基于CW32單片機(jī)+ESP01S WiFi模塊的自動(dòng)澆花器設(shè)計(jì)

摘 要：由于人們?nèi)粘Ｊ聞?wù)繁忙，經(jīng)常無(wú)法及時(shí)給花卉澆水，導(dǎo)致有的花卉因缺水而枯萎。為解決這一問題，文中設(shè)計(jì)了一款以CW32單片機(jī)為主控制器、以土壤濕度傳感器為感應(yīng)部件、運(yùn)用ESP01S WiFi模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)澆花器。該自動(dòng)澆花器通過串口將CM32與ESP01S連接起來(lái)，并利用CM32的UART功能與ESP01S通信，同時(shí)預(yù)留多個(gè)外設(shè)接口，可連接土壤濕度傳感器、10 V太陽(yáng)能板等設(shè)備。連接土壤濕度傳感器將檢測(cè)值傳遞至CM32與預(yù)設(shè)參數(shù)相比，即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)抽水澆灌。該自動(dòng)澆花器具有定時(shí)自動(dòng)澆花、檢測(cè)濕度自動(dòng)澆花、聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制澆花等功能，可應(yīng)用于室內(nèi)澆花、戶外澆灌等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：CW32單片機(jī)；ESP01S WiFi模塊；土壤濕度傳感器；自動(dòng)澆花器；遠(yuǎn)程控制；太陽(yáng)能板

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

近些年，人們對(duì)美好生活的品質(zhì)追求越來(lái)越高，常會(huì)在自己生活、辦公區(qū)域內(nèi)養(yǎng)植一些花草來(lái)裝飾環(huán)境、愉悅身心。然而現(xiàn)今快節(jié)奏的生活狀態(tài)和高強(qiáng)度的工作壓力，使得人們常忘記給花卉澆水，以至于很多花卉因澆水不及時(shí)而出現(xiàn)枯萎情況[1]。由此可見，設(shè)計(jì)一款可定時(shí)、可遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)澆花器是實(shí)際所需。本設(shè)計(jì)結(jié)合花卉種植環(huán)境以及需求，選用國(guó)產(chǎn)CW32單片機(jī)作為主控制器，使用土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度值，利用ESP01S WiFi模塊將控制命令以及參數(shù)通過串口發(fā)送給CW32驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制水泵進(jìn)行自動(dòng)抽水澆花，同時(shí)考慮到電機(jī)啟動(dòng)瞬間容易導(dǎo)致聯(lián)網(wǎng)模塊掉電問題，采用鋰電池供電；采用顯示屏顯示時(shí)間、澆花模式、水泵狀態(tài)、電池電壓等參數(shù)，考慮到電池電量續(xù)航問題，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)充電口，輸入電壓為DC 8.4～9 V，可接一個(gè)10 V的太陽(yáng)能板，既解決了電池續(xù)航問題又節(jié)能環(huán)保，通過以上模塊完成了自動(dòng)澆花器的設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)澆花器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆花器采用CW32單片機(jī)作為核心控制器，利用土壤濕度傳感器把土壤濕度值傳輸給CW32單片機(jī)內(nèi)部集成的擁有12位精度、最高1 MSPS轉(zhuǎn)換速度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即可得到數(shù)字化土壤濕度。通過按鍵設(shè)置水泵自啟動(dòng)工作閾值，當(dāng)檢測(cè)到的土壤濕度值低于所設(shè)置的閾值時(shí)，CW32單片機(jī)控制水泵開始澆水；當(dāng)檢測(cè)到濕度高于所設(shè)定的閾值時(shí)，水泵停止工作。本設(shè)計(jì)秉承安全、低功耗的設(shè)計(jì)初衷，對(duì)輸出電機(jī)的電壓和電流不斷進(jìn)行檢測(cè)，一旦電壓過高或過低則停止電機(jī)。同時(shí)，ESP01S的電源可通過CW32單片機(jī)打開或關(guān)閉，用來(lái)降低功耗（默認(rèn)上電自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)）。自動(dòng)澆花器總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.2 電路設(shè)計(jì)

總體電路分為MCU電路、電流電壓采樣檢測(cè)電路、SPI接口電路、土壤濕度采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LDO降壓電路、按鍵電路和ESP01S電路、DC-DC降壓電路等。自動(dòng)澆花器總電路接線如圖2所示。

1.2.1 電源電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆花器的供電系統(tǒng)由充放電電路、DC-DC降壓電路和LDO降壓電路組成。

充放電電路：增加一個(gè)充電口，接入單片10 V的太陽(yáng)能板，充電口正極經(jīng)過一個(gè)二極管接7.4 V鋰電池保護(hù)板，該鋰電池保護(hù)板既能給2串鋰電池充電，也可以放電，進(jìn)而構(gòu)成充放電電路。

DC-DC降壓電路：為減少輸出電壓的紋波和噪聲干擾，使用LM2596S-ADJDC-DC降壓芯片（輸入電壓范圍為4.5～35 V，輸出為1.23～35 V可調(diào)節(jié)，輸出電流為3 A）穩(wěn)定輸出6.0 V電壓[2]。

LDO降壓電路：在電源管理電路中使用AMS1117-3.3LDO降壓芯片，其最大輸入電壓為18 V，輸出電壓為

3.3 V，輸出電流為1 A[3]。

1.2.2 土壤濕度采集電路設(shè)計(jì)

該自動(dòng)澆花器預(yù)留了3個(gè)擴(kuò)展接口，可外接溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等設(shè)備。土壤濕度傳感器為電容式，反應(yīng)靈敏且不易被腐蝕。工作原理：利用土壤中含水量的不同，其導(dǎo)電率存在差異，從而實(shí)現(xiàn)土壤濕度測(cè)量。其接口端一側(cè)供電，另一端為電壓采集口[4]。

1.2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路使用1.7寸12864黑白屏，屏幕控制器采用SPI方式驅(qū)動(dòng)，無(wú)需背光電源，該設(shè)備功耗低、體積小、重量輕，顯示的信息量大[5]。主要顯示內(nèi)容：時(shí)間、澆花模式、水泵狀態(tài)、電池電壓、澆花時(shí)間、澆花時(shí)長(zhǎng)以及頁(yè)面設(shè)置等信息。

1.2.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵電路由3個(gè)6×6 mm輕觸開關(guān)組成，主要用于切換屏幕顯示內(nèi)容：按鍵3長(zhǎng)按進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，短按是切換顯示內(nèi)容，按鍵1和按鍵2分別代表加減來(lái)調(diào)整具體參數(shù)，比如改變澆花模式、澆花時(shí)間、澆花時(shí)長(zhǎng)等[6]。

1.2.5 水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該電路采用PC817光耦、WSP9926A N溝道MOS管設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制水泵，當(dāng)單片機(jī)引腳為低電平時(shí)，光耦驅(qū)動(dòng)側(cè)無(wú)電壓，內(nèi)部LED不發(fā)光，輸出側(cè)三極管關(guān)斷，MOS管Q1的柵極由R15電阻下拉至GND，由于VGS=0，所以NMOS管關(guān)斷，電機(jī)不工作。當(dāng)單片機(jī)引腳為高電平時(shí)，光耦驅(qū)動(dòng)側(cè)電壓為3.3 V，通過限流電阻R13驅(qū)動(dòng)內(nèi)部LED發(fā)光，輸出側(cè)三極管導(dǎo)通，N-MOS管柵極被拉高，此時(shí)VGS=VOUT×R14/（R14+R15），N-MOS導(dǎo)通，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，抽水澆花，同時(shí)LED1指示燈亮。當(dāng)N-MOS管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，由于電機(jī)是感性負(fù)載，有阻礙電流突變的能力，會(huì)產(chǎn)生高壓擊穿N-MOS管，所以使用二極管D1作為續(xù)流二極管，電機(jī)和二極管D6構(gòu)成一條電流回路，避免損傷N-MOS管[7-9]。

2 軟件設(shè)計(jì)

該自動(dòng)澆花器的特點(diǎn)是有多種工作模式可供選擇，其中聯(lián)網(wǎng)模式可以根據(jù)需要隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)外帶

10 V的太陽(yáng)能板，即可以節(jié)省能源消耗又能提升供電續(xù)航能力，甚至未來(lái)升級(jí)改造后可以用于西部干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)澆灌。設(shè)備通電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，其中包括ESP01S、ADC、FLASH、INA226、SPI、RTC等的初始化，之后系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)可設(shè)置自動(dòng)澆花器相關(guān)參數(shù)，然后土壤濕度傳感器將讀取的數(shù)量與設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較，如果低于所設(shè)定的濕度閾值，則啟動(dòng)水泵澆水，如果高于所設(shè)定的濕度閾值，則停止工作。同時(shí)，對(duì)輸出電機(jī)的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，電壓過高或過低停止電機(jī)，空載電流（水箱無(wú)水）停止電機(jī)，系統(tǒng)流程如圖3所示。

3 PCB設(shè)計(jì)

依據(jù)PCB布線原則，采用雙層板，完成了基于CW32單片機(jī)+ESP01S WiFi模塊的自動(dòng)澆花器PCB設(shè)計(jì)，有效減少了信號(hào)間的交叉干擾[10]。CM32芯片位于板子中間，便于控制外部設(shè)備，整體元器件布局合理且留有多個(gè)外部接口便于后期拓展。具體布線如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

以國(guó)產(chǎn)CM32單片機(jī)和ESP01S WiFi模塊為核心設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆花器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、抗干擾能力強(qiáng)，工作模式多樣，能滿足不同類型客戶的需要。同時(shí)，自動(dòng)澆花器預(yù)留有多個(gè)擴(kuò)展接口，不僅可外接土壤濕度傳感器以自動(dòng)控制是否澆水，未來(lái)還能外接溫濕度傳感器來(lái)檢測(cè)空氣溫度和濕度，以便更加精準(zhǔn)地控制澆水的時(shí)間以及出水量；而且還能外接10 V太陽(yáng)能板，在增強(qiáng)設(shè)備續(xù)航能力的同時(shí)還更節(jié)能，未來(lái)升級(jí)改造后甚至可以用于西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的澆灌，具有一定的推廣價(jià)值和使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王紅燕，洪煥.淺談家庭養(yǎng)花[J].園藝與種苗，2021，41（1）16-17.

[2]葉小嶺，張晴，王冬健，等.熱電式溫顯保健水杯的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2017，40（2）：516-520.

[3]黃秀超. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].恩施：湖北民族大學(xué)，2019.

[4]過琦芳，馬國(guó)智，李夢(mèng)晴，等.基于STM32的智能盆栽澆灌器設(shè)計(jì)[J].鄉(xiāng)村科技，2022，13（12）：150-152.

[5]沈倩倩.基于51單片機(jī)LCD12864左右半屏交接處位置文字顯示研究[J].滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，20（4）：56-59.

[6]衡蜓.智能控制澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2022，38（6）：38-39.

[7]宋興鑫，宋增鳳，王秀鑫.淺談MOS管的開關(guān)速度與功耗、EMI的關(guān)系[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2023，44（2）：103-105.

[8]王波，王晉美，孫毅浩，等.基于STM32單片機(jī)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2023，7（12）：166-169.

[9]羅勇杰，張逸帆，李軍紅，等.一種基于單片機(jī)的自動(dòng)澆花器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2019，60（12）：125-127.

[10]郭潤(rùn)坤.基于單片機(jī)的自動(dòng)澆花器設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2022，53（22）：118-121.

作者簡(jiǎn)介：閆治宇（1989—），男，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制、模式識(shí)別等。