADC芯片以及单片机,通过查找stm32f407开发板的中文说明手册,我发现开发板内置了ADC以及温度传感器,所以需外接一个湿度传感器。温湿度值通过温湿度传感器与AD转换芯片将传入单片机中。

2.显示模块

显示模块显示温湿度值、蓝牙收发状态、蜂鸣器/水泵工作状态以及本系统的说明。

3.蓝牙模块

蓝牙模块要求能与手机app进行连接,手机能显示蓝牙的连接状态,手机可以控制水泵工作,单片机可以发送湿度值到手机上。

4.蜂鸣器/水泵模块

蜂鸣器与水泵的输入管脚连接在单片机上,根据湿度值会改变输入管脚的0/1状态,从而控制蜂鸣器/水泵的工作。

5.按键模块

要求根据按键能控制湿度值报警/自动浇水范围、蓝牙收发状态。

图2.1 总体结构图

2.3 方案设计选择

方案选择主要在硬件方面,包括芯片的选择以及显示方式的选择。

2.3.1 芯片选择

芯片可选89C51芯片或者stm32芯片,最终选择了stm32芯片,因为 STM32 单片机的运算速度是51单片机的几十倍,而且外围接口功能比51强大。STM32单片机的MCU有着低功耗、低电压、高性能与实时性的优点,并且程序大都是模块化设计的,接口比较简单,stm32芯片自带更加丰富更加全面的功能,相比stm32芯片,51的自身所带的功能少,需要更多的外围元件,要求对硬件熟悉。此外,stm32还有着高集成度的特点,是日常生活与工业生产中最常用的开发工具。

而在STM32单片机的众多系列中,最终选择了stm32f407系列,是因为f407往后的系列虽然功能更加强大,但是本设计并不需要那么强大的功能,f4系列就可以实现,而且f4往后的开发版系列价格更加昂贵,同时f4系列与f1/f2系列在网上拥有丰富的软件学习资源,方便我们学习,而处理能力更强的开发板系列,可能网上没有足够的教程与他人的经验。最终在f1系列与f4系列中,选择了stm32f407作为此次设计的芯片。

2.3.2 显示模块选择

显示模块可以选择OLED显示或者TFTLCD显示,OLED,即有机发光二极管又称为有机电激光显示OLED ,TFT-LCD 即薄膜晶体管液晶显示器。显示模块选择TFTLCD显示。原因一方面是TFTLCD的颜色显示范围更广泛,可以显示16位真彩,液晶显示屏上,TFTLCD在的每一个像素上都有着一个薄膜晶体管(TFT),可以有效地消除非选通时的串扰,使扫描线数与显示液晶屏的静态特性相独立,从而提高了图像质量。此外,还有一个重要的原因是购买开发板时自带了3.5寸TFTLCD显示屏,不需要额外购买。

2.3.3 湿度传感器选择

湿度传感器可以选择FC-28插片式湿度传感器与DHT11数字温湿度传感器,DHT11的量程湿度是20-90%RH,其精度范围为 -5%RH,温度的测量范围为0~50℃。本次设计选择的是FC-28插片式湿度传感器,主要有两个原因,一方面是测量的是土壤的湿度,而DHT11数字温湿度传感器更适合测量空气的湿度值,另一方面原因是DHT11数字温湿度传感器的温度测量功能比不上单片机开发板自带的温度传感器,所以最终选择了FC-28插片式湿度传感器。

第3章 硬件设计

3.1 stm32f407

3.1.1 STM32f407介绍

本次设计使用的是stm32f407系列开发板,选择的STM32F407ZGT6作为MCU,MCU内核为基于高性能的ARM®Cortex™-M4F的32位RISC内核,有功耗低、成本低、性能高的特点和优势,有着高达168 MHz的工作频率,并且Cortex-M4F能支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型的单精度浮点单元(FPU)。它还有着MPU(内存保护单元)和一套完整的DSP指令,通过这种方式提高了应用程序的可靠性与安全性。

STM32F407ZGT6具体特性:

1、存储器:

(1)高达1 MB Flash:地址起始位置为0x8000000,大小为:0x100000,也就是1MB

(2)高达192 4 KB的SRAM,其中还有着64KB的CCM数据RAM

 普通内存:地址起始位置为0x20000000,大小为:0x20000也就是128kb

 CCM内存:地址起始位置为0x10000000,大小为:0x10000也就是64kb(这部分内存仅 CPU 可以访问,DMA 之类的不可以直接访问)

备份 SRAM:大小为:4K

外部存储控制器具有32位的数据总线:SRAM、PSRAM、NOR/NAND存储器

2、LCD 并行接口,并且兼容8080/6800模式
3、时钟电路、复位电路与电源电路

1.8 V 到 3.6 V 供电和 I/O

POR、PDR、PVD 和 BOR

4 至 26 MHz 晶振

内置经工厂调校的16 MHz RC 振荡器(1%精度)

带校准功能的32 kHz RTC 振荡器

内置带有校准功能的32kHz RC振荡器

4、低功耗

睡眠、停机和待机模式

  1. A / D转换器 3X12位:2.4 MSPS
  2. 多达17个定时器:其中有2个频率高达168 MHz的32位定时器,并且还有 12个16位定时器,4个输入捕获/输出比较/PWM在每个定时器上都有,以及正交(增量)编码器输入、脉冲计数器功能。
  3. 140个具有中断功能的I/O端口

3.1.2 STM32f407的管脚分配

STM32f407芯片拥有112个通用IO口,其中,有2个IO是用来RTC晶振,剩下110个IO口通过三大组排针和四小组排针P6(PA9amp;PA10)、P9(PA2amp;PA3)、P10(PB10amp;PB11) 和 P11(PA11amp;PA12)全部引出,部分IO口采用小排针引出的目的是为了方便接口的复用,能更清晰简洁的实现多种功能。

此次设计用到的管脚有:

(1)PF9,PF10 输出IO口 控制水泵工作

(2)PE2,3,4 PA0 输入IO口 控制按键

(3)PE7-15 PF12 PG12 PB15 PD0,1,4,5,8,9,10,14,15 TFTLCD控制管脚

(4)PA5 adc输入信号

(5)PF8 蜂鸣器输出管脚

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