陽臺農業(yè)立體栽培機控制器的設計.pdf

陽 臺 農 業(yè) 立 體 栽 培 機 控 制 器 的 設 計 周 趙 鳳 邵 威 邱 祁 金 程 輝 浙 江 大 學 城 市 學 院 工 程 分 院 浙 江 杭 州310015 摘要 隨著國內陽臺農 業(yè) 的 發(fā) 展 立 體 栽 培 技 術 逐 漸發(fā)展 起來 基于STM8S208C8T6 單 片機的 最小 系統(tǒng) 設計 了一 種多 功能 控 制 器 借 助 壓 力傳感器反饋水壓 使輸出 壓 力 穩(wěn) 定 營 養(yǎng) 液 自 動 循環(huán) 利 用SHT20 溫 濕度 傳感 器測 量環(huán) 境參 數(shù) 通 過I2C 通 訊 將 數(shù)據(jù) 顯 示 在HMI 串 口 顯示屏上 基于TJA1050 芯片 的CAN 總 線 聯(lián) 網 設計 了CAN 基 本 電 路 該 控 制 器 成 本 低 簡 單 集 水 泵 控 制 溫 濕 度 讀 取 A D 采 樣 溫濕度 顯示和水壓控制 CAN 聯(lián) 網 等 功 能 于 一 體 為 陽臺 農業(yè) 立體 栽培 提供 有益 參考 關鍵 詞 陽臺農業(yè) 立體栽培 單 片 機 SHT20 CAN 中圖 分類號 S220 2 文 獻 標 識 碼 A 文章 編號 0517 6611 2019 09 0189 05 doi 10 3969 j issn 0517 6611 2019 09 055 開 放科學 資源 服務 標識 碼 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 項 目 杭 州 市 農 業(yè) 科 研 項 目 20170432B28 作 者 簡 介 周 趙 鳳 1966 女 浙 江 長 興 人 高 級 工 程 師 碩 士 從 事 機 械 制 造 研 究 收 稿 日 期 2018 11 28 陽 臺 農 業(yè) 是 指 主 要 采 用 無 土 栽 培 的 方 法 居 民 利 用 室 內 陽 臺 庭 院 屋 頂 等 空 間 進 行 家 庭 園 藝 植 物 栽 培 或 裝 飾 的 農 業(yè) 生 產 日本以 及 歐 美 發(fā)達國 家 在 陽 臺 樓 頂 進 行 農 業(yè) 種 植已 經 非常 成熟 園藝 種 植已 成 為 成 年 人 最 受 歡 迎 的 閑 暇 運 動 之 一 1 3 陽 臺種 植 形 式 已 從 傳 統(tǒng) 單 一 的 土 培 發(fā) 展 到 無 土 栽培 管 道栽培 漂 浮 栽 培 氣 霧 培 等 多 種 種 植 形 式 這 些 形 式的 多 效組 合也形 成 了 陽 臺 農 業(yè) 特 有 的 立 體 栽 培 模 式 4 6 而不 論 是無 土栽培 還 是 管 道栽培 其 核 心 是 將 植 物 根 莖 固 定 并 使 根 系 接 觸 營 養(yǎng) 液 通 過 營 養(yǎng) 液 向 植 物 提 供 水 分 養(yǎng) 分 等 生長 因 子 同時 需 要 檢 測 及 控 制 生 長 環(huán) 境 的 溫 濕 度 7 8 為 解決 立 體栽 培系統(tǒng) 自 動 補 營養(yǎng)液 及 檢 測 環(huán) 境 參 數(shù) 的 問 題 國 內開 發(fā) 出不 少 立 體 栽 培 控 制 系 統(tǒng) 9 13 該 研 究 所 設 計 系 統(tǒng) 主 要 用 于 環(huán) 境 溫 濕 度 檢 測 營 養(yǎng) 液 循 環(huán) 人 機 界 面 及 多 栽 培 機 聯(lián) 網 方面 筆者 對 陽 臺 農 業(yè) 立 體 栽 培 機 控 制 器 進 行 了 總 體方 案 設計 電 路設計 和 軟件 設 計 1 總體 方案 該 控制 系 統(tǒng) 設 計 采 用 小功率 直 流 水 泵 從 營 養(yǎng) 液 缸 中 抽 取 營 養(yǎng) 液 營養(yǎng) 液經過 節(jié) 流 閥 調 節(jié) 流 量 和 輸 送 管 輸 送 給 各 個盆 栽 控 制流 程 圖如 圖1 所 示 單 片 機 通 過PWM 控制 水 泵 輸 出 一 定 水 壓 壓 力 傳 感 器 對 壓 力 實 時 反 饋 形 成 簡 單 的 閉環(huán) 系 統(tǒng) 使水 泵輸出 壓 力基 本 穩(wěn) 定 設 計的 總 體 框 架 如 圖2 所 示 主 要 分 為 單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 最 小 系 統(tǒng) 包 括 復 位 電 路 晶 振 電 路 16MHz 電 源 模 塊 給水 泵和壓 力傳 感 器 用 于 營 養(yǎng) 液 的 循 環(huán) 溫 濕 度 傳 感 器SHT20 對 周圍環(huán) 境 溫 濕 度 進 行 檢 測 串 口 顯 示 屏 單 片 機 進 行溫 濕 度讀 取 并 將結 果 顯示 在 其上 CAN 模 塊實現(xiàn) 系 統(tǒng) 的 局域 聯(lián) 網 圖1 系 統(tǒng)控制流程 Fig 1 Thecontrolprocessofthesystem 圖2 系統(tǒng) 總體設計框 架 Fig 2 Theoveralldesignframeworkofthesystem 1 1 水 泵的 選 擇 根 據(jù) 需要 將 營 養(yǎng) 液 輸 送 到1 7m 左 右 的 垂 直 高度 選 擇 規(guī) 格 為13 8mm 口 徑 6m 揚 程 的 小 型 無 刷 直 流水 泵 如 圖3 所 示 額定 電 壓24V 工 作 電 流1 2A 最 大 流量700L h 功耗28 8W 噪音 低 于35dB 由 此可 見 該 水 泵 具備 體 積 小 低 噪 音 高 效 率 節(jié) 能 環(huán) 保 等 優(yōu) 點 采 用 永 磁 磁 鐵驅 動 損 耗小 壽 命長 1 2 壓 力傳 感 器 的 選 擇 根 據(jù) 水 泵 的 規(guī) 格 估 算 水 泵 輸 出 水 壓 因 為一 個 大氣 壓 101 325kPa 近 似 等 于10m 水 柱 安 徽 農 業(yè) 科 學 J AnhuiAgric Sci 2019 47 9 189 193 則6m 揚 程 水 泵 輸 出 水 壓 近 似 于60kPa 因 此 選 擇 量 程0 圖3 無刷直 流 水泵 Fig 3 Thebrushlessdirect currentpump 100kPa 的壓 力傳感 器 如 圖4 所 示 采 用 三 線 制 電 壓 型 傳 感 器 供電 電 壓5V 輸出 電 壓0 5 4 5V 精 度0 25 FS 靈 敏 度 響 應時 間 小于1ms 抗壓 力 疲勞 沖 擊1000 萬次 抗 過 載 性X2 1 3 顯 示屏 的 選 擇 選 用 的 單 片 機 自 帶UART 通 訊 功 能 選 擇UART 通 訊 的HMI 串 口 顯 示 屏TJC4024T032 011R 如 圖5 所 示 3 2 寸 電 阻 式 觸 摸 屏 自 帶 字 庫 16 位 真 彩 色 RGB 顯 示 工 作 電 壓4 75 7 00V FLASH 空 間4MB 3584Byte 的RAM 具有 休 眠模 式 休 眠電 流20mA 支持 觸 摸 喚 醒功 能 2 電 路設計 2 1 單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 采 用 意 法 公 司 推 出 的 高 性 能 STM8S208C8T6 單 片 機 該 芯 片 配 備 了 高 性 能 的STM8 內 核 外 設 采 用 模 塊 化 的 設 計 方 式 具 有 豐 富 的 片 內 資 源 配 置 最 小 系統(tǒng) 如 圖6 所 示 圖4 壓力傳感 器接線圖 a 和實物圖 b Fig 4 Thewiringdiagram a andmaterialobjectmap b ofpressuresensor 圖5 HMI 串 口 顯示屏 Fig 5 HMIserialdisplay 2 2 電機 驅動電 路 電 機 驅 動 電 路 如 圖7 所 示 主 要 由2 個NPN 型 和1 個PNP 型 三 極 管 組 成 作 為 開 關 作 用 電 阻 R2 和R3 起限 流 作 用 0 電 阻 單 點 接 地 使 數(shù) 字 地 與 模 擬 地分 開 穩(wěn)壓管D1 起到 保護作 用 電 機驅 動 電 路 的 工 作 原 理 如 下 若PC1 0 三 極 管Q3 關 閉 電 流被 阻 斷 三 極 管Q2 的 基 極 就 輸 入 高 電 壓 Q2 開 啟 三 極 管Q1 關 閉 電流 經 過R3 到達MOS 管Q4 這時G 和 S 之 間 的電 壓 大 則D 和S 之 間 導 通 水 泵 啟 動 若PC1 1 三 極 管Q3 開 啟 電 流 直 接 經 過Q3 回 到GND Q4 的G 和S 之 間 無電 壓 Q4 關 閉 水 泵停 止 2 3 溫 濕 度 電 路 溫 濕 度 電 路 基 于 新 一 代 溫 濕 度 傳 感 器 SHT20 如圖8 所示 為 電 容式 相 對濕 度 傳感 器 和能隙 溫 度 傳 感 器 還 包含 一 個放 大 器 A D 轉換 器 OTP 內 存和 數(shù)字處 理 單 元 為 了避 免 信號 沖 突 在VDD 和SDA SCL 之 間 串 聯(lián) 一 個10k 的 上 拉 電 阻 VDD 與GND 之 間 并 聯(lián) 一 個100nF 的 濾 波電 容 2 4 CAN 總 線 電 路 CAN 模 塊 通 過PG0 CAN TX 和 PG1 CAN RX 引 腳 與 總 線 驅 動 器 通 信 其 設 計 電 路 如 圖9 所 示 其 中 TJA1050 是 高 速CAN 收 發(fā) 器 用 于 連 接 控 制 器 0 9 1 安 徽 農 業(yè) 科 學 2019 年 圖6 最小系 統(tǒng)電路圖 Fig 6 Thecircuitdiagramoftheminimumsystem 圖7 電機驅動電 路 Fig 7 Thedrivingcircuitofthemotor 和 物 理 總 線 之 間 的 接 口 為 總 線 提 供 不 同 的 發(fā) 送 和 接 收 性 能 2 5 電 壓 轉 換 電 路 控 制 器 整 體 需 求 電 壓 有24 12 5 3 3V 電 路 中 采 用 的 芯 片 為LM2576 系 列 以 及AMS1117 3 3 如 圖10 所示 為 了 確 保AMS1117 的 穩(wěn) 定 性 輸 出 固 定 電壓 采 用一個 較小的 電 容 如10 F 或 者 不 用 3 軟件 設計 根 據(jù)設 計 模 塊 和 功 能 主 程 序 設 計 流 程 如 圖11 所 示 3 1 UART 通信 UART 串 行通信 數(shù) 據(jù) 是 逐 位 傳 送 的 發(fā) 送 和接 收 每一 位數(shù)據(jù) 都 具 有 固定的 時 間 間 隔 數(shù) 據(jù) 傳 輸 以 幀 的 形 式 進行 STM8S 單片 機UART1 模 塊 有3 個 引 腳 UART TX 引 腳 為串 行 數(shù) 據(jù) 輸 出 UART RX 引 腳 為 串 行 數(shù) 據(jù) 輸 入 UART CK 引 腳 為 發(fā) 送 器 時 鐘 輸 出 在 控 制 寄 存 器UART CRx 控制 下 數(shù) 據(jù)按一 個 起 始 位 8 或9 位 數(shù) 據(jù) 位 最 低 有 效 位 在 前 1 1 5 或2 0 個 停 止位 的格 式 進 行 傳 輸 總 線 在 發(fā) 送 和 接收 前 后均 處 于空 閑 狀態(tài) 狀 態(tài) 寄存 器UART SR 用 于 標 識UART1 的工作 狀態(tài) 子 程序 如 圖12 所 示 3 2 A D 轉 換 子 程 序 STM8S208C8T6 單 片 機 內 部 的 ADC2 模 塊 是10 位 精 度的 逐 次 逼 近 比 較 型 模 數(shù) 轉 換 器 A D 轉 換 的 各 個 通 道 可 以 執(zhí) 行 單 次 或 連 續(xù) 轉 換 模 式 ADC CSR 1 9 1 47 卷9 期 周趙鳳 等 陽臺農 業(yè)立體栽培 機控制器的設 計 圖8 SHT20 電路 Fig 8 SHT20circuit 寄 存 器的CH 3 0 位 用 于 模 擬 通 道 的 選 擇 ADC CR1 寄 存 器 的CONT 位 用 于設 定A D 轉 換 為 單 次 或 連 續(xù) 模 式 ADC CR1 寄存 器 的ADON 位 用 于 控 制ADC 模 塊 的 上 電 和 啟 動 A D 轉 換 系 統(tǒng) 時 鐘fMASTER 經 預 分 頻 器 分 頻 后 輸 出 fADC 信 號作為AD 轉 換 的 時 鐘 經 轉 換 得 到 的 數(shù) 字 量 被 存 放 在數(shù) 據(jù) 寄存 器ADC DR 中 A D 采 樣 子 程 序 設 計 流 程 如 圖13 所示 4 結 語 該 系 統(tǒng) 采 用STM8S208C8T6 單 片 機 為 控 制 核 心 將 水 泵 驅 動 電路 SHT20 溫濕 度讀取 電路 電壓 采 集 電 路 CAN 聯(lián) 網 電 路 顯 示 電 路 相 結 合 組 成 一 個 操 作 方 便 交 互 性 強 的 簡 單 控 制 系統(tǒng) 圖9 CAN 總 線電路 Fig 9 CANbuscircuit 圖10 電壓轉 換電路 Fig 10 Thevoltageconversioncircuit 2 9 1 安 徽 農 業(yè) 科 學 2019 年 圖11 主 程序設計 流程 Fig 11 Theflowchartofmainprogramdesign 圖12 UART1 程序 設計流程 Fig 12 TheflowchartofUART1programming 通過 壓 力反 饋 能實 現(xiàn)PWM 控制 水 泵的 輸 出壓 力基本穩(wěn) 定 水 泵輸送 的高度 達到 要求 從SHT20 讀 取到 的 溫 濕 度 壓 力 傳 感器 反 饋的 壓 力通 過HMI 串 口 顯 示 屏 顯 示 使 用 單 片 機 制 作具 有 軟 硬 件 設 計 簡 單 易 于 開 發(fā) 成 本 較 低 可 靠 性 高 操 作 方便 易 維護 等 特點 圖13 A D 轉 換程序設計 流程 Fig 13 TheflowchartofA Dconversionprogramdesign 參 考 文 獻 1 張 俊 峰 張 唐 娟 郭 翔 等 幾 種新型 陽臺蔬菜栽培 裝置 研 究 J 湖 北 農 機 化 2016 4 56 57 2 郭 迪 王 晨 靜 陸 國 權 我 國 陽 臺 農 業(yè) 概 況 及 發(fā) 展 前 景 J 浙 江 農 業(yè) 科 學 2013 3 239 241 3 李 立 科 高 媛 陸 錦 明 等 陽 臺農業(yè) 發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā) 展建 議 J 上 海 農 業(yè) 科 技 2015 3 17 27 4 王 媚 黃 韜 李 光 淺 談我國陽臺 農業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 及走向 J 上 海 蔬 菜 2013 1 8 9 5 章 利 華 黃 思 杰 劉 濤 我 國 陽 臺 農 業(yè) 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 淺 析 J 上 海 蔬 菜 2015 6 6 8 6 花 茜 章 利 華 陽 臺 農 業(yè) 中 的 無 土 栽 培 技 術 應 用 J 農 業(yè) 開 發(fā) 與 裝 備 2017 12 167 168 173 7 雷 雨 李 樹 和 楊 建 忠 等 我 國家庭 立體菜園的發(fā) 展前 景 與 趨 勢 J 天 津 農 業(yè) 科 學 2016 22 9 147 150 8 鄭 世 英 耿 建 芬 于 凌春 等 現(xiàn)代都 市陽臺農業(yè)發(fā) 展現(xiàn) 狀 及 前 景 J 邊 疆 經 濟 與 文 化 2015 11 67 68 9 張 懷 波 張 偉 娟 周 保龍 等 我國陽 臺農業(yè)發(fā)展現(xiàn) 狀評 析 J 安 徽 農 業(yè) 科 學 2014 42 18 5825 5826 5830 10 梁 鑫 張 鑫 宇 史 穎 剛 等 陽 臺 農 場 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 設 計 J 安 徽 農業(yè) 科 學 2018 46 10 176 178 11 陳 娜 陳 立 平 李 斌 等 陽 臺 農 業(yè) 立 體 栽 培 自 動 控 制 系 統(tǒng) 設計與實 現(xiàn) J 農 機 化 研 究 2014 1 127 131 12 高 銳 濤 楊 洲 曹 玉 華 等 陽 臺 蔬 菜 種 植 設 備 的 優(yōu) 化 設 計 J 機 械設 計 2013 30 5 116 118 13 解 朦 李 明 輝 徐 偉 一 種 陽 臺 農 業(yè) 智 能 控 制 組 的 設 計 J 軟 件 2017 38 4 150 153 上 接 第188 頁 10 賀 艷 劉 偉 趙 衛(wèi) 東 等 出 口 食 品 中 轉 基 因 成 分 環(huán) 介 導 等 溫 擴 增 LAMP 檢 測 方 法 第24 部 分 水 稻LLrice62 品 系 SN T3767 24 2014 S 北 京 中 國 標 準 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 艷 鳳 賈 曉 旭 等 熒 光PCR 法 檢 測 畜 禽 肉 中 的 雞 源 性 成 分 J 現(xiàn) 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 周趙鳳 等 陽臺農 業(yè)立體栽培 機控制器的設 計