ماژول رطوبت خاک خازنی GebraBit

هدف ما از انجام این پروژه چیست؟

در این بخش قصد داریم سنسور Capacitive Soil Moisture را به وسیله میکروکنترلر آرم، سری STM32F راه اندازی کنیم. به منظور استفاده راحت تر و بهینه تر در این پروژه از دو ماژول آماده GB632EN و GebraBit STM32F303 استفاده میکنیم.

این دو ماژول شامل مینیمم قطعات لازم سنسور Capacitive Soil Moisture و میکروکنترلر STM32F میباشند که توسط تیم جبرابیت جهت آسان سازی کار فراهم شده اند.

در این آموزش چه چیزهایی یاد میگیریم؟

شما در این بخش ضمن راه اندازی و استفاده از سنسور Capacitive Soil Moisture، به طور خلاصه با نحوه تنظیم بخش های مختلف میکروکنترلر STM32 برای راه اندازی این سنسور با استفاده از ADC، چگونگی استفاده از فایل کتابخانه و درایور مختص ماژول GB632EN، نحوه فراخوانی توابع و در نهایت دریافت داده های سنسور در کامپایلر Keil نیز آشنا خواهید شد.

برای انجام این پروژه به چه چیزهایی نیاز داریم؟

همانطور که احتمالا میدانید برای انجام این پروژه به سخت افزارها و نرم افزارهایی نیاز داریم. عناوین این سخت افزارها و نرم افزارها در جدول زیر در اختیارتان قرار داده شده که میتوانید با کلیک روی هرکدام از آنها، آنها را تهیه/دانلود کنید و برای شروع آماده شوید.

سخت افزارهای مورد نیاز	نرم افزارهای مورد نیاز
GebraBit Capacitive Soil Moisture	Keil compiler
GebraBit STM32F303 module	STM32CubeMX program
ST-LINK/V2 programmer

ابتدا مانند تصویر زیر ماژول  GebraBit Capacitive Soil Moisture را به صورت زیر به ماژول GebraBit  STM32F303متصل می کنیم:

نکته : جامپر سلکتور VCC SEL را روی 3V3 قرار دهید در غیر این صورت امکان آسیب دیدن پین میکرو وجود خواهد داشت.
در نهایت مقادیر رطوبت خاک را به صورت Real Time در پنجره Watch1 کامپایلر Keil در حالت Debug Session مشاهده خواهیم کرد.
نکته : برای داشتن داده های دقیق تر نیاز به کالبیره کردن سنسور داریم که در ادامه نحوه کالیبراسیون توضیح داده می شود.

تنظیمات STM32CubeMX

در ادامه تنظیمات مربوط به هریک از بخش ADC, GPIO , RCC , Debug , Clock را در میکروکنترلر  STM32F303 برای راه اندازی ماژول GebraBit Capacitive Soil Moisture را مرور می کنیم.

تنظیمات RCC

با توجه به وجود کریستال 8Mhz در ماژول GebraBit STM32F303 کلاک خارجی را در بخش RCC انتخاب می کنیم:

تنظیمات Debug&Programming

با توجه به دسترسی به پین های SWCLK و SWDIO در ماژولGebraBit STM32F303 ،برای کاهش تعداد پین هنگام Debug&Programming در بلوک SYS گزینه Serial Wire را در بخش Debug  انتخاب می کنیم:

تنظیمات ADC

برای خواندن مقادیر آنالوگ و تبدیل آن به مقادیر دیجیتال از واحد ADC استفاده می کنیم. در بخش mode از پنجره ی کشویی IN1 گزینه ی IN1 Signle-ended را انتخاب می کنیم. از قسمت Configuration و در بخش Resolution گزینه ی ADC 12bit-resolution را انتخاب می کنیم. گزینه ی Continuous conversion mode را نیز Enable می کنیم و پین PA0 را به عنوان ADC1_IN1 انتخاب می کنیم.

تنظیمات GPIO

برای گرفتن دیتای دیجیتال ماژول Capacitive Soil Moisture پین PA10 را به عنوان GPIO_INPUT انتخاب می کنیم. ماژول Gebrabit STM32F303 دارای یک LED در پین PB6 و یک pushbutton در پین PA3 میباشد که به ترتیب این پین هارا به شکل GPIO_OUTPUT و GPIO_INPUT در می آوریم برای این که تنظیمات نرم افزاری کاربردی تر باشد و ایده های خود را به واقعیت تبدیل کنید.

تنظیمات Clock

تنظیمات کلاک مربوط به هریک از بخش های میکروکنترلر STM32F303 در این کد به شرح ذیل می باشد:

تنظیمات Project Manager

تنظیمات Project Manager به صورت زیر می باشد، ابتدا وارد بخش Code Generator می شویم و سپس وارد قسمت Generated files میشویم و تنظیمات خط کشیده شده را انجام می دهیم.

در این جا ما از ورژن “5.32”  کامپایلر “MDK-ARM” استفاده می کنیم:

بعد از اتمام تمام تنظیمات فوق، بر روی GENERATE CODE کلیک کرده و با اضافه کردن کتابخانه و درایور(تهیه شده توسط  GebraBit) Capacitive Soil Moisture، کد خود را به راحتی توسعه می دهیم.

کتابخانه و درایور Capacitive Soil Moisture

GebraBit علاوه بر طراحی ماژولار سنسورها و آی سی های مختلف ، پیشرو در ارائه انواع کتابخانه های ساختاریافته و مستقل از سخت افزار به زبان C، جهت سهولت کاربران در راه اندازی و توسعه نرم افزاری آنها نیز بوده است.

بدین منظور پس از تهیه هر یک از ماژول های  GebraBit  ، کاربر می تواند با مراجعه به بخش آموزش ماژول مربوطه، کتابخانه مختص به آن ماژول که حاوی فایل h. و c (Header and Source). و یک برنامه نمونه آموزشی تحت سخت افزار های GebraBit STM32F303, GebraBit ATMEGA32A یا Arduino می باشد را دانلود کند.

تمامی توابع و Structure های تعریف شده در کتابخانه ، با جزئیات کامل، کامنت گذاری شده و تمامی پارامتر های دریافتی در آرگومان توابع و مقادیر بازگشتی از آنها ، به اختصار توضیح داده شده است.با توجه به مستقل از سخت افزار بودن کتابخانه ها،کاربر به راحتی می تواند آن را در هر یک از کامپایلر های دلخواه اضافه کرده و با میکروکنترلر و برد توسعه مورد علاقه خود، آن را توسعه دهد.

فایل هدر GebraBit_Capacitive_Soil_Moisture.h

در این فایل بر اساس دیتاشیت سنسور یا ای سی، بدنه سنسور Capacitive Soil Moisture و کانفیگ های مربوط به هریک از بلوک های داخلی سنسور Capacitive Soil Moisture به صورت STRUCT با نام  GebraBit_SoilMoisture نیز تعریف شده است. که نهایتا در محیط Debug Session تمامی کانفیگ های مربوط به هر بلوک به صورت Real Time قابل مشاهده است.

SoilMoisture struct

تمام ویژگی های سنسور، ضرایب کالیبراسیون و داده های سنسور در این Struct تعریف شده است و تمامی اطلاعات و کانفیگ اجرا شده بر روی سنسور در این Structure ذخیره شده و می توان تغییرات در هر بخش از سنسور را در محیط Debug Session مشاهده نمود:

typedef struct SoilMoisture
{
            uint8_t                            SOIL_MOISTURE_PERCENTAGE;
            char *                             SOIL_MOISTURE_STATUS;
            uint32_t                           ADC_VALUE_IN_AIR;
            uint32_t                           ADC_VALUE_IN_WATER;
            uint32_t                           ADC_RAW_VALUE;
            float                              ADC_INPUT_VOLTAGE_VALUE;
            ADC_HandleTypeDef                  ADC_HANDELER;
}GebraBit_SoilMoisture;

اعلان توابع

در پایان این فایل تمامی توابع جهت خواندن و نوشتن، کانفیگ سنسور و دریافت داده از سنسور اعلان شده است:

void GB_SoilMoisture_Configuration(GebraBit_SoilMoisture * SoilMoisture);
void GB_SoilMoisture_Calibration(GebraBit_SoilMoisture * SoilMoisture, uint32_t AirADCValue, uint32_t WaterADCValue);
void GB_SoilMoisture_Read_ADC_Value(GebraBit_SoilMoisture * SoilMoisture);
void GB_SoilMoisture_Calculate_SoilMoisture_Percentage(GebraBit_SoilMoisture * SoilMoisture);
void GB_SoilMoisture_Get_Data(GebraBit_SoilMoisture * SoilMoisture);

فایل سورس GebraBit_Capacitive_Soil_Moisture.c

در این فایل که به زبان C نوشته شده، تمامی توابع با جزئیات کامل، کامنت گذاری شده و تمامی پارامتر های دریافتی در آرگومان توابع و مقادیر بازگشتی از آنها، بطور واضح توضیح داده شده است. از این رو در این قسمت به همین توضیحات اکتفا کرده و کاربران را برای اطلاعات بیشتر به بررسی مستقیم از این فایل دعوت می کنیم

برنامه نمونه در Keil

بعد از تولید پروژه Keil با استفاده از STM32CubeMX و اضافه کردن کتابخانه GebraBit_Capacitive_Soil_Moisture.c ارائه شده توسط GebraBit ، به بررسی قسمت اصلی برنامه آموزشی نمونه، فایل main.c و مشاهده خروجی ماژول GebraBit Capacitive Soil Moisture در قسمت watch در محیط Debugging برنامه Keil می پردازیم.

شرح فایل main.c

توابع مورد نیاز ماژول GebraBit Capacitive Soil Moisture، به ساختار اضافه شده است. در قسمت بعدی متغیری به نام SoilMoisture_Module از نوع ساختار GebraBit_SoilMoisture (این ساختار در هدر  GebraBit_Capacitive_Soil_Moisture.h  بوده و در بخش توضیحات کتابخانه  GebraBit_Capacitive_Soil_Moisture توضیح داده شد) که برای پیکربندی ماژول GebraBit Capacitive Soil Moisture می باشد، تعریف شده است:

/* USER CODE BEGIN PTD */
GebraBit_SoilMoisture SoilMoisture_Module;
/* USER CODE END PTD */

در بخش بعدی از کد ما از تابع  GB_SoilMoisture_Configuration (&SoilMoisture_Module) و GB_SoilMoisture_Calibration (&SoilMoisture_Module, ADC Value in air, ADC Value in water) استفاده می کنیم تا تنظیمات مورد نظرمان روی ماژول اعمال شوند و ماژول را کالیبره کنیم و در آخر در قسمت حلقه while، دیتا ADC و دیجیتال به صورت پیوسته از سنسور خوانده می شود:

/* USER CODE BEGIN 2 */
GB_SoilMoisture_Configuration(&SoilMoisture_Module);
GB_SoilMoisture_Calibration(&SoilMoisture_Module,2080,1040);
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
  /* USER CODE END WHILE */

  /* USER CODE BEGIN 3 */
  GB_SoilMoisture_Get_Data(&SoilMoisture_Module);
  HAL_Delay(500);
}
/* USER CODE END 3 */

توجه: برای کالیبره کردن ماژول و داشتن داده های دقیق تر، مقادیری را برای دو پارامتر تابع کالیبراسیون تنظیم می کنید، اولی AirADCValue (این مقدار در کد نمونه 2080 است) و دومی WaterADCValue (این مقدار در کد نمونه 1040 است.) .

برای یافتن این مقادیر به یک لیوان آب نیاز دارید، ابتدا برنامه را کامپایل کنید و سپس بخش Debug را باز کرده و اجرا کنید، SoilMoisture_Module را به Watch1 اضافه کنید و می توانید مقدار ADC را در ADC_RAW_VALUE ببینید، این دو مقدار ذکر شده در پایین را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

1. سطح ماژول کاملا خشک باشد.
2. هنگامی که ماژول در یک فنجان آب قرار می گیرد.

 اولی را در پارامتر AirADCValue تابع کالیبراسیون و دومی را در پارامتر WaterADCValue  قرار دهید.

توجه: ماژول ضد آب نمی باشد و از خیس شدن قطعات الکترونیکی جلوگیری کنید.

متن کد main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/*
 *
_________________________________________________________________________________
 _______________________
 * Copyright (c) 2020 GebraBit Inc. All rights reserved.
 *
 * This software, related documentation and any modifications thereto
(collectively �Software�) is subject
 * to GebraBit and its licensors' intellectual property rights under U.S. and
international copyright
 * and other intellectual property rights laws.
 *
 * GebraBit and its licensors retain all intellectual property and proprietary
rights in and to the Software
 * and any use, reproduction, disclosure or distribution of the Software without
an express license agreement
 * from GebraBit is strictly prohibited.

 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
IMPLIED, INCLUDING BUT
 * NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR
PURPOSE AND NON-INFRINGEMENT IN
 * NO EVENT SHALL GebraBit BE LIABLE FOR ANY DIRECT, SPECIAL, INDIRECT,
INCIDENTAL, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES,
 * OR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM LOSS OF USE, DATA OR PROFITS, WHETHER
IN AN ACTION OF CONTRACT,
 * NEGLIGENCE OR OTHER TORTIOUS ACTION, ARISING OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE
USE OR PERFORMANCE
 * OF THE SOFTWARE.
 *
_________________________________________________________________________________
 _______________________
 */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  * @Author         : Sepehr Azimi
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "GebraBit_Capacitive_Soil_Moisture.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
GebraBit_SoilMoisture SoilMoisture_Module;
/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  GB_SoilMoisture_Configuration(&SoilMoisture_Module);
  GB_SoilMoisture_Calibration(&SoilMoisture_Module,2080,1040);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    GB_SoilMoisture_Get_Data(&SoilMoisture_Module);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC12;
  PeriphClkInit.Adc12ClockSelection = RCC_ADC12PLLCLK_DIV1;
  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

خروجی برنامه

بعد از تولید پروژه Keil با استفاده از STM32CubeMX و اضافه کردن کتابخانه ، پروگرامر STLINK V2 را با استفاده از آداپتور تبدیل STLINKV2 به GebraBit STM32F303 متصل می کنیم:

تبدیل STLINKV2

با اتصال پروگرامر STLINK V2 به GebraBit STM32F303 دیگر نیازی به اعمال تغذیه به  ماژول های GebraBit STM32F303 و GebraBit Capacitive Soil Moisture نمی باشد، زیرا ولتاژ کاری خود را مستقیما از پروگرامر STLINK V2 دریافت میکنند.

در نهایت وارد حالت Debug شده و با اضافه کردن SoilMoisture_Module به پنجره watch و اجرای برنامه، تغییرات مقادیر رطوبت خاک را مشاهده می کنیم: