基于XMEGA的溫室環(huán)境檢測系統的方案

　　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(shí)現溫濕度等理化指標的調控，必須先獲得當前環(huán)境的各項理化指標參數。因此，可在溫室中的各個(gè)分布點(diǎn)放置環(huán)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(kāi)關(guān)，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。

1.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(gè)SPI接口、4個(gè)I2C口、 8個(gè)16位定時(shí)/計數器、2個(gè)16路12位A/D轉換器、2個(gè)2路12位D/A轉換器、1個(gè)AES加密引擎、1個(gè)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(jiǎn)化，同時(shí)又提高了系統的穩定性、安全性及可靠性。

2.系統總體設計

　　本文所設計的溫室環(huán)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(jìn)行采樣，并用液晶屏顯示各個(gè)監測點(diǎn)的環(huán)境參數，其設計框圖如圖1所示。

　　各個(gè)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(gè)傳感器的數據傳輸協(xié)議與其通信，獲取各個(gè)傳感器檢測到的環(huán)境參數，并將環(huán)境參數傳輸至儲存器中進(jìn)行數據處理，最終獲得當前溫室環(huán)境的各項理化指標參數。

　　溫室環(huán)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(huán)境檢測儀具有功耗低的特點(diǎn)。另外，傳感器模塊的線(xiàn)性度、靈敏度、遲滯性、重復性、漂移等靜態(tài)特性良好，能夠滿(mǎn)各種溫室場(chǎng)合。溫濕度傳感器具有瞬時(shí)響應快的特性，使溫室環(huán)境檢測儀在溫室環(huán)境參數失調時(shí)能及時(shí)檢測出溫室環(huán)境參數的變化并輸送給控制電路進(jìn)行調整，從而使溫室環(huán)境穩定，維持農作物生長(cháng)所需的最適宜的環(huán)境參數。

3.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。

3.1 土壤溫濕度傳感器模塊

　　采用SLHT5土壤溫濕度采樣模塊來(lái)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(lái)，輸出全標定的數字信號。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)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?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 空氣溫濕度傳感器模塊

　　采用SHT75空氣溫濕度采樣模塊來(lái)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(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位A/D轉換器以及串行接口電路在同一模塊上實(shí)現無(wú)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(chǎng)合不同。

3.3 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(huán)境參數超過(guò)閾值時(shí)，DOUT引腳輸出低電平。模塊亦可在A(yíng)OUT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(cháng)、穩定性好的優(yōu)點(diǎn)。模塊內部帶有溫度補償輸出，當環(huán)境溫度變化時(shí)，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(guò)程序補償該溫度變化量，使探頭能更有效的檢測。

3.4 光照強度傳感器模塊

　　采用BH1750光強采樣模塊來(lái)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(lài)性不大，具有測量范圍寬（1~65535勒克斯）和高分解的特點(diǎn)。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(xiàn)接口，因此無(wú)需任何外部器件即可實(shí)現實(shí)時(shí)的光照強度采樣。

3.5 鍵盤(pán)顯示、報警、電源模塊鍵盤(pán)與顯示模塊

鍵盤(pán)顯示、報警、電源模塊鍵盤(pán)與顯示模塊是用戶(hù)與溫室環(huán)境檢測儀進(jìn)行信息交流的模塊，鍵盤(pán)由多個(gè)按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，報警電路則由發(fā)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。

4.系統軟件設計

　　溫室環(huán)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(jìn)行處理并送液晶顯示，再判斷是否偏離預先設定的閾值，沒(méi)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(jìn)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(huán)境參數的穩定。

5.結論

　　溫室環(huán)境所需控制的理化指標眾多，為了能實(shí)現自動(dòng)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(shí)現的溫室環(huán)境檢測儀，先采樣溫室環(huán)境參數，然后根據設定的閾值判斷是否超標或過(guò)低，從而控制外部設備的開(kāi)關(guān)，實(shí)現平衡溫室各項理化指標參數，使溫室環(huán)境參數維持穩定。經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，該設計方案達到溫室環(huán)境參數檢測的要求。