基于STM32的智花盆机器人的设计
摘要：
本文介绍了一款在MDK5.25软件开发平台下开发设计的由意法半导体公司生产的STM32为核心控制器的智能花盆机器人。文中介绍了整个设计的需求分析、方案选择、硬件部分、软件部分、传感器的选择与布局、电路板的安装、以及整车的测试与评估。
本次设计最终使用STM32为主控制器，此芯片功能强大，足以满足整个设计的需求，采用MG995舵机和HC-SR04超声波模块组合的云台来完成道路行进方向的选择功能，利用DHT11温湿度传感器模块的特性来完成温湿度检测采集功能，采用0.96寸OLED显示屏模块完成土壤湿度及所处环境的温湿度，采用L289N驱动模块和减速电机完成智能花盆的行走功能，采用迷你水泵模块配合土壤湿度传感器模块完成自动浇水功能，采用蜂鸣器进行浇水提示提醒，采用超声波传感器和舵机的配合完成智能花盆行走过程中的避障功能；采用红外避障传感器完成防止跌落功能；利用光敏传感器来完成寻光、采集功能；程序经过多次测试和改进，能够较健壮的运行。最终，能够很好地实现上述功能。
关键词：STM32；智能花盆机器人；自动寻光；自动浇水；土壤湿度检测；数据显示；
Intelligent Flower Pot Robot Based on STM32
Abstract: This paper introduces an intelligent flowerpot robot with STM32 as the core controller developed and designed in MDK5.25 software development platform. This paper introduces the requirement analysis, scheme selection, hardware part, software part, sensor selection and layout, circuit board installation, and vehicle testing and evaluation.
This design eventually use STM32 as the main controller, the chip, powerful enough to satisfy the demand of the whole design, use the MG995 steering gear and HC - SR04 ultrasonic module to cooperate to complete the way choice function, complete the function of temperature and humidity detection using DHT11 temperature and humidity sensor module, with the help of soil moisture and 0.96 inch OLED display module, the temperature and humidity of the environment, adopt L289N gear motor driver module and complete intelligent flowerpot walking function, using mini pump module with soil humidity sensor module to complete the function of automatic watering, A buzzer is used to give a reminder of watering, and the ultrasonic sensor and steering gear are used to complete the obstacle avoidance function in the walking process of the intelligent flowerpot. Infrared obstacle avoidance sensor is used to prevent falling. Using photosensitive sensor to complete the function of searching and collecting light; After many tests and improvements, the program can run more robustly. In the end, the above functionality is well implemented.
Key words: STM32; Intelligent flowerpot robot; Automatic light seeking; Automatic watering; Soil moisture detection; Data display;
前言
本设计是从环境的温度、湿度、土壤湿度、光照强度等指标入手，循序渐进的阐述了在所处环境下检测智能花盆机器人系统的设计过程和设计原理。
本文详细介绍了在本次设计中的全过程，在设计方案、硬件设计和软件设计三方面进行了详细的叙述。本次设计是对我大学三年所学知识的综合、灵活应用。经过本次设计的洗礼，将理论与实践真正进行了一次完美结合，在各方面的能力都得到快速有效的提升，比如：电路板的基本焊接、对问题的详细分析以及寻找解决问题的2能力等，总的来说，使自己综合应用能力迅速提升。
本文内容一共分为八部分，其主要内容如下：
第一部分为绪论，主要讲述了智能花盆机器人控制系统的设计背景、研究背景及意义、发展趋势和本系统的基本工作原理。
第二部分为基于STM32智能花盆控制系统总体设计，主要对智能花盆系统进行技术特点分析，设计系统的组成及要达到得技术指标，根据对需求的分析进行实现功能的模块初步拟定，并进行整体设计构架图的设计。
第三部分为智能花盆控制系统硬件件设计，主要讲述根据各种条件对各种微控制器、对比不同型号的同类的传感器进行合适的选择、STM32最小系统电路设计原理、各模块电路的设计、智能花盆控制系统硬件总结。
第四部分为智能花盆控制系统软件程序设计编写，主要讲述了智能花盆控制系统软件编程设计思路、对主程序进行有顺序的设计、针对实现不同功能的模块，进行程序化编写达到要求的功能，最后将各个子程序进行整合并进行初步调试。
第五部分为智能花盆外壳的制作，主要简述了智能花盆机器人的外观设计思路，及各部分的设计与制作过程。
第六部分为电路板的安装与传感器的布局，主要简述了智能花盆底盘、电路板、超声波模块、红外避障传感器、0.96寸显示屏、蜂鸣器、土壤湿度检测传感器模块等的合理安装。
第七部分为产品测试与操作说明，主要讲述了智能花盆机器人的系统测试流程及测试报告。
第八部分为本次设计的嵌入式环境检测智能花盆机器人系统的总结，并提出展望。
最后为附录，其中包括引用的文献、系统电路原理图及部分源程序代码。
基于STM32的智能花盆机器人 1
摘要： 1
前言 1
第一部分 绪论 3
1.1智能花盆控制系统研究背景及意义 3
1.1.1研究背景 3
1.2国内外智能花盆机器人的状况 3
1.2.1国内智能花盆机器人的发展状况 3
1.2.2国外智能花盆机器人的发展状况 4
1.3本课题的主要研究内容 5
第二部分 基于STM32智能花盆控制系统总体设计 7
2.1 智能花盆系统整体设计方案设计思路 7
2.1.1技术特点 7
2.1.2 系统组成 8
2.1.3技术指标 9
2.2方案的选取 9
2.2.1 需求分析 9
2.3 总体设计方案 10
2.3.1整体构架 10
第三部分 智能花盆控制系统硬件设计 11
3.1 微控制器及电子元件的选型 11
3.1.1微控制器选择 11
3.1.2电机驱动选择 12
3.1.3红外避障模块选择 13
3.1.4舵机的选择 16
3.1.5超声波模块的选择 17
3.1.6 温湿度传感器的选择 17
3.1.7土壤湿度传感器 18
3.1.8 光敏传感器 18
3.1.9蜂鸣器模块 19
3.1.10 太阳能板 19
3.2 STM32最小系统电路的设计 20
3.3 各模块电路设计 22
3.3.1 0.96寸OLED显示屏 22
3.3.2 L298N电机驱动模块 24
3.3.3 蜂鸣器模块 25
3.3.4 土壤湿度传感器模块 26
3.3.5 YL-47 DHT11 温湿度传感器模块 27
3.3.6 HC-SRF04 超声波传感器 29
3.3.7 YL-70红外避障传感器 31
3.3.8 光敏传感器模块 32
3.3.9迷你抽水电机 33
3.4 智能花盆控制系统硬件总结 34
第四部分 智能花盆控制系统软件设计 34
4.1 智能花盆控制系统软件设计思路 34
4.2 智能花盆控制系统主程序设计 35
4.3 智能花盆控制系统子程序设计 36
4.3.1电机驱动程序 36
4.3.2红外避障防跌落程序 37
4.3.3超声波避障程序 37
4.4 智能花盆控制系统程序调试 38
4.4.1程序编写 38
第五部分 智能花盆外壳的制作 41
5.1智能花盆机器人外观设计思路 41
5.2智能花盆机器人底盘设计及制作过程 41
5.3智能花盆机器人花盆设计及制作过程 42
5.4底盘盖的设计及其制作过程 42
5.5智能花盆外壳设计 43
5.6智能花盆整体设计成品 44
第六部分 电路板的安装与传感器布局 44
6.1智能花盆底盘 44
6.2电路板安装 44
6.3超声波模块安装 45
6.4红外避障传感器安装 46
6.5 OLED显示屏安装 46
6.6 迷你抽水泵安装 47
6.7 蜂鸣器的安装 47
6.8 温湿度传感器的安装 48
6.9 土壤湿度传感器安装 48
第七部分 产品测试与操作说明 48
7.1 智能花盆系统测试流程 49
7.2 测试报告 49
第八部分 总结 49
小结与致谢 49
致谢 50
参考文献 50
附录 51
第一部分 绪论
1.1智能花盆控制系统研究背景及意义
1.1.1研究背景
教育水平的不断提高各行各业的人才不断涌现，推动着科学与技术领域的实力不断增加，人类在不断的探讨、改造、认识自然地过程中，会出现一些不可避免的难题与烦恼，例如：人们的生活节奏在不断地加快，各行各业的人士的压力也是越来越大；许多人常常选择在家或者在公司种植盆栽，以调节紧张的气氛，营造更加放松的生活环境，使人的压力得以释放并净化空气，有利于人类体健康的发展。许多人通常忙于两种类型的事情，一是工作，二是娱乐，忽视了对盆栽植物的精心培养管理，导致他们心爱的盆栽枯萎凋零。因此，设计一种能代替繁忙的人去管理盆栽植物的方法尤为重要。在一个特点的环境下，我们编写合适的程序，使其能够根据当前的环境进行自动运行工作，不需要人为操作，即可达到预期的目标甚至更高。实现智能花盆机器人的智能化是一个比较重要的体现。目前，各种大小企业生产技术水平不断提高、自动化技术的不断成熟，全球不少国家已经对智能花盆机器人智能化系统展开了积极的开发与设计。
1.2国内外智能花盆机器人的状况
1.2.1国内智能花盆机器人的发展状况
前几年，机械行业的不断进步，机械人才辈出，他们发明的机械式自动浇花器逐渐出现在市场中，新的好用的物件很快受到大家的接受，而智能浇花的设计应用还是少之又少。现在电子传感器技术应用的浮出，市场中出现五花八门的自动浇花器也浮出水面，但是可以根据盆栽植物需求进行定时定量的智能花盆还是不多，在浇水的方面没有突出的改变，传统的淋浴喷头式浇花方式还占据着大部分市场，这样的浇花方式不仅没有使水资源得到节约，甚至有的更加浪费水资源；在盆栽附近湿漉漉的积水现象时有发生，根据植物的生长环境来控制着对盆栽的实时灌溉更是不能实现，不能高效率的对植物进行水分补充。如果浇水的多少得不到控制，那么盆栽植物将不会得到健康的成长。
小型控制器技术的不断发展应用，推动着智能家居的快速发展。智能花盆也属于智能家居中重点研究高效实用项目。2019年3月赵立军、颜姗姗、徐鹏等人，研究了太阳能智能无土栽培花盆设计与实验，他们是针对传统人工养殖花卉不方便、不卫生的弊端，设计了可以应用于室内的全自动智能营养也培植花盆。此作品是由光照强度检测与补光灯控制系统、自动补水系统、太阳能储电系统及自动旋转系统构成。光照传感器检测光照强度，单片机输出控制LED灯的开关及盆体是否旋转等信息；而且太阳能电池板转换电能为整个系统部分提供电能；借助于其他芯片模块完成喷洒营养液及向光旋转，实验表明这款设计优于传统的养殖。
2019年3月西安交通工程学院机械工程学院 吴代坤、康勇、杨恒、王康等人在专利网上发布了基于单片机技术的智能花盆设计，将土壤湿度设定的上下限值进行程序化软件与硬件结合、软件代替硬件使检测数据更加准确，将被采集的数据信号与设定的数值进行比较，当其低于下限信号时，单片机经过系统的处理将高电平信号一直发送到继电器信号接收端，继电器内部弹簧片被磁力吸合，输出端通路，抽水泵启动开始浇水。当检测值高于上限信号时，供水作业停止，就这样实现了智能花盆的自动浇水过程。
张兆朋，设计的一款家庭智能浇水装置。每一种花草都有着最适合自己的生存环境要求范围，为了满足它们得要求可以对应着用不同的方式来控制，这样可以实时的检测到土壤湿度，再根据土壤的湿度信息进行定量的浇水，即方便准确又节约水资源。然而，在一处浇水可能造成土壤湿度不平衡，浇水口处水量较多，浇水口对对方位置可能刚润湿，甚至根本就没有浇到水，让水管可以伸缩在任何为都可以作为浇水口。。
2018年10月郑依、曹文彬、伊冬欣王源等设计了一款基于Android平台的智能花盆，他们这款设计主要是由检测硬件模块和智能手机APP软件模块组成，硬件设备上的温湿度传感器对信息进行获取，将获取到的数据传到单片机来进行程序数据比较处理，控制输出端完成自动化浇水等任务。
基于ROWE中的TRIZ理论对自动控制洒水装置进行了研究，运用TRIZ理论对自动洒水装置进行了研究和创新，提出了可控自动洒水装置的整体方案。这种新型的自动洒水装置是用来解决水流可控的问题。
科学技术的强弱标志着一个国家的强弱，全球的科学家进行着各自的研发，不断地有新的产品、新的技术出现、物件智能化水平不断完善。智能化技术开始逐渐涉及到各个领域，在我们的身边随时随地都可以看的到。与我们接触最多的是智能家居领域，智能化技术的出现让死板的家居变得生机勃勃，给人类带来了不少乐趣，在人们心中逐渐占据了比较重要的地位。年轻人是每一个国家的未来，而智能家居又深的年轻的喜欢，可想而知，智能花盆的未来将是花盆领域中发展前景比较好的那一种。
智能花盆在不少家庭和办公场所出现，这种比较潮流的管理系统深的使用者的欢心。由传感器技术支持，如有必要，可根据花卉土壤水分的变化提供。传感器时刻检测着盆栽植物的每一项生长参数，并将采集到的数据以一种可以被STM32微处理器接收且可以处理的形式传送到微处理器，最后，通过执行元件的控制来调节植物的生长参数使其达到标准范围。任何一个智能的控制都需要两部分系统，一是控制系统，二是专业系统。智能花盆机器人当然有需要这两部分系统。
1.2.2国外智能花盆机器人的发展状况
智能家居在其他国家的市场是非常可观的，在中国制造和中国设计的不断进步下，地位在全世界的影响力是相当的大，中国以较低成本制造以较低价格销售，可以让全球大部分人买得起用的起体验到智能产品带来的不一样的感受，因此，主要中国成为了智能家居设备制造的主角。而且，它也带动了中国的智能家居。设备和仪器的重要性，以及家用设备的开发和测试技术也得到了迅速发展。还包括了智能花盆。近年来，多种智能花盆不间断的浮现于世，让多少盆栽植物看到了生还的希望。芯片技术一直在不断的提高，各种性能的微处理器不断的被研发问世，不同类型的芯片可以实现的控制功能和原则就不同，但是，它们最根本的目的还是实现人们日常生活的智能化，使生长中的盆栽植物的营养等需求得以保证。
英国的瑞贝克皮特森为了实现花盆的智能化在花盆安装了植物湿度和温度传感器及人体红外传感器。温湿度传感器时刻监控着植物的温湿度，但是没有出现自动浇水等功能，仅仅是监控而已；当人体红外传感器检测到有人体靠近时，它会像音乐播放器一样唱出一首动听歌或者是说出几句简单的话来表达此时此刻它是否正常。
日本在机器人研发方面在世界上是比较突出，东京农工大学副教授水内郁夫是日本智能研究中比较突出的人物，在他耐心的带领下以及全小组成员的共同努力下一款比较智能的“Plantroid”花盆机器人被他们小组设计出来；这款设计不同于前几款的新颖之处仅仅是比前几款设计多了行走和太阳能电池板功能。他们小组为了可以让智能花盆自由的行走在花盆的底部安装的了电机驱动轮，使用我们常见的晶体硅太阳能电池板作为此系统的供电设备，根据温度传感器和光照传感器的反馈来的数据来判断此花盆是处于阴暗处，还是朝阳处；如果处于阴暗处则自动按照要求移动花盆调解植物参数，选出最佳适合光合作用的点。在自由移动的过程中难免会遇到障碍物，甚至在有台阶的地方或者不平缓的地方可能摔坏花盆，这样损失较大。花盆安全保障工作也是智能化有待开发的领域方向。而且，此设计中也没有自动浇水的涉及。
美国国家航空航天局（NASA）的电子花盆叫做Click and Grow也是一款国外智能花盆的设计，这款设计在自动浇水的基础上添加了施肥功能。与前面几款相比更是智能化工作太少。
英国大学生娜塔莉·金（Natalie King）根据自己的想象与经验为了检测到植物的湿度和温度将水和温度传感巧妙的安装在花盆底部时刻准确着反馈数据给控制器，假如检测到的环境生长变化与环境标准不符合，则会将外部报警指示灯点亮，提醒使用者采取适当的措施，温湿度也会以一种恰当的方式展现出来，为使用者展现温湿度信息。然而，此设计还是不成熟，需要不断的改进实现更多的智能功能。
根据前面国内外智能花盆的发展状况分析，我们的课题是将传统的花盆自由化、智能化，人性化；在花盆底部安装直流电机和轮子，方便驱动，自由行走；在花盆内部安装土壤湿度传感器时刻检测土壤湿度并通过显示屏将数据显示出来，此传感器与迷你抽水泵组成自动浇水装置，在而且在浇水时发出提示；在花盆的侧壁安装温湿度传感器来检测所处环境的温度与湿度，通过显示屏显示提醒人们采取适当的措施；在花盆的适当位置安装光敏传感器，根据环境的变化进行寻光处理，自动移动花盆使植物进入最佳的光合作用吸收区域，使其健康成长；并安装太阳能板，植物进行光合作用时可以及时为电源系统充电，为动力系统提供充足的能量源。
1.3本课题的主要研究内容
本课题是来源于实际生活的需求，在这个飞速发展的高科技时代，人们的生活越来越丰富，但压力也是成正比增长；忙于工作的人类几乎没有时间去培养管理自己的盆栽植物，以至于盆栽植物离我们而去。为了给我们人类调节压力，减轻负担，有一个好的生活工作环境，我突发奇想设计了此款智能花盆机器人。本课题的设计内容主要包括以下几个方面：
1．智能花盆机器人的总体结构设计；
2．智能花盆机器人控制系统的硬件构成设计；
3．智能花盆机器人控制系统的软件部分设计；
4．电路板的安装与传感器布局；
5．产品测试与操作说明；
一、选题简介、意义
智能硬件作为物联网时代的典型产品特征，近年来经历了萌芽，探索和发展，整个市场逐渐升温，市场份额呈指数级增长。其中，智能家居是智能硬件的重要组成部分，新智能家居产品陆续发布。许多智能家居产品经常成为流行的众筹项目。
本课题来源于智能家居项目中的花草灌溉智能花盆项目设计。随着社会的进步，人们的生活质量日益提高，越来越多的家庭正在观看健康舒适的生活空间。在家里，在环境中工作和学习放置一些盆栽花卉，可以通过光合作用吸收二氧化碳，净化室内空气，培养情感，使生活，工作和学习更加愉快。智能花盆是一种智能家居，它是一个最喜欢的新家居设备。。随着工业4.0在现代化工业的进步，智能化的趋势更是势不可阻挡，微控制器将发挥越来越重要的作用。在智能家居系统中的智能花盆系统，将不是简单的自动浇水的花盆而已，而是成为了整个智能家居系统中调节主人心情不可或缺的一部分，会起到许多绝妙的应用。本次设计使智能花盆更加人性化，增强了用户良好的体验效果，使设计更加符合实际需求，也尽量使得智能花盆系统与用户体验更具交互性。
基于AI技术水平的不断提升，智能花盆技术也变得越来越成熟，国内外在智能花盆的研究中不断综合出智能花盆在实际生活中的优点，本次设计将光敏传感器、避障传感器、温湿度传感器、土壤湿度传感器、OLED显示屏、迷你抽水泵、行走机构等组成。实现智能花盆自动避障寻光、及时检测室内温湿度并通过OlED显示屏及时显示，及时检测土壤湿度并与程序设定的土壤湿度范围作比较，及时给花卉植物浇水；寻光模块及时寻找太阳光使花卉植物及时进行光合作用，促进花卉植物健康成长及时吸收室内二氧化碳释放氧气，为用户提供一个健康的活动空间，使其心情愉悦。
本课题的完成，将为“智能家居系列中的智能花盆”进行后期设计和优化完善具有很好的参考价值，同时经过这类项目的开发实践，也使我的综合知识快速与工程实际结合、移植，进一步提高自己的工程实践能力。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
（一）主要内容：
此次设计主要是将STM32微控制芯片作为智能花盆的主要控制单元，配合寻光传感器、避障传感器、超声波模块、DHT11温湿度传感器、土壤湿度传感器等外围电子元器件构成一个完整的智能花盆控制系统。根据确切的功能需求对整个系统进行总设计，然后设计系统的功能拓展以及各部分设计功能的实现。
（二）拟解决的主要问题
1．智能花盆控制系统的总体设计；
2. 智能花盆控制系统的硬件选型及控制电路的设计；
3. 智能花盆控制系统软件设计及调试
4. 智能花盆控制系统实物的制作
（三）预期目标：
根据项目需求，完成智能花盆控制系统总体设计与系统电路图、系统软件设计，必须实现程序编译和实物制作，实现智能花盆的自动行走避障寻光，自动浇水、已经通过设置土壤湿度的范围、显示当前环境的温湿度。
（四）研究步骤
第一阶段：查阅文献，收集资料、确定课题方案，完成开题报告；
第二阶段：完成智能花盆控制的系统构架，进行智能花盆控制系统的总体设计；
第三阶段：进行智能花盆控制系统的硬件设计；
第四阶段：进行智能花盆控制系统软件设计，并完成程序调试；
第五阶段：整理技术资料，完成毕业设计论文及答辩。
（五）工作方式及措施：
1．参考各种设计手册及文献资料；
2.充分利用网络查阅智能花盆控制系统的相关资料；
3.在设计过程中遇到问题及时向指导老师请教，在教师的指导下，完成智能花盆控制系统的设计与制作。
参考文献
[1] 刘军STM32开发指南库函数版本 [M]2013.
[2] 刘军 STM32开发指南寄存器版本 [J]2013.
[3] 谭浩强 C语言程序与设计[M] 2012
[4] 意法半导体 STM32中文参考手册[J] 2012
[5] 刘南平.电子产品设计与制作技术[M].科学出版社，2008.
[6] 催维娜.智能电子制作[J].科学出版社，2007.
[7] 李忠文.实用电机控制电路.[M]化学工业出版社，2003.4.
[8] 刘少强.传感器设计与应用实例.中国电力出版社[M]2008.
[9] 杨 刚.电子系统设计与实践.[J]电子工业出版社，2009.3
[10] 周立功.Cortex-M3 技术参考手册[D].2012.
[11] STM32 系列控制器技术资料 https://www.stmcu.com.cn
[12]吴代坤,康勇,杨恒,王康,金元山.基于单片机技术的智能花盆设计[J].科技经济导刊,2019,27(02):90.
[13]周硕硕,郑瑾,吕延欣.基于模块化的花盆设计探究[J].现代园艺,2018(22):114-115.
[14]周佳男,杨鹏,邵温财,宋威岐,桑胜波,彭宏丽.家居型智能花盆[J].物联网技术,2018,8(06):9-10.
[15].能够照顾植物的智能花盆[J].军事文摘,2018(04):13.
[16]秦冬.一种基于单片机的智能花盆设计[J].电子制作,2017(17):35-36+40.
[17]苑新宇,马淑香,艾志杰.全自动智能花盆的设计与实现[J].信息技术与信息化,2017(05):35-37.
[18]吴代坤,康勇,杨恒,王康,金元山.基于单片机技术的智能花盆设计[J].科技经济导刊,2019,27(02):90.
[19]周硕硕,郑瑾,吕延欣.基于模块化的花盆设计探究[J].现代园艺,2018(22):114-115.
[20]周佳男,杨鹏,邵温财,宋威岐,桑胜波,彭宏丽.家居型智能花盆[J].物联网技术,2018,8(06):9-10.
[21].能够照顾植物的智能花盆[J].军事文摘,2018(04):13.
[22]秦冬.一种基于单片机的智能花盆设计[J].电子制作,2017(17):35-36+40.
[23]苑新宇,马淑香,艾志杰.全自动智能花盆的设计与实现[J].信息技术与信息化,2017(05):35-37.
[24]张娜,吴文福,杜吉山,顾冰洁,邢左群.智能花盆的研究现状与发展前景[J].农业与技术,2016,36(01):174-176
