蔣正忠

（南寧學(xué)院智能制造學(xué)院，廣西 南寧 530200）

室內(nèi)花、草、盆栽等植物得不到及時的水分補(bǔ)充，很有可能就會枯死。為此，筆者設(shè)計了一款基于單片機(jī)控制的噴淋系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用單片機(jī)的控制功能，用戶可以手動控制噴淋。借助電腦端的串口助手，用戶也可以根據(jù)自己的實際需求靈活地設(shè)置噴淋時間和噴淋時長，使用靈活方便。

1 噴淋系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

噴淋系統(tǒng)硬件由電源系統(tǒng)模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、按鍵模塊、電磁閥水閥驅(qū)動模塊、噴淋管路系統(tǒng)模塊等組成[1]。噴淋系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 噴淋系統(tǒng)硬件組成圖

1.1 電源系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)電源電路如圖2 所示。其中，圖2（a）為電源指示電路，圖2（b）為5 V 穩(wěn)壓電路。來自外界的24 V 電源通過圖2 中的P3 接線端子接入本系統(tǒng)。24 V 電源一方面直接驅(qū)動噴淋用的電磁閥水閥，一方面通過圖2（b）中的穩(wěn)壓電路輸出給單片機(jī)控制系統(tǒng)[2]。

圖2 電源系統(tǒng)

1.2 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

單片機(jī)系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，在本系統(tǒng)中，單片機(jī)采用宏晶STC32G12K128。這是一款國產(chǎn)的8051內(nèi)核的32位單片機(jī)，其內(nèi)部自帶EEROM區(qū)可用于存儲本系統(tǒng)的自動噴淋數(shù)據(jù)參數(shù)。其成本低，外圍最小系統(tǒng)電路簡單，非常有利于簡化電路、提高系統(tǒng)的可靠性。單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖如圖3 所示。其中，P1 模塊用于程序燒錄，K1、K2、K3 連接按鍵模塊，DCF 控制電磁閥水閥驅(qū)動模塊，RST、DAT、CLK控制時鐘模塊，RX、TX一方面用來燒錄程序，另一方面用來接收來自上位機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行方式控制指令[3]。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)

1.3 按鍵模塊

按鍵模塊如圖4 所示，包括K1、K2、K3 三個按鍵，其中K1 為自鎖按鍵，K2、K3 為自動回彈按鍵。在系統(tǒng)中，各按鍵的功能定義為：K1 按下表示系統(tǒng)處于自動運(yùn)行模式，K1 彈起表示系統(tǒng)處于手動運(yùn)行模式。在自動運(yùn)行模式下，K2、K3按鍵失效。在手動運(yùn)行模式下，K2為啟動噴淋按鍵，K3為停止噴淋按鍵。

圖4 按鍵模塊電路

1.4 上、下位機(jī)信號調(diào)理模塊

用戶可以通過計算機(jī)端串口軟件下發(fā)指令，設(shè)置噴淋系統(tǒng)在自動模式下的運(yùn)行動作。在上、下位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換的途徑上，系統(tǒng)采用的是上位機(jī)計算機(jī)端的通用USB 接口與下位機(jī)端標(biāo)配的UART 接口。由于USB 接口與UART 接口互不兼容，系統(tǒng)通過CH340 芯片實現(xiàn)如上兩接口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，具體的硬件電路如圖5所示。電路板上采用Micro USB接口與上位計算機(jī)連接。

圖5 上、下位機(jī)信號調(diào)理模塊電路

1.5 時鐘模塊

在自動運(yùn)行模式下，系統(tǒng)需要根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的動作指令確定在每周的哪幾天的幾時開始噴淋，并控制噴淋的時長[4]。系統(tǒng)通過DS1302 芯片獲取實時的日歷信息，具體電路如圖6 所示。單片機(jī)通過I/O 口模擬實現(xiàn)IIC 通信功能，從而實現(xiàn)與DS1302 芯片的IIC 接口通信，最終完成時鐘芯片日歷信息初始化和日歷信息的實時獲取。在整個系統(tǒng)掉電后，圖6電路中的電池B1 可以繼續(xù)為DS1302 提供電力，這樣DS1302 中的日歷信息在外界正?；蛞馔獾綦姾缶粊G失，從而為噴淋系統(tǒng)的正常噴淋工作提供可靠的時間保證[5]。

圖6 DS1302實時時鐘模塊電路

1.6 電磁閥水閥驅(qū)動模塊

系統(tǒng)通過電磁開關(guān)閥控制噴淋系統(tǒng)開始噴淋作業(yè)和停止噴淋作業(yè)。如圖7 所示的閥門是一個常閉型電磁閥水閥，工作電壓為DC24 V，功率8 W。電磁閥水閥的兩頭接口為內(nèi)螺紋，在其兩頭各接一個如圖8 所示的螺紋直通組成電磁閥水閥組件，該水閥組件一頭連接家用自來水水源，另一頭連接噴淋管路系統(tǒng)。單片機(jī)不能直接帶動該電磁閥工作，為了提高系統(tǒng)的驅(qū)動能力，保證系統(tǒng)能長時間大電流驅(qū)動，電路中采用以AOD4185 的P 型MOS 管為主導(dǎo)的功率驅(qū)動電路，詳細(xì)原理圖如圖9 所示。在圖9 所示的電路中，DCF 與單片機(jī)I/O 口連接，接線端子P17 與圖7 所示的電磁閥水閥的工作電源線連接。當(dāng)DCF 被控為高電平時，晶體管Q13 截止，晶體管Q14 的基極與VCC打開。此時，在下拉電阻R8 的作用下，晶體管Q14的基極的電平被拉為低電平，所以Q14 截止。由于此時Q14 的集電極，即PMOS 管Q15 的柵極與GND斷開，在上拉電阻R5 的作用下，Q15 的柵極電壓被拉高為24 V，此時PMOS 管Q15 的源極與柵極無壓差，Q15 的源極與漏極斷開，P17 不得電，電磁閥水閥關(guān)閉，噴淋管路不工作。當(dāng)DCF 被控為低電平時，晶體管Q13 的發(fā)射極與集電極導(dǎo)通，電阻R7 與R8 串聯(lián)于正負(fù)極之間，適當(dāng)增加電阻R8 在R7 與R8 之和中的比值，可以保證Q14 的基極電位高于Q14 的開啟電壓，從而使晶體管Q14 導(dǎo)通。由于此時Q14 的集電極，即PMOS 管Q15 的柵極與GND 接通，此時PMOS 管Q15 的源極與柵極產(chǎn)生24 V的壓差，Q15的源極與漏極接通，P17 得電，電磁閥水閥打開，噴淋管路開始噴淋工作[6]。

圖7 電磁閥水閥

圖8 螺紋直通

圖9 電磁閥水閥驅(qū)動模塊電路

1.7 噴淋管路系統(tǒng)模塊

噴淋管路系統(tǒng)由圖10 中的轉(zhuǎn)換接頭、噴頭、堵頭、膠管組成。在具體連接時，噴頭可以連接多個，噴頭的具體連接數(shù)量取決于用戶的實際需求量。在轉(zhuǎn)換接頭與噴頭、噴頭與噴頭之間用膠管連接。轉(zhuǎn)換接頭與噴頭、噴頭與噴頭之間的膠管長度由用戶自行根據(jù)實際需要用一長膠管裁剪而成。在最后一個噴頭的下一級出口處，連接一個堵頭，便完成了整個噴淋管路系統(tǒng)的組裝工作。噴淋管路系統(tǒng)的所有連接均采用快速連接頭，連接簡單、方便。

圖10 噴淋管路系統(tǒng)配件

2 噴淋系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主題分為兩大部分，分別是噴淋工作處理程序和串口中斷設(shè)置程序。噴淋工作處理程序是按照預(yù)先約定的工作規(guī)則實時執(zhí)行噴淋任務(wù)的開啟和停止動作。串口中斷設(shè)置程序是處理來自上位機(jī)的設(shè)置指令，完成噴淋任務(wù)工作規(guī)則的重新設(shè)置。

2.1 噴淋工作處理程序

噴淋工作處理程序由主函數(shù)、手動模式函數(shù)、自動模式函數(shù)以及電磁閥控制函數(shù)組成。系統(tǒng)上電后，首先讀取EEROM 內(nèi)的自動工作參數(shù)信息，為自動工作模式做好初始化準(zhǔn)備。緊接著系統(tǒng)進(jìn)入主程序的無限循環(huán)。在無限循環(huán)中，程序會不停地查詢圖4 工作模式中控制按鍵K1 的按放情況，根據(jù)K1 是否被按下去執(zhí)行手動控制代碼或自動控制代碼。主函數(shù)處理流程圖如圖11 所示。在手動模式下，程序依次掃描K2、K3 是否被觸發(fā)，如果K2 被觸發(fā)，程序?qū)⑷肿兞縮ign 賦值1，然后進(jìn)入電磁閥控制函數(shù)。如果K3 被觸發(fā)，程序?qū)⑷肿兞縮ign 賦值0，然后進(jìn)入電磁閥控制函數(shù)。手動模式函數(shù)處理流程圖如圖12 所示。程序如果進(jìn)入自動處理階段，每一次進(jìn)入，首先會從DS1302 芯片讀取當(dāng)前的實時時間信息。然后將此時間信息與用戶設(shè)定噴淋時段信息進(jìn)行比對，如果當(dāng)前時間在用戶設(shè)定的噴淋時段內(nèi)，就會將全局變量sign 賦值1，否則將全局變量sign 賦值0。然后程序進(jìn)入電磁閥控制函數(shù)。自動模式函數(shù)流程圖如圖13 所示。電磁閥水閥是否動作，是以全局變量sign 作為信息傳送紐帶的。每當(dāng)進(jìn)入電磁閥控制函數(shù)，程序先讀取全局變量sign 的當(dāng)前數(shù)值，如果sign 為1，則開啟電磁閥，否則關(guān)閉電磁閥[7]。電磁閥控制函數(shù)流程圖如圖14所示。

圖11 主函數(shù)處理流程圖

圖12 手動模式函數(shù)流程圖

圖13 自動模式函數(shù)流程圖

圖14 電磁閥控制函數(shù)流程圖

2.2 串口中斷設(shè)置程序

系統(tǒng)除了運(yùn)行正常的噴淋啟?？刂瞥绦?，還會執(zhí)行串口中斷處理程序。單片機(jī)系統(tǒng)從串口接收自動噴淋控制參數(shù)，這些參數(shù)數(shù)據(jù)包括三類，分別是每次噴淋時長、每次噴淋的開始時間、每周有哪些天需要噴淋[8]。這三類信息都存儲在STC32G12K128 單片機(jī)自帶的EEROM 內(nèi)。燒錄程序時，通過宏晶官方提供的燒錄軟件stc-isp 分配給單片機(jī)1 kB 的EEROM空間。每次噴淋時長信息占一個字節(jié)，單位為分鐘，存儲位置地址：0X000A。每次噴淋的開始時間為24小時制，精確到分。具體表現(xiàn)為噴淋在幾時幾分開始。其中的開始時信息占一個字節(jié)，單位為小時，存儲位置地址：0X000B。分信息占一個字節(jié)，單位為分，存儲位置地址：0X000C。每周有哪些天需要噴淋信息在地址為0X000D 開始的連續(xù)空間內(nèi)存儲。存儲規(guī)則為：地址0X000D 存放每周有幾天需要噴淋，從0X000E 開始的每一個字節(jié)空間內(nèi)存放每周的周幾需要噴淋。比如，如果在0X000A 位置存儲的值為0X14，則表示每次噴淋的時長為20 分鐘。開始的每一個字節(jié)空間內(nèi)依次存放了0X14、0X08、0X28、0X03、0X02、0X05、0X07。則表示每次噴淋時長為20 分鐘，噴淋開始時間為8：40，在每周的星期二、星期五和星期天才會有噴淋作業(yè)[9]。

用戶通過上位機(jī)串口發(fā)送自動噴淋控制參數(shù)時，每次噴淋時長的發(fā)送規(guī)則為：A4 01 +每次噴淋時長。每次噴淋開始時間的發(fā)送規(guī)則為：A4 02 +噴淋開始時+噴淋開始分[10]。每周有哪些天需要噴淋的發(fā)送規(guī)則為：A4 03 +周噴淋的天數(shù)+星期？+星期？+…。其中，用1表示星期一、2表示星期二…。

有了上述規(guī)則，串口中斷接收數(shù)據(jù)的處理流程是先接收一幀以A4 開頭的完整數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)接收完成后，通過數(shù)據(jù)幀的第二個字節(jié)判斷數(shù)據(jù)的類型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)幀余下的數(shù)據(jù)按照上述的約定存儲到EEROM指定的空間內(nèi)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于單片機(jī)控制的噴淋系統(tǒng)，有詳細(xì)的硬件設(shè)計圖及其原理闡述。軟件設(shè)計方面有深入的流程分析和完整的數(shù)據(jù)通信協(xié)議規(guī)則。借助電腦端的串口助手，用戶可以手動控制噴淋，可以根據(jù)自己的實際需求靈活地設(shè)置噴淋時間和噴淋時長，使用靈活方便。