基于XMEGA的室內環境檢測儀的設計

桂林電子科技大學信息科技學院 易 藝 于新業 竇文淼

基于XMEGA的室內環境檢測儀的設計

桂林電子科技大學信息科技學院 易 藝 于新業 竇文淼

現代家庭生活中，室內居住環境的好壞越來越受到人們的重視。本文提出了一種基于XMEGA微控制器為核心的室內環境檢測儀的實現方案，該方案采用低功耗設計芯片，在控制器外圍接上溫度、濕度、HCHO（甲醛）和苯等傳感器模塊，并配有液晶顯示和鍵盤操作等人機交互界面。經過在ATMEL公司的ATXmega128A1芯片上進行實驗，結果證明了該設計方便實用，可靠性強，并且參數精度較高，達到預期效果。

室內環境檢測；ATXmega128A1；甲醛；苯；溫度；濕度

1.引言

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，居室裝修及家具更新越來越普遍，室內裝修和大量使用各種合成板材制作的家具，使室內空氣中以甲醛、苯等揮發性有機物為代表的化學性物質的污染成為人們關注的焦點[1]。室內裝修、裝飾后造成的環境污染已經影響到人們的身心健康，甚至嚴重地危害人類的健康和生存[2]。因此，本論文設計和實現了一種簡單實用，性能可靠的室內環境檢測儀，對提醒人們及時改善居住環境條件、保護人們身體健康具有重要的意義。

2.ATXMEGA128A1簡介

ATxmega128A1是ATMEL公司推出的強化性能的8位AVR微控制器。它采用第二代picoPower技術，是唯一真正使用1.6V工作電壓的閃存微控制器。該器件功耗超低，并擁有豐富的片上資源：2個16路12位的A/D轉換器、2個2路12位的D/A轉換器、4路模擬比較器、4通道DMA控制器、8通道事件系統、4個SPI接口、4個IIC接口、8個16位定時/計數器、1個RTC和1個AES加密引擎，全部都無需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統性能。ATxmega128A1微控制器的閃存容量為128KB，采用100引腳的貼片封裝，工作電壓為1.6～3.6V，32MHz頻率下處理性能可達到32MI/s[3]。

表1 溫度測量

表2 濕度測量

表3 甲醛氣體濃度測量

室內環境檢測儀采用ATxmega128A1作為核心微控制器，使得整個系統外圍器件大大減少，在降低成本的同時又提高了系統安全性和可靠性。

3.系統總體設計

圖2 苯傳感器模塊電路

圖3 甲醛傳感器模塊電路

圖4 溫、濕度傳感器的模塊電路

圖5 系統軟件設計流程圖

本文所設計的室內環境檢測儀，要求一方面可用于檢測室內空氣中的甲醛、苯等有害氣體，另一方面可用于測量室內環境的溫度和濕度，并具有時鐘的功能。因此，室內環境檢測儀的系統總體設計框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，在室內環境檢測系統中，采用了甲醛傳感器模塊和苯傳感器模塊實時監測室內主要有害氣體的含量，并將檢測到的氣體濃度轉換為0～3.3V的電壓值，然后送給ATxmega128A1微控制器片上的12位AD進行采集，并進行數據處理，得到相應的氣體濃度值，接著根據國家對室內氣體相關標準，來決定檢測的氣體濃度是否超標，如果超標，發出報警，并顯示在液晶屏上，讓居住者防范于未然。溫、濕度傳感器模塊用來檢測室內環境的溫度和濕度，給居住者作為參考。

4.系統硬件電路設計

系統硬件電路由ATxmega128A1最小系統、苯傳感器模塊電路、甲醛傳感器模塊電路、溫濕度傳感器模塊電路、鍵盤與顯示電路、聲光報警電路、SD卡模塊電路和系統電源模塊電路組成。下面僅對部分電路模塊進行介紹。

4.1 苯傳感器模塊電路

測量空氣中苯的傳感器為MQ135傳感器，該傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的SnO2。當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。電路如圖2所示，電阻R2用來調節輸出的靈敏度。

4.2 甲醛傳感器模塊電路

甲醛傳感器的模塊由HCHO傳感器(CH2O/S-10)[4]、場效應管SST177和運放OP296、OP90組成。電路如圖3所示，其功能為將室內環境中HCHO氣體的濃度變化轉變為電壓信號的變化，并將該信號進行放大輸出，從而將對HCHO氣體濃度的測量轉變為對電壓的測量，實現非電量到電量的轉變[5]。

4.3 溫、濕度傳感器模塊電路

溫、濕度傳感器的模塊電路采用DHT11溫、濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器來實現，確保溫、濕度的顯示有對比性和精確性。DHT11的供電電壓為3V～5.5V。傳感器上電后，要等待1s以越過不穩定狀態，在此期間無需發送任何指令。電源和地的引腳(VCC，GND)之間增加一個100nF的電容，用來退耦。電路如圖4所示。

4.4 鍵盤與顯示模塊、聲光報警電路

鍵盤與顯示模塊是用戶與環境檢測儀進行信息交流的模塊，鍵盤電路由3個小按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，聲光報警電路由高亮的發光二極管、三極管和蜂鳴器組成。

5.氣體傳感器的標定

為使室內環境檢測儀達到預期的性能指標，本文對HCHO傳感器和苯傳感器進行了靜態標定。原理是將已知濃度的被測氣體輸入待標定的傳感器，用萬用表測量傳感器變送模塊的輸出電壓。對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較，得到表征兩者對應關系的標定曲線，找出它們關系方程并寫入程序中。

6.系統軟件設計

室內環境檢測儀軟件設計主要包括按鍵掃描程序設計、Nokia5110顯示程序的設計、A/D程序的設計、SD卡的讀/寫程序的設計以及溫、濕度傳感器的單總線程序的設計。下面僅給出系統軟件設計總流程圖，如圖5所示[6-7]。

7.實驗測試

表1、表2和表3分別給出了溫度、濕度和甲醛的測試數據，其中T為溫度，H為濕度，甲醛氣體濃度的單位為PPM。從表1、表2和表3的數據可知，該環境檢測儀的測量精度較高。

8.結論

環境監測中的甲醛和苯測定主要方法是吸收與化學滴定，難以進入民用領域。對于室內的環境監測，該室內環境檢測儀操作簡單，方便實用。實驗結果表明，該儀器測量結果較精確，基本滿足環境參數檢測的要求。另外該檢測儀的微控制器還有空余通道，可加裝其它傳感器，如燃氣傳感器等，以擴大其使用功能。

[1]陳宇煉,沙春霞,張靜等.室內空氣中主要揮發性有機物污染狀況調查[J].中國衛生監督雜志,2002,9(2):84.

[2]譚和平,馬天,方正等.室內揮發性有害有機物限量標準研究[J].中國測試技術,2006,32(5):8-10.

[3]8-bit Atmel XMEGA AU Microcontroller XMEGA AU MANUAL.pdf.http://www.atmel.com.

[4]葛化敏,葉小嶺.基于MSP430F449的甲醛檢測儀設計[J].工業儀表與自動化裝置,2009,03:97-99.

[5]徐湘元,王萍,田慧欣編著.傳感器及其信號調理技術[M],北京:機械工業出版社,2012.

[6]王顥,王芳群,吳琴,王宜用.基于XMEGA的便攜式電解質分析儀的設計[J].電子設計工程,2010,18(6):167-169.

[7]蔡冬霞.基于單片機的環境檢測儀設計[J].工礦自動化,2012,03:84-85.

本文為桂林電子科技大學信息科技學院院內科研項目：《智能家居系統設計》的研究成果（項目號：桂電信科B201105）。

易藝（1983—），男，學士，實驗師，現供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：智能儀器系統。

于新業（1979—），男，碩士，講師，現供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：模式識別與智能控制。

竇文淼（1984—），女，學士，助教，現供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：測控技術與儀器。