STM8 滴灌自动控制系统

2019-2-28 18:23

滴灌按作物需水要求，通过低压管道系统与安装在毛管上灌水器，将水和作物需要的养分均匀缓慢地滴入作物根区土壤中的灌溉方法。是一种节水、节肥、省工的高效的灌溉方式。传统的滴灌控制方式多为人工手动控制机械滴灌阀开与闭，或通过由 220V 市电供电的控制装置来对滴灌进行开环控制。人工手动控制存在操作繁琐、作业不便等缺点。而 220V 市电供电的控制装置也存在使用成本高，功耗大，灵活性差等弊端[3-6]。目前，微控制器，低功耗实时时钟，及低功耗点阵式液晶屏已在民用消费电子以及手持式通信设备等领域取得了广泛应用.

2019-2-28 18:25

选用双稳态电磁阀与低成本传感器，对传统的滴灌控制进行智能化、自动化、低功耗的改进，主要工作内容：
（1）STM8 主控板的设计，包括 STM8S105x 最小系统的设计、时钟芯片工作电路的设计和相应的控制程序以及电源模块的设计。
（2）LCD 显示及太阳能采集面板的设计，包括 LCD 模块、太阳能充电控制模块、用户按键的硬件设计和相应的控制程序。
（3）基于 STM8 和时控系统的综合应用程序设计，包括主程序的设计，中断分配。休眠—唤醒机制设计和人机接口设计。∗

2019-2-28 18:25

在对滴灌作业自动控制的基础上，实现了低功耗运行与菜单式的人机界面。系统由 STM8 主控板，LCD 显示及太阳能采集面板，外部双稳态电磁阀三部分组成。其中 STM8 主控板由 STM8 微控制器模块，2.5V 基准电压源、实时时钟模块，H 桥电磁驱动电路，传感器接口，防雷保护电路，DC—DC 升压模块以及各种接口构成。LCD 显示及太阳能采集面板由 LCD 显示模块、用户按键、太阳能电池、充电控制模块组成。其中，实时时钟模块由 PCF8563 芯片与外围电路组成，LCD 模块由Nokia 5110 模块及外部控制电路组成，DC—DC 升压模块由 MAX608 芯片及外部电路组成。STM8 微控制器负责整个系统的主控与信息处理，并运行人机界面程序。

2019-2-28 18:28

以 STM8 微控制器为核心，微控制器根据传感器、时钟模块的信息结合用户配置，输出正确的控制信号。系统硬件总框图如图

2019-2-28 18:29

系统正常工作时，系统处于低功耗休眠模式，只有接收到实时时钟的报时信号或者受到用户按键触发才被唤醒进入正常运行模式，并通过 LCD、键盘与用户进行交互，或进行滴灌作业。

2019-2-28 18:31

系统总流程图如图

2019-2-28 18:39

STM8S105S4 最小系统电路图

2019-2-28 18:54

STM8F105S4 微控制器及最小系统
所涉及的低功耗滴灌控系统，可以看作是一个低功耗的时控系统，其硬件核心为微控制器。目前，此领域常用的微控制器总类很多，具有代表性有：TI（德州仪器）MSP430 系列，ATMEL AVR 系列，ST（意法半导体）STM8S 系列，Silicon（新华龙）C8051 系列。其中，ST（意法半导体）的 STM8S 系列微控制器，具有大容量存储系统与丰富的外设；工作电压范围为 2.95～5.5V适合在电池供电的设备上使用。且价格低廉，具有极高性价比。仅为 STM8S105S4 微控制器需提供电源和一个CPU 退偶电容[9-11]，即可组成 STM8S105S4 最小系统.

2019-2-28 18:58

滴灌控制系统采用电池供电，电池电压的波动会对微控制器 AD 转换输出结果产生影响。因此需要设计一个稳定的参考电压源，以通过软件算法对 AD 转换的结果进行修正并对电池电压进行监测。采用 TL431 可调稳压管，采用其内部集成 2.5V 精密电压源

2019-2-28 19:01

低功耗 RTC 设计
实时时钟简称 RTC（Real Time Clock），为时控系统提供准确的参考时刻值，是时控系统不可缺少的部分。目前，时控系统中多采用专用低功耗时钟芯片并外加32768Hz 时钟振荡器和备份纽扣电池组成 RTC 电路。常用的时钟芯片有 DS12887、DS1302、PCF8563，基于成本以及低功耗的考虑，设计采用待机电流仅为 0.25 微安的 PCF8563 芯片[13]以及外部电路组成本系统的 RTC 电路。PCF8563通过I2C（Inter－Integrated Circuit）总线与微控制器连接并通过中断输出进行报时。

2019-2-28 19:02

RTC 电路图

2019-2-28 19:02

DC-DC 升压电路
采用电池供电，由于电池电压不足以驱动滴灌电磁阀，因此需要使用升压电路将 3V 的电池电压提升到9V～12V 以驱动滴灌电磁阀。采用 MAX608 芯片组成
的 DC—DC 升压电路。其中，MAX608_SWITCH 为 MAX608 芯片的使能端，在不需要进行升压时，可以关闭升压模块以降低系统功耗。

2019-2-28 19:41

本帖最后由 hanzhen654 于 2019-2-28 19:42 编辑

MAX608 升压电路图

2019-2-28 19:44

低功耗双稳态电磁阀与 H 桥驱动电路设计
传统电磁阀加入自锁装置即构成双稳态电磁阀，不消耗电能的情况下保持常开与常闭两种稳定状态。由于双稳态电磁阀开启和闭合需要使用极性相反的脉冲电压进行驱动，采用 4 对三极管组成 H 桥作为双稳态电磁阀的驱动电路。其中 R17 与 C4 组成R—C 吸收电路，防止电磁阀开关瞬间产生的干扰信号对系统造成影响。当 H1 为高电平，H2 为低电平时，H桥中 Q3 和 Q8 导通，Q6 和Q7 呈高阻态，电流由 VOUT2流向 VOUT1，使电磁阀闭合；当 H1 为低电平，H2 为高电平时，Q3 和 Q8 呈高阻态，Q6 和 Q7 导通，此时电流由 VOUT1 流向 VOUT2，使电磁阀开启.

2019-2-28 19:44

H 桥双稳态电磁阀驱动电路图

2019-2-28 19:47

防雷保护电路
滴灌电磁阀供接与电磁阀的连接线如果暴露在室外容易在雷雨天气发生静电感应，产生高压，因此须要在电磁阀驱动电路上并联防雷保护装置。当电磁阀接口上由静电感应产生高压时，压敏电阻 R_V1、R_V2 由高阻态转变为导通态。使静电电压直接加在气体放电管 G1 上，使感应电荷迅速释放.

2019-2-28 19:48

防雷接口电路图

2019-2-28 19:48

Nokia 5110 液晶显示模块及工作电路
Nokia 5110 LCD 模块是一种具有 48 行84 列的单色点阵式液晶屏。其以飞利浦公司的 PCD8544 作为点阵控制器，通过 SPI 总线与微控制器单向通信，占用极少资源，且 Nokia 5110 LCD 工作时静态电流为微安级，非常适合在低功耗系统中使用。为节省电池电量，不开启LCD 的背光，因此只需为 LCD 提供电源并将 SPI 接口与 STM8 微控制器相连。

2019-2-28 19:49

Nokia 5110 LCD 工作电路

2019-2-28 19:51

太阳能充电控制电路设计
仅靠电池难以使滴灌控制系统正常工作，且频繁更换电池也会为使用带来极大不便，因此，采集太阳能电池对锂电池进行充电。由微控制器检测分压后的太阳能电池电压并通过 F3055L 开关场效应管控制太阳能充电的通断。

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