基于单片机的温室环境数据监测系统设计

2 总体方案设计

以农田节水灌溉系统为对象，采用合适的STM32硬件和软件系统，设计实现温室环境数据监测系统设计。
2.1 总体架构设计
温室环境数据监测系统由单片机、空气温湿度检测模块、按键输入模块、电源模块、继电器模块、土壤湿度传感器模块、OLCD液晶显示器等几部分组成 。土壤湿度检测模块检测土壤的湿度并把信息传给单片机，按键模块可以对土壤的湿度范围进行设置，显示模块使用的是液晶显示屏，可以将当前土壤湿度、空气温湿度范围显示出来，继电器模块用于加水。当湿度传感器检测到土壤湿度低于设定值，并且空气温度大于设定值时，单片机引脚输出控制继电器打开。电源模块由DC电源插座、自锁开关和外接USB电源组成，如下图2.1为系统总的原理架构。

图2.1 系统总体框图
2.1 核心控制器选择
处理器是整个系统的核心器件，它可以通过下载并运行相应的程序来协调系统各个器件的工作和完美配合，我们平常用的控制器有单片机、DSP等技术。
方案一：单片机
单片机是一种功能性比较专业的微型计算机。单片机的种类型号巨多，单片机拥有强大功能：A D采样，“ 看门狗”，PWM，，串口通讯，定时器等。各单片机的价格也差别很大，使得开发者根据自身情况可由有不同的选择。另外单片机还结合低电压和低功耗的特点目前在便携式或穿戴产品中大有着很广泛的应用。
方案二：DSP 芯片
DSP芯片是一种数字处理芯片，处理速度快，适合高速、高性能处理场景。强大数据处理能力和高运行速度，是DSP的巨大优势[5]。
通过上面的信息分析，两种方案有各自的优缺点，且都能满足我们的功能需求，但自由适合自己的才是好的，所以我们选择更加适合初学者的单片机作为设计的处理器。
处理器主要有51系列单片机、ARM、PIC等。
2.2 电源电路
方案一：使用LM7805作为电路稳压芯片。将7V~36V电压送到LM7805，LM7805的输出作为工作电压。但LM7805的不好的地方是稳压时的功率比较低，发热量大。
方案二：采用HT7333模块设计稳压电路，由于HT7333模块的功率小，低压差。
根据上述分析，决定选取HT7333作为电源稳压芯片。
2.3 显示模块
方案一：利用控制芯片CH455G驱动共阴极三位数码管作为显示部分电路。SCL 用于提供串行时钟，控制芯片CH455G 在其上升沿从 SDA 输入数据，在其下降沿从 SDA 输出数据。该驱动芯片具有4个数据寄存器，分别存储位选信号以及段选信号。方便高效的控制LED的显示。并且数码管价格便宜，坚固耐用，使用寿命长，可达6万到10万小时。数码管接口电路图如下图2.2所示。

图2.2 数码管显示电路

3 整体硬件电路设计

3.1 主控制器电路
本次系统的设计是以STM32F103C8T6作为核心控制器，这是意法半导体公司ST旗下的一款增强型的微控制器。具体的实物如图3.1所示。

图3.1 STM32_mini开发板实物图
在工作频率上，C8T6所使用的内核具有很优良的性能。使用外设的8MHZ精准晶振，经过倍频后能够达到72MHZ的工作频率，优良的运行速度能购极大的提高系统的运行性能。外部晶振如图3.2。

图3.2 系统时钟晶振
3.4 执行模块
执行模块只需要以继电器来控制水泵工作，不需要十分精确的控制精度，只需要在田间的湿度过低时打开水泵进行灌溉，在达到要求的时间后关闭。

图3.11 电磁继电器

图4.12 高电平触发继电器原理图
继电器的使用说明：这是一个符合国际标准的模块。为了达成弱电控制控制强电的目标，设计成控制区域和北控负载区域两个区域。中间使用隔离槽将它们分为两个部分。在被控负载区，使用符合安全标准的的继电器，他有一个常开端口、一个常闭端口以及一个公共端口。因为是高电平触发的继电器，当信号端口由高电平信号输入时，继电器的常开端与公共端闭合，常闭端口断开。
不仅如此，这一模块集成得有工作指示灯，当电源输入正常和有信号输入时，指示灯会常亮指示继电器模块是否正常工作。因为该模块使用的继电器模块支持最高250V交流电压和最高5v直流电压，所以本模块既可以用作一般家电的控制电路，又可以作为实验学习的电路构成。
想要打开水泵抽水时，把相应I/O电平拉高，继电器内的电磁线圈通电产生电磁场，吸引继电器公共端口上的导电弹片与常开端相连，常开触点与地联通形成回路。

4 软件设计

4.1 软件设计支持
软件的设计采用c语言软件开发系统Keil5，这是美国Keil Software公司出品的嵌入式集成开发环境。该软件具有很多优点：简单的windows界面方便学习和使用，这对于我们这些初学者来是一项很实在的好处，能够很快的上手；使用debug调试功能能够很简单的发现定位程序错误等，在调试过程中你甚至可以停在程序的任意一处，这可以很快的的定位错误，是一项便捷的功能；在中国80%以上的软硬件工程师使用Keil 系列软件，这是被大多数人接受的好产品。
在使用Keil设计时，只需要建立一个新工程，将所需要的初始化配置文件main.c， stm32f10x_it.c，system_stm32f10x.c和startup_stm32f10x_md.s，以及相应的.h文件添加。
然后选择相应的芯片型号，如图4.1所示选择芯片STM32C8。

图4.1 keil选择芯片

5 系统调试与结果

5.1各个模块的调试结果显示
5.1.1 OLED屏幕的调试结果显示
本设计显示的主界面为数据采集信息，包括空气温度，空气湿度，土壤湿度和光照强度，分别通过相应的传感模块读取进行实时显示，如图5.1所示。

图5.1 OLED屏幕调试主界面
5.1.2 温湿度模块调试
空气温湿度数据通过DHT11温湿度模块实时采集，并在主界面进行显示，通过手指触摸等其他改变传感器周围温湿度的方法进行调试测试，可以观察到主界面数据进行实时变化，如图5.2所示。

图5.2 温湿度模块及显示

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