一種基于STM32的空氣檢測(cè)下位機(jī)設(shè)計(jì)方法

夏建琪+朱留存+劉文娟

摘 要：為了檢測(cè)當(dāng)前空氣環(huán)境的質(zhì)量及各氣體濃度，以便采取有效的預(yù)防和改善措施，文章設(shè)計(jì)了一種氣體檢測(cè)器監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，組合MEMS氣體傳感器、溫濕度傳感器，有效地采集當(dāng)前環(huán)境溫濕度、甲醛、二氧化碳和TVOC等參數(shù)指標(biāo)。通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)連接至服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量當(dāng)前各項(xiàng)氣體參數(shù)值。

關(guān)鍵詞：空氣檢測(cè)；溫濕度傳感器；氣體參數(shù)

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平質(zhì)量的提高，人們對(duì)自己生活和工作的環(huán)境以及對(duì)于自身健康生活的意識(shí)也在逐年提升。環(huán)境污染引發(fā)的空氣污染問題備受關(guān)注。PM 2.5經(jīng)?？M繞耳邊。除了PM 2.5，人們也開始關(guān)注甲醛、TVOC等污染空氣質(zhì)量的有害物質(zhì)。因此對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求量也變得很大。目前市場(chǎng)上檢測(cè)空氣質(zhì)量的設(shè)備很多，但功能單一不完善、專用性弱、數(shù)據(jù)誤差大，只是簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)今處正在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的時(shí)代，智能化迅速聚焦于人們的視野。本系統(tǒng)致力于工廠智能化，將通信技術(shù)與傳感器技術(shù)相融合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，并通過無線WiFi，上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)端，供其他客戶端應(yīng)用軟件讀取。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)超過限值時(shí)及時(shí)報(bào)警，應(yīng)用軟件APP把空氣質(zhì)量情況及時(shí)通知主人，從而實(shí)現(xiàn)智能化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主要功能是通過傳感器模塊采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的甲醛、二氧化碳、TVOC等參數(shù)指標(biāo)和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，選用了ARM公司的STM32F103微處理器為硬件平臺(tái)核心。該芯片具有高性能、低成本、低功耗以及片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)由電源供電模塊、STM32微處理器模塊、MEMS氣體傳感器采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、LCD顯示模塊、WiFi通信模塊和報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)框如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)基本工作原理

STM32微處理器通過A/D口（模數(shù)轉(zhuǎn)換），采集MEMS氣體傳感器輸出的電壓值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理擬合轉(zhuǎn)化為甲醛（HCHO）的質(zhì)量濃度，乙醇（H2C6O）的血液濃度，二氧化碳（CO2）的體積濃度，總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）體積溶度，并進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償處理。通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)定時(shí)1 s，將數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議用WiFi送到服務(wù)器，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）標(biāo)準(zhǔn)，超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)用指示燈和蜂鳴器同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

1.2 電源供電模塊

系統(tǒng)中電源電壓的兩種轉(zhuǎn)換電路：（1）STM32F103及系統(tǒng)其他3.3 V供電；（2）5 V供電。電源供電模塊用12 V電源適配器直接供電，經(jīng)過TPS5454芯片降壓成5 V，給蜂鳴器報(bào)警模塊供電，再經(jīng)過ASM1117-3.3穩(wěn)壓芯片降電壓至3.3 V，給STM32F103及系統(tǒng)其他3.3 V供電。

1.3 STM32微處理器模塊

本系統(tǒng)采用的是LQFP64腳的STM32F103RCT6作為微處理器。基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻為72 MHz，可滿足大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)微控制器的運(yùn)行速度的要求。芯片擁有卓越的高集成度，片內(nèi)集成了復(fù)位電路、低壓檢測(cè)、調(diào)壓器和精準(zhǔn)的RC振蕩器。擁有128 Kflash，20 KSRAM。同時(shí)擁有SPI，I2C，Can，UART等通信接口。專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理數(shù)據(jù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)占有率高，具有非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.4 MEMS氣體傳感器采集模塊

MEMS氣體傳感器采集模塊如圖2所示。氣體檢測(cè)傳感器選用的是低功耗、微型金屬氧化物半導(dǎo)體 MEMS 氣體傳感器芯片，它擁有 4 個(gè)有效連接端口。氣體傳感器工作時(shí)，在一對(duì) HEAT 電極上施加一定大小的工作電壓后，保持一段時(shí)間后（約3分鐘），氣體傳感器達(dá)到了穩(wěn)定工作狀態(tài)，這時(shí)可通過測(cè)量傳感器電極端的電阻值，對(duì)比存儲(chǔ)的標(biāo)定數(shù)據(jù)，來計(jì)算出環(huán)境內(nèi)各氣體的濃度值。

STM32通過AD口采集傳感器的RS端的電壓數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為傳感器的等效電阻數(shù)據(jù)，同時(shí)自動(dòng)選擇一段時(shí)間內(nèi)所有測(cè)試數(shù)據(jù)中最大的電阻值作為標(biāo)定的基準(zhǔn)電阻。通過基準(zhǔn)電阻與實(shí)時(shí)電阻的比值，然后通過公式換算出 TVOC，乙醇、甲醛的等效氣體濃度數(shù)據(jù)。

1.5 溫濕度傳感器采集模塊

溫濕度傳感器采集模塊如圖3所示。

本系統(tǒng)使用的是SHT21溫濕度傳感器，通過I2C接口讀取溫濕度信息。I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。相對(duì)濕度RH可以根據(jù) SDA輸出的相對(duì)濕度信號(hào)SRH通過公式 算出，同理溫度 （ST是SDA輸出的溫度輸出信號(hào)結(jié)果以%RH表示）。

1.6 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)選用的JLX12864G-086-PC 型液晶顯示模塊，既可以當(dāng)成普通的圖像型液晶模塊使用（即顯示普通圖像型的單色圖片功能），又含有 JLX-GB2312 字庫(kù) IC，可以從字庫(kù) IC 中讀出內(nèi)置的字庫(kù)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)寫入到LCD驅(qū)動(dòng) IC 中，以達(dá)到顯示漢字的目的。STM32F103 內(nèi)部嵌有 LCD 驅(qū)動(dòng)模塊，可將 LCD12864 直接與單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)端口相連，電路設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)單。

1.7 WiFi通信模塊

WiFi通信模塊如圖4所示。本系統(tǒng)采用的是安可信的ESP-07模塊。該模塊核心處理器 ESP8266 封裝在較小尺寸內(nèi)，集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型 MCU，帶有 16 位精簡(jiǎn)模式，主頻支持 80 MHz 和160 MHz。支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.11 b/g/n 協(xié)議，支持完整的 TCP/IP 協(xié)議。使用該模塊可為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器，使用簡(jiǎn)單方便。

本系統(tǒng)在配網(wǎng)之前處于AP模式提供熱點(diǎn)。通過軟件給系統(tǒng)提供需要接入網(wǎng)絡(luò)路由器的SSID和keyword。然后切換成STA模式，連接路由器和服務(wù)器，進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ剑藭r(shí)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)就可以通過WiFi送入服務(wù)器。

1.8 報(bào)警模塊

報(bào)警電路如圖5所示。

報(bào)警方式可以用視覺的LED，同時(shí)也可用蜂鳴器發(fā)出聲音。輕微超標(biāo)狀態(tài)下（如甲醛>0.1 mg/m3），紅燈快閃（每0.5 s）；嚴(yán)重超標(biāo)狀態(tài)時(shí)（如甲醛>0.3 mg/m3）紅燈常亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音。三合一LED共陽的方式接到單片機(jī)I/O引腳，單片機(jī)輸出低LED亮，輸出高LED滅，蜂鳴器通過三極管驅(qū)動(dòng)接到單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音。

2 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序在keil for ARM MDK環(huán)境下，采用C語言編寫，調(diào)用STM32F103原有固件庫(kù)，主要包括系統(tǒng)初始化程序，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信程序與傳感器采集程序等組成。硬件上電或者硬件強(qiáng)行復(fù)位，軟件開始對(duì)主控芯片等進(jìn)行初始化，接著通過協(xié)議進(jìn)行配網(wǎng)，配網(wǎng)成功之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出氣體的濃度值及溫濕度值。通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)模塊送到服務(wù)器，檢測(cè)出空氣質(zhì)量差時(shí)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

2.1 傳感器采集程序

STM32F103內(nèi)部自帶12位的ADC采集模塊，它是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，多通道采集范圍0～3.3 V。此設(shè)計(jì)用一路ADC連續(xù)采集模擬電壓信號(hào)，端口的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為0～4 096的數(shù)字量后，經(jīng)過擬合公式換算出各氣體濃度，所用公式如下所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信程序

通信之前先需要配網(wǎng)，配網(wǎng)成功后，將傳感器采集的數(shù)據(jù)組成一個(gè)20字節(jié)的數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)定時(shí)2 s發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包。WiFi則是通過串口，將數(shù)據(jù)透?jìng)鞯椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試

終端可以在溫度：-20～70 ℃；濕度：0～100 %RH環(huán)境下正常工作。利用標(biāo)準(zhǔn)CO2，TVOC，甲醛和乙醇4種標(biāo)準(zhǔn)氣體，來檢測(cè)終端設(shè)備的精度和穩(wěn)定性，檢測(cè)結(jié)果可靠性符合系統(tǒng)的要求性能。對(duì)比儀器進(jìn)行測(cè)試，表1—2是4種氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較的結(jié)果。

4 結(jié)語

本設(shè)備采用ST公司的STM32F103作為主控芯片，實(shí)物展示如圖7所示。工作頻率最大可達(dá)72 MHz，具有豐富的功能模塊和極低的功耗，大大縮短了開發(fā)周期，使得設(shè)備具有成本低、功能強(qiáng)、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，最后進(jìn)行了測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，有利于更大范圍的市場(chǎng)推廣，更具有現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：夏建琪（1992— ），男，江蘇泰州，碩士研究生。

*通信作者：朱留存（1961—），男，江蘇揚(yáng)州，揚(yáng)州大學(xué)特聘教授，碩士生導(dǎo)師，國(guó)家“千人計(jì)劃”專家；研究方向：汽車電子信息技術(shù)。

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Abstract： In order to detect the quality of the current air environment and the concentration of each gas， to take effective prevention and improvement measures， this paper designed a gas detector monitoring system. The system uses STM32F103C8T6 as the main control chip， combined with MEMS gas sensor， temperature and humidity sensor， effectively collect the current environmental temperature and humidity， formaldehyde， carbon dioxide， TVOC and other parameter index. Real-time display through the LCD， while through the wireless WiFi network connected to the server， to achieve remote monitoring of data. Experiments showed that the system is stable and reliable， can accurately measure the current gas parameter values.

Key words： air detection； temperature and humidity sensor； gas parameter