狄新宇， 唐梓芯， 莊子龍， 謝 超*

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

馬尾松是我國(guó)亞熱帶地區(qū)造林的先鋒樹(shù)種之一，面積約0.08 億hm2，其生長(zhǎng)迅速，木材產(chǎn)量高，而且板材質(zhì)量較好，是優(yōu)質(zhì)的建筑、工業(yè)生產(chǎn)原材料，在市場(chǎng)上很受歡迎[1-2]。 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)馬尾松生長(zhǎng)進(jìn)行研究，需要對(duì)馬尾松的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便改變相關(guān)環(huán)境使馬尾松生長(zhǎng)在最適宜其生長(zhǎng)的環(huán)境下。 本文設(shè)計(jì)了一款基于ATmega328p 的馬尾松實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)裝置，可以檢測(cè)馬尾松生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度、二氧化碳及有機(jī)揮發(fā)物濃度(甲醛，醇類(lèi))并將其顯示到TFT 屏幕上，對(duì)于超出環(huán)境閾值進(jìn)行報(bào)警。 裝置還采用鋰電池供電方案且配有充電模塊，裝置設(shè)計(jì)小巧，提高了便攜性，避免了電源對(duì)裝置位置的影響。 本文的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能分析，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行智能預(yù)警等功能，符合電子設(shè)備智能化和人性化的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)硬件主要由鋰電池充電模塊、DHT11 溫濕度傳感器、SPG30 二氧化碳及揮發(fā)物傳感器、蜂鳴器及TFT 屏幕組成。 其中，鋰電池充電模塊給鋰電池充電，鋰電池在有電情況下給主控制器及傳感器、屏幕等進(jìn)行供電；DHT11 通過(guò)單總線(OneWire)，SPG30 二氧化碳濃度及揮發(fā)物傳感器通過(guò)IIC 與ATmega328p 進(jìn)行通信，將溫濕度、二氧化碳及揮發(fā)物濃度等數(shù)據(jù)傳遞給主控制器；主控制器與TFT 屏幕模塊通過(guò)SPI通信，將屏幕需要顯示的數(shù)據(jù)傳遞給ST7735 芯片，ST7735 屏幕驅(qū)動(dòng)芯片將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；當(dāng)超過(guò)固定閾值時(shí)，主控制器的GPIO 發(fā)生電平變化，進(jìn)而控制蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 檢測(cè)裝置主控

該裝置采用ATmega328p 單片機(jī)作為系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主控制器。 ATmega328p 是一款高性能、低功耗的AVR 內(nèi)核8 位微控制器[4]，有GPIO、ADC、IIC、SPI、USART 等多種接口，性能可以達(dá)到16MIPS，可以滿足系統(tǒng)所需要的接口及性能需求。 ATmega328p微控制器現(xiàn)有許多最小系統(tǒng)板可供使用，如Arduino NANO、Arduino UNO 等。 Arduino UNO 體積較大但接口較多，市面上有許多與其配套的面包板，主要用于ATmega328p 的學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Arduino NANO體積小，輕巧方便攜帶，主要用于實(shí)物制作，可以有效縮小實(shí)物的體積，提高實(shí)物的便攜性。 因此，本文使用Arduino NANO 作為最小系統(tǒng)板，既滿足系統(tǒng)所需要的接口和性能，又能有效縮小系統(tǒng)的體積。 Arduino NANO 的接口圖如圖2 所示，其中IIC 通信引腳為27-28 腳，SPI 通信引腳為15-17 腳，系統(tǒng)板內(nèi)包含AMS1117-3.3 降壓芯片、CH340C 的USB 轉(zhuǎn)TTL 芯片。

圖2 主控開(kāi)發(fā)板引腳分布電路

1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

該裝置的數(shù)據(jù)采集電路主要由DHT11 溫濕度傳感器模塊、SGP30 二氧化碳及有機(jī)揮發(fā)物傳感模塊組成。

溫濕度采集電路如圖3(a)所示，ATmega328p 使用單總線通信，通過(guò)DHT11 溫濕度傳感器模塊獲取溫度，該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[5]。 其具有精度高、成本低、抗干擾性強(qiáng)、測(cè)量范圍較寬等優(yōu)勢(shì)，電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意在單總線數(shù)據(jù)傳輸引腳外加4.7 K 上拉電阻。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)采集電路

圖4 顯示及蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

二氧化碳及有機(jī)揮發(fā)物采集電路如圖3(b)所示，ATmega328p 使用IIC 通信，通過(guò)SGP30 二氧化碳及有機(jī)揮發(fā)物傳感模塊獲取二氧化碳濃度及有機(jī)揮發(fā)物濃度，其標(biāo)準(zhǔn)電壓為1.8 V，在程序編制時(shí)需要注意相關(guān)電壓轉(zhuǎn)換的內(nèi)容。 本文使用已經(jīng)封裝好的SPG30 模塊，僅需外接相關(guān)電源及IIC 接口即可，連接方便。

1.3 顯示及蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)的顯示及蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路主要由TFT 屏幕和蜂鳴器組成。 顯示屏幕采用ST7735 芯片驅(qū)動(dòng)的1.8 寸彩色TFT 屏幕模塊，選擇使用通信較為穩(wěn)定的SPI 通信，調(diào)配好通信時(shí)序，并傳輸相關(guān)指令，即可完成相關(guān)顯示操作。 TFT 屏幕相較于SSD1306 驅(qū)動(dòng)的OLED 顯示屏等屏幕具有顯示顏色不受限制、屏幕清晰不花屏、顯示內(nèi)容更多等優(yōu)勢(shì)；本文使用黑底，對(duì)界面顯示使用三種顏色編輯有關(guān)界面，可以使界面數(shù)據(jù)讀取更加清楚明了。 蜂鳴器選擇使用無(wú)源蜂鳴器，使用單片機(jī)的IO 口輸出方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，無(wú)源蜂鳴器具有價(jià)格低廉、應(yīng)用范圍更廣等優(yōu)勢(shì)。 由于使用IO 口直接驅(qū)動(dòng)電流過(guò)小，需外加三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.4 充電模塊及升壓電路

系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電，使用TP4056 進(jìn)行充電，TP4056 充電電路如圖5(a)所示。 本文所用鋰電池正常情況下電壓為3.7 V，如果直接給Arduino NANO 供電，其上的AMS1117-3.3V 芯片壓降約為0.6 V，會(huì)導(dǎo)致降壓后的電源電壓不足3.3 V，無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)ATmega328p 及其外設(shè)。 因此，本文選擇使用先升壓后降壓的方式通過(guò)鋰電池給系統(tǒng)供電，本文選擇使用MT3608 升壓芯片，其為DC-DC 升壓芯片，具有電壓穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高的有點(diǎn)。 MT3608 將鋰電池輸出的3.3 V 電壓升至5 V，接入開(kāi)發(fā)板的VIN接口，通過(guò)開(kāi)發(fā)板的AMS1117-3.3 降壓芯片降壓至3.3 V，此方案可滿足部分模塊需要的5 V 供電。

圖5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖

圖5 充電模塊電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文的馬尾松實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置程序是在Arduino IDE 上，借助專(zhuān)門(mén)針對(duì)ATmega328p 開(kāi)發(fā)的Arduino 環(huán)境平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)。 Arduino 平臺(tái)可以安裝如STM32、ESP32、ESP8266 等MCU 的環(huán)境并通過(guò)已經(jīng)封裝好的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行編程，對(duì)初學(xué)者更加友好；兼容多種單片機(jī)，開(kāi)發(fā)范圍更廣。 Arduino IDE 使用的C++相較于MicroPython、Arduino Block 等編程語(yǔ)言，編程可擴(kuò)展性更強(qiáng)，邏輯更加清晰，因此本文選擇使用Arduino IDE 進(jìn)行編程。

Arduino 平臺(tái)中有很多庫(kù)函數(shù)及示例，可以幫助初學(xué)者更快地獲取相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)及發(fā)送相關(guān)顯示時(shí)序。 對(duì)于屏幕顯示，本文使用Adafruit 公司在Arduino 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的ST7735 庫(kù)函數(shù)，首先進(jìn)行實(shí)例化和引腳聲明，在setup 函數(shù)中進(jìn)行初始化后，在loop函數(shù)里進(jìn)行背景顏色選擇、字體及顏色選擇、位置選擇及數(shù)據(jù)打印，在打印完所有的數(shù)據(jù)后進(jìn)行屏幕刷新。 對(duì)于DHT11 和SPG30，Arduino 平臺(tái)同樣有相關(guān)庫(kù)函數(shù)，進(jìn)行實(shí)例化、選型及引腳聲明后，在setup 函數(shù)中進(jìn)行初始化及傳感器檢測(cè)，如果不能與ATmega328p 建立通信，串口將會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦以告知用戶(hù)，建立通信后，loop 函數(shù)里執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取，并將讀取數(shù)據(jù)通過(guò)函數(shù)返回值進(jìn)行打印輸出。

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖如圖5 所示，程序初始化結(jié)束之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠模式并進(jìn)入按鍵監(jiān)測(cè)狀態(tài)，其中按鍵檢測(cè)使用外部中斷檢測(cè)的方式。 由于使用鋰電池進(jìn)行供電，單片機(jī)休眠可以降低產(chǎn)品功耗，進(jìn)而延長(zhǎng)系統(tǒng)在斷電情況下的使用時(shí)間。

如果按鍵按下觸發(fā)外部中斷，會(huì)使得按鍵的標(biāo)志位進(jìn)行改變，當(dāng)標(biāo)志位置為1 代表系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，標(biāo)志位為0 是代表系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠模式，進(jìn)行標(biāo)志位判斷即可進(jìn)入相對(duì)應(yīng)狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，DHT11 溫濕度傳感器以及SGP30 二氧化碳濃度傳感器開(kāi)始工作，獲取溫濕度和二氧化碳濃度后顯示到TFT 屏幕上，當(dāng)溫濕度和二氧化碳濃度高出設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器響，TFT 屏幕上顯示預(yù)警信息。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 DHT11 和SPG30 傳感器的測(cè)試

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件[6]。 該傳感器與ESP8266 之間使用單總線通信進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有使用IO 口少、傳輸距離長(zhǎng)、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。Arduino 平臺(tái)有相關(guān)溫濕度傳感器的庫(kù)函數(shù)，直接調(diào)用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行實(shí)例化、初始化等操作，將返回值函數(shù)賦值于變量，即可在變量中得到相應(yīng)的溫濕度。

SGP30 二氧化碳及有機(jī)揮發(fā)物傳感器，具有體積小、靈敏度高、低功耗的優(yōu)勢(shì)，可以輕松集成到空氣凈化器等產(chǎn)品中，該傳感器還可根據(jù)環(huán)境中的溫濕度優(yōu)化二氧化碳濃度的測(cè)量，因而被廣泛應(yīng)用。SGP30 通過(guò)IIC 通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，使用相應(yīng)庫(kù)函數(shù)，進(jìn)行初始化、實(shí)例化等操作即可得到SGP30 傳感器所測(cè)得的二氧化碳及有機(jī)揮發(fā)物濃度值，在ATmgega328p 中進(jìn)行分析，進(jìn)行相關(guān)操作。

經(jīng)過(guò)串口打印測(cè)試，讀取到了相關(guān)傳感器檢測(cè)的值。

3.2 TFT 屏幕的調(diào)試

本文選擇使用ST7735 芯片驅(qū)動(dòng)TFT 屏幕，主控使用SPI 通信與其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送相關(guān)指令使ST7735 驅(qū)動(dòng)屏幕進(jìn)行相關(guān)操作，調(diào)試時(shí)需注意時(shí)序。在Arduino 平臺(tái)中有相關(guān)庫(kù)函數(shù)驅(qū)動(dòng)ST7735，在進(jìn)行初始化、清屏、顯示等操作后本文實(shí)現(xiàn)了相關(guān)顯示。

圖6 為檢測(cè)系統(tǒng)正在對(duì)馬尾松生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的照片，圖7 為T(mén)FT 屏幕的傳感器數(shù)據(jù)的顯示界面。 可以看出，上述系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方案的有效性。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)照片

圖7 TFT 屏幕顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，在對(duì)室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中，需要利用現(xiàn)代化的技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)[7]。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)ATmega328p 對(duì)溫濕度、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)將采集信息顯示在TFT 彩屏上，并對(duì)超過(guò)閾值的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬尾松在實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)測(cè)試表明，本系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，并達(dá)到了預(yù)期效果。 后續(xù)，本系統(tǒng)還可進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，與物聯(lián)網(wǎng)[8]、電化學(xué)傳感器[9]、5G[10]、機(jī)器視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)[11]等技術(shù)相結(jié)合，以適應(yīng)科技的進(jìn)步和滿足對(duì)馬尾松實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)的后續(xù)要求。