桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 易 藝 于新業(yè) 竇文淼

基于XMEGA的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 易 藝 于新業(yè) 竇文淼

現(xiàn)代家庭生活中，室內(nèi)居住環(huán)境的好壞越來(lái)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(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)方案，該方案采用低功耗設(shè)計(jì)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(jī)交互界面。經(jīng)過(guò)在ATMEL公司的ATXmega128A1芯片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)方便實(shí)用，可靠性強(qiáng)，并且參數(shù)精度較高，達(dá)到預(yù)期效果。

室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)；ATXmega128A1；甲醛；苯；溫度；濕度

1.引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，居室裝修及家具更新越來(lái)越普遍，室內(nèi)裝修和大量使用各種合成板材制作的家具，使室內(nèi)空氣中以甲醛、苯等揮發(fā)性有機(jī)物為代表的化學(xué)性物質(zhì)的污染成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。室內(nèi)裝修、裝飾后造成的環(huán)境污染已經(jīng)影響到人們的身心健康，甚至嚴(yán)重地危害人類的健康和生存[2]。因此，本論文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用，性能可靠的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀，對(duì)提醒人們及時(shí)改善居住環(huán)境條件、保護(hù)人們身體健康具有重要的意義。

2.ATXMEGA128A1簡(jiǎn)介

ATxmega128A1是ATMEL公司推出的強(qiáng)化性能的8位AVR微控制器。它采用第二代picoPower技術(shù)，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(gè)16路12位的A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)2路12位的D/A轉(zhuǎn)換器、4路模擬比較器、4通道DMA控制器、8通道事件系統(tǒng)、4個(gè)SPI接口、4個(gè)IIC接口、8個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)RTC和1個(gè)AES加密引擎，全部都無(wú)需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統(tǒng)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(dá)到32MI/s[3]。

表1 溫度測(cè)量

表2 濕度測(cè)量

表3 甲醛氣體濃度測(cè)量

室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀采用ATxmega128A1作為核心微控制器，使得整個(gè)系統(tǒng)外圍器件大大減少，在降低成本的同時(shí)又提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

本文所設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀，要求一方面可用于檢測(cè)室內(nèi)空氣中的甲醛、苯等有害氣體，另一方面可用于測(cè)量室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，并具有時(shí)鐘的功能。因此，室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，在室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中，采用了甲醛傳感器模塊和苯傳感器模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)主要有害氣體的含量，并將檢測(cè)到的氣體濃度轉(zhuǎn)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(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的氣體濃度值，接著根據(jù)國(guó)家對(duì)室內(nèi)氣體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)決定檢測(cè)的氣體濃度是否超標(biāo)，如果超標(biāo)，發(fā)出報(bào)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(lái)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，給居住者作為參考。

4.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由ATxmega128A1最小系統(tǒng)、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(bào)警電路、SD卡模塊電路和系統(tǒng)電源模塊電路組成。下面僅對(duì)部分電路模塊進(jìn)行介紹。

4.1 苯傳感器模塊電路

測(cè)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(dǎo)率較低的SnO2。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。電路如圖2所示，電阻R2用來(lái)調(diào)節(jié)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(chǎng)效應(yīng)管SST177和運(yùn)放OP296、OP90組成。電路如圖3所示，其功能為將室內(nèi)環(huán)境中HCHO氣體的濃度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的變化，并將該信號(hào)進(jìn)行放大輸出，從而將對(duì)HCHO氣體濃度的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)電壓的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)，確保溫、濕度的顯示有對(duì)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(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源和地的引腳(VCC，GND)之間增加一個(gè)100nF的電容，用來(lái)退耦。電路如圖4所示。

4.4 鍵盤與顯示模塊、聲光報(bào)警電路

鍵盤與顯示模塊是用戶與環(huán)境檢測(cè)儀進(jìn)行信息交流的模塊，鍵盤電路由3個(gè)小按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，聲光報(bào)警電路由高亮的發(fā)光二極管、三極管和蜂鳴器組成。

5.氣體傳感器的標(biāo)定

為使室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，本文對(duì)HCHO傳感器和苯傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定。原理是將已知濃度的被測(cè)氣體輸入待標(biāo)定的傳感器，用萬(wàn)用表測(cè)量傳感器變送模塊的輸出電壓。對(duì)所獲得的傳感器輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，得到表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，找出它們關(guān)系方程并寫入程序中。

6.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)主要包括按鍵掃描程序設(shè)計(jì)、Nokia5110顯示程序的設(shè)計(jì)、A/D程序的設(shè)計(jì)、SD卡的讀/寫程序的設(shè)計(jì)以及溫、濕度傳感器的單總線程序的設(shè)計(jì)。下面僅給出系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程圖，如圖5所示[6-7]。

7.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

表1、表2和表3分別給出了溫度、濕度和甲醛的測(cè)試數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)可知，該環(huán)境檢測(cè)儀的測(cè)量精度較高。

8.結(jié)論

環(huán)境監(jiān)測(cè)中的甲醛和苯測(cè)定主要方法是吸收與化學(xué)滴定，難以進(jìn)入民用領(lǐng)域。對(duì)于室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，該室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器測(cè)量結(jié)果較精確，基本滿足環(huán)境參數(shù)檢測(cè)的要求。另外該檢測(cè)儀的微控制器還有空余通道，可加裝其它傳感器，如燃?xì)鈧鞲衅鞯?，以擴(kuò)大其使用功能。

[1]陳宇煉,沙春霞,張靜等.室內(nèi)空氣中主要揮發(fā)性有機(jī)物污染狀況調(diào)查[J].中國(guó)衛(wèi)生監(jiān)督雜志,2002,9(2):84.

[2]譚和平,馬天,方正等.室內(nèi)揮發(fā)性有害有機(jī)物限量標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),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(cè)儀設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)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(hào)調(diào)理技術(shù)[M],北京:機(jī)械工業(yè)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(zhì)分析儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(6):167-169.

[7]蔡冬霞.基于單片機(jī)的環(huán)境檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2012,03:84-85.

本文為桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院院內(nèi)科研項(xiàng)目：《智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的研究成果（項(xiàng)目號(hào)：桂電信科B201105）。

易藝（1983—），男，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)供職于桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，主要研究方向：智能儀器系統(tǒng)。

于新業(yè)（1979—），男，碩士，講師，現(xiàn)供職于桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，主要研究方向：模式識(shí)別與智能控制。

竇文淼（1984—），女，學(xué)士，助教，現(xiàn)供職于桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，主要研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器。