基于XMEGA的室内环境检测仪的设计

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【摘 要】现代家庭生活中,室内居住环境的好坏越来越受到人们的重视.本文提出了一种基于XMEGA微控制器为核心的室内环境检测仪的实现方案,该方案采用低功耗设计芯片,在控制器接上温度、湿度、HCHO（甲醛）和苯等传感器模块,并配有液晶显示和键盘操作等人机交互界面.经过在ATMEL公司的ATXmega128A1芯片上进行实验,结果证明了该设计方便实用,可靠性强,并且参数精度较高,达到预期效果.

【关 键 词】室内环境检测；ATXmega128A1；甲醛；苯；温度；湿度

1.引言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,居室装修及家具更新越来越普遍,室内装修和大量使用各种合成板材制作的家具,使室内空气中以甲醛、苯等挥发性有机物为代表的化学性物质的污染成为人们关注的焦点[1].室内装修、装饰后造成的环境污染已经影响到人们的身心健康,甚至严重地危害人类的健康和生存[2].因此,本论文设计和实现了一种简单实用,性能可靠的室内环境检测仪,对提醒人们及时改善居住环境条件、保护人们身体健康具有重要的意义.

2.ATXMEGA128A1简介

ATxmega128A1是ATMEL公司推出的强化性能的8位R微控制器.它采用第二代picoPower技术,是唯一真正使用1.6V工作电压的闪存微控制器.该器件功耗超低,并拥有丰富的片上资源：2个16路12位的A/D转换器、2个2路12位的D/A转换器、4路模拟比较器、4通道DMA控制器、8通道事件系统、4个SPI接口、4个IIC接口、8个16位定时/计数器、1个RTC和1个AES加密引擎,全部都无需占用CPU资源,能够最大限度减少功耗和提高系统性能.ATxmega128A1微控制器的闪存容量为128KB,采用100引脚的贴片封装,工作电压为1.6～3.6V,32MHz频率下处理性能可达到32MI/s[3].

室内环境检测仪采用ATxmega128A1作为核心微控制器,使得整个系统器件大大减少,在降低成本的同时又提高了系统安全性和可靠性.

3.系统总体设计

本文所设计的室内环境检测仪,要求一方面可用于检测室内空气中的甲醛、苯等有害气体,另一方面可用于测量室内环境的温度和湿度,并具有时钟的功能.因此,室内环境检测仪的系统总体设计框图如图1所示.从图1中可以看出,在室内环境检测系统中,采用了甲醛传感器模块和苯传感器模块实时监测室内主要有害气体的含量,并将检测到的气体浓度转换为0～3.3V的电压值,然后送给ATxmega128A1微控制器片上的12位AD进行采集,并进行数据处理,得到相应的气体浓度值,接着根据国家对室内气体相关标准,来决定检测的气体浓度是否超标,如果超标,发出报警,并显示在液晶屏上,让居住者防范于未然.温、湿度传感器模块用来检测室内环境的温度和湿度,给居住者作为参考.

4.系统硬件电路设计

系统硬件电路由ATxmega128A1最小系统、苯传感器模块电路、甲醛传感器模块电路、温湿度传感器模块电路、键盘与显示电路、声光报警电路、SD卡模块电路和系统电源模块电路组成.下面仅对部分电路模块进行介绍.

4.1苯传感器模块电路

测量空气中苯的传感器为MQ135传感器,该传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2.当传感器所处环境中存在污染气体时,传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大.使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号.电路如图2所示,电阻R2用来调节输出的灵敏度.

4.2甲醛传感器模块电路

甲醛传感器的模块由HCHO传感器（CH2O/S—10）[4]、场效应管SST177和运放OP296、OP90组成.电路如图3所示,其功能为将室内环境中HCHO气体的浓度变化转变为电压信号的变化,并将该信号进行放大输出,从而将对HCHO气体浓度的测量转变为对电压的测量,实现非电量到电量的转变[5].

4.3温、湿度传感器模块电路

温、湿度传感器的模块电路采用DHT11温、湿度传感器和DS18B20温度传感器来实现,确保温、湿度的显示有对比性和精确性.DHT11的供电电压为3V～5.5V.传感器上电后,要等待1s以越过不稳定状态,在此期间无需发送任何指令.电源和地的引脚（VCC,GND）之间增加一个100nF的电容,用来退耦.电路如图4所示.

4.4键盘与显示模块、声光报警电路

键盘与显示模块是用户与环境检测仪进行信息交流的模块,键盘电路由3个小按键组成,显示电路采用Nokia5110液晶显示模块,声光报警电路由高亮的发光二极管、三极管和蜂鸣器组成.

5.气体传感器的标定

为使室内环境检测仪达到预期的性能指标,本文对HCHO传感器和苯传感器进行了静态标定.原理是将已知浓度的被测气体输入待标定的传感器,用万用表测量传感器变送模块的输出电压.对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较,得到表征两者对应关系的标定曲线,找出它们关系方程并写入程序中.

6.系统软件设计

室内环境检测仪软件设计主要包括按键扫描程序设计、Nokia5110显示程序的设计、A/D程序的设计、SD卡的读/写程序的设计以及温、湿度传感器的单总线程序的设计.下面仅给出系统软件设计总流程图,如图5所示[6—7].

7.实验测试

表1、表2和表3分别给出了温度、湿度和甲醛的测试数据,其中T为温度,H为湿度,甲醛气体浓度的单位为PPM.从表1、表2和表3的数据可知,该环境检测仪的测量精度较高.

8.结论

环境监测中的甲醛和苯测定主要方法是吸收与化学滴定,难以进入民用领域.对于室内的环境监测,该室内环境检测仪操作简单,方便实用.实验结果表明,该仪器测量结果较精确,基本满足环境参数检测的要求.另外该检测仪的微控制器还有空余通道,可加装其它传感器,如燃气传感器等,以扩大其使用功能.