阳台农业立体栽培机控制器的设计.pdf

阳 台 农 业 立 体 栽 培 机 控 制 器 的 设 计 周 赵 凤 邵 威 邱 祁 金 程 辉 浙 江 大 学 城 市 学 院 工 程 分 院 浙 江 杭 州310015 摘要 随着国内阳台农 业 的 发 展 立 体 栽 培 技 术 逐 渐发展 起来 基于STM8S208C8T6 单 片机的 最小 系统 设计 了一 种多 功能 控 制 器 借 助 压 力传感器反馈水压 使输出 压 力 稳 定 营 养 液 自 动 循环 利 用SHT20 温 湿度 传感 器测 量环 境参 数 通 过I2C 通 讯 将 数据 显 示 在HMI 串 口 显示屏上 基于TJA1050 芯片 的CAN 总 线 联 网 设计 了CAN 基 本 电 路 该 控 制 器 成 本 低 简 单 集 水 泵 控 制 温 湿 度 读 取 A D 采 样 温湿度 显示和水压控制 CAN 联 网 等 功 能 于 一 体 为 阳台 农业 立体 栽培 提供 有益 参考 关键 词 阳台农业 立体栽培 单 片 机 SHT20 CAN 中图 分类号 S220 2 文 献 标 识 码 A 文章 编号 0517 6611 2019 09 0189 05 doi 10 3969 j issn 0517 6611 2019 09 055 开 放科学 资源 服务 标识 码 OSID DesignofSpaceCultivationMachineControllerofBalconyAgriculture ZHOUZhao feng SHAOWei QIUQietal EngineeringBranch CityCollegeofZhejiangUniversity Hangzhou Zhejiang310015 Abstract Withthedevelopmentofdomesticbalconyagriculture spacecultivationtechnologyhasgraduallydeveloped Amulti functional controllerwasdesignbasedontheminimumsystemofSTM8S208C8T6microcontroller Thepressuresensorwasusedtofeedbackthewater pressureandstabilizetheoutputpressure andthenutrientsolutionwasautomaticallycirculated SHT20temperatureandhumiditysensorwas usedtomeasureenvironmentalparameters anddataweredisplayedonHMIserialdisplaythroughI2Ccommunication BasedontheTJA1050 chip theCANbasiccircuitwasdesigned Thecontrollerwaslow costandsimple whichcombinedwithwaterpumpcontrol temperatureand humidityreading A Dsampling temperatureandhumiditydisplayandwaterpressurecontrol CANnetworkingandotherfunctions soasto provideusefulreferencesforspacecultivationofbalconyagriculture Keywords Balconyagriculture Spacecultivation Microcontroller SHT20 CAN 基 金 项 目 杭 州 市 农 业 科 研 项 目 20170432B28 作 者 简 介 周 赵 凤 1966 女 浙 江 长 兴 人 高 级 工 程 师 硕 士 从 事 机 械 制 造 研 究 收 稿 日 期 2018 11 28 阳 台 农 业 是 指 主 要 采 用 无 土 栽 培 的 方 法 居 民 利 用 室 内 阳 台 庭 院 屋 顶 等 空 间 进 行 家 庭 园 艺 植 物 栽 培 或 装 饰 的 农 业 生 产 日本以 及 欧 美 发达国 家 在 阳 台 楼 顶 进 行 农 业 种 植已 经 非常 成熟 园艺 种 植已 成 为 成 年 人 最 受 欢 迎 的 闲 暇 运 动 之 一 1 3 阳 台种 植 形 式 已 从 传 统 单 一 的 土 培 发 展 到 无 土 栽培 管 道栽培 漂 浮 栽 培 气 雾 培 等 多 种 种 植 形 式 这 些 形 式的 多 效组 合也形 成 了 阳 台 农 业 特 有 的 立 体 栽 培 模 式 4 6 而不 论 是无 土栽培 还 是 管 道栽培 其 核 心 是 将 植 物 根 茎 固 定 并 使 根 系 接 触 营 养 液 通 过 营 养 液 向 植 物 提 供 水 分 养 分 等 生长 因 子 同时 需 要 检 测 及 控 制 生 长 环 境 的 温 湿 度 7 8 为 解决 立 体栽 培系统 自 动 补 营养液 及 检 测 环 境 参 数 的 问 题 国 内开 发 出不 少 立 体 栽 培 控 制 系 统 9 13 该 研 究 所 设 计 系 统 主 要 用 于 环 境 温 湿 度 检 测 营 养 液 循 环 人 机 界 面 及 多 栽 培 机 联 网 方面 笔者 对 阳 台 农 业 立 体 栽 培 机 控 制 器 进 行 了 总 体方 案 设计 电 路设计 和 软件 设 计 1 总体 方案 该 控制 系 统 设 计 采 用 小功率 直 流 水 泵 从 营 养 液 缸 中 抽 取 营 养 液 营养 液经过 节 流 阀 调 节 流 量 和 输 送 管 输 送 给 各 个盆 栽 控 制流 程 图如 图1 所 示 单 片 机 通 过PWM 控制 水 泵 输 出 一 定 水 压 压 力 传 感 器 对 压 力 实 时 反 馈 形 成 简 单 的 闭环 系 统 使水 泵输出 压 力基 本 稳 定 设 计的 总 体 框 架 如 图2 所 示 主 要 分 为 单 片 机 最 小 系 统 最 小 系 统 包 括 复 位 电 路 晶 振 电 路 16MHz 电 源 模 块 给水 泵和压 力传 感 器 用 于 营 养 液 的 循 环 温 湿 度 传 感 器SHT20 对 周围环 境 温 湿 度 进 行 检 测 串 口 显 示 屏 单 片 机 进 行温 湿 度读 取 并 将结 果 显示 在 其上 CAN 模 块实现 系 统 的 局域 联 网 图1 系 统控制流程 Fig 1 Thecontrolprocessofthesystem 图2 系统 总体设计框 架 Fig 2 Theoveralldesignframeworkofthesystem 1 1 水 泵的 选 择 根 据 需要 将 营 养 液 输 送 到1 7m 左 右 的 垂 直 高度 选 择 规 格 为13 8mm 口 径 6m 扬 程 的 小 型 无 刷 直 流水 泵 如 图3 所 示 额定 电 压24V 工 作 电 流1 2A 最 大 流量700L h 功耗28 8W 噪音 低 于35dB 由 此可 见 该 水 泵 具备 体 积 小 低 噪 音 高 效 率 节 能 环 保 等 优 点 采 用 永 磁 磁 铁驱 动 损 耗小 寿 命长 1 2 压 力传 感 器 的 选 择 根 据 水 泵 的 规 格 估 算 水 泵 输 出 水 压 因 为一 个 大气 压 101 325kPa 近 似 等 于10m 水 柱 安 徽 农 业 科 学 J AnhuiAgric Sci 2019 47 9 189 193 则6m 扬 程 水 泵 输 出 水 压 近 似 于60kPa 因 此 选 择 量 程0 图3 无刷直 流 水泵 Fig 3 Thebrushlessdirect currentpump 100kPa 的压 力传感 器 如 图4 所 示 采 用 三 线 制 电 压 型 传 感 器 供电 电 压5V 输出 电 压0 5 4 5V 精 度0 25 FS 灵 敏 度 响 应时 间 小于1ms 抗压 力 疲劳 冲 击1000 万次 抗 过 载 性X2 1 3 显 示屏 的 选 择 选 用 的 单 片 机 自 带UART 通 讯 功 能 选 择UART 通 讯 的HMI 串 口 显 示 屏TJC4024T032 011R 如 图5 所 示 3 2 寸 电 阻 式 触 摸 屏 自 带 字 库 16 位 真 彩 色 RGB 显 示 工 作 电 压4 75 7 00V FLASH 空 间4MB 3584Byte 的RAM 具有 休 眠模 式 休 眠电 流20mA 支持 触 摸 唤 醒功 能 2 电 路设计 2 1 单 片 机 最 小 系 统 采 用 意 法 公 司 推 出 的 高 性 能 STM8S208C8T6 单 片 机 该 芯 片 配 备 了 高 性 能 的STM8 内 核 外 设 采 用 模 块 化 的 设 计 方 式 具 有 丰 富 的 片 内 资 源 配 置 最 小 系统 如 图6 所 示 图4 压力传感 器接线图 a 和实物图 b Fig 4 Thewiringdiagram a andmaterialobjectmap b ofpressuresensor 图5 HMI 串 口 显示屏 Fig 5 HMIserialdisplay 2 2 电机 驱动电 路 电 机 驱 动 电 路 如 图7 所 示 主 要 由2 个NPN 型 和1 个PNP 型 三 极 管 组 成 作 为 开 关 作 用 电 阻 R2 和R3 起限 流 作 用 0 电 阻 单 点 接 地 使 数 字 地 与 模 拟 地分 开 稳压管D1 起到 保护作 用 电 机驱 动 电 路 的 工 作 原 理 如 下 若PC1 0 三 极 管Q3 关 闭 电 流被 阻 断 三 极 管Q2 的 基 极 就 输 入 高 电 压 Q2 开 启 三 极 管Q1 关 闭 电流 经 过R3 到达MOS 管Q4 这时G 和 S 之 间 的电 压 大 则D 和S 之 间 导 通 水 泵 启 动 若PC1 1 三 极 管Q3 开 启 电 流 直 接 经 过Q3 回 到GND Q4 的G 和S 之 间 无电 压 Q4 关 闭 水 泵停 止 2 3 温 湿 度 电 路 温 湿 度 电 路 基 于 新 一 代 温 湿 度 传 感 器 SHT20 如图8 所示 为 电 容式 相 对湿 度 传感 器 和能隙 温 度 传 感 器 还 包含 一 个放 大 器 A D 转换 器 OTP 内 存和 数字处 理 单 元 为 了避 免 信号 冲 突 在VDD 和SDA SCL 之 间 串 联 一 个10k 的 上 拉 电 阻 VDD 与GND 之 间 并 联 一 个100nF 的 滤 波电 容 2 4 CAN 总 线 电 路 CAN 模 块 通 过PG0 CAN TX 和 PG1 CAN RX 引 脚 与 总 线 驱 动 器 通 信 其 设 计 电 路 如 图9 所 示 其 中 TJA1050 是 高 速CAN 收 发 器 用 于 连 接 控 制 器 0 9 1 安 徽 农 业 科 学 2019 年 图6 最小系 统电路图 Fig 6 Thecircuitdiagramoftheminimumsystem 图7 电机驱动电 路 Fig 7 Thedrivingcircuitofthemotor 和 物 理 总 线 之 间 的 接 口 为 总 线 提 供 不 同 的 发 送 和 接 收 性 能 2 5 电 压 转 换 电 路 控 制 器 整 体 需 求 电 压 有24 12 5 3 3V 电 路 中 采 用 的 芯 片 为LM2576 系 列 以 及AMS1117 3 3 如 图10 所示 为 了 确 保AMS1117 的 稳 定 性 输 出 固 定 电压 采 用一个 较小的 电 容 如10 F 或 者 不 用 3 软件 设计 根 据设 计 模 块 和 功 能 主 程 序 设 计 流 程 如 图11 所 示 3 1 UART 通信 UART 串 行通信 数 据 是 逐 位 传 送 的 发 送 和接 收 每一 位数据 都 具 有 固定的 时 间 间 隔 数 据 传 输 以 帧 的 形 式 进行 STM8S 单片 机UART1 模 块 有3 个 引 脚 UART TX 引 脚 为串 行 数 据 输 出 UART RX 引 脚 为 串 行 数 据 输 入 UART CK 引 脚 为 发 送 器 时 钟 输 出 在 控 制 寄 存 器UART CRx 控制 下 数 据按一 个 起 始 位 8 或9 位 数 据 位 最 低 有 效 位 在 前 1 1 5 或2 0 个 停 止位 的格 式 进 行 传 输 总 线 在 发 送 和 接收 前 后均 处 于空 闲 状态 状 态 寄存 器UART SR 用 于 标 识UART1 的工作 状态 子 程序 如 图12 所 示 3 2 A D 转 换 子 程 序 STM8S208C8T6 单 片 机 内 部 的 ADC2 模 块 是10 位 精 度的 逐 次 逼 近 比 较 型 模 数 转 换 器 A D 转 换 的 各 个 通 道 可 以 执 行 单 次 或 连 续 转 换 模 式 ADC CSR 1 9 1 47 卷9 期 周赵凤 等 阳台农 业立体栽培 机控制器的设 计 图8 SHT20 电路 Fig 8 SHT20circuit 寄 存 器的CH 3 0 位 用 于 模 拟 通 道 的 选 择 ADC CR1 寄 存 器 的CONT 位 用 于设 定A D 转 换 为 单 次 或 连 续 模 式 ADC CR1 寄存 器 的ADON 位 用 于 控 制ADC 模 块 的 上 电 和 启 动 A D 转 换 系 统 时 钟fMASTER 经 预 分 频 器 分 频 后 输 出 fADC 信 号作为AD 转 换 的 时 钟 经 转 换 得 到 的 数 字 量 被 存 放 在数 据 寄存 器ADC DR 中 A D 采 样 子 程 序 设 计 流 程 如 图13 所示 4 结 语 该 系 统 采 用STM8S208C8T6 单 片 机 为 控 制 核 心 将 水 泵 驱 动 电路 SHT20 温湿 度读取 电路 电压 采 集 电 路 CAN 联 网 电 路 显 示 电 路 相 结 合 组 成 一 个 操 作 方 便 交 互 性 强 的 简 单 控 制 系统 图9 CAN 总 线电路 Fig 9 CANbuscircuit 图10 电压转 换电路 Fig 10 Thevoltageconversioncircuit 2 9 1 安 徽 农 业 科 学 2019 年 图11 主 程序设计 流程 Fig 11 Theflowchartofmainprogramdesign 图12 UART1 程序 设计流程 Fig 12 TheflowchartofUART1programming 通过 压 力反 馈 能实 现PWM 控制 水 泵的 输 出压 力基本稳 定 水 泵输送 的高度 达到 要求 从SHT20 读 取到 的 温 湿 度 压 力 传 感器 反 馈的 压 力通 过HMI 串 口 显 示 屏 显 示 使 用 单 片 机 制 作具 有 软 硬 件 设 计 简 单 易 于 开 发 成 本 较 低 可 靠 性 高 操 作 方便 易 维护 等 特点 图13 A D 转 换程序设计 流程 Fig 13 TheflowchartofA Dconversionprogramdesign 参 考 文 献 1 张 俊 峰 张 唐 娟 郭 翔 等 几 种新型 阳台蔬菜栽培 装置 研 究 J 湖 北 农 机 化 2016 4 56 57 2 郭 迪 王 晨 静 陆 国 权 我 国 阳 台 农 业 概 况 及 发 展 前 景 J 浙 江 农 业 科 学 2013 3 239 241 3 李 立 科 高 媛 陆 锦 明 等 阳 台农业 发展现状和发 展建 议 J 上 海 农 业 科 技 2015 3 17 27 4 王 媚 黄 韬 李 光 浅 谈我国阳台 农业发展现状 及走向 J 上 海 蔬 菜 2013 1 8 9 5 章 利 华 黄 思 杰 刘 涛 我 国 阳 台 农 业 发 展 现 状 浅 析 J 上 海 蔬 菜 2015 6 6 8 6 花 茜 章 利 华 阳 台 农 业 中 的 无 土 栽 培 技 术 应 用 J 农 业 开 发 与 装 备 2017 12 167 168 173 7 雷 雨 李 树 和 杨 建 忠 等 我 国家庭 立体菜园的发 展前 景 与 趋 势 J 天 津 农 业 科 学 2016 22 9 147 150 8 郑 世 英 耿 建 芬 于 凌春 等 现代都 市阳台农业发 展现 状 及 前 景 J 边 疆 经 济 与 文 化 2015 11 67 68 9 张 怀 波 张 伟 娟 周 保龙 等 我国阳 台农业发展现 状评 析 J 安 徽 农 业 科 学 2014 42 18 5825 5826 5830 10 梁 鑫 张 鑫 宇 史 颖 刚 等 阳 台 农 场 环 境 控 制 系 统 设 计 J 安 徽 农业 科 学 2018 46 10 176 178 11 陈 娜 陈 立 平 李 斌 等 阳 台 农 业 立 体 栽 培 自 动 控 制 系 统 设计与实 现 J 农 机 化 研 究 2014 1 127 131 12 高 锐 涛 杨 洲 曹 玉 华 等 阳 台 蔬 菜 种 植 设 备 的 优 化 设 计 J 机 械设 计 2013 30 5 116 118 13 解 朦 李 明 辉 徐 伟 一 种 阳 台 农 业 智 能 控 制 组 的 设 计 J 软 件 2017 38 4 150 153 上 接 第188 页 10 贺 艳 刘 伟 赵 卫 东 等 出 口 食 品 中 转 基 因 成 分 环 介 导 等 温 扩 增 LAMP 检 测 方 法 第24 部 分 水 稻LLrice62 品 系 SN T3767 24 2014 S 北 京 中 国 标 准 出 版 社 2014 11 CHENGJX ZHOUXC DANMA etal Establishmentofaloop media tedisothermalamplificationmethodfordetectionofmustardallergenin foods J Foodscience 2014 35 20 148 152 12 BALLINNZ VOGENSENFK KARLSSONAH Speciesdetermination Canwedetectandquantifymeatadulteration J Meatscience 2009 83 2 165 174 13 唐 修 君 樊 艳 凤 贾 晓 旭 等 荧 光PCR 法 检 测 畜 禽 肉 中 的 鸡 源 性 成 分 J 现 代 食 品 科 技 2018 34 7 230 234 14 KUMARY BANSALS JAISWALP Loop mediatedisothermalamplifi cation LAMP Arapidandsensitivetoolforqualityassessmentofmeat products J Comprehensivereviewsinfoodscienceand food safety 2017 16 6 1359 1378 3 9 1 47 卷9 期 周赵凤 等 阳台农 业立体栽培 机控制器的设 计