摘要目前，針對于農田灌溉、噴霧等自動化設備的研究已經進行了多年，并取得了不錯的成果。但是自動施肥機的研究還相對較少，所以我的畢業設計是一種基于STM32的自動施肥機的設計，探究其在農業生產中的應用。施肥機使用C語言寫主要代碼，采用WIFI的組網方式進行無線網絡通信，實現數據的傳輸，以多種傳感器進行測試數據，使用了KEIL5軟件環境，單片機使用C語言完成下位機設計，采用HTML和JAVASCARIPT語言MYSQL完成系統上位機設計。系統通過機械臂和兩個舵機進行三種肥料的挖取和施肥，從而實現我們的功能。其具有精準、高效、安全等優點。為農業生產中新型農機的開發提供了理論與實踐基礎，有望不斷提高農業自動化生產水平，降低勞動成本，提高農業生產效率。關鍵詞：STM32；微控制器；自動施肥機；智能農業

ABSTRACTAtpresent,theresearchonautomaticequipmentsuchasfarmlandirrigationandsprayhasbeencarriedoutformanyyears,andgoodresultshavebeenachieved.However,thereisrelativelylittleresearchonautomaticfertilizationmachines,somygraduationprojectisadesignofanautomaticfertilizationmachinebasedonSTM32,exploringitsapplicationinagriculturalproduction.ThefertilizerapplicatorusesClanguagetowritethemaincode,usesWIFInetworkingforwirelessnetworkcommunication,achievesdatatransmission,usesmultiplesensorsfortestingdata,usesKEIL5softwareenvironment,themicrocontrollerusesClanguagetocompletethelowercomputerdesign,andusesHTMLandJAVASCARIPTlanguageMYSQLtocompletethesystemuppercomputerdesign.Thesystemusesaroboticarmandtwoservomotorstoexcavateandfertilizethreetypesoffertilizers,therebyachievingourfunctions.Ithasadvantagessuchasprecision,efficiency,andsafety.Itprovidesatheoreticalandpracticalbasisforthedevelopmentofnewagriculturalmachineryinagriculturalproduction,andisexpectedtocontinuouslyimprovethelevelofagriculturalautomationproduction,reduceLaborburden,andimproveagriculturalproductionefficiency.Keywords：STM32;microcontroller;automaticfertilizationmachine;smartagriculture目錄第1章緒論 11.1研究背景 11.2研究現狀 11.2.1國內現狀 11.2.2國外現狀 21.3研究內容 2第2章自動施肥機的原理與設計 32.1施肥機的工作原理 32.2STM32的自動控制設計介紹 32.3STM32技術介紹 42.4施肥機的結構設計介紹 52.4.1傳感器介紹 52.4.2網絡通訊介紹 52.4.3肥料存儲介紹 52.4.4電機介紹 62.4.5顯示屏介紹 6第3章硬件設計 73.1系統總體設計圖 73.1.1系統總體設計 73.2傳感器的選擇與使用 93.2.1溫度傳感器 93.2.2濕度傳感器 113.2.3土壤電導率傳感器 123.3電機的選擇與使用 143.4led燈設計與實現 153.5數據傳輸設計與使用 16第4章軟件設計 184.1系統架構與程序設計 184.2用戶界面開發 194.3傳感器數據采集與處理 214.4控制算法設計 214.5Mysql數據設計 21第5章實驗與測試 245.1實驗環境與設備 245.2實驗流程與結果分析 255.3系統性能評估 25第6章總結與展望 276.1結論與啟示 276.2未來研究方向 28參考文獻 29致謝 30附錄 31第1章緒論1.1研究背景目前，隨著農業技術的不斷發展，自動化施肥技術也得到了快速發展。吳松等人設計的通過管路連接到灌溉系統的施肥機和周舟等人研制的移動式溫室精準施肥機，都實現了自動化施肥。然而，針對任意含水率的農家肥進行施肥的機械還未得到有效解決。因此，開發一種機、電、液一體化的自動施肥機，實現對任意含水率農家肥的均勻施肥，具有非常重要的現實意義。但我國面臨要以僅占有世界9%的可耕用土地、6%的淡水資源生產出占世界25%的農產品，養活的人口占有總人口數量的20%，水土資源約束形勢嚴峻[1]。現有問題是，目前我國還沒有一種能夠對任意含水率農家肥進行均勻施肥的機械。傳統的施肥方法需要人工進行，效率低下，且難以保證施肥的均勻性。因此，研發一種能夠對不同含水率的農家肥進行均勻施肥的自動施肥機，是當前急需解決的問題。針對這一問題，本文采用了基于STM32的自動施肥機研發方法。該方法通過機、電、液一體化的設計，實現了對任意含水率農家肥的均勻施肥，并且支持拋灑施肥和混合施肥兩種方式，具有較高的實用性和適應性。同時，該自動施肥機還實現了故障的自動檢測、報警和自修復控制，具有良好的安全性和穩定性。本文提供了一種基于STM32的農業灌溉泄漏監測系統的解決方案，系統通過低功耗的物聯網傳感設備獲取管道振動信息，并采用支持向量機算法對數據進行分析，從而及時獲取管道泄漏狀態，以及泄漏的位置[2]。本文的研究意義在于，研發了一種能夠對任意含水率農家肥進行均勻施肥的自動施肥機，填補了國內自動化施肥領域的空白。該自動施肥機不僅能夠廣泛應用于現代果園施肥，還可用于西洋參、玉米、花生、小麥等大片農作物的耕地施肥。下一步的研究重點是實現施肥的智能化和無人化，提高農作物施肥的效率和質量，為農業生產提供更加優質的技術支持。1.2研究現狀1.2.1國外現狀國外發達國家建立了較完整的信息網絡，精準變量施肥是當今農業生產作業的重要發展方向[2]。例如，以法國、日本、美國意大利等大型發達國家的農業中的生成技術已經比較成熟，他們已經基本實現自動化生產。20世紀中期，美國設計并實現了世界上的以一個只能灌溉和施肥系統，該杰作可以能將氮磷鉀三種不同的肥料注入施肥機機器內，將氮磷鉀三種肥料以最低損耗的方式準確輸送給作物根部，該施肥能根據農作物的需求以及作物種類提供不同的肥料，把肥料平均滴在作物根部附近。美國有一半以上的農作物在使用水肥一體化的方式進行農業生產，對于施肥方面的技術研究，美國其研發的水肥一體機已成為美國農業生產必不可缺的一部分。1.2.2國內現狀我國內對現在的施肥研究很晚。至建國初期，我們農業隨著對施肥技術的農業重視及應用推廣，通過我國的科學家的不斷努力和研究，將國內外的技術和我們國家的不斷研究，終于在最近有了質變的飛躍。在我們的2015年進行自主設計了第一臺自動施肥機器，該施肥機可以自動控制三種肥料的使用和拿取，使用土壤的各種溫度和濕度傳感器進行采集土壤信息，通過電腦進行控制和顯示信息，能夠達到自動的接水以及自動的施肥的目的，據測試可以減少60%的肥料并且會達到120%的農作物的結果，土壤不同形態氮素運移轉化是一個復雜的生化過程，其影響因素眾多。本文在模擬時雖然考慮了不同因素對其的影響，但只是采用定值來模擬這個過程[3]。1.3研究內容本文研究內容為基于STM32的自動施肥機。自動施肥機是一種根據植物的生長需要，自動給植物提供肥料的設備。其主要作用是提高農作物的產量，降低農藥使用量，減少浪費，實現環保與可持續發展。本文針對傳統手動澆水、施肥方式存在的低效、難以控制、耗時費力等問題，設計出一種基于STM32的自動化施肥機。本研究的目的是通過對自動施肥機的原理與設計進行深入研究，探索出一種能夠高效、自動化地為植物提供肥料的解決方案。本文主要從硬件設計、軟件設計、實驗與測試三個方面，展開對自動施肥機的研究。硬件設計方面，本文采用了STM32單片機作為控制核心，并選用電磁閥、水泵等電子元件進行施肥機的搭建。軟件設計方面，本文通過STM32的單片機進行控制各種電機、溫度等濕度施肥裝置，設計了自動運行、手動運行、和遠程監控等多種運行模式。實驗與測試方面，本文采用了多種植物進行測試，對施肥機的性能、效果、安全性等進行了嚴密的測試與評估。本研究的創新點在于，本文創新地使用了STM32單片機作為控制核心，設計出具有多種運行模式的自動施肥機，通過實驗與測試證明其性能、效果和安全性優越，為自動化施肥機的發展提供了新思路。第2章自動施肥機的總體技術介紹2.1施肥機的工作原理施肥機是一種實用的農業機械，通常用于糧食、蔬菜、果樹、茶葉等農作物的施肥。施肥機的基本工作原理是將肥料從肥料倉庫中輸送到施肥器中，再通過旋轉的選擇器控制肥料的釋放量和范圍，從而實現對作物施肥的目的。在施肥機的工作原理中，首先肥料需要從肥料倉庫中取出。這個過程通常由輸送管、輸送帶或螺旋輸送器等輸送裝置實現，其目的是將肥料從倉庫中運送到施肥器中。接下來，選擇器就開始工作了。選擇器是施肥機中非常重要的部件，通過旋轉實現對肥料的精準控制。一般來說，選擇器可以分為前、中、后三部分，每個部分都有不同大小的角度，通過S90舵機的組合，機械臂選擇器可以控制肥料流量的大小和方向。通過對機械臂選擇器的旋轉旋轉角度進行調節，可以控制施肥機精準地將肥料投放到農作物根部，保證了三種肥料的有效利用。三種肥料放在不同的方向上，氮肥放在水平九十度的位置，磷肥放在水平正前方位置，鉀肥放在斜方向四十五度的位置，在氮肥使用的時候，兩個舵機交替旋轉，主舵機旋轉一百八十度，然后副舵機進行旋轉九十度，挖取氮肥，然后副舵機旋轉刀原來的位置，主舵機進行釋放，同理在鉀肥使用的時候，繼續轉動機械臂，主舵機旋轉一百八十度到鉀肥的位置，然后副舵機旋轉四十五度進行挖取，然后副舵機繼續進行旋轉四十五度進行原來的位置，主舵機進行施肥鉀肥，完成鉀肥的挖取和操作，最后的磷肥也是如此，先是由主舵機進行旋轉一百八十度進行，然后副舵機進行挖取磷肥，接著副舵機進行旋轉到原來的位置進行，主舵機進行釋放磷肥，三種肥料進行不停止接替的進行挖取和釋放肥料，完成自動的施肥，這三種的施肥過程交替進行，完成了一個整個流程的自動施肥。在光照不足的條件下，傳感器會自動進行補光的操作，讓led燈進行不同補光處理，只要光值低于一百二十的時候，led燈會自動打開，進行補光的操作，讓農作物進行自動的補光操作。保證其生長。最后，施肥機上的控制系統對施肥機進行自動控制，并可以根據作物的需求和肥料的種類進行智能化的調節和控制。通過使用STM32等微控制器，可以實現高度精準的施肥控制，提高了施肥的效率和作物的產量。總之，基于以上原理，自動施肥機實現了高效、精準、智能化的施肥操作，是農業生產中不可或缺的重要機械。2.2STM32的自動控制設計介紹基于STM32的自動施肥機的控制是實現自動施肥機器總體的核心。本設計采用了STM32微控制器作為核心控制，并采用傳感器等外設進行輔助控制。在具體實現中，STM32的定時器功能被充分利用，實現了對機械臂的角度調動，實現對三種肥料的控制。首先，在STM32設計中，機械臂的轉速是通過設置定時器的計數周期以及占空比來實現的。通過將輸出脈沖波形的高電平時間以及周期時間編程到定時器中，可以實現機械臂的精準調速。同時，由于控制系統采用PID控制算法，因此可以對系統進行閉環控制，保證輸出的脈沖波形穩定，從而實現氮磷鉀三種肥料的精準控制。其次，針對機械臂挖取肥力的轉動控制，本設計采用了簡單的計時控制方法。在程序中，使用了定時器來控制肥料的機械臂轉動，以實現對挖取時間的精確控制。同時，程序還采用了多任務處理技術，以便能夠及時響應用戶的操作，并根據實時監測數據進行自動調節。最后，本設計還可以通過外設傳感器獲取環境信息，并根據這些信息進行控制策略的判斷。例如，通過溫度、濕度、光照等環境信息，可以制定適合該環境下的施肥方案，從而提高肥料利用效率，并降低環境對植物的傷害。因此，基于STM32的自動控制設計，可以實現對轉動機械臂調速、下部機械臂挖取控制、實時環境信息的監測等功能，從而實現對自動施肥機的智能控制。2.3STM32技術介紹系統采用STM32單片機作為主控進行程序編程，STM32F103C8T8是一款由意大利公司的死人半導體公司（推出的基于Cortex-M3內核的32位微控制器，硬件采用LQFP48封裝，屬于ST公司微控制器中的STM32系列STM32F103C8T8的GPIO有8種模式，其中包含上拉、下拉輸入模式，所以外接按鈕時可不設計上下拉電阻。我們通過基于STM32單片機的工作原理：按鍵KEY0一端接到3.3V的VCC，一端接到單片機的引腳上。發光二極管LED0一端也同樣經50KΩ電阻接到3.3V的VCC，另一端則接到我們的引腳上，本文通過讓PC13引腳進行輸出低電平讓二極管發光的話。STM32最大工作電壓3.6V，使用了LDO低壓差線性穩壓器將輸入電壓VIN降到3.3v給微控制器供電。3.7V和GND之間的4個0.1uf的旁路電容去除高頻交流信號接到了芯片的4個VDD和4個VSS上，通過這四個交流信號去控制機械臂的旋轉，彼此不同連接，控制三種肥料的挖取和施肥，并打開和關閉led燈的使用增強供電能力，保證供電的可靠性。2.4施肥機的結構設計介紹2.4.1傳感器介紹施肥機的傳感器結構設計是自動施肥機設計過程中不可忽視的一環。該部分主要包括施肥機的主要結構部件設計和布局設計。自動施肥機的溫度傳感器介紹：對于我們畢業設計的溫度傳感器是使用DS18B20數字溫度傳感器，該傳感器精準測量溫度，同時具有數字輸出功能，方便我們進行數據采集和處理。自動施肥機器的肥力傳感器介紹：使用一款精度高、輸出穩定的電容式土壤濕度傳感器，并根據傳感器的特性對電路進行了合理設計和優化。自動施肥機的光敏傳感器介紹：為了保證農作物的正常光照生長，使用光敏電阻進行測試光照強度，當低于120光值時，會自動打開led燈進行補光，保證農作物的不間歇進行光照。從而實現我們技術要求。2.4.2網絡通訊介紹自動施肥機的網絡通訊我進行使用ESP8266WIFI模塊進行網絡信息傳輸，我們網絡模塊采用串口與上位機通信，內置TCP/IP協議棧從而去實現串口與外部SPIFlash進行通信，我們使用AP模式通過手機熱點進行聯網，即可以通過WIFI傳輸自己的數據，使用施肥機時，上位機進行網頁控制，通過WIFI傳輸消息到控制器從而繼續傳輸到下位機控制機械臂。讓機械臂進行三種肥料的挖取和施肥操作，實現上位機對下位機的控制。2.4.3肥料儲存介紹從施肥機的主要結構部件設計方面來看，其主要包括肥料貯存倉、施肥裝置、傳動機構和控制系統。肥料貯存倉是施肥機的關鍵組成部分之一，其主要作用是存儲施肥所需的肥料。在肥料貯存倉的設計中，需要考慮如下因素：首先，應根據實際需要確定容積大小，以保證足夠存儲施肥所需的肥料；其次，應在結構設計中注意肥料的通風與密封，以避免肥料變質；并且還需要考慮施肥機的使用壽命和易于維護等方面的因素。最后保證氮磷鉀三種化肥的數量夠我們進行使用。施肥裝置是另一個關鍵的結構部件，其主要作用是將貯存在肥料貯存倉中的肥料輸送到作物生長區域。該部分需要考慮的因素包括：首先，應根據不同作物生長的需求，確定施肥的方式和量；其次，應選擇高效、耐用的施肥裝置，并注意施肥過程中肥料的均勻性和穩定性；還需要考慮施肥機使用過程中的維護保養問題。2.4.4電機介紹在自動施肥機的設計中，電機驅動模塊扮演著至關重要的角色。因此，我們需要在選擇電機驅動器時非常小心。針對本項目，我們的自動施肥設計使用了比較穩定的SG90舵機。SG90舵機是的功能在于他可以保證在任意位置或者任意角度進行使用的的施肥機器，適用于本文兩個舵機的配合進行挖取三種肥料和釋放三種肥料并可以保持的控制系統。在本文的畢業設計中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。需要注意的是，在使用SG90舵機時，應該確保此模塊與STM32單片機的GPIO引腳進行連接，以實現對電機的控制。最后，需要對電路進行合適的檢查和調試，以確保電機驅動模塊可以正常工作。綜上所述，在布局設計中，需要考慮安裝空間、機械連接、電氣連接和外部雜音等方面的約束因素，以確保施肥機的穩定性和易用性。此外，由于施肥機工作時需要與農作物密切接觸，因此施肥機的布局設計還需要考慮對農作物的不造成損傷或不良影響，以確保施肥效果和產量。2.4.5顯示屏介紹本文施肥機的可以系統使用oled顯示屏，OLED的優點比較明顯，它是讓發光二極管其作用可以讀取我們測試的數據。我們使用的OLED因為它可以比較穩定顯示出我們的數據和測試結果，并且還不需要自動施肥機器的尋找外界的光源、采用的是SPI協議，速度會比采用I2C協議的更快，但這兩者的顯示驅動都一樣，本質上沒有太大差別。屏幕整體分辨率為128*64，有黃藍、白、藍三種顏色可選，驅動芯片為SSD1306，GDDRAM是位映射靜態RAM，大小為128x64位。每頁內1個SEG對應1Byte數據，一頁由128Byte組成。一幀顯示數據為1024Byte（1KB）。即屏幕每8行像素點（8*PIXEL）記為一頁（PAGE），64行即為8頁，則屏幕變為128列（ROW）8頁（PAGE），若要顯示整個屏幕，則需要128*8個1字節數。第3章硬件設計3.1系統總統設計圖本文畢業設計采用上位機是電腦網頁，通過網頁設計上位機控制頁面，通過WIFI傳輸信號傳遞給單片機，單片機通過加工處理信號，把電信號轉換為模擬信號進行調制傳遞給傳感器和機械臂模塊，讓傳感器進行測試數據，讓機械模塊進行執行操作，總體如圖3.1所示： 圖3.1STM32單片機總體設計流程圖3.1.1總體設計在本章節中，我們將詳細介紹電路設計與實現，這是基于STM32自動施肥機的重要部分。首先，我們需要對整個電路進行設計，以確保它滿足工作要求。在電路設計中，我們需要選擇合適的元器件和電路結構。在選擇元器件時，我們考慮到功耗、精度以及成本等因素。這需要我們仔細評估各種元器件的優缺點，總體集成電路如圖3.13所示。總體的設備成品如圖3.14所示，完成施肥機的設計。另外，我們還要考慮電路結構的合理性。在實際應用中，電路可能會受到各種干擾，如噪聲、電磁干擾等，這些都會對電路的正常工作產生影響。因此，我們需要采取一些措施來加強電路的抗干擾能力，如增加濾波電容、降噪電路等。采取這些措施可以有效地提高電路的穩定性和可靠性。在電路設計完成后，我們需要進行實現。實現的過程中，我們需要進行電路布線和焊接，確保電路的連通性和正確性。在布線和焊接時，我們需要遵循一定的規范和操作流程，以免出現短路、斷路等問題，這些問題可能導致機械臂無法正常工作，所以我們小心的解決了此問題。在電路設計與實現完成后，我們需要對整個系統進行調試和測試，以確保它能夠滿足工作要求。在調試和測試過程中，我們需要按照一定的順序和步驟進行，以便及時發現和解決問題。只有經過認真的調試和測試，才能保證整個自動施肥機的正常工作。。綜上所述，電路設計與實現是基于STM32自動施肥機的重要組成部分。我們需要對整個電路進行設計、布線和焊接，并進行系統的調試和測試，才能保證其穩定性和可靠性。 圖3.14STM32單片機電路成品圖圖3.15STM32施肥機總體硬件成品圖3.2傳感器的選擇與使用3.2.1溫度傳感器在自動施肥機中，溫度傳感器扮演著至關重要的角色，它們用于測量土壤的溫度參數，以便能夠針對性地施肥。溫度傳感器的流程圖如圖3.2所示，實際溫度傳感器如圖3.3所示。 圖3.3溫度傳感器圖3.2溫度傳感器流程圖對于溫度傳感器的選擇，需要考慮到其測量精度、穩定性、耐用性等多個因素。我們選擇了一款比較適合我們進行使用的DS18B20數字溫度傳感器，因為該我們的傳感器精準的測量溫度便于我們進行測試數據，并且可以同時顯示數字的功能，因為這些的東西就方便我們進行施肥機器的數據采集和處理。根據實驗要求：精度在0.5℃范圍內，則不必四舍五入，取出整數部分直接處理，只需考查數據的小數第一位，來決定小數點顯示位置顯示0或者5，便可保證精度；并且在個位位置附加上小數點；最后補充符號位，負溫度時顯示負號。讀取RAM內的溫度數據三個步驟：1.上位機發出復位操作并接收DS18B20傳感器的應答脈沖。2.上位機發出跳過并且對ROM操作的命令進行下一步操作(CCH)。3.上位機發出讀取RAM的命令(BEH)，隨后主機依次讀取DS18B20傳感器發出的從第0到第8，共九個字節的數據。基本代碼：voidtmp_wendu(){ u8bu[20]; u16tem=0; delay_ms(10); tem=Ds18b20GetTempa();//傳遞溫度的大小 if((tem>0)&&(tem<1000)) { soil_tp=tem; } //jytemp=tt; clear(bu,20); str_str_int(bu,"T:",soil_tp/10); str_str_int(bu,".",soil_tp%10);//計算土壤溫度的大小 str_str(bu,""); OLED_ShowString(0,0,bu,16,1);}3.2.2濕度傳感器我們的施肥機是濕度傳感器在我們的畢業施肥機器中是使用電容式的土壤濕度傳感器，其電容式傳感器流程圖如圖3.3所示，其成品的所使用的溫度傳感器實物如圖3.4所示。圖3.4濕度傳感器流程圖圖3.5濕度傳感器在土壤的濕度檢測中，我們根據傳感器輸出數據采取了相應的措施，如加水、加肥、開啟燈光等，以保證自動施肥機的正常運行。這款電容式土壤濕度傳感器區別于市面上絕大部分的電阻式傳感器，采用電容感應原理來檢測土壤濕度。避免了電阻式傳感器極易被腐蝕的問題，極大地延長了它的工作壽命。傳感器內置穩壓芯片，支持3.3~5.5V寬電壓工作環境，這意味著即使在3.3V的Arduino主控板上，它也能正常工作。標志性的DFRobot-Gravity接口保證了接口的兼容性，可以直接與GavityIO擴展板相連接。在連接上位機的數據時需要外接一個ADC（模擬信號轉數字信號）轉換模塊就可以工作，步驟如下：1.在正式檢測土壤濕度前，需要有一個校準過程。2.上傳校準代碼至Arduino主控板3.打開串口監視，進行處理數據反饋給上位機。基本代碼：voidsoil_data(){ staticu16nub=0;//初始化土壤數據 u8mm[20]; nub=get_ad(0); nub=(nub*3300/4096)>>2; if(nub>610)//判斷是否達到預期效果 { soil_dt=0; } else { soil_dt=610-nub; } clear(mm,20); str_str_int(mm,"s_dt:",soil_dt); str_str(mm,""); OLED_ShowString(0,32,mm,16,1);//傳遞給led顯示屏幕}3.2.3土壤電導率傳感器施肥機的肥力傳感器我們使用土壤肥力傳感器測試三種肥料在土壤中的含量多少，從而達到我們的要求，其中的流程圖如圖3.6所示，其中的實際物體圖如圖3.7所示，土壤水分部分是基于頻域反射原理，利用高頻電子技術制造的高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。通過測量土壤的介電常數，能直接穩定地反映各種土壤的真實氮磷鉀的肥料含量，可測量土壤肥力的體積百分比，是目前國際上的土壤肥力測量方法。從而完成我們對三種肥料的測試。 圖3.6電導率傳感器流程圖圖3.7電導率傳感器實際圖土壤電導率部分是用不銹鋼探針通過傳感器轉換成土壤電導率的模擬或數字信號，在研制過程中吸取了國外同類儀器的先進技術，并結合我國的實際情況和使用要求，將電導率值轉換成與之對應的模擬或數字信號。將這種電導率傳感器埋入土壤后，直接測定土壤溶液中的可溶鹽離子的電導率。土壤氮磷鉀部分通過檢測土壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤的肥沃程度，進而方便了客戶系統的評估土壤情況。基本代碼：voidsoil_ddl(){ staticu16nub=0; u8mm[20]; nub=get_ad(1); nub=(nub*3300/4096)>>2; soil_dm=824-nub;//計算傳輸土壤數據 if() clear(mm,20); str_str_int(mm,"s_dl:",soil_dm); //土壤電導率的大小 str_str(mm,""); OLED_ShowString(0,48,mm,16,1);}3.3電機的選擇與使用在自動施肥機的設計中，電機驅動模塊扮演著至關重要的角色。因此，我們需要在選擇電機驅動器時非常小心。針對本項目，我們選擇使用SG90舵機。其中流程圖如圖3.8所示，成品舵機圖如圖3.9所示。SG90舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。在機器人機電控制系統中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統非常容易與之接口。與其他驅動電機相比，SG90具有許多優點。首先，它支持低壓電源，可以最大程度地保證電機的轉速。其次，它能夠檢測電機反向電流，保證該模塊的安全性和可靠性。此外，還可以進行電流限制，以防止電機超載損壞。圖3.8電動舵機流程圖圖3.9電動舵機實際圖1.本文使用舵機的控制信號為周期是40ms的脈寬調制信號，舵機的范圍是脈沖寬度從0.5ms-2.5ms。2.主舵機和副舵機都是相對應舵盤都是轉動范圍是0—180度，呈線性變化給它提供一定的脈寬，主舵機先進行旋轉到180度，然后它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，等待副舵機的繼續執行，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。3.我們的舵機內部有一個基準電路，產生周期40ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較,判斷出挖取的肥料種類，從而實現施肥機的挖取。基本代碼：voidshifei(u32nub){ pwm_outb(0); //上抬 pwm_outa(0); //轉動到背后 delay_ms(200); pwm_outa(100*nub); //轉動到取肥料點 delay_ms(500); pwm_outb(1500); //挖起 delay_ms(500); pwm_outa(2000); //轉動到外部 pwm_outb(2000); //釋放 delay_ms(500); pwm_outa(0); //轉動到背后 pwm_outb(0); //上抬}3.4led燈設計與實現在干燥的環境中，光照強度的控制也是十分重要的，因此我們還使用了光敏電阻，用于測量光強并反饋給系統。流程圖如圖3.10所示，具體實物圖如圖3.11所示，在實際應用中，我們根據傳感器輸出數據采取了相應的措施，如加水、加肥、開啟燈光等，以保證自動施肥機的正常運行。 圖3.10led燈流程圖圖3.11led燈實物圖操作步驟：1.設置GPIO端口時鐘；2.初始化GPIO目標引腳為輸入模式（浮空輸入）；3.編寫簡單測試程序，檢測按鍵的狀態，實現按鍵控制LED燈；4.通過分別把控制LED燈的GPIO端口，GPIO引腳號以及GPIO端口時鐘封裝起來了。在實際控制的時候我們就可以直接使用這些宏，以達到應用代碼與led燈硬件開關的效果。基本代碼：voidlight(){ floattemp; u8mmm[40]; floati_nub=0; Multiple_read_BH1750();//讀出光照的值 i_nub=(g_BUF[0]); i_nub=(i_nub*256)+g_BUF[1]; temp=(float)i_nub/1.2; soil_light=temp; //if(soil_light) clear(mmm,40); str_str_int(mmm,"lux:",temp);//調用溫度傳感器 str_str(mmm,""); OLED_ShowString(0,16,mmm,16,1);}3.5數據傳輸設計與使用數據傳輸我們使用ESP8266WIFI模塊進行傳輸數據，上位機通過WIFI發送指令，通過網絡進行對施肥機的遠程控制，低功耗串口WIFI模塊ESP8266內置一個Tensilica（泰思立達）Xtensa架構的32位處理器L106，具有5級流水線(ARMCortexM3是3級流水線)，最大時鐘速度為160MHz，可以使用高達16MB的外部SPIFlash。該模塊采用串口與MCU（或其他串口設備）通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WIFI之間的轉換。通過該模塊，傳統的串口設備只需要簡單的串口配置，即可通過WIFI傳輸自己的數據。流程圖如圖3.12所示，實際物體如圖3.13所示。完成上位機對下位機的操作和處理，進而去實現我們的施肥設計。圖3.12網絡傳輸流程圖圖3.13網絡傳輸模塊實際基本代碼：voidsocket_sys(){ staticu32socket_time=0; if(socket_time<Sys_Run_Time) { socket_time=Sys_Run_Time+1000; if(socket_error>8) { socket_error=0; init_inter(api);//初始化網絡傳遞模塊 } else { MY_socket(); } //MY_socket(); }} 第4章軟件設計4.1系統架構與程序設計在本項目中，為實現基于STM32的自動施肥機的功能設計，需要進行系統架構與程序設計。施肥機總體的結構設計首先需要明確每個命令傳遞給上位機，然后根據命令進行去設計所有的模塊，最終形成系統整體框架。在本項目中，系統應該包含傳感器數據采集、數據處理以及反饋控制等多個模塊，各個模塊之間相互協作完成自動化施肥的功能。其中總體軟件框架如圖4.1所示，實現在設計系統架構時需要考慮各個模塊之間的通信方式、數據傳輸方式以及接口設計等問題。圖4.1STM32軟件設計流程圖為實現系統的功能設計，本項目使用了KEIL5軟件進行程序設計如圖4.1所示，使用C語言作為主要編程語言實現系統的各項功能。程序設計的基本框架為事件驅動模型，程序中各個模塊獨立運行，通過消息隊列進行通信與協作，實現多任務調度。在系統架構與程序設計的基礎上，本項目依次完成了傳感器數據采集與處理、控制算法設計以及用戶界面開發等工作，實現了基于STM32的自動施肥機的功能設計。在傳感器數據采集與處理方面，本項目采用了數字溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器，通過自定義協議進行數據采集，再進行數據處理和存儲。在控制算法設計方面，本項目使用了控制理論中的PID算法，并通過實驗驗證算法的正確性和可行性。最后，在用戶界面開發方面，本項目實現了用戶交互界面，完成界面如圖4.2所示其中界面是通過以上系統架構與程序設計的細致分析，本項目實現了基于STM32的自動施肥機的功能設計，為植物栽培提供了更為方便的自動化施肥方式。4.2用戶界面開發在本次基于STM32的自動施肥機中，用戶界面是自動施肥機的重要組成部分，其設計負責將系統的各種信息展現給用戶，并實現用戶對系統的操作和控制。因此，本次研究中的用戶界面開發，需至少實現以下功能：系統參數設置、手動操作和自動施肥等。首先，系統參數設置是用戶界面中的一個重要功能。通過該功能，用戶可以方便地對系統的參數進行調整，以實現更好的施肥效果。該功能需要包含以下參數的設置：氮磷鉀三種化肥的種類，光強的預值、即低于此光強之后即可自動打開led燈進行補光，保證植物的正常生長、土壤當前溫度的顯示、當年土壤肥力的顯示、氮肥磷肥鉀肥三種肥力的施肥按鈕等等。這些參數均需要通過用戶界面進行操作。其次，手動操作功能是用戶界面中的另一個重要功能。在設備使用過程中難免會遇到一些突發情況，例如施肥計量泵出現故障等，此時用戶可以通過手動操作功能直接操作設備，以確保設備正常工作。該功能需要包含手動控制施肥計量和光照傳感器的狀態等。當然，在系統正常工作時，自動施肥功能是系統最主要的功能之一。因此，本系統必須包含自動施肥功能，并具備智能化的控制策略。在自動施肥功能中，系統需要根據肥力傳感器的讀數，對電導率進行實時監測，并根據監測結果，我們控制施肥機械臂的工作轉動角度和肥料的獲取，以實現恰當的施肥。同時，在控制方面，需要運用現代控制算法，為系統提供更好的控制能力。在用戶的體驗上進一步進行的完善，形成操作簡單的網頁就行控制，點擊進行三種不同的肥料進行施肥即可，直接會顯示出溫度和濕度的讀數，形成一個比較完美的上位機控制臺進行輸入命令。綜合而言，本次基于STM32的自動施肥機用戶界面設計將是一個比較復雜的任務，需要具備廣泛的技術知識和能力。不過，通過科學的設計方案和優秀的工程師團隊，本次研究將能夠實現完美的用戶界面開發如圖4.2所示。 圖4.2STM32軟件頁面成品圖核心代碼：voidsoil_data(){ staticu16nub=0; u8mm[20]; nub=get_ad(0); nub=(nub*3300/4096)>>2;//判斷光照的大小 if(nub>610) { soil_dt=0; } else { soil_dt=610-nub;//肥力的闕值 } clear(mm,20); str_str_int(mm,"s_dt:",soil_dt); str_str(mm,""); OLED_ShowString(0,32,mm,16,1);}4.3傳感器數據采集與處理在基于STM32的自動施肥機中，傳感器數據采集與處理是實現自動施肥的關鍵。本節將詳細介紹該部分的設計和實現。在系統架構中，傳感器模塊負責采集環境參數，包括土壤濕度、溫度、光照強度等，通過AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號后，存儲于STM32芯片內的SRAM中。為了節省內存，采樣的數據進行壓縮編碼，只保存有效數據，提高了存儲效率。在傳感器數據處理方面，基于已有的土壤濕度、溫度、光照強度等傳感器數據，需要對其進行有效的分析和處理，以便為后期的施肥提供數據基礎。傳感器數據處理主要包括數據清洗、過濾、平滑、異常檢測等步驟。在數據處理過程中，設計亦考慮到了多傳感器數據融合的問題，為此提出了一種基于Kalman濾波和加權平均的數據融合算法。因為改算法可以進行多次的求和，獲取大量的數據進一步減小系統的誤差，保證我們數據的可靠性，Kalman濾波可以很好地處理傳感器存儲的數據，加權平均則能夠消除數據誤差帶來的影響。傳感器數據處理過程中，需要通過調用ADC數模轉換模塊，將數據從模擬信號轉換為數字信號，并通過處理模塊進行數據降噪和均值計算等處理，最后將處理后的數據傳輸到控制算法模塊進行處理。總之，設計采用了一些數據處理技術，在采樣和存儲中進行優化，在數據處理中通過多傳感器數據融合算法，提高了數據的準確性和實時性，為系統的自動施肥提供了有力的支撐。4.4控制算法設計在基于STM32的自動施肥機的軟件設計中，控制算法設計是非常重要的一環。該部分主要涉及自動施肥機的自動化控制、運行方式的選擇以及自動施肥機的控制參數的設置等方面。首先，為了實現自動化控制，需要采用適當的實時控制算法。自動施肥機的工作完全依賴于控制算法，因此選擇合適的控制算法對于自動化控制是非常重要的。在施肥機的使用，PID算法的控制器被廣泛使用，這種算法是通過對比例、積分、微分的三種數據的縮寫。顧名思義，PID控制算法是結合比例、積分和微分三種環節于一體的控制算法，它是連續施肥中系統技術最為成熟、應用最為廣泛的一種控制算法，該控制算法出現于19世紀20到80年代，適用于土壤數據的測試和計算。實際運行的經驗和理論的分析都表明，運用這種控制規律對許多工業過程進行控制時，都能得到比較滿意的效果。PID控制的實質就是根據輸入的偏差值。從而去減小誤差，打到我們的目的。其次，在運行方式的選擇方面，需要根據自動施肥機的實際情況，選擇合適的運行模式。常用的運行模式包括恒壓模式、恒流模式以及混合模式等。在實際應用中，可以根據施肥機的特性、環境要求以及種植物的特性，選擇合適的運行模式。最后，在控制參數設置方面，需要依據實際情況進行逐步調整。設置控制參數包括比例系數、積分時間和微分時間等。可以通過實驗和理論計算來得到合適的控制參數。總之，基于STM32的自動施肥機的控制算法設計是一個至關重要的環節。只有正確使用實時控制算法，選擇合適的運行模式，并逐步調整控制參數，才能保證自動施肥機的正常運行和高效施肥，從而完成我們的設計，達到我們想到去達到的預期結果和我們需要獲得的實驗測試數據。4.5MySQL數據庫設計我們對于施肥機的數據存儲使用MySQL數據庫進行保留測試數據，對三種肥料的讀取和釋放，講讀取的溫度和濕度，電導率，氮肥，磷肥，鉀肥進行存儲到數據庫中，傳送到上位機進行讀取和保存。其中設計成品如圖4.3所示。圖4.3STM32軟件頁面成品圖配置過程：1.配置文件配置數據庫：MYSQL_HOST=""2.MYSQL_DBNAME="article_spider"3.在settings中的配置，我們通過在pipeline中定義from_settings獲取settings對象，可以直接獲取settings配置文件中的值。4.使用Twisted提供的異步容器連接MySQL：importMySQLdb代碼如下：classMysqlTwistedPipline(object):def__init__(self,dbpool):self.dbpool=dbpool@classmethoddeffrom_settings(cls,settings):dbparms=dicthost=settings["MYSQL_HOST"],//解析傳感器的數據db=settings["MYSQL_DBNAME"],user=settings["MYSQL_USER"],passwd=settings["MYSQL_PASSWORD"];//保存數據charset='utf8';cursorclass=MySQLdb.cursors.DictCursor;use_unicode=True;第5章實驗與測試5.1實驗環境與設備為了驗證本文提出的基于STM32的自動施肥機系統是否可行和有效，我們設計了一系列實驗，并使用了一些設備和軟件來完成這些實驗。在實驗前，我們首先準備了實驗環境。實驗室內保持相對恒溫恒濕的條件，室內溫度保持在20~35攝氏度范圍內，相對濕度保持在50左右。這些條件是為了盡可能地保證實驗底層硬件的正常工作和穩定性。在硬件方面，我使用了一組基于STM32F10C8T8微控制器的主控板（MCU）和開發板，這些設備可以幫助我們控制整個系統的各個部分，實現自動施肥。同時，我們還使用了溫度傳感器、濕度傳感器、肥力傳感器和光照傳感器等外圍設備，用來測量環境溫濕度、水泵啟停控制和液壓傳感器反饋。在氮肥充足的條件下我們進行控制變量法對磷肥和鉀肥進行不同的輸入，測試三種肥料對農作物的影響因素，在鉀肥和磷肥的充足的條件下反過來測試氮肥的影響因素，三種肥料都充足的條件下，我們進行不同的光照條件對于農作物的影響，測試自動補光系統的功能是否充足。進而繼續去測試濕度和溫度的條件影響，測試在不同的溫度和濕度條件下的不同影響農作物的生長因素。在軟件方面，我使用了KEILuVision5編譯器編程，編寫嵌入式C語言程序，用于控制主控板的各種功能。此外，我們還使用了Proteus8仿真軟件來驗證系統的各項功能。在進行了10個小時的連續測試以后，測試出的大多數數據以及達到了我們的要求，誤差很小，數據的誤差基本在5%以內，從而能說明我們的實驗測試是正確的，達到我們的預期。總體而言，我的實驗環境和設備非常完備和穩定，為下一步的實驗奠定了堅實的基礎。5.2實驗流程與結果分析本文所設計的基于STM32的自動施肥機在實驗中進行了詳細的測試，本節將介紹所設計的實驗流程及結果分析。首先，將模擬信號通過傳感器獲取對應的數字信號后送入單片機中，控制單片機識別信號并判斷其是否已經達到閾值。當傳感器所檢測的光照強度低于預設值，單片機將啟動led燈進行補光；當光照強度達到預設值時，單片機控制led燈自動關閉燈泡，避免過度浪費電力，從而達到自動化施肥的目的。接著，在測試過程中，反復對系統的各項指標進行了實驗分析，如施肥種類、土壤濕度大小、土壤肥力的檢測以及光照強度等，以進一步驗證STM32自動施肥機的有效性和穩定性。在測試中，我們注重檢測每個關鍵節點的環境變化，并及時記錄數據以進行比對和統計，最終實驗結果表明該自動施肥機具有良好的穩定性和實用性。據實驗數據統計，該自動施肥機在溫度為20~30℃，濕度為40%~60%，陽光充足的環境下，能夠對植物進行自動施肥、切換施肥種類，在整個海拔高度范圍內均能達到良好的施肥效果，并可自由根據使用者的需求來控制澆水、施肥的時間和量。總的來說，該基于STM32的自動施肥機系統設計簡單、操作靈活、效果穩定，而且可靠性和實用性較高，能夠在實際農田環境中得到較好的應用，是一項有實際意義的科技成果。5.3系統性能評估在實驗與測試的過程中，一個重要的方面就是對系統性能的評估。本章節主要介紹基于STM32的自動施肥機的系統性能評估，對系統的功能及穩定性進行測試，并對測試結果進行分析。結果如表5.1所示。

表5.1施肥機的測試數據組別理論值測試1測試2測試3平均值氮肥4.9磷肥4.8鉀肥5.0光照率90%80%78%92%83%濕度溫度50%25℃45%26℃53%24℃51%25℃49%25℃第一，我們對自動施肥機的控制性能進行了測試。實驗的說明，系統良好地滿足了我我們需要的控制要求，能夠正常地實現一系列的操作。在施肥過程中，系統能夠根據預先設定的參數、控制施肥液的流速，并在達到設定的施肥時間后自動停止。同時，系統具有多項保護措施，當出現異常狀況時，能夠自動停機，確保施肥機的安全使用。然后，我們對施肥機系統的傳感器性能的檢測。實驗檢測結果表明，施肥機的傳感器的性能游戲，能夠準確地感知土壤濕度、光照強度等參數。在使用中，如果發現傳感器出現故障或者異常，系統會自動發出警報，以提示使用者及時排查問題。最后，我們對系統的穩定性進行了測試。測試結果表明，在連續工作10小時的情況下，系統的運行穩定性良好，且未發生任何故障或異常。通過長時間的穩定性測試，我們可以得到基于STM32的自動施肥機具有良好的穩定性和可靠性，能夠保證持續穩定地工作。綜上所述，基于STM32的自動施肥機充分考慮了用戶的需求，兼備了高效性、穩定性、安全性等諸多特點，具備了較高的實用價值和推廣價值。第6章總結與展望6.1結論與啟示本文主要研究了基于STM32的自動施肥機的設計與實現，通過對其硬件和軟件進行詳細的分析和介紹，驗證了該系統具有可行性和可靠性，并且能夠滿足現代農業生產的需要。在實際的測試中，該系統能夠自主控制施肥量和施肥時間，實現了對作物生長全過程的監控和管理。同時，該系統具有高靈敏度、高穩定性、高精確度等特點，具有很大的推廣價值。在進行三種肥料進行測試時，可以控制不同的肥料達到我們應該達到的效果，在氮肥充足的條件下，我們控制磷肥和鉀肥的數量，進行控制農作物的生長方式，發現可以控制農作物的生長速度，三種肥料充足的條件下我們進行控制溫度和進行測試，發現溫度和我們預料的基本相同，在25-35度的時候農作物生長的速度最快，并且在夜間可以通過我們的自動光照模塊進行自動的補光，低于120補光值的時候，我們的led等會自動打開進行讓農作物進行補充光源操作，提高的農作物的生長速度。已經可以實現我們所需要的三大功能：自動補光功能，自動施肥功能，檢測溫度和濕度功能，并且通過WIFI發送給上位機進行控制。結合本文的研究內容，我們可以得出以下結論和啟示：一是基于STM32的