基STM32智温室棚控制系统
Intelligent greenhouse control system based on STM32
容摘
现代农业生产程中农业温室棚出现植物生长程受限然环境约束温室棚出现前季节时农民种植季节特定农作物产品没选择余法跨季食农产美味温室棚应降低农作物季节性农民季节种植需农作物必苦苦等相应季节作物市面农作物更选择传统农业温室棚采光温度湿度等情况通工进行干预传统温室耕作中必须常性观察温室棚农作物生长情况农业生产效率降低时增加必劳动力成智化温室棚通微型计算机收集外部传感器采集数控制相关外设进行工作实现温室棚监控制动化实现节约力成时提高生产效率符合智农业发展需求
着信息技术发展农业科技日渐成熟智化农业棚国已着非常广泛应温度舒适土壤湿度适中光强度充足温室棚农作物生长重素基三种素设计基STM32单片机智温室棚控制系统采STM32F103C8T6单片机作设计系统控制器通采集土壤湿度检测模块棚外光线强度检测模块棚温度检测传回数值控制相关外设进行灌溉加温光等工作实现温室棚动化控该设计成相较低测量监控十分方便简单模块化设计利设备损坏进行更换实验结果表明系统够实现温室棚智化理传统温室棚智化改造提供解决方案
关键词： STM32棚土壤湿度光线强度温度
Abstract
In the process of modern agricultural production with the advent of agriculture greenhouses the process of plant growth can no longer restricted to the natural environment constraints in greenhouses before each season when farmers can only crop growing season in a particular product not too many options and people could cross season delicious edible agricultural products The use of greenhouses reduces the seasonality of crops Farmers can plant what they need in any season and people do not have to wait for the arrival of crops in the corresponding season There are more choices of crops on the market Daylighting temperature humidity and other conditions in traditional agricultural greenhouses are mostly artificially intervened Therefore in traditional greenhouse farming it is necessary to regularly observe the growth of crops in greenhouses which reduces the efficiency of agricultural production and increases the unnecessary labor cost Intelligent greenhouse through the use of microcomputer to collect data collected from external sensors control the relevant peripherals to work the realization of the greenhouse supervision and control of automation so as to save labor costs while improving production efficiency in line with the development needs of intelligent agriculture
With the development of information technology agricultural science and technology is becoming more and more mature and intelligent agricultural greenhouses have been widely used in China Comfortable temperature moderate soil moisture and sufficient light intensity are important factors for the growth of crops in greenhouse Based on these three factors an intelligent greenhouse control system based on STM32 MCU is designed Using STM32F103C8T6 singlechip microcomputer as main controller of this design system through collecting soil moisture detection module the light intensity detection module the relative temperature of the bird back to the numerical and control related peripherals for irrigation heating lighting etc realize the automation of greenhouses without control the design cost is relatively low and the measuring and monitoring is very convenient simple modularized design to be replaced after the equipment damage The experimental results show that this system can realize the intelligent management of greenhouse and provide a solution for the intelligent transformation of traditional greenhouse
Key words：STM32 Greenhouse Soil Humidity Light Intensity Temperature
目录
1 绪 1
11 开发背景 1
12 国外现状 2
2 智温室棚控制系统总体概述 3
21 基STM32智温室棚控制系统介绍 3
22 基STM32智温室棚控制系统功简介 3
23 基STM32智温室棚控制系统注意事项 4
3 传感器简介电路设计 5
31 STM32单片机简介 5
32 STM32电路设计 6
321 STM32复位电路 6
322 STM32时钟电路 7
33 OLED显示模块简介电路设计 7
331 OLED显示模块简介 7
332 OLED显示模块电路设计 8
34 土壤湿度检测模块简介电路设计 9
341 土壤湿度检测模块简介 9
342 土壤湿度检测模块电路设计 9
35 棚外光线强度检测模块简介电路设计 10
351 棚外光线强度检测模块简介 10
352 棚外光线强度检测模块电路设计 10
36 棚温度检测模块简介电路设计 11
361 棚温度检测模块简介 11
362 棚温度检测模块电路设计 11
37 电路设计 12
371 电源电路 12
372 键电路 13
4 系统流程程序设计 14
41 单片机程序流程图 14
42 处理模块 15
43 检测模块 15
44 显示模块 16
45 控制模块 17
5 系统总体测试 18
结 22
参考文献 23
致谢 24
附录 25
1 绪
11 开发背景
口均耕相少国长期需面事情解决口众带吃饭问题发展设施农业行效途径长期口数量约束国庞粮食需求直居高断延续国限耕资源承受着巨粮食生产压力粮食生产压力持续作1980年前国耕面积度达高峰粮食增长提高耕利集约度[1]作种效解决方案农业温室棚广泛应外部环境农业棚讲赖性较低农作物生长营造合适生长空间农作物需求日益增长农作物品种选择样化问题定程度解决年国农业发展扶持力度逐渐加农业设施发展猛增然部分农村中农业生产简单塑料棚较现代化玻璃塑料温室农业发展较中型城市然简易棚应定程度解决农作物越季生产问题全国农村农业设施发展农业生产做出贡献现代化玻璃温室相简易塑料棚技术含量更高够应范围设施发展潜力较现阶段国较现代化栽培设施引进仿制相言设施初期投资运行成偏高操作技术复杂济风险[2]农村简易塑料棚耕作中般会温度计湿度计光计安置棚相应位置农业工作者需常性查棚温度湿度光情况棚实际情况结合农业工作者生产验农作物进行浇水加温补光农业工作者时间精力样工作模式量消耗开发套适农业棚低成智化环境监测控制系统现代农村农业增产增收科学控着非常重意义
12 国外现状
二十世纪八十年代国家初步开始温室棚现代化控制技术进行相应研究科技工作者时初步掌握温室控制技术二十世纪九十年代中期发达国家温室智控制系统进行研究基础国温室控制技术迅速发展[3]着科学技术发展农业科技水提高智化控制技术普农业工作者普遍认智化温室棚农业生产中广泛前形势国常见智温室棚控制系统部分采PLC控制价格昂贵济条件限家庭般成起国现部分农村区旧着简易温室棚进行生产
国外微机科技发展国起步更快发展更国外智温室棚发展更加迅速美国作科技发展头部国家农业智化发展毫逊色采网络检测系统棚监测生产综合起实现农业生产高度体化智化色列农业生产中采高度动化计算机环境信息采集控制系统根生产中通传感器采集信息配合先进温室架构天窗幕帘等辅助装置整生产进行动化控制
促进农业设施发展实现农业现代化提高农产品品质重途温室棚农业设施重组成部分棚环境参数调控温室棚关键技术[4]相国外系统国存着许技术足缺陷较难应实际中国需加方面研究
2 智温室棚控制系统总体概述
21 基STM32智温室棚控制系统介绍
现生活水提高式样蔬菜需求剧增季节域关系农作物种植着特定季节性域性季蔬菜农作物等难满足口味需求反季节蔬菜异域蔬菜具市场温室棚出现实现现代农业中温室棚应越越广泛传统方式已满足现代温室棚应需求智化温室棚日渐成棚农业改革趋势温室环境参数温度湿度光强度等温度农作物生命活动着十分紧密关联合适温度范围农作物茁壮成长维持农作物温度限温度限温度间十分重够维持农作物适生长温度农作物非良性生长般温度适宜导致湿度关棚农作物生长农作物整生长阶段果监控土壤湿度情况土壤湿度适合农作物生长会农作物腐烂者枯萎死亡棚农作物需充足光棚农作物种露天环境农作物棚农作物外界着格挡关系光会露天农作物充足果农作物没充足光法进行光合作结果会导致棚农作物生长缓慢长成农作物口感味道差强意等智温室棚控制系统设计基问题总体STM32F103C8T6芯片基础设计硬件模块智温室棚控制系统采三种数采集模块采集温室棚数分LM35温度模块GY30光强度模块电容式土壤湿度传感器模块三种模块采集数全部汇总然显示OLED整系统操作控制通外置五键进行
22 基STM32智温室棚控制系统功简介
次智农业棚控制系统设计采STM32F103C8T6系统板作系统核心硬件进行项目设计系统外置五键分整系统进行阈值设置项目选择阈值增减保存退出等操作启动系统OLED屏幕会显示棚控制系统界面显示前棚温度光强土壤湿度等数通阈值设置界面键进入阈值界面阈值设置界面会显示设定阈值通项目选择阈值增减键特定项目进行更改保存退出键保存设定阈值返回界面界面系统会通设定阈值界面显示应参数实际控制棚温度土壤湿度光强度
23 基STM32智温室棚控制系统注意事项
温室棚控制系统需5VMicroUSB线材进行供电系统采5V转33V稳压芯片MicroUSB线材接入高5V电压话会烧毁STM32系统板STM32智温室棚控制系统需等温度光强湿度模块启动采集数显示界面数值
3 传感器简介电路设计
31 STM32单片机简介
传统51系列单片机相较资源更加丰富STM32单片机日益受企业消费者青睐[5]智温室棚控制系统STM32F103C8T6 芯片STM32F103C8T6 芯片工作频率达72Mhz芯片程序烧录调试工作STLink者JLink进行该单片机芯片提供37快速IO口IO口映16外部中断中部分端口容忍5V信号输入拥3通定时器1PWM定时器拥SPI IICUSART等种通讯端口拥2AD模数转换器ADC通道测量外部部模拟量
32 STM32电路设计
321 STM32复位电路
系统中恢复系统初始化状态需系统中添加复位电路设计采系统复位NRST引脚接入低电时产生外部系统复位果STM32单片机处休眠状态程序控状态通重新电方式单片机休眠者程序法控制状态时进行初始化更方式加装复位键避免重复电系统带影响[6]复位功连接单片机引脚电容形成回路键时通充放电实现初始化[6]
STM32F103C8T6复位电路中相应操作时NRST引脚10K拉电阻VCC相连拉置高电状态复位键时产生抖动带信号联电容消掉复位键产生低电信号进系统复位常较常复位方式电路图31示
图31 STM32F103C8T6键复位电路
322 STM32时钟电路
图32 STM32F103C8T6时钟电路
STM32F103C8T6时钟电路两晶振构成分8MHzRC振荡器32768KHzRTC振荡器系统时钟电路图32示RTC振荡器连接系统引脚PC14PC15引脚RC振荡器连接系统OSCIN引脚OSCOUT引脚晶振振荡频率保证误差范围起起振作晶振两端需连接匹配电容频率定微调作单片机讲电容选择正确否直接影响寿命工作状态电容选择错误晶振欠激励状态晶振易起振工作状态稳定
33 OLED显示模块简介电路设计
331 OLED显示模块简介
单片机系统显示模块选择LCD模块OLED模块两种较常见选择工作原理相LCD背光层液晶层颜色薄膜层构成背光层发射白光透两片电极控制液晶层颜色层通分控制RGB三原色薄膜层方液晶层达调整显示颜色亮度结果OLED原理LCD简单OLED模块单素点拥红绿蓝3钟颜色灯泡改变红绿蓝三种灯泡电压值想颜色图案显示结构OLED显示模块LCD模块少顶层颜色薄膜中层液晶层OLED显示模块LCD模块整体更加轻薄LCD模块底部白色背光灯加入耗电量OLED更基原系统采更OLED模块作系统数显示部分
OLED（Organic Light Emitting Diode）机发光二极称机电激光显示具发光特性[7]简单说块OLED显示屏千百万灯泡组成LCD显示屏相机材料更轻薄视角更广减少液晶层加入显示黑色时耗电更加省电寿命会更长该模块128列*64行点阵OLED单色模块显示汉字ASCII图案等容
332 OLED显示模块电路设计
OLED显示模块分辨率128*64OLED模块128*64点阵构成部采SSD1306芯片进行驱动显示OLED显示模块原理图电路引脚连接方式图33示
图33 OLED显示模块电路设计引脚连接
显示模块电路设计需加硬件复位电路屏幕驱动芯片SSD1306商店瞬间徐娅复位进行正常显示工作稳压电路采贴片稳压芯片662K正常工作时提供33V稳定电压外部供电电压高33V时整显示模块电路起保护作果直接连接33V电源需662K稳压芯片OLED模块采时IIC端口连接方式电路连接时选择址电路默认IIC址0x78果电路DC#端口15号端口连接VCC时IIC址Ox7a
34 土壤湿度检测模块简介电路设计
341 土壤湿度检测模块简介
农作物体水分直接源土壤中储存水分土壤中湿度含量会影响农作物土壤中养分吸收生长状况土壤中部分营养物质效性土壤湿度息息相关农作物成长程中土壤湿度起着重作甚农作物生长周期土壤湿度需求土壤湿度检测农业生产具巨意义[8]
设计电容式土壤湿度传感器电阻式电容式湿度传感器中较常两种类型电容式湿敏元件优点响应速度快体积线性度较稳定[9]电容式土壤湿度传感器采电容器电容受湿度影响产生变化性质土壤中湿度进行检测性质模块土壤接触面易腐蚀然电阻式湿度传感器接触土壤中水分容易腐蚀电阻式湿度传感器相延长传感器寿命节约元器件成电容式湿度传感器置稳压芯片33V55V宽电压环境工作意味着接STM32F103C8T6系统板电源输出端口工作
342 土壤湿度检测模块电路设计
图34 电容式土壤湿度传感器电路原理图
电容式土壤湿度传感器模块电路图34示电路采TL555C时基电路芯片附带外围电路构成稳压电路贴片稳压芯片XC6206P302MR支持33V55V宽电压工作环境整传感器电路起保护作
35 棚外光线强度检测模块简介电路设计
351 棚外光线强度检测模块简介
系统设计中棚外光线检测模块采GY30数字光强度传感器传感器中置ROHMBH1750FLV芯片具较高灵敏性够实时检测棚外环境光线强度检测光线模拟量输出直接检测光强转数字输出16bit模数转换器模块够测量光强度范围区间065535lx支持较范围光线强度变化模块3V5V宽电压环境工作设计中采单片机33V供电接口进行供电模块单片机通讯IIC端口通讯传感器模块拥5引脚引脚分：总线时钟引脚SCLIIC总线数引脚SDA供电电源端口VCC公接端GND定义址端口ADDR
352 棚外光线强度检测模块电路设计
图35 GY30光强度传感器结构框图
图35示出PD置高精度硅光电二极二极检测棚外光线产生电流二极产生电流接集成运算放器放输出电压信号时电压模拟信号16位模数转换器转换成数字信号输出BH1750FVI芯片然BH1750FVI芯片逻辑数处理存储OSC芯片置振荡器产生部逻辑时钟时序标准IIC总线通信接口进行数传输应操作指令读取存储光数BH1750FVI光强度传感器时测试时需ADDR引脚进行设置接电源者接决定设备址[10]
图36 GY30光强度传感器电路原理图
图36示GY30光强度传感器采662K稳压芯片作电源输入外围电路3耦电容IIC总线时钟引脚（SCL）数引脚（SDA）分接47K拉电阻ADDR引脚拉电阻接选择设备址
36 棚温度检测模块简介电路设计
361 棚温度检测模块简介
棚温度检测模块式LM35DZ传感器传感器部补偿机制传感器输出0度LM35需外部校准提供±14℃常室温精度[11]种LM35型号中 LM35DZ温度测量范围0摄氏度度100摄氏度测量精度1摄氏度范围拥相较高工作精度较宽线性工作范围满足系统温度测量设计需求LM35输出电压摄氏温标呈线性关系LM35优开尔文标准线性温度传感器[12]转换公式图37示温度0摄氏度时输出0V温度升高1摄氏度时输出电压会增加10mV正负双电源供电模式提供负温度测量单电源模式25摄氏度电流约50mA非常省电
图37 LM35DZ电压温度转换公式
362 棚温度检测模块电路设计
图38 LM35DZ温度传感器电路原理图
传感器模块原理图图38示传感器TO92封装直接插电路板接电路正常采集温度数较稳定性原基础VCCGND间接耦电容LM35DZ温度传感器模块十分简单需接VCCGNDOUT端连接STM32单片机意ADC端口正常
37 电路设计
371 电源电路
图39 STM32F103C8T6系统板电源电路原理图
次设计中STM32F103C8T6系统板电源电路采ME6211线性稳压芯片ME6211CMOS低压差线性稳压器具高精度高纹波抑制低噪声超快响应等特点ME6211稳压器置固定参考电压源误差修正电路限流电路相位补偿电路输入电压高6V固定输出电压33V电源电路中5V输入33V输出端分连接两耦电容进行电路耦电源电路图39示
372 键电路
电路设计中键电路输入常见机交互输入方式常键电路分直接连接电路矩阵连接电路较场合系统键电路设计中需键数量求较时量减少键电路单片机端口占种情况必须采矩阵式键电路连接直接连接电路般应系统采较少键情况基系统键相较少键电路采直接连接电路进行设计
设计键电路5轻触式键开关5拉电阻构成功分：跳转设置页跳转界面设置页面选项选项数值增加选项数值减少键端相连接端接STM32F103C8T6系统板IO端口拉电阻键开关未情况系统板IO端口拉电阻相连置高电键时系统板IO端口公相连处低电程序会循环扫描IO端口电状态进行判定键否键开关产生抖动软件消抖动处理键开关扫描程序中加入10毫秒延时略键产生抖动系统中5键电路采相设计方案键电路原理图图310示
图310 键电路原理图
4 系统流程程序设计
41 单片机程序流程图
系统程序uVision5作编程软件程序进行编写STLINK V2仿真编程器程序进行烧写基STM32智温室棚控制系统包括OLED显示模块LM35DZ温度模块电容式土壤湿度传感器模块GY30数字光强度传感器作检测部分组成程序中包含模块初始化阈值较控制等程序代码系统总体程序流程图图41示
图41 单片机程序流程图
42 处理模块
图42 模块初始化代码
程序开始前必须模块代码进行初始化设置图42示包括延时函数键模块OLED显示模块土壤湿度模块数字光强度模块温度模块等初始化初始化函数包括指定STM32端口指定端口时钟指定端口配置图43示
图43 键初始化函数
初始化设置函数简单讲STM32F103C8T6单片机够知道端口进行操作果进行模块代码初始化设置该模块正常进行运作整系统会正常运作
43 检测模块
系统采三模块进行棚数检测GY30数字光光强度模块检测棚外光线强度LM35DZ温度模块检测棚实时温度电容式土壤湿度传感器插入土壤中检测土壤湿度状况三传感器程序中进行循环读取模块传输数值循环读取模块代码图44示
图44 三模块检测读取代码
读取三模块实时数值会直接显示OLED显示屏
44 显示模块
整系统需显示模块实时显示温度湿度光强模块循环读取数值需显示整操作系统界面阈值设置界面OLED显示模块整系统中起较重作没法知道时棚模块检测数值法想阈值进行相应设定OLED显示模块显示界面程序图45示
图45 OLED显示模块界面显示代码
界面显示显示代码包括中文字符OLED显示模块中没预存需需中文字符需事先通点阵字模软件需文字字符进行取字模需文字字符图形128*64OLED模块显示出相位置中文字幕图46示
图46 中文字模代码
45 控制模块
系统实体控制模块5实体键键分控制界面阈值设置界面跳转控制更改阈值选项阈值增加减少循环程序中键代码图47示
图47 键控制模块代码局部
整系统程序中模块需获取检测数值实体键需获应键值果没执行获取键值步骤话系统法知道前键否应键获取键值需switch函数语句获取键值进行相应操作获取键值KEY0_PRES时首先进行OLED清空屏幕函数然运行阈值界面循环阈值界面循环中次获取键值进行阈值选项选择阈值增减操作
5 系统总体测试
图51 系统启动
系统通电启动读取传感器数字显示OLED屏幕图51示时湿度5温度25℃光强160lx系统刚启动阈值设定值0均读取数值灌溉加温光三外设没亮红灯启动
图52 阈值设置页
图53 项阈值设置
阈值设定键时系统跳阈值设置页面图52示时通阈值项选择键选择需修改阈值项选定修改阈值项增加者减少键修改阈值项数值前湿度阈值30温度阈值35光强阈值400阈值数值设定图53示
图54 键返回界面
设定想阈值数值返回键保存设定阈值返回界面图54示传感器数值设定阈值三外设启动（亮红灯）
图55 模拟湿润土壤环境
手握湿纸巾包裹着土壤湿度传感器模拟真实环境中土壤灌溉湿润情况时湿度63设定湿度30阈值灌溉外设停止工作（红灯灭）系统模拟湿润土壤环境图55示
图56 模拟温度升高
手持温度传感器置笔记电脑散热孔模拟真实环境中温度逐渐升高情况时传感器读取温度37℃设定35阈值加温外设停止工作（红灯灭）模拟环境温度升高时情况图56示
图57 模拟棚黑夜环境
手指住光强度传感器读取数值零模拟温室棚进入黑夜环境时状况时光外设启动（红灯亮）模拟棚黑夜环境图57示
图58 模拟棚外部太阳光环境
手持光强度传感器置发光二极附模拟太阳升起情况时光传感器读数637lx设定400阈值光外设关闭（红灯灭）模拟棚外部太阳光环境图58示
结
次设计基济简单实理念出发采STM32F103C8T6单片机作系统控单元结合外围模块OLED显示模块键电路温度模块土壤湿度模块光线强度模块等电路模块C语言编写控制程序开发款温室棚中精确监控制棚控制系统系统拥农作物生长检测数显示功键控制生长素阈值设定根阈值设定控制外围设备等功测试系统满足农业温室棚需求简单易采更换模块化设计成更低损坏时更换易维护适合传统温室棚智化改造
参考文献
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[2] 杨秀生 国温室农业发展中存问题[J] 全球科技济瞭 1998 000(005)4750
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[5] 朱庆 昌毅 朱万鸿 et al 基STM32单片机通信技术实验系统设计[J] 实验技术理 2019(8)
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[9] 鹏 袁琪 丁春欣 传感器温室棚环境控制中应[J] 计算机农业 2002(07)58
[10] 王伟杰 叶超 卢克祥 et al 基GY30集鱼灯点步线测光系统设计[J] 渔业现代化 2016(43)66
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[12] 邢国泉 LM35温度传感器温度特性应Temperature Characteristics and Application of LM35 Sensor[J] 中国医疗设备 2007 022(011)4950
致谢
学时光晃白驹隙般回想起学四年点点滴滴心里倍感充实写完写篇文时感觉释重负感慨良16年年轻伙子踏入东软学院校门20年成熟身姿走出校门中历会回忆学校里遇碰事情历考试前恶补宿舍台灯持续亮整夜晚历深夜宿舍起畅聊岁月种种美会着篇文结束终结
历快乐日子时间面改改改文写文章直抵触毕竟文笔文编写非常细致严谨说真难历日日夜夜编写知道历事情奋斗努力愿偿完成文编写总算释重负休息投入精力进行接进行事情
够完成篇文首先诚挚感谢文指导老师陈桂宏老师忙碌工作中挤出时间审查修改文学四年教老师严谨细致丝苟作风该认真学榜样循循善诱教导拘格思路予启迪够期完成学业历次毕业设计深深知道作名硬件工程师仅仅需懂编程电路设计力更重懂整体观念握设计整系统力四年里感触良感谢四年中陪伴身边位学朋友感谢提出益建议意见生活学感情支持鼓励帮助充实度学四年学生活
附录
附件1 STM32原理图
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基STM32智温室棚控制系统
Intelligent greenhouse control system based on STM32
容摘
现代农业生产程中农业温室棚出现植物生长程受限然环境约束温室棚出现前季节时农民种植季节特定农作物产品没选择余法跨季食农产美味温室棚应降低农作物季节性农民季节种植需农作物必苦苦等相应季节作物市面农作物更选择传统农业温室棚采光温度湿度等情况通工进行干预传统温室耕作中必须常性观察温室棚农作物生长情况农业生产效率降低时增加必劳动力成智化温室棚通微型计算机收集外部传感器采集数控制相关外设进行工作实现温室棚监控制动化实现节约力成时提高生产效率符合智农业发展需求
着信息技术发展农业科技日渐成熟智化农业棚国已着非常广泛应温度舒适土壤湿度适中光强度充足温室棚农作物生长重素基三种素设计基STM32单片机智温室棚控制系统采STM32F103C8T6单片机作设计系统控制器通采集土壤湿度检测模块棚外光线强度检测模块棚温度检测传回数值控制相关外设进行灌溉加温光等工作实现温室棚动化控该设计成相较低测量监控十分方便简单模块化设计利设备损坏进行更换实验结果表明系统够实现温室棚智化理传统温室棚智化改造提供解决方案
关键词： STM32棚土壤湿度光线强度温度
Abstract
In the process of modern agricultural production with the advent of agriculture greenhouses the process of plant growth can no longer restricted to the natural environment constraints in greenhouses before each season when farmers can only crop growing season in a particular product not too many options and people could cross season delicious edible agricultural products The use of greenhouses reduces the seasonality of crops Farmers can plant what they need in any season and people do not have to wait for the arrival of crops in the corresponding season There are more choices of crops on the market Daylighting temperature humidity and other conditions in traditional agricultural greenhouses are mostly artificially intervened Therefore in traditional greenhouse farming it is necessary to regularly observe the growth of crops in greenhouses which reduces the efficiency of agricultural production and increases the unnecessary labor cost Intelligent greenhouse through the use of microcomputer to collect data collected from external sensors control the relevant peripherals to work the realization of the greenhouse supervision and control of automation so as to save labor costs while improving production efficiency in line with the development needs of intelligent agriculture
With the development of information technology agricultural science and technology is becoming more and more mature and intelligent agricultural greenhouses have been widely used in China Comfortable temperature moderate soil moisture and sufficient light intensity are important factors for the growth of crops in greenhouse Based on these three factors an intelligent greenhouse control system based on STM32 MCU is designed Using STM32F103C8T6 singlechip microcomputer as main controller of this design system through collecting soil moisture detection module the light intensity detection module the relative temperature of the bird back to the numerical and control related peripherals for irrigation heating lighting etc realize the automation of greenhouses without control the design cost is relatively low and the measuring and monitoring is very convenient simple modularized design to be replaced after the equipment damage The experimental results show that this system can realize the intelligent management of greenhouse and provide a solution for the intelligent transformation of traditional greenhouse
Key words：STM32 Greenhouse Soil Humidity Light Intensity Temperature
目录
1 绪 1
11 开发背景 1
12 国外现状 2
2 智温室棚控制系统总体概述 3
21 基STM32智温室棚控制系统介绍 3
22 基STM32智温室棚控制系统功简介 3
23 基STM32智温室棚控制系统注意事项 4
3 传感器简介电路设计 5
31 STM32单片机简介 5
32 STM32电路设计 6
321 STM32复位电路 6
322 STM32时钟电路 7
33 OLED显示模块简介电路设计 7
331 OLED显示模块简介 7
332 OLED显示模块电路设计 8
34 土壤湿度检测模块简介电路设计 9
341 土壤湿度检测模块简介 9
342 土壤湿度检测模块电路设计 9
35 棚外光线强度检测模块简介电路设计 10
351 棚外光线强度检测模块简介 10
352 棚外光线强度检测模块电路设计 10
36 棚温度检测模块简介电路设计 11
361 棚温度检测模块简介 11
362 棚温度检测模块电路设计 11
37 电路设计 12
371 电源电路 12
372 键电路 13
4 系统流程程序设计 14
41 单片机程序流程图 14
42 处理模块 15
43 检测模块 15
44 显示模块 16
45 控制模块 17
5 系统总体测试 18
结 22
参考文献 23
致谢 24
附录 25
1 绪
11 开发背景
口均耕相少国长期需面事情解决口众带吃饭问题发展设施农业行效途径长期口数量约束国庞粮食需求直居高断延续国限耕资源承受着巨粮食生产压力粮食生产压力持续作1980年前国耕面积度达高峰粮食增长提高耕利集约度[1]作种效解决方案农业温室棚广泛应外部环境农业棚讲赖性较低农作物生长营造合适生长空间农作物需求日益增长农作物品种选择样化问题定程度解决年国农业发展扶持力度逐渐加农业设施发展猛增然部分农村中农业生产简单塑料棚较现代化玻璃塑料温室农业发展较中型城市然简易棚应定程度解决农作物越季生产问题全国农村农业设施发展农业生产做出贡献现代化玻璃温室相简易塑料棚技术含量更高够应范围设施发展潜力较现阶段国较现代化栽培设施引进仿制相言设施初期投资运行成偏高操作技术复杂济风险[2]农村简易塑料棚耕作中般会温度计湿度计光计安置棚相应位置农业工作者需常性查棚温度湿度光情况棚实际情况结合农业工作者生产验农作物进行浇水加温补光农业工作者时间精力样工作模式量消耗开发套适农业棚低成智化环境监测控制系统现代农村农业增产增收科学控着非常重意义
12 国外现状
二十世纪八十年代国家初步开始温室棚现代化控制技术进行相应研究科技工作者时初步掌握温室控制技术二十世纪九十年代中期发达国家温室智控制系统进行研究基础国温室控制技术迅速发展[3]着科学技术发展农业科技水提高智化控制技术普农业工作者普遍认智化温室棚农业生产中广泛前形势国常见智温室棚控制系统部分采PLC控制价格昂贵济条件限家庭般成起国现部分农村区旧着简易温室棚进行生产
国外微机科技发展国起步更快发展更国外智温室棚发展更加迅速美国作科技发展头部国家农业智化发展毫逊色采网络检测系统棚监测生产综合起实现农业生产高度体化智化色列农业生产中采高度动化计算机环境信息采集控制系统根生产中通传感器采集信息配合先进温室架构天窗幕帘等辅助装置整生产进行动化控制
促进农业设施发展实现农业现代化提高农产品品质重途温室棚农业设施重组成部分棚环境参数调控温室棚关键技术[4]相国外系统国存着许技术足缺陷较难应实际中国需加方面研究
2 智温室棚控制系统总体概述
21 基STM32智温室棚控制系统介绍
现生活水提高式样蔬菜需求剧增季节域关系农作物种植着特定季节性域性季蔬菜农作物等难满足口味需求反季节蔬菜异域蔬菜具市场温室棚出现实现现代农业中温室棚应越越广泛传统方式已满足现代温室棚应需求智化温室棚日渐成棚农业改革趋势温室环境参数温度湿度光强度等温度农作物生命活动着十分紧密关联合适温度范围农作物茁壮成长维持农作物温度限温度限温度间十分重够维持农作物适生长温度农作物非良性生长般温度适宜导致湿度关棚农作物生长农作物整生长阶段果监控土壤湿度情况土壤湿度适合农作物生长会农作物腐烂者枯萎死亡棚农作物需充足光棚农作物种露天环境农作物棚农作物外界着格挡关系光会露天农作物充足果农作物没充足光法进行光合作结果会导致棚农作物生长缓慢长成农作物口感味道差强意等智温室棚控制系统设计基问题总体STM32F103C8T6芯片基础设计硬件模块智温室棚控制系统采三种数采集模块采集温室棚数分LM35温度模块GY30光强度模块电容式土壤湿度传感器模块三种模块采集数全部汇总然显示OLED整系统操作控制通外置五键进行
22 基STM32智温室棚控制系统功简介
次智农业棚控制系统设计采STM32F103C8T6系统板作系统核心硬件进行项目设计系统外置五键分整系统进行阈值设置项目选择阈值增减保存退出等操作启动系统OLED屏幕会显示棚控制系统界面显示前棚温度光强土壤湿度等数通阈值设置界面键进入阈值界面阈值设置界面会显示设定阈值通项目选择阈值增减键特定项目进行更改保存退出键保存设定阈值返回界面界面系统会通设定阈值界面显示应参数实际控制棚温度土壤湿度光强度
23 基STM32智温室棚控制系统注意事项
温室棚控制系统需5VMicroUSB线材进行供电系统采5V转33V稳压芯片MicroUSB线材接入高5V电压话会烧毁STM32系统板STM32智温室棚控制系统需等温度光强湿度模块启动采集数显示界面数值
3 传感器简介电路设计
31 STM32单片机简介
传统51系列单片机相较资源更加丰富STM32单片机日益受企业消费者青睐[5]智温室棚控制系统STM32F103C8T6 芯片STM32F103C8T6 芯片工作频率达72Mhz芯片程序烧录调试工作STLink者JLink进行该单片机芯片提供37快速IO口IO口映16外部中断中部分端口容忍5V信号输入拥3通定时器1PWM定时器拥SPI IICUSART等种通讯端口拥2AD模数转换器ADC通道测量外部部模拟量
32 STM32电路设计
321 STM32复位电路
系统中恢复系统初始化状态需系统中添加复位电路设计采系统复位NRST引脚接入低电时产生外部系统复位果STM32单片机处休眠状态程序控状态通重新电方式单片机休眠者程序法控制状态时进行初始化更方式加装复位键避免重复电系统带影响[6]复位功连接单片机引脚电容形成回路键时通充放电实现初始化[6]
STM32F103C8T6复位电路中相应操作时NRST引脚10K拉电阻VCC相连拉置高电状态复位键时产生抖动带信号联电容消掉复位键产生低电信号进系统复位常较常复位方式电路图31示
图31 STM32F103C8T6键复位电路
322 STM32时钟电路
图32 STM32F103C8T6时钟电路
STM32F103C8T6时钟电路两晶振构成分8MHzRC振荡器32768KHzRTC振荡器系统时钟电路图32示RTC振荡器连接系统引脚PC14PC15引脚RC振荡器连接系统OSCIN引脚OSCOUT引脚晶振振荡频率保证误差范围起起振作晶振两端需连接匹配电容频率定微调作单片机讲电容选择正确否直接影响寿命工作状态电容选择错误晶振欠激励状态晶振易起振工作状态稳定
33 OLED显示模块简介电路设计
331 OLED显示模块简介
单片机系统显示模块选择LCD模块OLED模块两种较常见选择工作原理相LCD背光层液晶层颜色薄膜层构成背光层发射白光透两片电极控制液晶层颜色层通分控制RGB三原色薄膜层方液晶层达调整显示颜色亮度结果OLED原理LCD简单OLED模块单素点拥红绿蓝3钟颜色灯泡改变红绿蓝三种灯泡电压值想颜色图案显示结构OLED显示模块LCD模块少顶层颜色薄膜中层液晶层OLED显示模块LCD模块整体更加轻薄LCD模块底部白色背光灯加入耗电量OLED更基原系统采更OLED模块作系统数显示部分
OLED（Organic Light Emitting Diode）机发光二极称机电激光显示具发光特性[7]简单说块OLED显示屏千百万灯泡组成LCD显示屏相机材料更轻薄视角更广减少液晶层加入显示黑色时耗电更加省电寿命会更长该模块128列*64行点阵OLED单色模块显示汉字ASCII图案等容
332 OLED显示模块电路设计
OLED显示模块分辨率128*64OLED模块128*64点阵构成部采SSD1306芯片进行驱动显示OLED显示模块原理图电路引脚连接方式图33示
图33 OLED显示模块电路设计引脚连接
显示模块电路设计需加硬件复位电路屏幕驱动芯片SSD1306商店瞬间徐娅复位进行正常显示工作稳压电路采贴片稳压芯片662K正常工作时提供33V稳定电压外部供电电压高33V时整显示模块电路起保护作果直接连接33V电源需662K稳压芯片OLED模块采时IIC端口连接方式电路连接时选择址电路默认IIC址0x78果电路DC#端口15号端口连接VCC时IIC址Ox7a
34 土壤湿度检测模块简介电路设计
341 土壤湿度检测模块简介
农作物体水分直接源土壤中储存水分土壤中湿度含量会影响农作物土壤中养分吸收生长状况土壤中部分营养物质效性土壤湿度息息相关农作物成长程中土壤湿度起着重作甚农作物生长周期土壤湿度需求土壤湿度检测农业生产具巨意义[8]
设计电容式土壤湿度传感器电阻式电容式湿度传感器中较常两种类型电容式湿敏元件优点响应速度快体积线性度较稳定[9]电容式土壤湿度传感器采电容器电容受湿度影响产生变化性质土壤中湿度进行检测性质模块土壤接触面易腐蚀然电阻式湿度传感器接触土壤中水分容易腐蚀电阻式湿度传感器相延长传感器寿命节约元器件成电容式湿度传感器置稳压芯片33V55V宽电压环境工作意味着接STM32F103C8T6系统板电源输出端口工作
342 土壤湿度检测模块电路设计
图34 电容式土壤湿度传感器电路原理图
电容式土壤湿度传感器模块电路图34示电路采TL555C时基电路芯片附带外围电路构成稳压电路贴片稳压芯片XC6206P302MR支持33V55V宽电压工作环境整传感器电路起保护作
35 棚外光线强度检测模块简介电路设计
351 棚外光线强度检测模块简介
系统设计中棚外光线检测模块采GY30数字光强度传感器传感器中置ROHMBH1750FLV芯片具较高灵敏性够实时检测棚外环境光线强度检测光线模拟量输出直接检测光强转数字输出16bit模数转换器模块够测量光强度范围区间065535lx支持较范围光线强度变化模块3V5V宽电压环境工作设计中采单片机33V供电接口进行供电模块单片机通讯IIC端口通讯传感器模块拥5引脚引脚分：总线时钟引脚SCLIIC总线数引脚SDA供电电源端口VCC公接端GND定义址端口ADDR
352 棚外光线强度检测模块电路设计
图35 GY30光强度传感器结构框图
图35示出PD置高精度硅光电二极二极检测棚外光线产生电流二极产生电流接集成运算放器放输出电压信号时电压模拟信号16位模数转换器转换成数字信号输出BH1750FVI芯片然BH1750FVI芯片逻辑数处理存储OSC芯片置振荡器产生部逻辑时钟时序标准IIC总线通信接口进行数传输应操作指令读取存储光数BH1750FVI光强度传感器时测试时需ADDR引脚进行设置接电源者接决定设备址[10]
图36 GY30光强度传感器电路原理图
图36示GY30光强度传感器采662K稳压芯片作电源输入外围电路3耦电容IIC总线时钟引脚（SCL）数引脚（SDA）分接47K拉电阻ADDR引脚拉电阻接选择设备址
36 棚温度检测模块简介电路设计
361 棚温度检测模块简介
棚温度检测模块式LM35DZ传感器传感器部补偿机制传感器输出0度LM35需外部校准提供±14℃常室温精度[11]种LM35型号中 LM35DZ温度测量范围0摄氏度度100摄氏度测量精度1摄氏度范围拥相较高工作精度较宽线性工作范围满足系统温度测量设计需求LM35输出电压摄氏温标呈线性关系LM35优开尔文标准线性温度传感器[12]转换公式图37示温度0摄氏度时输出0V温度升高1摄氏度时输出电压会增加10mV正负双电源供电模式提供负温度测量单电源模式25摄氏度电流约50mA非常省电
图37 LM35DZ电压温度转换公式
362 棚温度检测模块电路设计
图38 LM35DZ温度传感器电路原理图
传感器模块原理图图38示传感器TO92封装直接插电路板接电路正常采集温度数较稳定性原基础VCCGND间接耦电容LM35DZ温度传感器模块十分简单需接VCCGNDOUT端连接STM32单片机意ADC端口正常
37 电路设计
371 电源电路
图39 STM32F103C8T6系统板电源电路原理图
次设计中STM32F103C8T6系统板电源电路采ME6211线性稳压芯片ME6211CMOS低压差线性稳压器具高精度高纹波抑制低噪声超快响应等特点ME6211稳压器置固定参考电压源误差修正电路限流电路相位补偿电路输入电压高6V固定输出电压33V电源电路中5V输入33V输出端分连接两耦电容进行电路耦电源电路图39示
372 键电路
电路设计中键电路输入常见机交互输入方式常键电路分直接连接电路矩阵连接电路较场合系统键电路设计中需键数量求较时量减少键电路单片机端口占种情况必须采矩阵式键电路连接直接连接电路般应系统采较少键情况基系统键相较少键电路采直接连接电路进行设计
设计键电路5轻触式键开关5拉电阻构成功分：跳转设置页跳转界面设置页面选项选项数值增加选项数值减少键端相连接端接STM32F103C8T6系统板IO端口拉电阻键开关未情况系统板IO端口拉电阻相连置高电键时系统板IO端口公相连处低电程序会循环扫描IO端口电状态进行判定键否键开关产生抖动软件消抖动处理键开关扫描程序中加入10毫秒延时略键产生抖动系统中5键电路采相设计方案键电路原理图图310示
图310 键电路原理图
4 系统流程程序设计
41 单片机程序流程图
系统程序uVision5作编程软件程序进行编写STLINK V2仿真编程器程序进行烧写基STM32智温室棚控制系统包括OLED显示模块LM35DZ温度模块电容式土壤湿度传感器模块GY30数字光强度传感器作检测部分组成程序中包含模块初始化阈值较控制等程序代码系统总体程序流程图图41示
图41 单片机程序流程图
42 处理模块
图42 模块初始化代码
程序开始前必须模块代码进行初始化设置图42示包括延时函数键模块OLED显示模块土壤湿度模块数字光强度模块温度模块等初始化初始化函数包括指定STM32端口指定端口时钟指定端口配置图43示
图43 键初始化函数
初始化设置函数简单讲STM32F103C8T6单片机够知道端口进行操作果进行模块代码初始化设置该模块正常进行运作整系统会正常运作
43 检测模块
系统采三模块进行棚数检测GY30数字光光强度模块检测棚外光线强度LM35DZ温度模块检测棚实时温度电容式土壤湿度传感器插入土壤中检测土壤湿度状况三传感器程序中进行循环读取模块传输数值循环读取模块代码图44示
图44 三模块检测读取代码
读取三模块实时数值会直接显示OLED显示屏
44 显示模块
整系统需显示模块实时显示温度湿度光强模块循环读取数值需显示整操作系统界面阈值设置界面OLED显示模块整系统中起较重作没法知道时棚模块检测数值法想阈值进行相应设定OLED显示模块显示界面程序图45示
图45 OLED显示模块界面显示代码
界面显示显示代码包括中文字符OLED显示模块中没预存需需中文字符需事先通点阵字模软件需文字字符进行取字模需文字字符图形128*64OLED模块显示出相位置中文字幕图46示
图46 中文字模代码
45 控制模块
系统实体控制模块5实体键键分控制界面阈值设置界面跳转控制更改阈值选项阈值增加减少循环程序中键代码图47示
图47 键控制模块代码局部
整系统程序中模块需获取检测数值实体键需获应键值果没执行获取键值步骤话系统法知道前键否应键获取键值需switch函数语句获取键值进行相应操作获取键值KEY0_PRES时首先进行OLED清空屏幕函数然运行阈值界面循环阈值界面循环中次获取键值进行阈值选项选择阈值增减操作
5 系统总体测试
图51 系统启动
系统通电启动读取传感器数字显示OLED屏幕图51示时湿度5温度25℃光强160lx系统刚启动阈值设定值0均读取数值灌溉加温光三外设没亮红灯启动
图52 阈值设置页
图53 项阈值设置
阈值设定键时系统跳阈值设置页面图52示时通阈值项选择键选择需修改阈值项选定修改阈值项增加者减少键修改阈值项数值前湿度阈值30温度阈值35光强阈值400阈值数值设定图53示
图54 键返回界面
设定想阈值数值返回键保存设定阈值返回界面图54示传感器数值设定阈值三外设启动（亮红灯）
图55 模拟湿润土壤环境
手握湿纸巾包裹着土壤湿度传感器模拟真实环境中土壤灌溉湿润情况时湿度63设定湿度30阈值灌溉外设停止工作（红灯灭）系统模拟湿润土壤环境图55示
图56 模拟温度升高
手持温度传感器置笔记电脑散热孔模拟真实环境中温度逐渐升高情况时传感器读取温度37℃设定35阈值加温外设停止工作（红灯灭）模拟环境温度升高时情况图56示
图57 模拟棚黑夜环境
手指住光强度传感器读取数值零模拟温室棚进入黑夜环境时状况时光外设启动（红灯亮）模拟棚黑夜环境图57示
图58 模拟棚外部太阳光环境
手持光强度传感器置发光二极附模拟太阳升起情况时光传感器读数637lx设定400阈值光外设关闭（红灯灭）模拟棚外部太阳光环境图58示
结
次设计基济简单实理念出发采STM32F103C8T6单片机作系统控单元结合外围模块OLED显示模块键电路温度模块土壤湿度模块光线强度模块等电路模块C语言编写控制程序开发款温室棚中精确监控制棚控制系统系统拥农作物生长检测数显示功键控制生长素阈值设定根阈值设定控制外围设备等功测试系统满足农业温室棚需求简单易采更换模块化设计成更低损坏时更换易维护适合传统温室棚智化改造
参考文献
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[12] 邢国泉 LM35温度传感器温度特性应Temperature Characteristics and Application of LM35 Sensor[J] 中国医疗设备 2007 022(011)4950
致谢
学时光晃白驹隙般回想起学四年点点滴滴心里倍感充实写完写篇文时感觉释重负感慨良16年年轻伙子踏入东软学院校门20年成熟身姿走出校门中历会回忆学校里遇碰事情历考试前恶补宿舍台灯持续亮整夜晚历深夜宿舍起畅聊岁月种种美会着篇文结束终结
历快乐日子时间面改改改文写文章直抵触毕竟文笔文编写非常细致严谨说真难历日日夜夜编写知道历事情奋斗努力愿偿完成文编写总算释重负休息投入精力进行接进行事情
够完成篇文首先诚挚感谢文指导老师陈桂宏老师忙碌工作中挤出时间审查修改文学四年教老师严谨细致丝苟作风该认真学榜样循循善诱教导拘格思路予启迪够期完成学业历次毕业设计深深知道作名硬件工程师仅仅需懂编程电路设计力更重懂整体观念握设计整系统力四年里感触良感谢四年中陪伴身边位学朋友感谢提出益建议意见生活学感情支持鼓励帮助充实度学四年学生活
附录
附件1 STM32原理图
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