智能农业监控系统毕业设计

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1、河南科技大学本科毕业设计（论文）智能农业监测系统设计摘 要在科技高速发展的今天，传统的农业生产方式已经渐渐跟不上快速发展的经济需求。因此人们利用先进现代化科技创造了温室大棚、作物杂交、无土栽培、太空育种等众多现代化农业种植技术。但这些先进的农业生产方式大多数都是投入成本高，操作技术复杂，对操作人员的素质要求很高，从而难以使普通的农民用户运用上这些先进农业生产技术。本课题意在设计一款适合普通农民大众使用智能农业监测系统，本智能农业监测系统主要应用于温室大棚农业生产。本系统主要基于嵌入式系统设计，采用ARM920T架构的S3C2440A芯片作为主控芯片，用DHT11(温湿度监测)、MH-410D5

2、(二氧化碳传感器)、MQ-2(烟雾监测传感器)、TSL2561(光照强度传感器)等传感器作为系统的环境监测模块，用RS485串口作为系统远程通信接口，用P35触摸屏作为系统人机交互窗口。本系统的最终实现效果为能够对温室内温湿度、光照强度、CO浓度实时监测，且能将监测数据在P35屏上以直观的形式显示出来，当其中的某项指标达到预设值时系统能立马做出信息反馈，调动其他设备及时对温室环境做出调控。最后系统还能够进行远程控制和检测温室内烟雾与可燃性气体的浓度，做到遇火灾报警功能。整个系统具有简单易用、成本低廉、智能化程度高、可靠性高等特点，非常适合普通农民大众使用。关键词： 温室大棚、智能监测、嵌入式、

3、传感器DESIGN OF INTELLIGENT AGRICULTURAL MONITORING SYSTEMABSTRACTIn todays rapid development of science and technology, the traditional mode of agricultural production has gradually failed to keep pace with rapid economic development needs.So people use advanced science and technology created the gree

4、nhouses, soilless cultivation technology, space breeding, and many other modern agricultural cultivation techniques.But most of these advanced agricultural mode of production is high cost, complex operation technology, high quality requirements for operator, user is difficult to make ordinary farmer

5、s use these advanced agricultural production technology.This topic aims to design a suitable for the use of intelligent monitor and control system for agricultural ordinary farmers, the intelligent monitoring system is mainly used in agricultural greenhouses in agricultural production.It is mainly b

6、ased on the embedded system design, with samsung S3C2440 chip as a system of master control chip, using DHT11 (temperature and humidity monitoring), MH 410D5 (carbon dioxide sensor), MQ - 2 (smoke monitoring sensor), TSL2561 (such as light intensity sensor) sensor as a system of environmental monito

7、ring module, the remote communication interface using RS485 serial port as a system, use P35 touch screen as human-computer interaction system window.Finally realizes the effect of this system is able to greenhouse humidity, temperature, light intensity and CO concentration in real-time monitoring,

8、and can monitor data on P35 screen will display in the form of intuitive, when one of these index reaches preset system can make information feedback immediately, transfer the other equipment in a timely manner to control the greenhouse environment.The system will also be able to remotely control an

9、d detect smoke and the concentration of combustible gas in greenhouse, do meet fire alarm function.The whole system is simple and easy to use, low cost, high intelligent degree, high reliability characteristics, very suitable for the use of ordinary farmers.KEY WORDS：Greenhouses, Intelligent Monitor

10、ing, Embedded, Sensors3目录前言1第1章 绪论21.1 智能农业监测系统的概念21.2 智能农业监测系统的主要内容21.3 智能农业监测系统的主要特点21.4 智能农业监测系统的研究意义31.5 农业监测系统的发展历程与未来发展趋势3第2章 智能农业监测系统的总体设计方案42.1 智能农业监测系统设计概述42.1.1 功能要求42.1.2 技术指标42.2 智能农业监测系统的硬件设计方案42.3 智能农业监测系统的软件设计方案6第3章 智能农业监测系统硬件设计与实现73.1 微处理器的选择73.1.1 S3C2440A简介73.1.2 S3C2440A的内部组成结构73.

11、1.3 S3C2440A的主要功能介绍83.1.4 S3C2440A的PWM定时器93.1.5 S3C2440A的中断系统103.2 传感器的选择113.2.1 传感器的对比与选择113.2.2 传感器简介133.2.3 传感器引脚说明及数据传输173.3 触屏显示器P35213.3.1 P35屏引脚说明223.3.2 P35屏的控制与配置233.4 MCU外围电路设计233.4.1 电源电路设计243.4.2 485通信接口设计243.4.3 报警与复位电路设计253.4.4 执行控制电路设计26第4章 智能农业监测系统软件设计274.1 程序设计的基本框架274.2 软件流程分析284.3

12、 各模块程序设计284.3.1 数据采集模块程序设计284.3.2 显示模块程序设计314.3.3 执行模块及报警模块程序设计32第5章 系统调试345.1 软硬件调试345.1.1 硬件调试345.1.2 软件调试345.1.3 软硬件关联调试345.2 功能测试34结论36参考文献37致谢39附录40前言自从改革开放以来我国经济发展发生了巨大变化，但农业一直在国民经济中占有重要地位，可是随着社会的高速发展，传统的农业生产方式已经渐渐满足不了现代经济发展的需求。并且我国虽有广阔的疆域，但大部分地区并不适合农业生产。所以为了使农业发展跟上现代经济发展的步伐，必须得通过运用现代科技来渐渐改善传统

13、的农业生产方式。众所周知环境无疑是影响农业生产的最大因素，但在自然状态下人们很难干预环境对农业生产的影响，因此温室大棚应运而生。温室大棚是最能代表现代农业生产的科技产物之一。但温室大棚之所以能够有效的控制农作物生长环境，就是依赖于它对内部环境的实时监测，可是先进监测技术投入成本高，操作技术复杂，对操作人员的素质要求很高，使得这种先进的温室种植技术难以在普通农民用户中得到推广。大多数普通农民用户还是依靠人工操作对温室环境进行监测。这种方法不但耗时耗力，并且效率很低，很难达到实时监测的要求。从而无法在最恰当的时刻及时做出对环境的调控，例如湿度低了需要浇水，温度低了需要保暖，光照不足需要加强光照度，

14、二氧化碳浓度过高需要通风等。这些对农作物生长最重要的环境因素只有在实时有效的监测下，并且及时做出反馈调控才能更利于作物生长提高产量，从而使温室大棚的经济效益显著提高。本设计就是一套以嵌入式系统为基础，做到对温室内温湿度、光照强度、CO浓度实时监测，并在各项指标达到预设值时立马做出信息反馈，调动其他设备及时对温室环境做出调控的智能农业监测系统。就技术层面而言本系统主要包括环境监测模块、数码显示模块、报警模块、数据传输电路以及执行调节电路。环境检测块用到的传感器主要有：DHT11(温湿度监测)、MH-410D5(二氧化碳传感器)、MQ-2(烟雾监测传感器)、TSL2561(光照强度传感器)，数据传

15、输电路为预留RS485接口，数码显示模块为P35屏，主控为三星公司的S3C2440A芯片。本课题意在打造一款智能化程度高、可靠性强、稳定性好、操作简单、成本低廉适合普通农民大众使用的温室大棚智能农业监测系统。第1章 绪论1.1 智能农业监测系统的概念智能农业监测系统是温室大棚内一套对内部作物生长环境能够实时监测，并且实时控制的系统。它是现代化温室大棚农业技术的核心，正是由于温室大棚拥有强大的监测系统，它才能创造出最适宜作物生长的环境，提高作物产量，使农业经济效益得到显著提高。1.2 智能农业监测系统的主要内容本智能农业监测系统是以ARM9系列的S3C2440A为控制核心，具有优越的嵌入式特性和

16、强大的数据分析能力，与传统51芯片相比ARM芯片在性能上有了巨大的飞跃，配合上DHT11、MH-410D5、TSL2561等传感器的使用，本系统做到了对温室内各项重要环境数据的实时监测。该监测系统不但可以监测作物生长环境指标，还可以通过对传感器采集过来的数据进行分析，在恰当的时刻做出合理的反馈控制，进而达到对温室大棚内环境的调节功能。再配备MQ-2(烟雾监测传感器)和报警电路使它还担负起了大棚内火灾预警功能增加了温室大棚的安全系数。整个温室大棚内的环境指标都会以数据的形式在P35屏上直观的显示出来，用户还可以通过屏幕上的虚拟按键对温室大棚内环境进行控制调节，例如浇水、升温、通风、增强光照等操作

17、。系统还预留有RS485接口，实现了整个系统的远程控制。1.3 智能农业监测系统的主要特点和传统农业监测相比，智能农业监测系统具有以下几个主要特点：（1） 灵敏度高，本监测系统采用当代行业内流行的传感器，传感器技术成熟制作精良，温室环境发生轻微变化，系统都能检测到；（2） 能够进行连续实时监测，本监测系统上电后不再需要人工控制，内置主控芯片可以实时连续读取监测数据，并在极短时间间隔内处理数据做出相应；（3） 测量精度高，本监测系统各项监测数据采用采集多组数据然后取平均值进行分析，大大提高了测量精度；（4） 具有自动控制能力，系统可以根据不同时期的不同预设值与温室内采集到的值进行对比，进而做出相

18、应的控制调节；（5） 系统稳定性高；（6） 能够实现复杂的控制功能；（7） 具有远程控制功能，本监测系统预留有RS485通信接口，可以与计算机相连，从而实现让你足不出户就能实现对温室大棚的远程控制。1.4 智能农业监测系统的研究意义近年我国在温室环境监测领域上做了很多研究，并且在温室栽培等技术上获得了显著成果。但由于我国在该领域的研究起步时间太晚，缺乏配套的技术与设备，使得我国在环境监测领域能力低，现代化农业生产能力有限。可以具备全年生产能力的大型现代化温室大棚很少。如果依靠国外进口的温室设备，投资又非常巨大，并且温室操作复杂，对工作人员的素质要求也很高，因此我国在温室环境监测领域还有很多地方

19、需要提高。本智能农业监测系统正好迎合了我国现在的广大普通农民用户的需求，它成本低、操作简单、智能化程度高的特点使它具有良好的应用前景和广阔的市场前景。适合在普通农民用户中进行推广，为我国普通农民大众带来良好的经济效益。1.5 农业监测系统的发展历程与未来发展趋势从20世纪70年代开始，人们利用模拟式组合仪表，采集现场信息，并且进行指示、记录和控制。到了80年代末，出现了分布式环境监测系统。现在最前沿的温室监测系统为以计算机数据采集控制系统为基础的多因子综合控制系统1。21世纪是一个网络时代，很多技术都在向网络的方向发展，农业监测系统也不例外，在实现自动化的基础上实现温室大棚的网络自动化管理，无

20、线互联网控制，在强大的“云服务”控制下创造出完全自动化、无人化的农业生产基地是智能农业监测系统未来发展的趋势之一。第2章 智能农业监测系统的总体设计方案2.1 智能农业监测系统设计概述2.1.1 功能要求（1） 系统能够实现对温室大棚内的温室度、光照强度、CO浓度、烟雾浓度达到实时监测。（2） 当温室内某项环境指标达到预设值时系统要发出相应的反馈控制信息。（3） 温室大棚内被监测的环境数据要以直观易懂的形式在LCD屏上显示出来，用户还要能够通过屏幕上的虚拟按键实现对温室内相关设备的控制。（4） 本系统硬件设计有RS485接口，能够实现对系统的远程监测。2.1.2 技术指标额定电压：5V额定电流

21、：1.5A环境温度：050检测参数及范围见表2-1表2-1系统环境检测参数所选传感器检测参数检测范围检测精度DHT11温度0502湿度2090RH5RHTSL2561光照070000勒克斯(Lx)50LxMH-410D5CO010000ppm50ppmMQ-2可燃性气体、烟雾0100LEL5LEL2.2 智能农业监测系统的硬件设计方案智能农业监测系统有一个微处理器做为主控，在该微处理器的外围进行设备扩展如添加Nandflash作为系统的ROM、SDRAM作为系统的RAM、传感器作为环境检测模块、P35屏作为显示器、蜂鸣器作为报警装置、485接口作为通信接口。图2-1表述了智能农业监测系统的硬件

22、结构原理图。图2-1 智能农业监测系统结构图1. 微处理器微处理器又称MCU，它是由一片或少数几片大规模集成电路组成，具有电路执行控制能力与算数逻辑运算功能，在微型计算机中担当“大脑”一职。本智能农业监测系统的硬件设备就相当于一部微型计算机，其中“大脑”一职由三星公司生产的S3C2440A承担。2. 传感器传感器是一种检测装置，它能够接收到被测量的信息，并且能够将接收到的信息，按照一定的规律转变为电信号或其他形式信息传输出去，进而实现信息的传送、处理、储存、显示、控制等需求。通常由感应元件和转换元件组成2。本智能农业监测系统用到的传感器有DHT11、MH-410D5、TSL2561、MQ-2，

23、作为本监测系统的监测模块，它们分别负责监测温室大棚中的温湿度、CO浓度、光照强度、烟雾与可燃性气体浓度等农作物生长所必须的环境因素和大棚内的火灾预警。3. 数据显示数据显示是为了更好的实现人机交互，方便用户的用户操作，使用户更直观的了解到温室大棚内各项环境指标的实时变化。本智能农业监测系统所选的显示模块为P35触摸屏，它不但负责数据显示的任务同时还承担着“按键”的责任，屏幕上会呈现四个“虚拟按键”分别负责对温度、湿度、CO浓度、光照强度的调节。4. 扩展接口为了增强系统的拓展功能应合嵌入式可裁剪、方便移植的特性，本智能农业操作系统中预留了一个RS485串口接口，该接口可以将系统检测的数据发送到

24、数千米外，将接口接入电脑便可实现对系统的远程监测3。5. 火灾预防处于安全生产考虑本系统增加了火灾预警模块，该模块包含烟雾与可燃性气体检测和报警功能，MQ-2可以检测烟雾浓度与易燃性气体浓度，当二者浓度超过警戒值时蜂鸣器就会被拉响。2.3 智能农业监测系统的软件设计方案智能农业监测系统的硬件电路确定以后，软件负责整个系统的主要功能实现。由软件来实现硬件电路的运行，其中包括数据采集、数码显示、环境调节、超阈值报警等。本系统的软件设计需要有一个细致全面的过程。首先要清楚的列出智能农业监测系统中各系统部件与软件设计的相关特点，并进行定义和说明，作为软件设计的依据。在此基础上画出软件设计的基本框架图、

25、主程序流程图。再将程序流程图中列举的一系列操作用C语言编写出来，然后通过Keil uvision4编译调试，调试完成后通过J-Flash ARM V4.36g下载到系统的NandFlash内，至此软件设计基本完成。6河南科技大学本科毕业设计（论文）第3章 智能农业监测系统硬件设计与实现3.1 微处理器的选择本智能农业监测系统选择的微处理器为三星公司生产的S3C2440A。3.1.1 S3C2440A简介S3C2440A 由三星公司生产，以 ARM920T为核心，采用0.13m 的 CMOS 存储器单元和标准宏单元。具有功耗低，精简，全静态特点，它是专门针对成本和功率敏感型的应用而设计的。S3C

26、2440A 的突出特点是其处理器核心，是一个由 Advanced RISC Machines（ARM）公司设计的 16/32 位ARM920T 的 RISC 处理器。实现了MMU与AMBA总线以及哈佛结构的高速缓冲体系，具备独特16Kb的高速指令缓存和数据缓存，使得它的性能非常出众4。3.1.2 S3C2440A的内部组成结构S3C2440A的内核组成结构如图3-1所示：图3-1 S3C2440A内核结构框图3.1.3 S3C2440A的主要功能介绍S3C2440A的主要片上功能有： 1.2V 内核供电, 1.8V/2.5V/3.3V 储存器供电, 3.3V 外部 I/O口供电，具备 16KB

27、 的高速数据缓存和 16KB 的高速指令缓存和 MMU的微处理器 外部存储控制器（SDRAM 控制和片选逻辑控制） LCD 控制器（最大支持 4K 色 STN 和 256K 色 TFT）提供 1 通道 LCD 专用 DMA 4个DMA 通道并有外部请求引脚 3 个UART通道（IrDA1.0, 64 字节发送 FIFO 和 64 字节接收 FIFO） 2 个SPI通道 1 个IC 总线接口（支持多主机） 1 个IS 总线音频编码器接口 AC97 编解码器接口 支持 SD 主接口协议 1.0 版和 MMC 卡协议 2.11 兼容版 2 个 USB 主机通道/1个 USB 设备通道（1.1 版）

28、4 个 PWM 定时器通道和 1 个内部定时器/看门狗定时器通道 8 个 10 位 ADC 通道和触摸屏接口 具有日历功能的 RTC 摄像头接口（最大支持 40964096 像素输入；20482048 像素输入支持缩放） 130 个通用 I/O 口和 24 通道外部中断源 具有普通，慢速，空闲和掉电模式三种模式 具有 PLL 片上时钟发生器3.1.4 S3C2440A的PWM定时器S3C2440A有5个16位定时器。其中定时器0、1、2、3具有脉宽调制（PWM）功能。定时器4为内部定时器没有输出引脚。定时器0包含一个死区发生器，用于大电流驱动5。定时器0和1使用同一个8位预分频器，定时器2、3

29、、4共用另外一个8位预分频器。每个定时器都包含一个时钟分频器，可以生成5种不同的分频信号（1/2、1/4、1/8、1/16和TCLK）。每个定时器模块都是从相应预分频器中的时钟分频器来得到自己的时钟信号。8位预分频器是可编程的，并且按照存储在TCFG0和TCFG1寄存器中的加载值来分频PCLK。定时器递减初始值储存在定时计数缓冲寄存器（TCNTBn）中，定时器在递减计时开始前还需要一个与定时器递减初始值做比较的比较初始值，该值储存在定时比较缓冲寄存器（TCMPBn）中，该值的主要用于脉宽的调制（PWM）。TCNTBn和TCMPBn双缓冲寄存器有效的确保了改变频率和占空比时，定时器仍然能够产生稳

30、定的输出。每个定时器都有自己独立的16位递减计数器用于定时。当递减计数器的值减到0时，就会产生一个定时器中断请求信号，告知CPU定时任务已完成。当一个定时任务完成后，相应的定时计数缓冲寄存器（TCNTBn）中的初始值会被自动加载到递减计数器中，继续进行下一个定时操作。如果定时器被关闭，例如，定时器在运行过程中TCONn的定时使能位突然被清除，则定时计数缓冲寄存器（TCNTBn）中的值将不会被再次加载到递减计数器中。定时器不占用系统时间，从这点可以看出定时器是一个具有高效效率的组件。3.1.5 S3C2440A的中断系统S3C2440A的中断系统主要用于对温室大棚环境的实时监测过程中，对温室环境

31、的调节。中断的基本含义为CPU在运行过程中，突然遇到另一件事情需要立马处理，此时CUP会暂停当前执行的事件，跳转执行另一个事件的过程。S3C2440A芯片中包含60个中断源，其中包括36个内部中断源和24个外部中断源（EINTn）。内部中断包括2个看门狗中断、5个定时器中断、9个UART中断、4个DMA中断、2个RTC中断、2个ADC中断、1个IC中断、2个SPI中断、1个LCD中断、1个电池故障中断、1个NANDFLASH中断、1个摄像头中断、1个AC97中断。在这60个中断源中，UARTn中断、AC97中断、外部中断对中断控制器是“或”的关系。当中断请求引脚收到中断请求信号时，中断控制器在

32、仲裁步骤后再请求内核的 FIQ或 IRQ。仲裁步骤由硬件优先级逻辑决定，并且将结果写入到发生中断的中断源的挂起寄存器中。中断处理过程如图3-2所示：图3-2 中断处理框图中断优先级判断如图3-3所示：图3-3 中断优先级判断框图3.2 传感器的选择3.2.1 传感器的对比与选择1. 温湿度传感器在本系统开发之初，对温湿度传感器的选择有两种方案，一种是使用DS18B20和CHR-01湿敏电阻两种传感器组合，对于该组合来说，其中的DS18B20作为一线连接数字温度传感器拥有十分突出的优点。工作电压为35.5V/DC，其温度测量范围十分广阔为：-55+125，温度转换延时仅为750ms，测量结果以9

33、12位数字量方式串行传送，精确度最高可调至0.0625。并且可以将分辨率设定参数和温度阈值存储到EEPROM中，即使掉电也不会丢失。对于湿度采集，该组合中的CHR-01湿敏电阻，最高工作温度120，工作电压AC1V(502KHz)，特征阻抗与范围为30(2145)K，测量范围：20%90%RH，精度5%RH，响应时间12s，湿度漂移(/年) 2%RH，具有检测精度高、性能稳定可靠、响应速度快、防水等特点。另一种方案是直接采用DHT11数字温湿度传感器。该传感器自身已经校准，并且将温度与湿度传感器复合为一体，工作电压为3.35.5V/DC，温度量程为：055，湿度量程为：20%90%RH，精度分

34、别为：2和5%RH。分辨率：湿度1%RH、温度1，湿度漂移：1%/RH/年。转换延时小于5s，一般通电后仅需等待1s左右，并且它采用单总线输出使用方便，可直接与高性能单片机相连。虽然方案一具有测量精度高和测量范围广的优势，但考虑到组合的形式，会增加系统复杂度进而降低了系统的稳定性，并且方案一的湿度传感器还需要单独添加一个AD转换模块，从而进一步增加了系统的复杂度和成本。所以处于简单稳定、成本低廉同时又满足需求的考虑，本系统温湿度传感器选择DHT11。2. 光照传感器基于经济实用、简单稳定的考虑，本智能农业监测系统的光照传感器为TSL2561。它具有高速度、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点，

35、并且它集光照强度采集与积分式A/D转换器于一体，可将光敏电流直接转化为一个数字输出，采用IC总线协议与MCU进行数据传输，使用简单方便。3. 二氧化碳传感器目前检测CO浓度的传感器主要有固体电解式（如TGS4160）、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等。而这类传感器存在对气体选择性差、易出现检测错误、稳定性差需要频繁校准、使用寿命较短等缺点。而红外吸收型CO传感器具有宽范围、灵敏度高、响应速度快、选择性能好、稳定性强等特点，所以本智能农业监测系统采用红外吸收型CO传感器MH-410D5。 4. 烟雾传感器为了给本智能农业监测系统增加火灾预警功能，本系统选择MQ-2气体传感器作为烟雾检测

36、模块，它独特的气敏特性使它处在可燃性气体环境中时，电导率可以随着空气中可燃性气体浓度的增加而增大。所以使用简单的电路即可使它的电导率的变化转化为与空气中可燃性气体浓度相对应的输出信号。MQ-2可检测多种可燃性气体，是一款应用广泛的低成本气体传感器。3.2.2 传感器简介1. DHT11DHT11为一款免校准数字温湿度复合传感器，其基本参数如表3-1。表3-1 DHT11技术参数供电电压3.35V DC输出类型单总线串行输出温度测量范围050湿度测量范围2090%RH温度测量精度2湿度测量精度5%RH分辨率湿度1%RH，温度1湿度漂移1%RH/年实物如图3-4所示：图3-4 DHT11模块DHT

37、11内部不含有电阻式感湿元件和NTC测温元件。可以直接与MCU相连，并且直接输出数字量免除了AD转换的烦恼。其传输距离在20M以上，并且它体积小、功耗低、性能稳定可靠、封装简单、连接使用方便、成本低廉等特点，使其在应用上广受欢迎。2. TSL2561TSL2561是TAOS公司推出的一款高速度、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光照强度数字传感器。其基本参数如表3-2所示：表3-2 TSL2561技术参数供电电压2.73.5V DC输出类型IC测量范围170000Lx工作温度-3070实物如图3-5和图3-6所示：图3-5 TSL2561 图3-6 TSL2561模块由于它突出的优点，该传感器被

38、广泛应用于多变光照条件下的光强检测，如街道灯光照明控制、安全照明等众多场合。3. MH-410D5MH-410D5是一款通用型、智能型、微型红外气体传感器，它利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO进行检测，具有良好的选择性、无氧气依赖性、性能能稳定、使用寿命长等特点。其基本参数如表3-3所示：表3-3 MH-410D5技术参数工作电压3.55.5V DC工作电流7585mA测量范围05%vol（0100%vol范围可选）输出信号范围0.42V dc输出方式UART串行输出分辨率1%FSD预热时间90s响应时间T9030s重复性零点100ppmSPAN500ppm长期漂移零点300pp

39、m/月SPAN500ppm/月温度范围-2050湿度范围095%RH寿命5年注：1%vol = 10000ppm实物如图3-7图3-7 MH-410D5MH-410D5内置温度传感器，可进行温度补偿；该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工技术、精良电路设计技术紧密结合，制作出的小型红外二氧化碳气体传感器。该传感器使用方便，被广泛应用于各个场所的CO检测。4. MQ-2MQ-2气体传感器是使用气敏材料二氧化锡（SnO）制成，二氧化锡在洁净的空气中电导率较低，但其所处环境中存在如：液化气、丙烷、氢气、可燃蒸汽、天然气等可燃性气体时，它的电导率会随着这些可燃性气体在空气中的浓度的增加而

40、增大。由于它的这种特性使MQ-2成为一款可以检测多种可燃性气体，并且适合多种应用的低成本传感器。其基本参数如表3-4。表3-4 MQ-2技术参数Vc回路电压15V (AC or DC)Vh加热电压5.0V0.2V (AC or DC)Rl负载电阻可调Rh加热电阻313(室温)Ph加热功率900mW使用温度-1050储藏温度-2070相对湿度小于95%RH氧气浓度21%(标准)探测浓度范围100ppm10000ppm(丙烷)300ppm5000ppm(丁烷)5000ppm20000ppm(甲烷)300ppm5000ppm(氢气)100ppm2000ppm(酒精)输出方式模拟量输出及TTL电平输出

41、TTL输出低电平有效模拟量输出05V(浓度越高电压越高)实物如图3-8所示：图3-8 MQ-2模块3.2.3 传感器引脚说明及数据传输1. DHT11DHT11主要有四个引脚，各个功能如下：Pin1：VCC供电3.35V DC；Pin2：串行数据单总线；Pin3：N/A为空脚，悬空；Pin4：GND接地。其实物如图3-8所示：图3-9 DHT11引脚定义DHT11与MCU连接如图3-9所示：图3-10 DHT11连接图 DHT11采用单线双向串行接口，它的DATA引脚用于与微处理器之间的数据传输和同步，单总线数据格式一次通讯时间一般为4ms左右，数据分为小数部分和整数部分。操作流程如下：一次完

42、整的数据传输为5字节数据，高位先输出。数据格式：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和。数据传输正确时校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。当MCU发送一个开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集，采集数据后转化到低速模式。2. TSL2561TSL

43、2561的封装形式为6LEAD TMB，其引脚分布如图3-11所示：图3-11 TSL2561封装图 各引脚功能如下：引脚1：电源引脚，工作电压范围2.73.5V。引脚2：器件访问地址选择引脚。根据该引脚电平高低不同，该器件有3个不同的访问地址可供选择。访问地址与电平的对应关系如表3-5所示：表3-5 器件访问地址与引脚2电平对应关系ADDR SEL电平IC从器件访问地址GND0101001Float0111001VDD1001001引脚3：信号地。引脚4：IC总线的时钟信号线。引脚5：中断信号输出引脚。当光照强度超过用户设置的阈值时，器件会从该引脚输出一个中断信号。引脚6：IC总线的数据线。

44、TSL2561是一款数字传感器，输出信号复合标准IC总线通信协议。该总线支持以字节方式发送和接受。TSL2561的4号引脚接S3C2440A的GPE14，6号引脚接GPE15。其与主控连接方式如图3-12所示：图3-12 TSL2561连接图数据发送流程：主机发送开始信号（SCL为高，SDA由高拉低）+ 8位数据（前7位为地址，最后1位为W/R（写/读）+ 接受从机应答信号 + 发送8位数据（全为数据）+ 接受从机应答信号 + + 停止信号。本系统中S3C2440A做主机，TSL2561为从机。且为主机接受，从机发送模式。其流程如下：1. 主机发送其实信号；2. 主机发送8位数据（7位地址，最

45、后1位写“0”执行R）；3. 从机发送应答信号；4. 从机向主机发送8位数据；5. 主机产生应答信号；6. 主机发送停止信号。3. MH-410D5MH-410D5有5个引脚，其引脚分布如图3-13所示：图3-13 MH-410D5引脚分布引脚1：信号地。引脚2：模拟电压输出引脚Vout。引脚3：电源引脚，工作电压3.55.5V DC。引脚4：串口发送引脚TXD。引脚5：串口接受引脚RXD。MH-410D5的4、5引脚为UART管脚可直接与仪表电路通讯，本系统选择S3C2440A的UART0的GPH3和GPH2分别与4、5引脚相连，它与主控的连接方式如图3-14所示：图3-14 MH-410D

46、5与主控连接4. MQ-2MQ-2模块共有4个引脚，其引脚分布如图3-15所示：图3-15 MQ-2模块引脚分布引脚1：接5V电源正极。引脚2：为TTL到底电平输出。引脚3：模拟电压输出。引脚4：接地端。本系统所选主控S3C2440A自带10位CMOS ADC（模/数转换器）是一个8通道模拟输入的再循环类型设备。可将输入信号转化为10位二进制数字编码，最大转换率为500KSPS。MQ-2与主控连接如图3-16所示：图3-16 MQ-2模块连接3.3 触屏显示器P35本智能农业监测系统选择的显示模块为P35触摸屏，它自身配备了触摸转换芯片ADS7843和STC12LE4052处理芯片，使它能够集

47、LCD屏触摸屏于一身，并且采用一线触控方式控制，操作简单，使用方便。3.3.1 P35屏引脚说明P35触摸屏的LCD屏接口引脚分布如图3-17所示：图3-17 P35LCD屏引脚分布屏幕的管脚：VSYNC：34（LCD屏的管脚）垂直同步信号，（帧同步信号）这个管脚检测到一个脉冲时，屏幕上刷一次屏；VSPW：同步信号的脉宽；VBPD：垂直同步信号的后肩；VFPD：垂直同步信号的前肩；（作用：让屏幕做准备工作）；LINEVAL：代表的是行的个数；HSYNC：35水平同步信号，（行同步脉冲信号）这个管脚检测到一个脉冲时，屏幕上刷一行；HSPW：水平同步信号脉宽；HPBD：水平同步信号的后肩；HFPD

48、：水平同步信号的前肩；（作用：让屏幕做准备工作）；HOZVAL：代表列的个数；VCLK：36；VD230：24个管脚（数据管脚）；VDEN：33（数据使能管脚）；LEND：行结束信号；LCD_PWREN：30（电源引脚）。3.3.2 P35屏的控制与配置P35屏的控制主要是寄存器的配置：5个控制寄存器+3个地址寄存器LCDCON1：关LCD选择16bpp的tft模式选择TFT屏设置vclkLCDCON2：VBPD、LINEVAL、VFPD、VSPWLCDCON3：HBPD、HOZVAL、HFPDLCDCON4：HSPWLCDCON5：HWSWP半字要转换BSWP不用转换ENLEND要有行停止P

49、WREN使能PWREN信号所有的都要极性翻转；配置成上升沿选择565格式BPP24BL 没有到不用管3.4 MCU外围电路设计3.4.1 电源电路设计本智能农业监测系统采用5V DC电源供电，但市电为220V AC所以需要转换电路转换，其转换过程如图3-18所示：图3-18 220V AC转5V DC由于系统内部其他个别部件需要3.3V供电，所以需要将5V转3.3V，其转换过程如图3-19所示：图3-19 5V转3.3V3.4.2 485通信接口设计本监测系统预留一RS485通信协议的串口接口，该接口使用SN75LBC184接口芯片将RS232协议转换为RS485协议。其接口连线如图3-20所

50、示：图3-20 485接口连接RS232协议的是由TXD、RXD两条线完成数据的接收与发送的。但RS485是将信号准换为差分信号然后再进行传输的，也就是RS485中的A、B引脚。RS232是全双工通信，可同时进行收发操作，但RS485是半双工，收发操作不能同时进行。所以在用RS485进行数据传输时必须区分是发数据还是收数据。SN75LBC184芯片的2、3引脚是通信的使能脚，该两脚为低电平时为收数据，高电平时为发数据。DIR2可直接由MCU控制，发数据时拉高即可。3.4.3 报警与复位电路设计本智能农业监测系统火灾报警电路为蜂鸣器报警电路。当S3C2440A通过 AIN0管脚输入的模拟电压超过

51、预设阈值时，蜂鸣器就会报警。AD输入电路如图3-21所示：图3-21 AD输入电路报警电路如图3-22所示：图3-22 报警电路复位电路如图3-23所示：图3-23 复位电路3.4.4 执行控制电路设计本智能农业监测系统不但可以监测温室大棚内各项环境指标，还要做到环境调节功能。由于材料限制先用LED灯代表相应的调控信息。LED1代表增湿，LED2代表升温/降温（常量升温，闪烁降温），LED3代表增加光照，LED4代表增加CO浓度。LED熄灭代表停止调控。其控制电路图如图3-23所示：图3-23 控制电路25第4章 智能农业监测系统软件设计要做一款智能农业监测系统，单单只有硬件是不够的。如果说硬

52、件是“身体”的话，那么软件就是“灵魂”。计算机在进行信息处理时，都是在硬件平台的支持下，由软件控制完成的。所以软件的设计很大程度上决定了系统的性能。本智能农业监测系统是在Keil uvision4环境下，利用C语言编写和调试的。Keil系列软件使用方便、功能强大，具有良好的调试界面和有益的编译效果，应用非常广泛。C语言不但具备高级语言的基本结构和语句，同时有拥有低级语言的实用性，是一款应用非常广泛的编程语言。4.1 程序设计的基本框架本智能农业监测系统运行过程中主要包括AD采集，数码显示，反馈控制，检测报警四大模块，其基本框架如图4-1所示：图4-1 程序设计框架4.2 软件流程分析主程序流程

53、图：图4-2 程序主流程图主程序是一个while(1)循环，其主要流程是：系统上电首先对主控各个IO口进行配置，设置各个环境变量，并对环境变量阈值进行赋值，以及调用各个模块的初始化函数，然后在while(1)循环中调用各个模块的数据采集函数，LCD屏显示函数，然后对各环境数据进行判断，看是否触发中断进行调控，或者进行火灾报警。4.3 各模块程序设计4.3.1 数据采集模块程序设计1. DHT11模块DHT11模块程序设计流程如图4-3所示：图4-3 DHT11模块程序流程DHT11能够以数字的形式将温湿度信号直接通过单线串口传送出来，所以程序的设计主要考虑相关寄存器的配置，本系统选择GPF0与

54、DHT11的DATA引脚相连。2. TSL2561模块TSL2561模块程序设计流程如图4-4所示：图4-4 TSL2561模块程序流程TSL2561可以通过标准IC协议与主控进行通信。当主控往TSL2561内部写数据时，首先发送起始信号、器件地址，然后发送要写的数据。读数据亦然，同样是主控现发送起始信号、器件地址，然后器件向主控发送数据。TSL2561的程序设计主要是先往器件内输入光照强度下线阈值，然后再根据IC协议读取SDA端口数据。3. MH-410D5模块MH-410D5模块程序设计流程如图4-5所示：图4-5 MH-410D5模块程序流程MH-410D5传感器具备标准UART管脚的T

55、XD、RXD引脚，并且能够直接将模拟量转化为相应的数据量，所以该模块的程序设计主要考虑串口相关寄存器配置，和串口TXD端的数据读取。4. MQ-2模块MQ-2模块程序设计流程如图4-6所示：图4-6 MQ-2模块程序流程MQ-2传感器的模拟电压输出端与S3C2440A的AIN0端口相连，S3C2440A的自带10位CMOS ADC（模/数转换器），可将采集过来的烟雾模拟量转化为相应数字量，所以该模块程序设计主要考虑，AD信号发送与AD信号转换。4.3.2 显示模块程序设计显示模块程序设计流程如图4-7所示。图4-7 显示模块程序流程本系统所选显示模块P35触摸屏，其程序设计主要涉及到LCD屏的

56、5个控制寄存器和3个地址寄存器的配置以及触摸屏初始化。配置好相关寄存器后，需要显示的数据便可以赋值给相应字符串，然后显示出来。4.3.3 执行模块及报警模块程序设计执行模块和报警模块主要是对4个LED灯和蜂鸣器进行初始化及控制，当本将控系统监测到某项环境指标超标时，点亮相应LED代表做出相关调控。报警模块也是根据烟雾浓度和可燃性气体浓度是否超标来决定是否报警，所以二者的程序设计主要是配置好相关控制寄存器，然后根据不同的数据判断，做出不同响应的控制。执行模块程序流程如图4-8所示：图4-8 执行模块程序流程报警模块程序流程图如图4-9所示：图4-9 报警模块程序流程31第5章 系统调试根据本智能

57、农业监测系统的方案设计要求，调试过程主要分为三大部分：硬件调试、软件调试、软硬件关联调试。5.1 软硬件调试5.1.1 硬件调试将各个传感器模块电路按照逻辑图连接起来，根据器件规格和极性看连接是否有误，然后利用万用表逐个检测调试，看是否有短路、断路现象。检查过传感器模块后再检测电源模块有无短路现象，确保电源上电后输出电压为标准5V电压，降压电路能输出3.3V电压。5.1.2 软件调试本智能农业监测系统以S3C2440A为主控芯片，首先在MINI2440平台上运行调试。将各传感器模块接入MINI2440后，利用Keil uvision4对系统软件部分进行编译及调试。根据编译结果，修改相关错误提示

58、。5.1.3 软硬件关联调试当软件编译无误后，利用JLINK将代码烧进本系统的SDRAM中，上电调试MINI2440开发板，查看各个模块是否运行正常。调试屏显效果，根据实际屏显现象，修改代码使各项检测指标屏显位置调制最佳。点击屏幕虚拟按键，看相应LED是否正常点亮（调试手动控制环节）。5.2 功能测试 将所用调试工作完成后，利用JFLASH将代码生成固件少入系统的Nandflash中。上电对系统性能进行测试。依据植物不同时期对环境因素的不同要求，本系统现将各环境指标阈值根据农作物结果期设定，其具体参数如表5-1所示：表5-1 智能农业监测系统环境阈值环境检测值最低值最高值温度20(白天)/8(

59、夜晚)25(白天)/15(夜晚)湿度50%RH70%RH光照强度10000Lx(白天)白天自然光CO浓度800ppm1000ppm注：光照强度小于10000Lx是判断为阴天，需要打开补光灯本智能农业监测系统的火灾检测模块阈值设为20%LEL，当可燃性气体浓度达到20%LEL时，即判断为存在火灾危险，蜂鸣器拉响提示用户检查防范。系统测试过程中认为改变传感器所处环境，查看显示模块数据与标准仪器测试结果进行对比，并观察检测指标超过阈值时看调控模块是否正常运行（相应LED灯是否正常点亮）。34结论本设计从选题、论证、查阅相关资料、确定设计方案到设计的实现前后共历时近两个月，并且基本实现了预期效果，能够

60、正常显示监测环境中的温度、湿度、光照强度、以及CO浓度。初步完成了环境指标超过阈值自动进行调控，并且当烟雾浓度及可燃性气体浓度超过20%LEL时，蜂鸣器正常报警。本设计还存在一些不足之处，首先检测精度不能说很高，由于所选传感器限制测量精度只能算普通水平，但对于普通的温室大棚环境检测已经足矣。若需要更精确的检测数据需要更换更优良的传感器。其次本设计虽然添加有RS485接口电路，但没有实现远程控制功能。其接口的预留便于以后的功能拓展。介于本人水平有限，设计中难免还有其他不足之处，在此敬请大家见谅。河南科技大学本科毕业设计论文参考文献1杨硕. 基于无线传感器网络的温室植物生长光照强度监控系统的研究.

61、 重庆大学，2009，P13-P152黄卫良. 力、热、光、磁传感器演示仪的制作. 软件：教育现代化（电子版），2006，28（2），P19-P203于海业，张云鹤，孙瑞东.基于LabVIEW的温室环境远程监控系统的研究. 农机化研究，2004，36（1），P75-P774牛伟. LEON微处理器综述. 中国集成电路，2010，42（7），P31-P345翻刚，蒲国林，王安志，廖小平，刘笃晋. 基于物联网技术的温室大棚控制系统的设计. 工业控制计算机，2014，29（2），P79-P806白泽生. 一种二氧化碳气体检测方法. 传感器与微系统，2007，37（7），P105-P1077 任佳，张晓刚，王长江，邢杰，樊春燕，符泽宇，王妍，李金. 数字化二氧化