基于STC8A8K 單片機(jī)的溫室澆灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

李明楓 楊家欣 高興宇 彭艷華 廖 斌 鄧仕超

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

國(guó)以民為本，民以食為天。我國(guó)人口眾多，地大物博，農(nóng)業(yè)也一直是國(guó)家政策大力支持的一個(gè)重要方面。在新工科和工程教育專業(yè)認(rèn)證的目標(biāo)提出之后，高校對(duì)農(nóng)業(yè)高新科技的研究也提上日程，農(nóng)業(yè)智能裝備的發(fā)展可謂一騎絕塵，發(fā)展迅猛[1-5]。全國(guó)大學(xué)生智能農(nóng)業(yè)裝備大賽隨之孕育而生。一方面為大學(xué)生參加相關(guān)比賽打下基礎(chǔ)，另一方面提高大學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，鞏固知識(shí)，本文設(shè)計(jì)一款基于STC8A8K 單片機(jī)的溫室澆灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，適合學(xué)生鍛煉動(dòng)手能力，體驗(yàn)農(nóng)業(yè)科技[6-7]。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在機(jī)械方面可以完成學(xué)生對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)需求；在電子方面可以完成學(xué)生對(duì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)需求；綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步提高學(xué)生機(jī)電結(jié)合的綜合運(yùn)用能力，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新能力。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐并重，在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)潛力，致力于培養(yǎng)高質(zhì)量人才。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能需求

溫室自動(dòng)澆灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括兩大部分：以三自由度桁架式機(jī)械手為基本框架，以同步輪和同步帶組成的傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；以STC8A8K 單片機(jī)為核心，包括溫濕度檢測(cè)、限位、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外控制、液晶顯示等外圍電路的控制系統(tǒng)。共同實(shí)現(xiàn)檢測(cè)溫室不同時(shí)間濕度溫度，并自動(dòng)調(diào)整灌溉水量和位置，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)的功能。整體框圖見(jiàn)圖1。

圖1 整體框圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室自動(dòng)澆灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2，采用了三自由度機(jī)械手，三自由度機(jī)械手在X，Y，Z 三個(gè)維度都能運(yùn)動(dòng)，大大提高了靈活性。使得灌溉噴頭能到達(dá)限定空間之中的所有位置，框架結(jié)構(gòu)更是加大了機(jī)械結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)架采用的材料是鋁型材。鋁型材強(qiáng)度高、重量輕，能控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小的情況下保障機(jī)械強(qiáng)度和承載能力，三個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)由直線模組構(gòu)成。直線模組包括MHC-H28 導(dǎo)軌、滑塊、軸承、同步輪、同步帶、導(dǎo)軌底座、電機(jī)支架和J-5718HB3402 步進(jìn)電機(jī)。MHC-H28 導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)型中載滾珠直線導(dǎo)軌，摩擦力小。加以軸承配合，使得電機(jī)所做的功更多地用在帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，提高功率。步進(jìn)電機(jī)和同步帶輪的組合可以較精準(zhǔn)地控制運(yùn)動(dòng)距離使灌溉噴頭在三維空間中精準(zhǔn)定位。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)

硬件主要包括主控板、步進(jìn)電機(jī)、溫度濕度傳感器、限位傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、紅外、液晶顯示屏等。主控板的單片機(jī)為STC8A8K64S4A12 單片機(jī)。控制系統(tǒng)電路板實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

圖3 控制系統(tǒng)電路板實(shí)物圖

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用STC8A8K 單片機(jī)，實(shí)驗(yàn)所需的I/O 口不算多，控制電路較簡(jiǎn)單，STC 系列單片機(jī)就足夠勝任STC8A8K 單片機(jī)指令代碼完全兼容8051，與學(xué)生學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程相適應(yīng)，有利于理論結(jié)合實(shí)踐。STC8A8K 內(nèi)部晶振具有高精度的特點(diǎn)，同時(shí)可以設(shè)置各種復(fù)位模式，提供兩種低功耗模式，擁有22個(gè)中斷源，4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，5 個(gè)16 位定時(shí)器，寬電壓、高速、高可靠、低功耗、較強(qiáng)抗擾。STC8A8K 在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中用到的功能主要包括：內(nèi)置時(shí)鐘、外部中斷、定時(shí)器中斷；STC8A8K 芯片自身就是一個(gè)最小系統(tǒng)，其內(nèi)置的時(shí)鐘滿足本次設(shè)計(jì)的精度要求；其內(nèi)置的復(fù)位電路可使用軟件復(fù)位。

3.2 電機(jī)控制系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用TB6600 驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器控制簡(jiǎn)單，利于提高程序設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性。采用SN74HC08N 芯片作為電路的邏輯脈沖分配控制器，SN74HC08N 芯片的作用相當(dāng)于二輸入與門，其內(nèi)部?jī)?nèi)置了4 個(gè)二輸入與門，全1 輸出為1，有0 則輸出為0。利用單片機(jī)的P2.2 口輸出脈沖，P2.4 口、P2.3 口和P2.1 口相當(dāng)于分別控制脈沖輸出到X、Y、Z 三個(gè)軸上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)。當(dāng)P2.4 口置低電平時(shí)，74HC08 與門的輸入口有低電平則輸出口輸出為低電平，P2.2 口的脈沖方波無(wú)論是高電平或低電平，輸出到X 軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PUL 口都是低電平，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)P2.4 口置高電平時(shí)，且脈沖方波處于低電平時(shí)，輸出為低電平，脈沖方波處于高電平時(shí)，輸出為高電平，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可接收到正確的脈沖方波驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖分配電路原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖分配電路原理圖

3.3 行程限位控制系統(tǒng)

該電路也采用了SN74HC08N 芯片作為邏輯控制器，電路原理圖如圖5 所示，使用6 個(gè)限位開關(guān)分別用作X、Y、Z 的正限位和負(fù)限位，每個(gè)限位開關(guān)的C 公共端分別與P1.0 ～ P1.5 口連接，NO 常閉端全部接地。程序初始化將P1.0 ～ P1.5 和P3.2 口全部置1，當(dāng)某個(gè)限位開關(guān)的按鍵被按下，C 公共端和NO 常閉端連通，高電平被拉低，單片機(jī)的P3.2 口檢測(cè)到上升沿或下降沿，觸發(fā)INT0 中斷，然后可以通過(guò)程序檢測(cè)P1.0 ～ P1.5 口哪一個(gè)為低電平，就可知道是哪個(gè)軸上發(fā)生正方向或負(fù)方向的越位，并立即停止該軸的運(yùn)動(dòng)。P3.2 口為單片機(jī)外部中斷INT0口，可設(shè)置為最高中斷優(yōu)先級(jí)，最大限度的防止X、Y、Z 軸上機(jī)構(gòu)的越位而對(duì)機(jī)構(gòu)造成損傷。

圖5 行程限位開關(guān)電路原理

3.4 顯示系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所要顯示數(shù)據(jù)有X、Y、Z 三個(gè)軸的坐標(biāo)值、電機(jī)速度、溫度、濕度。LCD1602 每一行能夠顯示16 個(gè)字符，有兩行共32 個(gè)字符。選用LCD1602 即可滿足顯示要求本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。圖6 為L(zhǎng)CD1602 電路原理圖。PIN3-VL 口對(duì)地接一個(gè)10K 可調(diào)電阻可用來(lái)調(diào)整液晶的對(duì)比度，使LCD 1602 達(dá)到不同環(huán)境下的最佳顯示效果。PIN4-RS 選擇命令數(shù)據(jù)口、PIN4-RW 讀寫信號(hào)口及PIN5-EN 使能信號(hào)口分別與單片機(jī)的P2.5 ～ P2.7 口連接，通過(guò)單片機(jī)輸出高低電平控制對(duì)LCD1602 的發(fā)送命令、讀寫數(shù)據(jù)等操作。PIN-D0 ～ PIN-D7 這8 個(gè)數(shù)據(jù)口分別與單片機(jī)的P0 口連接用于發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6 LCD1602 電路原理圖

3.5 軟件控制流程

程序開始先將用到的端口、定時(shí)器、中斷初始化，外圍模塊中LCD1602 顯示屏、紅外遙控器需要初始化。之后檢測(cè)環(huán)境的溫度濕度確定澆水時(shí)的用水量。檢測(cè)X、Y、Z 軸的初始位置，與設(shè)定位置進(jìn)行對(duì)比，控制三個(gè)方向的電機(jī)使機(jī)械手到達(dá)指定的位置。當(dāng)檢測(cè)位置于設(shè)定位置相同則說(shuō)明機(jī)械手完成位置目標(biāo)，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，開始澆水。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以設(shè)置三類實(shí)驗(yàn)，分別是機(jī)械類實(shí)驗(yàn)、控制類實(shí)驗(yàn)、綜合類實(shí)驗(yàn)。機(jī)械類實(shí)驗(yàn)包括：桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、直線模組的選用、連接件的設(shè)計(jì)、裝配以及動(dòng)畫仿真?？刂祁悓?shí)驗(yàn)包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、按鍵中斷、定時(shí)器中斷、LCD 屏顯示、串行通信、溫濕度檢測(cè)等。綜合類實(shí)驗(yàn)包括：按鍵控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、紅外控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、三維空間定點(diǎn)檢測(cè)溫濕度等。實(shí)驗(yàn)難度依次增強(qiáng)，從單一學(xué)科到交叉學(xué)科過(guò)度，學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)得到了充分地利用。使學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐地過(guò)程中鞏固知識(shí)，查漏補(bǔ)缺。

5 結(jié)論

基于STC8A8K 單片機(jī)的溫室澆灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適應(yīng)于科技發(fā)展和教育工作改革，設(shè)計(jì)出了以農(nóng)業(yè)為大前提的一系列科技實(shí)驗(yàn)形式，符合新工科要求，具備一定的創(chuàng)新性。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以營(yíng)造積極的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。讓學(xué)生以實(shí)戰(zhàn)的方式感受科技的魅力，體會(huì)時(shí)代的變化，促使他們用知識(shí)武裝自己，用智慧改變未來(lái)，這也更加適應(yīng)現(xiàn)代化對(duì)于工程認(rèn)證的需求，有利于學(xué)生進(jìn)行更加復(fù)雜的分析和設(shè)計(jì)，解決復(fù)雜工程問(wèn)題。