基于ATmega328农业监测系统设计与实现.docx

基于ATmega328农业监测系统设计与实现基于 8 ATmega328 的农业监测系统设计与实现 摘要：随着科学技术的飞速发展，农业领域也起先与互联网联系起来。借助 ATmega328 单片机开发设备和物联网技术,设计出一个农业监测系统。通过对 Arduino 设备和传感器的开发，农业监测系统可以对农作物生长所需的环境因素，如农作物生长周边环境的空气温度、空气湿度，农作物所接收到的光照的强弱，农作物生长土壤的土壤湿度等数据进行实时监测，实现对农作物的生产信息的充分认知，数据通过传感器采集之后发送到 ATmega328 单片机上，再进一步进行数据推断处理，然后通过相应的模块将数据反映给用户，实现农业生产智能化管理。农业监测系统主要是由以 ATmega328 单片机为 CPU 的 Arduino UNO Rev3 开发板借助Arduino IDE 开发平台开发的。运用 DHT11 温湿度传感器采集农作物周边环境实时温度、湿度数据，在 1602 LCD 液晶显示屏上呈现给农业监测系统的用户。利用光敏电阻、土壤湿度传感器、雨滴检查传感器监测光照度、土壤缺水状况和天气是否下雨，这些都由 RGB LED 三色灯通过闪耀不同颜色的灯表达不同的环境状况。利用 MQ-2 烟雾气敏传感器监测空气中是否有有害气体，当空气中存在有害气体时，蜂鸣器会发出声音提示用户。关键 词：Arduino，传感器，ATmega328 目录 第 1 章绪 论 .1.1 农业监测系统的探讨背景和意义 .1.1.1 中国智能农业发展的背景分析 .1.1.2 农业监测系统的探讨意义 .1.2 课题探讨方法和内容 .1.2.1 探讨方法 .1.2.2 探讨内容 .1.3 主要模块的选择 .1.3.1 单片机开发板的选择 .1.3.2 温湿度传感器的选择 .1.3.3 土壤湿度传感器的选择 .1.3.4 烟雾气敏传感器的选择 .第 2 章农业农田环境监测系统分析 .2.1 农业环境监测系统需求分析 .2.1.1 国内外智能农业发展状况分析 .2.1.2 农业环境监测系统用户需求分析 .2.1.3 农业环境监测系统功能需求分析 .2.2 农业环境监测系统可行性分析 .2.2.1 农业环境监测系统经济可行性分析 .2.2.2 农业环境监测系统技术可行性分析 .2.2.3 农业环境监测系统社会环境可行性分析 .第 3 章 系统硬件设计.3.1 系统整体硬件设计 .3.2 单片机主控模块 .3.3 温湿度显示模块设计 .3.3.1 温湿度测量模块设计 .3.3.2 显示模块设计 .3.4 土壤检测警示模块设计 .3.4.1 土壤湿度测量模块设计 .3.4.2 光照强度测量模块设计 .3.4.3 雨滴检查模块设计 .3.4.4 RGB 三色 LED 灯模块设计 .3.5 烟雾报警模块.3.5.1 蜂鸣器模块设计 .3.5.2 烟雾气敏模块设计 .第 4 章系统软件设计.4.1 总体限制流程.4.2 各模块限制流程 .4.2.1 温湿度显示模块 .4.2.2 土壤监测警示模块 .4.2.3 烟雾警报模块 .第五章 系统测试 . 5.1 功能测试 .5.2 测试结果分析.第 1 章绪 论 1.1 农业监测系统的探讨背景和意义 1.1.1 中国智能农业发展的背景分析 中国是世界农业的发源地之一，通过广阔考古学家坚持不懈的细致探讨得出的考古证据表明，中国农业的悠久历史已长达 8、9 千年。自从进入现代社会以来，农业已经不再是中国的经济支柱，但这并不意味着农业发展就不再重要，农业是国民经济建设和发展的基础产业，农业发展稳妥不出错，才可以以农业为基础，稳定其次产业，发展第三产业。当今科学技术的发展日新月异，互联网的进步带来了各种各样的新型产业，比如智能家居业、智能农业、智能交通、才智城市等等。习近平主席指出，在人口多、土地少、水少的国家，科技是确保农产品有效供应的根本解决方法，所以中国要大力发展才智农业，广阔农业科技工作者也要不断独创创建出新的物联网产品，让物联网更好地与生活联系在一起，促进农业发展与生产，提高人民生活品质。1.1.2 农业监测系统的探讨意义 在大数据的推动下，传统农业已经在向现代农业进行转变，农业监测系统以现代物联网技术为核心基础，借助无线传感器技术，组成一套监测农作物生长环境的系统。农业生产环境监测是实施精准农业的基础，对农业生产进行科学的管理 ，用最少或最节约的投资实现较高的产量，改善环境，有效利用各种农业资源，实现可持续发展，并获得良好的经济和环境效益 。农业监测系统通过 LCD 液晶显示屏显示环境温湿度，RGB LED 三色灯反映土壤的水含量、农田光照度和是否下雨，加上烟雾报警模块，刚好地反映了农田环境，显示 2吴寒烟.精准农业归类Z.2019-06-27. 3托普云农.农业仪器在现代农业生产中的应用及作用体现Z.2019-05-20.方式不困难，便利了文化学问水平不太高的用户，使得农业监测系统就是在没有网络的偏僻农村中也能推广。1.2 课题探讨方法和内容 1.2.1 探讨方法 本论文在撰写过程中主要运用了以下两种探讨方法：文献探讨法，依据农业监测系统的探讨目的，通过查阅筛选与农业监测系统相关的文献，来获得相关资料，从而客观、全面地了解驾驭所要探讨的问题，获得智能农业系统探讨所须要的相关学问和技术。试验法，通过限制探讨对象的探讨方法。依据文献探讨法供应的资料素材，进行实际的农业监测系统的制作和编程操作。1.2.2 探讨内容 本课题的探讨内容为农业监测系统，目的在于实时监测农作物生长的环境信息数据，有效利用农业资源，削减劳动力，提高种植效率。农业监测系统主要探讨内容为：(1) 精确采集环境温湿度数据并显示； (2) 采集土壤水含量信息，并且在农作物缺水时提示土壤须要浇水； (3) 采集光照数据值； (4) 采集天气下雨信息，并提示下雨； (5) 采集空气污染物信息，并警报大气烟雾污染。结合以上信息，农业监测系统所须要运用到的模块有：一个单片机主控模块、温湿度传感器、烟雾气敏传感器、土壤湿度传感器、雨滴检查传感器、光敏电阻传感器，以及很多连接线等。农业检测系统须要运用到大量的传感器，这些传感器成本低，灵敏度达到数据采集的要求，能够给农业种植户作为种植的参考数据。该农业检测系统能够帮助农业种植户刚好的监测农田环境数据，传感器网络能够保证他们在较短的时间内获得整片农田的环境信息，节约了他们巡逻视察的时间，削减人力物力。并且可以利用这些采集到的环境数据作为参考，进行数据分析对比，总结出科学的种植方案，提高农业的生产力，提高农作物的产量。1.3 主要模块的选择 1.3.1 单片机开发板的选择 Arduino 开发板对比其他开发工具，成本相对低，开发难度也比较低，还拥有低功耗，可扩展性强的特点，适合用来设计和实现农业监测系统。基于 ATmega328 单片机的 Arduino UNO Rev3 开发板是最基础的 Arduino 开发板，拥有与其他版本 Arduino开发板一样的优点，价格相比也较为低廉。该 ATmega328 单片机拥有 2KB 的 SRAM 静态存储器，1KB 的 EEPROM 只读存储器以及 32 KB 的 Flash，工作频率为 16 MHz。1.3.2 温湿度传感器的选择 市面上常见的温湿度传感器有 DHT11 温湿度传感器、DHT22 温湿度传感器、SHT20温湿度传感器等。在本农业监测系统中选用 DHT11 温湿度传感器来进行对农作物周边环境的温湿度测量。DHT11 温湿度传感器由一个电阻式感湿元器件，一个 NTC 测温元器件和一个 8 位单片机组成。它的优点是：成本低，响应快，抗干扰实力强，功耗低。1.3.3 土壤湿度传感器的选择 土壤湿度传感器可以分为三类：电容型土壤湿度传感器，电阻型土壤湿度传感器和离子型土壤湿度传感器。本系统中选用的是 YL69 土壤湿度传感器，是一种电阻型土壤湿度传感器。它的优点是相比其他土壤湿度传感器体积小巧，测量精度能达到本农业监测系统的需求，响应速度快，数据传输效率高。1.3.4 烟雾气敏传感器的选择 烟雾气敏传感器将空气中气体的种类和空气中气体浓度的相关信息转换成为电信号，分析这些电信号的强弱，就可以检测出空气中的气体的相关信息。本系统运用的是 MQ-2 烟雾气敏传感器，它可以检测空气中存在的液化气、氢气、烷、酒精、烟雾等多种气体。它的优点是：灵敏度高、响应快、稳定性好、驱动电路简洁。第 2 章农业农田环境监测系统分析 2.1 农业环境监测系统需求分析 2.1.1 国内外智能农业发展状况分析 在国外，才智农业已经是特别普及了。相较于农业发达国家，我国国内偏远农村地区才智农业的发展还比较落后。一是因为部分农夫没有受过高等教化，有的人在读完义务教化课程之后，就不再深造，利用旧时的阅历种田；二则农村互联网发展比城市缓慢，农业智能化程度不高，也不够普及。在发达国家，如美国，它运用大型农场作为其主要的农业生产的主体，智能农业可以广泛推广，因为发达国家的互联网技术发展较早，而且农业从业人员普遍接受的教化程度比较高。在 20 世纪 80 年头，美国就利用物联网带动农业的发展，将物联网技术融合进农场的基础设施建设之中。为了解决粮食问题，以日本为代表的可耕地稀有的国家做出了巨大努力，一方面长期地将大量资源投资在农业领域，另一方面大力发展才智农业，将互联网、物联网技术融入农业技术之中。2.1.2 农业环境监测系统用户需求分析 对于农业环境监测系统，用户需求分析有以下几点：(1) 低成本。在农业环境监测系统网络中，系统须要限制大量的传感器节点和限制器，这种类似大型的传感网络应当运用更低成本的网络节点技术。(2) 可扩展性。科学技术的发展蒸蒸日上，农业环境监测系统应当与时俱进，这就要做到能在不变更农业环境监测系统主体结构的状况下，可以对系统进行维护和扩展，并能在必要时更新、增加新的智能农业传感器设备。(3) 时效性。农业环境监测系统应尽可能实现农作物周边环境数据的实时采集，实时整理，实时分析。2.1.3 农业环境监测系统功能需求分析水、空气和阳光是生命的三大要素，对于农作物来说也是如此。农业环境监测系统的功能需求分析有以下几点：(1) 实时显示农作物周边环境温湿度。空气温湿度是影响农作物生长的一个重要指标。农作物周边环境的空气温度的过高或过低以及空气相对湿度的大小，都会对农作物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等代谢过程产生不良影响。(2) 土壤缺水提示。水涉及到农作物很多重要的生理活动，水又帮助农作物与四周环境相互联系，这说明白水对农作物的重要性，而农作物生长的土壤含水量确定了农作物的水分供应状况，所以当土壤缺水时要刚好提示农业种植户浇水。(3) 空气烟雾含量提示。在农作物进行各种代谢活动时，会与大气进行气体交换，当大气中存在污染物时，一些环境污染物就会通过这种方式进入农作物体内，从而影响和破坏农作物。(4) 下雨提示。有些种类的植物非常娇贵，淋了太多雨水之后，土壤湿度过高导致土壤通气性恶化，植物的根系便会腐烂，致使植物死亡。(5) 农作物接收的光照提示。农作物的生长依靠于植物特有的光合作用，通过光合作用，农作物将水和二氧化碳合成有机物和生长所需的能量。当农作物光照不足的时候，农作物细胞内的叶绿素形成将会收到阻碍，接着影响农作物的光合作用。接收不到足够光照的农作物植株会变细变弱小，叶子枯黄，或者在生长过程中落叶、落花，无法结出果实。2.2 农业环境监测系统可行性分析 2.2.1 农业环境监测系统经济可行性分析 经济可行性的详细标准有投入产出比、效率、效力、利润率等。农业监测系统实时监测农田环境，给用户供应农田温湿度、土壤湿度、光照强度等数据信息，节约种植户亲自检测农田环境的时间，也可以刚好了解农田环境改变，做出应对措施，提高种植效率。2.2.2 农业环境监测系统技术可行性分析 (1) Arduino 开发平台是一个硬件和软件都开源的平台。运用 Arduino 开发板开发农业检测系统便利敏捷，在 Arduino 开发平台可以查询到其他开发者的代码，学习驾驭并运用在自己的设计中。(2) Arduino 平台运用的语言是基础 C 语言，所涉及的学问在高校课程所学的范围之内。2.2.3 农业环境监测系统社会环境可行性分析 中国作为一个农业大国，人均耕地面积少，要养活 14 亿人口，农业专家们主动探讨杂交水稻，提高农作物产量。农业检测系统能够实时收集农田温度、湿度、天气状况、土壤湿度、光照度等数据信息，监视农作物生长状况与周边环境状况。将传感器监测到的环境信息，作为农业智能管理的科学依据，总结出种植方案，科学种植，提高农产品产量，降低人力物力，节约种植成本，实现可持续发展。第3章系统硬件设计 整个农业监测系统的硬件设计部分由 Arduino UNO Rev3 开发板，光敏电阻传感器，MQ-2 烟雾气敏传感器，DHT11 温湿度传感器，RGB 三色 LED 模块，有源蜂鸣器，土壤湿度传感器，1602 LCD 液晶显示屏，雨滴检查传感器组成。各传感器采集到农作物周边的空气温度，光照度，空气湿度，土壤湿度等数据，以及监测空气中是否存在烟雾，是否下雨等信息，经过 Arduino 开发板处理之后，借助 USB 连接线连接到计算机，最终可以在串口监视器上望见各种数据。通过 1602 LCD液晶屏、RGB 三色 LED 和蜂鸣器等显示模块也能反映出传感器采集到的一些周边环境的数据信息。3.1 系统整体硬件设计 系统硬件部份所包含功能模块分别是：主控模块、温湿度显示模块、RGB 三色 LED警示灯模块、烟雾报警模块。系统整体设计框图如图 3-1 所示：图 3-1 系统整体设计框图 3.2 单片机主控模块 农业检测系统的主控模块是 Arduino UNO Rev3 开发板。Arduino UNO Rev3 开发板主要由 ATmaga328 单片机，各输入输出接口和其他相关的电路组成。本农业监测系统运用的 Arduino UNO 开发板上的模块有 ATmega328 单片机，单片机对传感器采集的数据处理，并且传递指令；USB 接口连接计算机，既可以为开发板供应电源，也能将数据传输到计算机并在串口监视器上显示；运用模拟输入口与数字I/O 接口连接各传感器，进行数据传输；运用供电接口与 GND 接口为各传感器供电。农业监测系统硬件设计所运用的 Arduino 引脚接线为：模拟输入口 A0 连接土壤湿度传感器 AO 引脚，A1 连接光照传感器的 AO 引脚，A4（SDA）和 A5（SCL）分别连接 1602 LCD 液晶屏的 SDA 和 SCL 引脚，数字 I/O 口的 6 个 PWM 引脚全部都运用在监测系统中，Digital 3 引脚连接有源蜂鸣器的 I/O 接口，Digital 5 连接雨滴检查传感器的 DO 引脚，Digital 6 引脚连接烟雾气敏传感器的 DO 引脚，Digital 9、Digital 10、Digital 11 三个引脚分别与 RGB 三色 LED 灯的 B 引脚、G 引脚和 R 引脚连接，DHT11温湿度传感器的 DATA 端口连接 Digital 4 引脚。主控模块接口示意图如图 3-2 所示，Arduino UNO 端口与 ATmega328 引脚对应图如图 3-3 所示。图 3-1 主控模块接口示意图 图 3-2Arduino UNO 端口与 ATmega328 引脚对应图 3.3 温湿度显示模块设计 3.3.1 温湿度测量模块设计 在本农业监测系统中选用 DHT11 温湿度传感器来进行对农作物周边环境的温湿度测量。该温湿度传感采纳单总线通信，传输给主控模块的数字信号是已经经过校准的，温湿度传感器能检测的温度范围为 0-50 摄氏度，误差为 2 摄氏度，相对湿度的检测范围为 20-90%，减小了传输过程中产生的误差。在温湿度测量模块设计中,运用到的库文件为<dht11.h>，温湿度传感器 VCC 引脚接 3.3V 电源，GND 引脚接地，NC 引脚悬空，I/O 引脚接入单片机的数字 I/O 口 Digital 4 引脚。并且给温湿度传感器添加了一个 5K 欧的上拉电阻，将输入端口的电平拉高，变成高电平，这样可以保持温湿度传感器的逻辑电平，也能确保在连接线较长时传输的数据不会出错。DHT11 温湿度测量模块设计如图 3-4 所示： 图 3-1 DHT11 温湿度测量模块设计图示 3.3.2 显示模块设计 1602 LCD 液晶显示屏模块运用的是 HD44780 液晶芯片。该液晶芯片内置了显示数据存储 RAM，字符存储 ROM 和用户自定义 RAM。字符存储 ROM 存放了固化好的字符，显示模块显示的字符可以在写入时先设置地址，然后干脆调用字符数据。显示模块设计将 HD44780 液晶芯片集成 IIC I/O 扩展芯片 PCA8574T，通过转接芯片将 16 个引脚转换成四个引脚，须要运用到的库文件为<LiquidCrystal_I2C.h>和<Wire.h>。PCF8574T 芯片采纳的是 7 位 I2C 地址，7 位 I2C 地址中的低 3 位从高到低分别为 A2、A1 和 A0，连接 HD44780 芯片的 E、RW 和 RS 三个引脚，该 3 位为地址选择位，本次设计中设置 LCD 的地址为 0x20。PCF8574T 芯片的 P4 到 P7 四个引脚连接 HD44780 芯片的 DB4 至 DB7 引脚，这四位为数据传输端口，先传输吩咐的高四位，在传输低四位，这样削减了单片机 5 个 I/O 接口。转接完成后，便能运用数据线 SDA和时钟线 SCL 两根双向信号线传输数据。显示模块的 VCC 引脚连接 5V 电源，GND 引脚接地，SDA 引脚接模拟输入口 A4，SCL 引脚连接模拟输入口 A5。1602 LCD 液晶显示屏模块引脚接线图如图 3-5 所示。 图 3-1 1602 LCD 液晶显示屏模块引脚接线图示 3.4 土壤检测警示模块设计 3.4.1 土壤湿度测量模块设计 土壤湿度传感器模块主要用来测量土壤相对含水量。土壤湿度传感器运用电阻法检测土壤水分，即依据土壤含水量的关系与土壤介质的电导率测量土壤水分。土壤湿度传感器的工作原理为：将土壤作为导电的介质，测量感应板两电极之间的电阻大小可以反映土壤的湿度。当土壤相对含水量少时，土壤导电性差，感应板之间电阻值变大；土壤相对含水量多时，土壤的导电性强，感应板之间电阻值变小。在土壤湿度测量模块设计中，土壤探头的负极接地，正极接一个上拉电阻和一个电源，目的是爱护电路。再从土壤探头正极连接至 LM393 芯片的+IN1 端口，目的是为了接收到土壤探头采集到的土壤湿度数据。LM393 芯片作为双电压比较器，土壤湿度数据经过 LM393 芯片内部电路之后，OUT1 口相当于传感器 DO 引脚，-IN1 相当于传感器 AO 引脚。土壤湿度传感器的 DO 引脚悬空，AO 引脚连接单片机的模拟输入 A0 端口。还接地时还运用了两个 100nF 电容，这样起到了滤波作用。土壤湿度传感器模块电路图如图 3-6 所示，LM393 芯片内部电路如图 3-7 所示。图 3-1 土壤湿度传感器模块电路图示图 3-2 LM393 内部电路图3.4.2 光照强度测量模块设计 光敏电阻传感器模块是基于半导体的光电效应的一种传感器，利用半导体的电阻值改变来检测光照强度。光敏电阻的电阻值会随着所接收到的光照的强度变强而减小，当接收到的光照减弱时，光敏电阻的电阻值则会增大。光敏电阻模块是由核心元器件可见光光敏电阻器，比较器的 LM393 芯片和相关电路组成的。光敏电阻传感器电路设计为：光敏电阻一端接地，另一端串联 10K 电阻再接入电源。LM393 芯片的+IN1 端口连接光敏电阻的电源端，以接收光敏传感器所采集的数据。光照值数据将从 LM939 芯片的-IN1 端口输出，通过单片机的模拟输入口 A0 传递给单片机，OUT1 引脚即 DO 引脚悬空。接地端的两个 100nF 电容也起到了滤波作用。光敏电阻传感器电路图如图 3-8 所示。图 3-1 光敏电阻传感器模块电路图图示图 3-2 雨滴检查传感器模块引脚接线图示3.4.3 雨滴检查模块设计 雨滴检查传感器模块是一个模拟（数字）输入模块，也叫雨水、雨量传感器，可用来测量各种天气状况，推断是否下雨并可以测量降雨量。雨滴检查传感器电路设计与土壤湿度传感器电路设计一样。雨滴传感器的感应板一端接地，一端接一个加了上拉电阻的电源 VCC。同样的 LM393 芯片的+IN1 引脚与雨滴传感器的正极相连接，传感器感应板上采集到的数据通过 LM393 芯片，传送至单片机数字 I/O 端口 Digital 5。滤波电容为电路图中的 C5 和 C6。雨滴检查传感器模块电路图如图 3-9 所示。3.4.4 RGB 三色 LED 灯模块设计 RGB 三色 LED 灯模块可以调整三种基色红色、蓝色、绿色三原色的强度，借助 R引脚、G 引脚和 B 引脚 三个引脚的 PWM（Pulse width modulation），也就是脉冲宽度调制技术的电压输入，从而使 LED 灯呈现出五彩缤纷的混色效果。RGB 三色 LED 灯的工作电压为 5V，LED 驱动模式的是共阴驱动。在 RGB LED 灯设计中，红绿蓝三个发光二极管并联，负极接地，正极各串联一个10K 电阻，其目的是为了降低电压确保发光二极管能正常工作。红色发光二极管连接单片机数字 I/O 引脚 Digital 11，绿色发光二极管连接单片机数字 I/O 引脚 Digital 10，蓝色发光二极管连接单片机数字 I/O 引脚 Digital 9。RGB LED 灯接线图如图 3-10 所示。图 3-1 RGB LED 灯接线图示3.5 烟雾报警模块 3.5.1 蜂鸣器模块设计 在蜂鸣器模块设计中，蜂鸣器的负极接地，在电路中添加一个三极管，以增加通过有源蜂鸣器的电流。蜂鸣器的正极与三极管放射极相连，三极管的集电极接入电源，基极串联一个 10K 的电阻之后与单片机数字 I/O 引脚 Digital 3 连接，传输单片机发送的电平信号。当蜂鸣器接收到高电平常，蜂鸣器不发出声音；当蜂鸣器接收到低电平常，蜂鸣器鸣叫。蜂鸣器模块接线图如图 3-11 所示。图 3-11 有源蜂鸣器模块引脚接线图示 3.5.2 烟雾气敏模块设计 烟雾气敏传感器的工作原理为：当 MQ-2 烟雾气敏传感器所处的环境中存在烟雾时，烟雾气敏传感器的电导率随着空气中烟雾浓度的改变而改变，当烟雾浓度增大时，传感器的电导率随之变大，输出电阻降低；反之，传感器导电率随烟雾浓度降低而减小，则输出的电阻值变大。运用烟雾气敏传感器之前，须要将传感器加热 20 秒，延时等待 20 秒之后，传感器才能正确输出数据。烟雾气敏模块设计为：MQ-2 模块的 1、3、5 引脚接入电源 VCC，引脚 2 接地，引脚 4 和 6 并联。该并联电路另一端分为两条电路，一条电路相当于 MQ-2 烟雾气敏传感器的 AO 引脚，AO 悬空。另一条接入一个放大器的负极，放大器的输出端口相当于 MQ-2 烟雾气敏传感器的 DO 引脚，DO 引脚接单片机的数字 I/O 引脚 Digital 6，即MQ-2 烟雾气敏传感器向单片机传输凹凸电平。烟雾报警模块电路图如图 3-12 所示。图 3-12 烟雾气敏模块引脚接线图示第 4 章系统软件设计 4.1 总体限制流程 以 Arduio UNO R3 开发板（ATmega328 单片机）为限