阳台农业立体栽培机控制器的设计

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

Abstract With the development of domestic balcony agriculture， space cultivation technology has gradually developed. A multifunctional controller was design based on the minimum system of STM8S208C8T6 microcontroller. The pressure sensor was used to feedback the water pressure and stabilize the output pressure，and the nutrient solution was automatically circulated. SHT20 temperature and humidity sensor was used to measure environmental parameters， and data were displayed on HMI serial display through I2C communication. Based on the TJA1050 chip， the CAN basic circuit was designed. The controller was lowcost and simple， which combined with water pump control， temperature and humidity reading， A/D sampling， temperature and humidity display and water pressure control， CAN networking and other functions， so as to provide useful references for space cultivation of balcony agriculture.

Key words Balcony agriculture；Space cultivation；Microcontroller；SHT20；CAN

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（16 MHz）]，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。

1.1 水泵的选择

根据需要将营养液输送到1.7 m左右的垂直高度，选择规格为13.8 mm口径、6 m扬程的小型无刷直流水泵，如图3所示。额定电压24 V，工作电流1.2 A，最大流量700 L/h，功耗28.8 W，噪音低于35 dB。由此可见，该水泵具备体积小、低噪音、高效率、節能环保等优点，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（101.325 kPa）近似等于10 m水柱，则6 m扬程水泵输出水压近似于60 kPa，因此选择量程0～100 kPa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5 V，输出电压0.5～4.5 V。精度0.25%FS（灵敏度）；响应时间小于1 ms；抗压力疲劳冲击1 000万次；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4.75～7.00 V，FLASH空间4 MB，3 584 Byte的RAM。具有休眠模式，休眠电流20 mA，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，外設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。

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 Ω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10 kΩ的上拉电阻。VDD与GND之间并联一个100 nF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、3.3 V。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 μF），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。

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。

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