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智能花盆設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的概述 摘 要：如今白領(lǐng)一族為了緩解壓力會(huì)在辦公室，家庭中放置多肉盆栽，但是工作繁忙不能經(jīng)常打理，盆栽會(huì)長勢不良甚至枯萎死亡。為了避免盆栽的死亡，本文章提出一種智能多肉植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以MSP430單片機(jī)為核心，檢測和植物生長的溫濕度、光照和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)值對(duì)比，判斷缺少或者飽和來傳遞給430單片機(jī)以此控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)澆水、補(bǔ)光和通風(fēng)等功能。 關(guān)鍵詞 ： MSP430，單片機(jī)，植物養(yǎng)護(hù)，光感模塊，DHT11 現(xiàn)如今多肉植物以其多樣的的顏色和小巧的外觀，越來越受到消費(fèi)者的歡迎。然而往往人們不能準(zhǔn)確地根據(jù)土壤實(shí)際濕度來進(jìn)行澆灌和補(bǔ)光。而且隨著現(xiàn)代人生節(jié)奏加快，忙于工作應(yīng)酬，打理盆栽的時(shí)間會(huì)相應(yīng)的減少。很有可能造成植物長勢不良，甚至死亡。 因此設(shè)計(jì)一種智能型的花盆，是十分必要的的。該花盆能夠通過各類傳感器對(duì)植物生長環(huán)境中的溫度、濕度、土壤干濕度等參數(shù)進(jìn)行檢測。并將檢測到的溫度、濕度、干濕度等值在OLED上進(jìn)行顯示。實(shí)現(xiàn)在光照較弱的時(shí)候能自動(dòng)開啟補(bǔ)光燈，土壤含水量過低自動(dòng)補(bǔ)水等功能。 一．系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該裝置由花盆，水槽，補(bǔ)水模塊，控制器，土壤濕度傳感器和光照傳感器等組成�；究蚣軋D如1—1所示。  
              圖1-1（系統(tǒng)框架） 整個(gè)系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，通過傳感器將測量到的數(shù)據(jù)傳送給MSP430。MSP430進(jìn)行處理后分別將數(shù)據(jù)傳送到OLED上進(jìn)行顯示，并通過與設(shè)定閾值比較并控制補(bǔ)光燈、水閥、蜂鳴器等工作，達(dá)到調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境的目的。同時(shí)各個(gè)傳感器正常工作，還會(huì)接檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)，又一次將接收到的電壓值發(fā)送給MSP430作處理，通過比較設(shè)定的閾值來驅(qū)動(dòng)或者關(guān)斷被控器件。 二．硬件 放大芯片： 由于傳感器需要采集外間環(huán)境參數(shù)并以模擬電壓值的形式將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，這就用到了放大芯片LM358來放大采集到的電壓值（LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 傳感器： 由于檢測的對(duì)象不一樣，所以需要用到不同類型的傳感器模塊，比如土壤干濕度傳感器模塊和DHT11溫濕度傳感器等。   DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11的供電電壓為 3－5.5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。（DHT11的典型運(yùn)用電路 如圖1-2）
             
    圖1-2（DHT11典型運(yùn)用電路） 本系統(tǒng)采用了一種模擬數(shù)字一體光敏傳感器模塊，屬于電子測控與路跡識(shí)別領(lǐng)域。該模塊包括電源轉(zhuǎn)換電路、光敏傳感器電路、比較電路和輸入輸出電路，可采用3.3V-5.0V電源供電，分別給光敏傳感器電路、比較電路供電，光敏傳感器電路的輸出端連接雙運(yùn)算放大器的輸入端，雙運(yùn)算放大器輸出端與輸出電路的輸入端連接。輸出數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)，準(zhǔn)確度高，反應(yīng)速度快，功耗低，使用成本低。 光照傳感器模塊原理圖。（光敏模塊原理圖 如下圖1-3）  圖1-3（光敏模塊原理圖） 電源： 本系統(tǒng)需要工作于于穩(wěn)定可靠的直流電源�？紤]到運(yùn)用于普通家庭，為了便于供電所以本系統(tǒng)采用USB或者手機(jī)充電器供電更為方便，且供電電壓5V。采用上述方式供電的優(yōu)點(diǎn)是共用性強(qiáng)，電源穩(wěn)定。 單片機(jī)： 單片機(jī)采用了TI公司的MSP430F5529LaunchPad，MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。MSP430F5529LaunchPad基于閃存的產(chǎn)品系列，具有最低工作功耗，在 1.8V-3.6V 的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá) 25MIPS。包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。其功能齊全，引腳較多，具有在線調(diào)試功能。而且可以直接采用5V供電，能與電源良好匹配。 三．軟件實(shí)現(xiàn) 通過MSP430的ADC12寄存器采集外部數(shù)據(jù)（ADC性能指標(biāo)：分辨率最小值1.2mV精確度高，量化誤差±1/2LSB，轉(zhuǎn)換精度高轉(zhuǎn)換率大于200Ksps）。 需要對(duì)系統(tǒng)用到的 GPIO 口的功能進(jìn)行設(shè)置，P6.0-6.6設(shè)置為模擬 輸入，用于采集濕度傳感器，光敏傳感器，空氣溫濕度傳感器等的模擬電壓值。 對(duì) ADC 模塊進(jìn)行初始化，其中包括ADC時(shí)鐘使能，時(shí)鐘分頻因子設(shè)置，ADC 的工作時(shí)鐘頻率設(shè)置，并設(shè)置工作模式為序列通道多次轉(zhuǎn)換工作模式等。 void main(void) { WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD; // 關(guān)閉看門狗 P6SEL = 0x0F; // 使能管腳 ADC12CTL0 = ADC12ON+ADC12MSC+ADC12SHT0_2; ADC12CTL1 = ADC12SHP+ADC12CONSEQ_1; ADC12MCTL0 = ADC12INCH_0; // 初始化 ...... ADC12MCTL3 = ADC12INCH_3+ADC12EOS; ADC12IE = 0x08; // 使能中斷 ADC12CTL0 |= ADC12ENC; ...... } 由于采用了OLED顯示屏，需要對(duì)相應(yīng)的管腳進(jìn)行初始化和時(shí)鐘設(shè)置。 ...... OLED_Init(); //初始化OLD OLED_Clear(); ...... OLED SSD1306 SPI 時(shí)鐘D0 #define OLED_SSD1306_SCLK_PIN_NUM (BIT2) OLED SSD1306 SPI 數(shù)據(jù)D1 #define OLED_SSD1306_SDIN_PIN_NUM (BIT3) OLED SSD1306 數(shù)據(jù)/命令DC #define OLED_SSD1306_DC_PIN_NUM (BIT5) OLED SSD1306 片選CS #define OLED_SSD1306_CE_PIN_NUM (BIT6) OLED SSD1306 復(fù)位/RES #define OLED_SSD1306_RST_PIN_NUM (BIT4) ...... 在主程序中，液晶實(shí)時(shí)地顯示 ADC 的轉(zhuǎn)換數(shù)值，并將轉(zhuǎn) 換值與用戶設(shè)定值的進(jìn)行對(duì)比，如果檢測值小于用戶設(shè)定的 濕度限值，430通過 P2.0啟動(dòng)水泵，對(duì)花盆中的植 物進(jìn)行澆灌。當(dāng)?shù)竭_(dá)最大閾值則停止水泵。 if(drought<100) { P2OUT&=~BIT0; } else { P2OUT= BIT0; } ....... DHT11的驅(qū)動(dòng) DHT11的數(shù)據(jù)口用于與微處理器之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,操作流程如下: 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先。 出數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗(yàn) 用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 總線空閑狀態(tài)為高電平,主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開始信號(hào)后,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào).主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)結(jié)束后,延時(shí)等待20-40us后, 讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào),主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高。 所以需要用到單片機(jī)輸出時(shí)序來驅(qū)動(dòng)DHT11模塊，部分代碼附下： void RH(void) { P2_0=0; //主機(jī)拉低18ms Delay(180); P2_0=1; Delay_10us(); ....... P2_0=1; //主機(jī)設(shè)為輸入 判斷從機(jī)響應(yīng)信號(hào) if(!P2_0) //判斷從機(jī)是否有低電平響應(yīng)信號(hào) U8FLAG=2; while((!P2_0)&&U8FLAG++); ....... COM(); U8RH_data_H_temp=U8comdata; COM(); ....... str[0]=U8RH_data_H; str[1]=U8RH_data_L; str[2]=U8T_data_H; str[3]=U8T_data_L; str[4]=U8checkdata; SendData(str) ; //發(fā)送到串口 ....... 四．總結(jié) 本文提出的多肉植物植物智能種植系統(tǒng)，通過單片機(jī)的監(jiān)測和控制能夠?qū)崟r(shí)檢測植物種植環(huán)境的溫濕度、植物土壤濕度及光照條件，并根據(jù)環(huán)境變量來控制水泵、補(bǔ)光燈等終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)控制澆水和補(bǔ)光等功能。此系統(tǒng)可用于多肉養(yǎng)護(hù)，該系統(tǒng)運(yùn)用了比較廉價(jià)的單片機(jī)和傳感器模塊，易于實(shí)現(xiàn)且低功耗，系統(tǒng)與用戶通過OLED交互，易于用戶了解盆栽生長環(huán)境，并對(duì)其加以適當(dāng)干預(yù)。由于市面上還未有此功能的系統(tǒng)，因此具有一定的市場價(jià)值。
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2018-4-8 10:48 上傳
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