基于ATxmega128A1的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

溫室又稱暖房，在環(huán)境參數(shù)恒定的溫室里培養(yǎng)植物，能為植物提供更合適的生長環(huán)境。

溫室包括栽種槽、供水系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)等。要實現(xiàn)溫濕度等理化指標(biāo)的調(diào)控，必須先獲得當(dāng)前環(huán)境的各項理化指標(biāo)參數(shù)。因此，可在溫室中的各個分布點放置環(huán)境的各項理化指標(biāo)參數(shù)的采樣模塊，根據(jù)當(dāng)前各項理化指標(biāo)參數(shù)及預(yù)先設(shè)定的各項理化指標(biāo)的閾值，利用繼電器控制外部設(shè)備的開關(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(biāo)。

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(tǒng)、4個SPI接口、4個I2C口、8個16位定時/計數(shù)器、2個16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個2路12位D/A轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及可靠性。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所設(shè)計的溫室環(huán)境檢測儀，要求可以對溫室內(nèi)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(jiān)測點的環(huán)境參數(shù)，其設(shè)計框圖如圖1所示。

各個傳感器模塊把被測的非電量轉(zhuǎn)換為可測量的電壓值或數(shù)據(jù)，ATxmega128A1微控制器根據(jù)各個傳感器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與其通信，獲取各個傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)，并將環(huán)境參數(shù)傳輸至儲存器中進行數(shù)據(jù)處理，最終獲得當(dāng)前溫室環(huán)境的各項理化指標(biāo)參數(shù)。

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。另外，傳感器模塊的線性度、靈敏度、遲滯性、重復(fù)性、漂移等靜態(tài)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(yīng)快的特性，使溫室環(huán)境檢測儀在溫室環(huán)境參數(shù)失調(diào)時能及時檢測出溫室環(huán)境參數(shù)的變化并輸送給控制電路進行調(diào)整，從而使溫室環(huán)境穩(wěn)定，維持農(nóng)作物生長所需的最適宜的環(huán)境參數(shù)。

4.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路由ATxmega128A1最小系統(tǒng)、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(tǒng)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(biāo)定的數(shù)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(nèi)集成有14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強和極高的性價比等優(yōu)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(nèi)部含有已校準(zhǔn)數(shù)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(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一模塊上實現(xiàn)無縫連接。其結(jié)構(gòu)大致與土壤溫濕度傳感器模塊電路相同，但兩種模塊應(yīng)用場合不同。