基于XMEGA的溫室環境檢測儀的設計

【摘要】傳統溫室環境檢測儀存在檢測的環境參數種類少、檢測精度低等缺陷。為了滿足溫室的環境檢測需求，本文提出了一種采用ATMEL公司的XMEGA系列單片機作為控制器，結合傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊等模塊電路建立溫室環境檢測系統的方案。經實驗證明，該方案具有檢測精度高、響應快、節能等特點，能很好的滿足溫室環境檢測的需求。

【關鍵詞】XMEGA；溫室環境檢測儀；溫濕度；光照度；二氧化碳濃度

1.引言

溫室又稱暖房，在環境參數恒定的溫室里培養植物，能為植物提供更合適的生長環境。溫室包括栽種槽、供水系統、溫控系統、輔助照明系統、濕度控制系統等。要實現溫濕度等理化指標的調控，必須先獲得當前環境的各項理化指標參數。因此，可在溫室中的各個分布點放置環境的各項理化指標參數的采樣模塊，根據當前各項理化指標參數及預先設定的各項理化指標的閾值，利用繼電器控制外部設備的開關，則可使溫室維持恒定的土壤溫濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等理化指標。

2.ATxmega128A1介紹

ATxmega128A1是ATMEL公司推出的強化性能的8位AVR微處理器。其具有128KB閃存，工作電壓為1.6～3.6V，是目前唯一使用1.6V電壓工作的閃存微處理器，功耗超低且具有豐富的片上資源：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I2C口、8個16位定時/計數器、2個16路12位A/D轉換器、2個2路12位D/A轉換器、1個AES加密引擎、1個RTC，以上資源均不用CPU資源，可最大限度提高系統性能且降低功耗，最高可達32MI/s的處理性能。由于其豐富的片上資源，使得外圍電路得到極大的簡化，同時又提高了系統的穩定性、安全性及可靠性。

3.系統總體設計

本文所設計的溫室環境檢測儀，要求可以對溫室內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、空氣二氧化碳濃度、光照強度進行采樣，并用液晶屏顯示各個監測點的環境參數，其設計框圖如圖1所示。

各個傳感器模塊把被測的非電量轉換為可測量的電壓值或數據，ATxmega128A1微控制器根據各個傳感器的數據傳輸協議與其通信，獲取各個傳感器檢測到的環境參數，并將環境參數傳輸至儲存器中進行數據處理，最終獲得當前溫室環境的各項理化指標參數。

溫室環境檢測儀采用了低功耗的的微控制器ATxmega128A1、傳感器模塊以及低功耗的器件，因此該溫室環境檢測儀具有功耗低的特點。另外，傳感器模塊的線性度、靈敏度、遲滯性、重復性、漂移等靜態特性良好，能夠滿各種溫室場合。溫濕度傳感器具有瞬時響應快的特性，使溫室環境檢測儀在溫室環境參數失調時能及時檢測出溫室環境參數的變化并輸送給控制電路進行調整，從而使溫室環境穩定，維持農作物生長所需的最適宜的環境參數。

4.系統硬件電路設計

系統硬件電路由ATxmega128A1最小系統、土壤溫濕度傳感器模塊電路、空氣溫濕度傳感器模塊電路、空氣二氧化碳濃度傳感器模塊電路、光照強度傳感器模塊電路、按鍵顯示模塊電路、報警模塊電路和系統電源模塊電路組成。

4.1 土壤溫濕度傳感器模塊

采用SLHT5土壤溫濕度采樣模塊來測量土壤的溫度及相對濕度，其硬件接口電路如圖2（a）所示。該傳感器模塊把傳感元件與信號處理電路集成起來，輸出全標定的數字信號。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個能隙材料制成的測溫元件，并在模塊內集成有14位A/D轉換器以及串行接口電路，具有超快響應、抗干擾能力強和極高的性價比等優點。

4.2 空氣溫濕度傳感器模塊

采用SHT75空氣溫濕度采樣模塊來測量空氣的溫度及相對濕度，其硬件接口電路如圖2（b）所示。模塊內部含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。其中包含有一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位A/D轉換器以及串行接口電路在同一模塊上實現無縫連接。其結構大致與土壤溫濕度傳感器模塊電路相同，但兩種模塊應用場合不同。

4.3 空氣二氧化碳濃度傳感器模塊

采用MG811二氧化碳感應探頭作為敏感元件，其硬件接口電路如圖2（c）所示。模塊可設定閾值，當環境參數超過閾值時，DOUT引腳輸出低電平。模塊亦可在AOUT引腳輸出模擬電壓，根據電壓大小查表即可得知當前空氣二氧化碳濃度參數。測量范圍為0～10000ppm。

MG811二氧化碳傳感器具有靈敏度高、選擇性良好、使用壽命長、穩定性好的優點。模塊內部帶有溫度補償輸出，當環境溫度變化時，輸出電壓信號變化，溫度變化量轉換為對應電壓輸出變化量，從而通過程序補償該溫度變化量，使探頭能更有效的檢測。

4.4 光照強度傳感器模塊

采用BH1750光強采樣模塊來測量光照強度，其硬件接口電路如圖2（d）所示。該模塊光譜范圍與人眼相近，對光源依賴性不大，具有測量范圍寬（1～65535勒克斯）和高分解的特點。內部帶有1.8V電壓的邏輯輸入接口，照度數字轉換器，I2C總線接口，因此無需任何外部器件即可實現實時的光照強度采樣。

4.5 鍵盤顯示、報警、電源模塊

鍵盤與顯示模塊是用戶與溫室環境檢測儀進行信息交流的模塊，鍵盤由多個按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，報警電路則由發光二極管、三極管、蜂鳴器組成，其硬件電路如圖3所示。電源模塊采用穩壓芯片使蓄電池電壓轉化成所需要的供電電壓，其硬件電路如圖4所示。

5.系統軟件設計

溫室環境檢測儀軟件設計主要包括按鍵掃描設計、Nokia5110顯示程序的設計、I2C通信接口設計。系統軟件設計總流程如圖5所示。數據采樣成功后進行處理并送液晶顯示，再判斷是否偏離預先設定的閾值，若沒偏離，則繼續采樣，若偏離則控制外部設備如供水、溫控、照明、濕度控制等系統進行適量的調控，直至采樣數據回到閾值之內，則達到檢測的目的，從而維持溫室環境參數的穩定。

6.結論

溫室環境所需控制的理化指標眾多，為了能實現自動控制這些理化指標并使多項理化指標測量一體化，采用單片機及傳感器實現的溫室環境檢測儀，先采樣溫室環境參數，然后根據設定的閾值判斷是否超標或過低，從而控制外部設備的開關，實現平衡溫室各項理化指標參數，使溫室環境參數維持穩定。經過實驗驗證，該設計方案達到溫室環境參數檢測的要求。

參考文獻

[1]易藝，于新業，竇文淼.基于XMEGA的室內環境檢測儀設計[J].電子世界，2012（18）：105-106.

[2]周益馳，習友寶.基于XMEGA的便攜式儀表設計[J].電子世界，2013（4）：119-120.

[3]洪利，呂敬偉，楊強生，陳仲錢.AVRXMEGA高性能單片機開發及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[4]魏學業.傳感器技術與應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2013.

作者簡介：

朱詠筠（1992—），男，現就讀于桂林電子科技大學信息科技學院電子信息科學與技術專業。

郝建衛（1956—），男，高級實驗師，指導教師，現供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：電視技術、電源技術。

易藝（1983—），男，學士，實驗師，指導教師，現供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：測試計量技術及儀器、儀器儀表。

郭鑫（1992—），男，現就讀于桂林電子科技大學信息科技學院電子信息工程專業。

王萌萌（1990—），男，現就讀于桂林電子科技大學信息科技學院測控技術與儀器專業。