【文章內(nèi)容簡介】 （ 蜂 鳴 器 ）煙 霧 模 塊（ M Q 2 ）A D 輸 入 圖 21 智能 農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 圖 1. 微處理器 微處理器又稱 MCU， 它是由一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成 ，具有電路執(zhí)行控制 能力與算數(shù)邏輯運(yùn)算 功能，在 微型計(jì)算機(jī)中擔(dān)當(dāng)“大腦”一職。本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 的硬件設(shè)備就相當(dāng)于一部微型計(jì)算機(jī)，其中“大腦”一職由三星公司生產(chǎn)的 S3C2440A 承擔(dān)。 2. 傳感器 傳感器是一種 檢測裝置， 它 能 夠 接收 到被測量的信息，并 且 能夠?qū)⒔邮盏降男畔?，按照一定的?guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚱渌问叫畔鬏敵鋈?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的傳送、處理、儲存、顯示、控制等需求 。 通常由 感應(yīng) 元件 和轉(zhuǎn)換元件組成 [2]。本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 用到的傳感器有 DHT1 MH410DTSL256 MQ2， 作為本 監(jiān)測系統(tǒng) 的 監(jiān)測 模塊， 它們分別負(fù)責(zé) 監(jiān)測 溫室大棚中的溫濕度、 CO?濃度 、光照強(qiáng)度 、煙霧與可 燃性氣體濃度 等農(nóng)作物生長所必須的環(huán)境因素 和大棚內(nèi)的火災(zāi) 預(yù)警 。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 3. 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)顯示是為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便用戶的用戶操作，使用戶更直觀的了解到溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的實(shí)時變化。本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 所選的 顯示模塊為 P35 觸摸屏，它不但負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示的任務(wù)同時還承擔(dān)著 “ 按鍵 ” 的責(zé)任，屏幕上會呈現(xiàn)四個 “ 虛擬按鍵 ” 分別負(fù)責(zé)對溫度、濕度、 CO?濃度、光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。 4. 擴(kuò)展接口 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的拓展功能應(yīng)合嵌入式可裁剪、方便移植的特性，本智能農(nóng)業(yè)操作系統(tǒng)中預(yù)留了一個 RS485 串口接口，該接口可以將系統(tǒng)檢測 的數(shù)據(jù)發(fā)送到 數(shù)千米 外 ， 將接口接入電腦便可 實(shí)現(xiàn) 對系統(tǒng)的 遠(yuǎn)程 監(jiān)測 [3]。 5. 火災(zāi)預(yù)防 處于安全生產(chǎn)考慮本系統(tǒng)增加了火災(zāi) 預(yù)警模塊 ，該模 塊包含煙霧與可燃性氣體檢測和報(bào)警功能， MQ2 可以檢測煙霧濃度與易燃性氣體濃度 ， 當(dāng)二者濃度超過警戒值時蜂鳴器就會被拉響 。 167。 智能 農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì)方案 智能 農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 的硬件電 路確定以后， 軟件負(fù)責(zé)整個 系統(tǒng)的 主要功能實(shí)現(xiàn) 。由軟件來實(shí)現(xiàn)硬件電路的運(yùn)行 ， 其中包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)碼顯示、環(huán)境調(diào)節(jié)、超 閾值 報(bào)警 等。 本 系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì)需要有一個細(xì)致全面的過程。首先要 清楚 的列出智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系 統(tǒng) 中各系統(tǒng)部件與軟件設(shè) 計(jì)的相關(guān)特點(diǎn)，并進(jìn)行定義和說明，作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上畫 出軟件 設(shè)計(jì)的基本框架圖 、 主 程序流程圖。再將程序流程圖中列舉的一系列操作用 C 語言編寫出來，然后通過 Keil uvision4 編譯 調(diào)試，調(diào)試完成后通過 JFlash ARM 下載到 系統(tǒng)的 NandFlash 內(nèi)， 至此軟件設(shè)計(jì)基本完成 。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3章 智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 167。 微處理器的選擇 本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 選擇的微處理器為三星公司生產(chǎn)的 S3C2440A。 167。 S3C2440A 簡介 S3C2440A 由三星公司生產(chǎn) ，以 ARM920T 為 核心， 采用 的 CMOS 存儲器單元 和標(biāo)準(zhǔn)宏單元 。 具有 功耗 低，精簡， 全靜態(tài) 特點(diǎn)，它是專門針對 成本和功率敏感型的應(yīng)用 而設(shè)計(jì)的 。 S3C2440A 的突出特點(diǎn)是其處理器核心，是一個由 Advanced RISC Machines（ ARM）公司設(shè)計(jì)的 16/32 位ARM920T 的 RISC 處理器。 實(shí)現(xiàn)了 MMU 與 AMBA 總線以及哈佛結(jié)構(gòu)的高速緩沖體系，具備獨(dú)特 16Kb 的高速指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，使得它的性能非常出眾 [4]。 167。 S3C2440A 的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu) S3C2440A 的內(nèi) 核 組成結(jié)構(gòu)如圖 31 所示 ： 圖 31 S3C2440A 內(nèi)核 結(jié)構(gòu)框圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 167。 S3C2440A 的主要功能介紹 S3C2440A 的主要片上功能有： ● 內(nèi)核供電 , , 外部 I/O 口 供電，具備 16KB 的 高速 數(shù)據(jù)緩存 和 16KB 的 高速 指令緩存 和 MMU 的微處理器 ● 外部存儲 控制器（ SDRAM 控制和片選邏輯 控制 ） ● LCD 控制器（最大支持 4K 色 STN 和 256K 色 TFT）提供 1 通道 LCD 專用 DMA ● 4個 DMA 通道 并 有外部請求引腳 ● 3 個 UART 通道 （ , 64 字節(jié)發(fā)送 FIFO 和 64 字節(jié)接收 FIFO） ● 2 個 SPI 通道 ● 1 個 I178。C 總線接口（支持多主機(jī)） ● 1 個 I178。S 總線音頻編碼器接口 ● AC’97 編解碼器接口 ● 支持 SD 主接口協(xié)議 版和 MMC 卡協(xié)議 兼容版 ● 2 個 USB 主機(jī) 通道 /1 個 USB 設(shè)備 通道 （ 版） ● 4 個 PWM 定時器 通道 和 1 個 內(nèi)部定時器 /看門狗定時器 通道 ● 8 個 10 位 ADC 通道 和觸摸屏接口 ● 具有日歷功能的 RTC ● 攝像頭接口（最大支持 40964096 像素輸入； 20482048 像素輸入支持縮放） ● 130 個通用 I/O 口和 24 通道外部中斷源 ● 具有普通，慢速，空閑和掉電模式 三種模式 ● 具有 PLL 片上時鐘發(fā)生器 167。 S3C2440A 的 PWM 定時器 S3C2440A 有 5 個 16 位定時器。其中定時器 0、 3 具有脈寬調(diào)制（ PWM）功能。定時器 4 為內(nèi)部定時器沒有輸出引腳 。定時器 0 包含一個死區(qū)發(fā)生器，用于大電流驅(qū)動 [5]。 定時器 0 和 1 使 用 同 一個 8 位預(yù)分頻器，定時器 4 共用另外一個 8位預(yù)分頻器。每個定時器都 包含一個時鐘分頻器， 可以生成 5 種不同 的 分頻河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 信號（ 1/ 1/ 1/ 1/16 和 TCLK）。每個定時器模塊都是從 相應(yīng) 預(yù)分頻器中的時鐘分頻器來得到 自己的時鐘信號。 8 位預(yù)分頻器是可編程的，并且按 照 存儲在 TCFG0 和 TCFG1 寄存器中的加載值來分頻 PCLK。 定時器遞減初始值儲存在 定時計(jì)數(shù)緩沖寄存器（ TCNTBn） 中，定時器在遞減計(jì)時 開始前 還需要一個與定時器遞減初始值做比較的比較初始值，該值儲存在 定時比較緩沖寄存器（ TCMPBn） 中， 該值的主要用于脈寬的調(diào)制（ PWM） 。 TCNTBn 和 TCMPBn 雙緩沖寄存器有效的確保了改變頻率和占空比時，定時器仍然能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。 每個定時器都有自己獨(dú)立的 16 位遞減計(jì)數(shù)器用于定時。當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器的值減到 0 時，就會產(chǎn)生一個定時器中斷請求信號，告知 CPU 定時任務(wù)已完成。 當(dāng)一個定時任務(wù)完成后，相應(yīng)的 定時計(jì)數(shù)緩沖寄存器 （ TCNTBn） 中的初始值 會被自動加載到遞減計(jì)數(shù)器中，繼續(xù)進(jìn)行下一個定時操作。如果定時器 被關(guān)閉，例如，定時器在運(yùn)行過程中 TCONn 的定時使能位突然被清除，則 定時計(jì)數(shù)緩沖寄存器（ TCNTBn） 中的值將不會被再次加載到遞減計(jì)數(shù)器中 。 定時器不占用系統(tǒng)時間，從這 點(diǎn) 可以看出定時器是一個具有高效效率的組件。 167。 S3C2440A 的中斷系統(tǒng) S3C2440A 的中斷系統(tǒng)主要用于對溫室大棚環(huán)境的實(shí)時 監(jiān)測 過程中，對溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)。中斷的基本含義為 CPU 在運(yùn)行過程中，突然遇到另一件事情需要立馬處理，此時 CUP 會暫停當(dāng)前執(zhí)行的事件，跳轉(zhuǎn) 執(zhí)行 另一個 事件的過程。 S3C2440A 芯片中包含 60 個中斷源 ，其中包括 36 個內(nèi)部中斷源和 24 個外部中斷源（ EINTn） 。 內(nèi)部中斷 包括 2 個看門狗中斷、 5 個定時器中斷、 9個 UART 中斷、 4 個 DMA 中斷、 2 個 RTC 中斷、 2 個 ADC 中斷、 1 個 I178。C中斷、 2 個 SPI 中斷、 1 個 LCD 中斷、 1 個電池故障中斷、 1 個 NANDFLASH中斷、 1 個攝像頭中斷、 1 個 AC97 中斷。在這 60 個中斷源中， UARTn 中斷、AC97 中斷、外部中斷對中斷控制器是 “ 或 ” 的關(guān)系。當(dāng) 中斷請求引腳收到中斷請求信號時， 中斷控制器在仲裁步驟后 再 請求內(nèi)核的 FIQ 或 IRQ。 仲裁步驟由硬件優(yōu)先級邏輯決定 ，并且將 結(jié)果 寫入 到 發(fā)生 中斷 的中斷源的 掛起寄存器中。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 中斷處理過程如圖 32 所示 ： 圖 32 中斷處理框圖 中斷優(yōu)先級判斷 如圖 33 所示 ： 圖 33 中斷 優(yōu)先級 判斷 框圖 167。 傳感器的選擇 167。 傳感器的對比與選擇 1. 溫濕度傳感器 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 在本系統(tǒng)開發(fā)之初，對溫濕度傳感器的選擇有兩種方案，一種是使用DS18B20 和 CHR01 濕敏電阻 兩種傳感器組合 ，對于該組合來說，其中的DS18B20 作為一線連接數(shù)字溫度傳感器擁有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。 工作電壓為3～ ， 其溫度測量范圍十分廣闊為： 55～ +125℃ ，溫度轉(zhuǎn)換延時僅為 750ms， 測量結(jié)果以 9～ 12 位數(shù)字量方式串行傳送， 精確度最高可調(diào)至℃ 。 并且可以將分辨率設(shè)定參數(shù)和溫度 閾值 存儲到 EEPROM 中，即使掉電也不會丟失。 對于濕度采集，該組合中的 CHR01 濕敏電阻 ，最高工作溫度 120℃ ，工作電壓 AC1V(50～ 2KHz)，特征阻抗與范圍為 30(21～ 45)KΩ ，測量范圍 ： 20%～ 90%RH， 精度 177。 5%RH， 響應(yīng)時間 ≤ 12s， 濕度漂移 (/年 ) 177。2%RH， 具有檢測精度高、性能穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快、防水等特點(diǎn)。 另一種方案是 直接采用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器自身已經(jīng)校準(zhǔn)，并且將溫度與濕度傳感器復(fù)合為一體， 工作電壓為 ～ ， 溫度量程為： 0～ 55℃ ，濕度量程為： 20%～ 90%RH，精度分別為： 177。 2℃ 和 177。 5%RH。分辨率：濕度 1%RH、溫度 1℃ ，濕度漂移： ＜ 177。 1%/RH/年。轉(zhuǎn)換延時小于5s，一般通電后僅需等待 1s 左右，并且它采用單總線輸出使用方便，可直接與高性能單片機(jī)相連。 雖然方案一具有測量精度高和測量范圍廣的優(yōu)勢 ，但考慮到組合的形式 ，會增加 系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 并且方案一的濕度傳感器還需要單獨(dú)添加一個 AD 轉(zhuǎn)換模塊，從而進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。所以處于簡單穩(wěn)定、成本低廉同時又滿足需求的考慮，本系統(tǒng)溫濕度傳感器選擇 DHT11。 2. 光照傳感器 基于經(jīng)濟(jì)實(shí)用 、簡單穩(wěn)定的考慮，本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系 統(tǒng) 的光照傳感器為TSL2561。它具有高速度 、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優(yōu)點(diǎn)，并且它集光照強(qiáng)度采集與積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器于一體，可將光敏電流直接轉(zhuǎn)化為一個數(shù)字輸出，采用 I178。C 總線協(xié)議與 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用簡單方便。 3. 二氧化碳傳感器 目前檢測 CO?濃度的傳感器主要有固體電解式 （如 TGS4160）、鈦酸鋇復(fù)合氧化物電容式、電導(dǎo)變化型厚膜式 等 。而這類傳感器存在對氣體 選擇性差、河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 易出現(xiàn)檢測錯誤 、 穩(wěn)定性差 需要頻繁校準(zhǔn)、使用 壽命較短等缺點(diǎn) 。 而紅外 吸收 型 CO?傳感器具有寬范圍、靈敏度高、響應(yīng)速度 快、選 擇性能好、穩(wěn) 定性強(qiáng)等特點(diǎn)， 所以本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 采用紅外 吸收 型 CO?傳感器 MH410D5。 4. 煙霧傳感器 為了給本智能農(nóng)業(yè) 監(jiān)測系統(tǒng) 增加火災(zāi)預(yù)警功能，本系統(tǒng)選擇 MQ2 氣體傳感器作為煙霧檢測模塊，它獨(dú)特的氣敏特性使它處在可燃性氣體環(huán)境中時，電導(dǎo)率 可以 隨 著空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大 。所以使用簡單的電路即可使它 的電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為與空氣中可燃性氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 MQ2 可檢測多種可燃性氣體，是一款應(yīng)用廣泛 的低成本 氣體 傳感器。 167。 傳感器簡介 1. DHT11 DHT11 為一款免 校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器 ，其基本參數(shù) 如表 31。 表 31 DHT11 技術(shù)參數(shù) 供電電壓 ～ 5V DC 輸出類型 單總線串行輸出 溫度 測量 范圍 0～ 50℃ 濕度測量范圍 20～ 90%RH 溫度測量精度 177。 2℃ 濕度測量精度 177。 5%RH 分辨率 濕度 1%RH，溫度 1℃ 濕度漂移 ＜ 177。 1%RH/年 實(shí)物如圖 34 所示 ： 圖 34 DHT11 模塊 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 DHT11 內(nèi)部不含有電阻式感濕元件和 NTC 測溫元件?？梢灾苯优c MCU相連，并且直接輸出數(shù)字量免除了 AD 轉(zhuǎn)換的煩惱。其傳輸距離在 20M 以上，并且它 體積小、功耗低、性能穩(wěn)定可靠、封 裝簡單、連接使用方便、成本低廉等特點(diǎn)，使其在應(yīng)用上廣受歡迎。