毕业论文-智能农业监控系统

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(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、传感器

I

河南科技大学本科毕业设计（论文） DESIGN OF INTELLIGENT AGRICULTURAL

MONITORING SYSTEM

ABSTRACT

In today's 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 greenhouses, 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 farmers 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 based 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 monitoring 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, 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 and 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,

II

河南科技大学本科毕业设计（论文） high reliability characteristics, very suitable for the use of ordinary farmers.

KEY WORDS：Greenhouses, Intelligent Monitoring, Embedded, Sensors

III

河南科技大学本科毕业设计（论文） 目 录

前 言 ................................................................................................................ 1 第1章 绪论 ....................................................................................................... 2 §1.1 智能农业监测系统的概念 ..................................................................... 2 §1.2 智能农业监测系统的主要内容 ............................................................. 2 §1.3 智能农业监测系统的主要特点 ............................................................. 2 §1.4 智能农业监测系统的研究意义 ............................................................. 3 §1.5 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 ..................................................... 4 §2.1 智能农业监测系统设计概述 ................................................................. 4 §2.1.1 功能要求 ......................................................................................... 4 §2.1.2 技术指标 ......................................................................................... 4 §2.2 智能农业监测系统的硬件设计方案 ...................................................... 4 §2.3 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 ..................................................... 7 §3.1 微处理器的选择 .................................................................................... 7 §3.1.1 S3C2440A简介 .............................................. 错误！未定义书签。 §3.1.2 S3C2440A的内部组成结构 ............................................................ 7 §3.1.3 S3C2440A的主要功能介绍 ............................................................ 7 §3.1.4 S3C2440A的PWM定时器 ............................................................. 8 §3.1.5 S3C2440A的中断系统 .................................................................... 9 §3.2 传感器的选择 ...................................................................................... 10 §3.2.1 传感器的对比与选择 .................................................................... 10 §3.2.2 传感器简介 ................................................................................... 12 §3.2.3 传感器引脚说明及数据传输 ........................................................ 16 §3.3 触屏显示器P35 ................................................................................... 21 §3.3.1 P35屏引脚说明 ............................................................................. 21 §3.3.2 P35屏的控制与配置 ..................................................................... 23 §3.4 MCU外围电路设计 .............................................................................. 23 §3.4.1 电源电路设计 ............................................................................... 23

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河南科技大学本科毕业设计（论文） §3.4.2 485通信接口设计 ......................................................................... 24 §3.4.3 报警与复位电路设计 .................................................................... 25 §3.4.4 执行控制电路设计 ....................................................................... 26 第4章 智能农业监测系统软件设计 ............................................................... 27 §4.1 程序设计的基本框架 ........................................................................... 27 §4.2 软件流程分析 ...................................................................................... 28 §4.3 各模块程序设计 .................................................................................. 28 §4.3.1 数据采集模块程序设计 ................................................................ 28 §4.3.2 显示模块程序设计 ....................................................................... 31 §4.3.3 执行模块及报警模块程序设计 .................................................... 31 第5章 系统调试 .......................................................................................... 33 §5.1 软硬件调试 .......................................................................................... 33 §5.1.1 硬件调试 ....................................................................................... 33 §5.1.2 软件调试 ....................................................................................... 33 §5.1.3 软硬件关联调试 ........................................................................... 33 §5.2 功能测试 .............................................................................................. 33 结 论 .............................................................................................................. 35 参考文献 ........................................................................................................... 36 致 谢 .............................................................................................................. 38 附 录 .............................................................................................................. 39

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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、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。

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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。S3C2440A 由三星公司生产，以 ARM920T为核心，采用0.13μm 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。S3C2440A 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]。

§3.1.1 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

§3.1.2 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，

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 具备 16KB 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I2C 总线接口（支持多主机） ● 1 个I2S 总线音频编码器接口 ● AC’97 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）

● 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 4096×4096 像素输入；2048×2048 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

§3.1.3 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、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。

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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。

§3.1.4 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I2C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：

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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

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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3～5.5V/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9～12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(50～2KHz)，特征阻抗与范围为30(21～45)KΩ，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3.3～5.5V/DC，温度量程为：0～55℃，湿度量程为：20%～90%RH，精度分别为：±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，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I2C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

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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. DHT11

DHT11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 输出类型 温度测量范围 湿度测量范围 温度测量精度 湿度测量精度 分辨率 湿度漂移 3.3～5V DC 单总线串行输出 0～50℃ 20～90%RH ±2℃ ±5%RH 湿度1%RH，温度1℃ ＜±1%RH/年

实物如图3-4所示：

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图3-4 DHT11模块

DHT11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. TSL2561

TSL2561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 输出类型 测量范围 工作温度 2.7～3.5V DC I2C 1～70000Lx -30～70℃

实物如图3-5和图3-6所示：

图3-5 TSL2561

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图3-6 TSL2561模块

由于它突出的优点，该传感器被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-410D5

MH-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 工作电流 测量范围 输出信号范围 输出方式 分辨率 预热时间 响应时间 重复性 3.5～5.5V DC 75～85mA 0～5%vol（0～100%vol范围可选） 0.4～2V dc UART串行输出 1%FSD 90s T90＜30s 零点＜±100ppm SPAN＜±500ppm 长期漂移 零点＜±300ppm/月 SPAN＜±500ppm/月 温度范围 湿度范围 寿命 -20～50℃ 0～95%RH ＞5年 注：1%vol = 10000ppm

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实物如图3-7

图3-7 MH-410D5

MH-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-2

MQ-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 Vh加热电压 Rl负载电阻 Rh加热电阻 Ph加热功率 使用温度 储藏温度 ≤15V (AC or DC) 5.0V±0.2V (AC or DC) 可调 31Ω±3Ω(室温) ≤900mW -10℃～50℃ -20℃～70℃ 小于95%RH 21%(标准) 相对湿度 氧气浓度 15

河南科技大学本科毕业设计（论文） 探测浓度范围 100ppm～10000ppm(丙烷) 300ppm～5000ppm(丁烷) 5000ppm～20000ppm(甲烷) 300ppm～5000ppm(氢气) 100ppm～2000ppm(酒精) 输出方式 TTL输出 模拟量输出 模拟量输出及TTL电平输出 低电平有效 0～5V(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. DHT11

DHT11主要有四个引脚，各个功能如下： Pin1：VCC供电3.3～5V 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：

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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

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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. TSL2561

TSL2561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2.7～3.5V。

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 GND Float VDD

引脚3：信号地。

引脚4：I2C总线的时钟信号线。

I2C从器件访问地址 0101001 0111001 1001001 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：I2C总线的数据线。

TSL2561是一款数字传感器，输出信号复合标准I2C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：

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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-410D5

MH-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。

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 引脚2：模拟电压输出引脚Vout。

引脚3：电源引脚，工作电压3.5～5.5V 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-410D5与主控连接

4. MQ-2

MQ-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。

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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：

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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：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；

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河南科技大学本科毕业设计（论文） VD[23~0]：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vclk

LCDCON2：VBPD、LINEVAL、VFPD、VSPW LCDCON3：HBPD、HOZVAL、HFPD LCDCON4：HSPW LCDCON5：

HWSWP半字要转换 BSWP不用转换 ENLEND要有行停止 PWREN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：

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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3.3V

§3.4.2 485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

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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：

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河南科技大学本科毕业设计（论文）

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

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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：

开始DHT11温度TSL2561光照强度MH-410D5CO?浓度MQ-2烟雾浓度P35屏数码显示判断是否发生火灾否是否判断各项数据是否超标报警复位是环境调节图4-1 程序设计框架

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河南科技大学本科毕业设计（论文） §4.2 软件流程分析

主程序流程图：

开始参数初始化延时各传感器AD采集并传回数据判断是否发生火灾是报警否数码显示否判断温室环境是否超标复位是环境调控

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：

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 开始初始化温湿度采集延时等待转换结束读取串口数据并计算温湿度结束 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：

开始初始化延时等待转换结束读取通道寄存器值计算光照强度值设置积分时间设置中断门限值设置中断寄存器结束

图4-4 TSL2561模块程序流程

TSL2561可以通过标准I2C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。

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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I2C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：

开始初始化CO?浓度采集延时等待转换结束读取串口接收端数据结束 图4-5 MH-410D5模块程序流程

MH-410D5传感器具备标准UART管脚的TXD、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：

开始初始化延时采集烟雾信号延时接收烟雾信号信号AD转换延时结束

图4-6 MQ-2模块程序流程

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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。

开始LCD屏初始化数据字符串赋值屏幕显示字符结束

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：

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 开始LED初始化是判断是否需要调控否熄灭正常指标LED点亮相应调控LED结束

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：

开始初始化判断烟雾浓度是否超标是蜂鸣器响否结束

图4-9 报警模块程序流程

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 第5章 系统调试

根据本智能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。

§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：

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 表5-1 智能农业监测系统环境阈值

环境检测值 温度 湿度 光照强度 CO?浓度 最低值 20℃(白天)/8℃(夜晚) 50%RH 10000Lx(白天) 800ppm 最高值 25℃(白天)/15℃(夜晚) 70%RH 白天自然光 1000ppm 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）。

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河南科技大学本科毕业设计（论文） 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。

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