基于STM32的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張煥梅，郭蕓俊，葉 瑤

(1.太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山西 太原 030008；2.太原工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，山西 太原 030008)

近年來，隨著國內(nèi)外科技的飛速發(fā)展及國內(nèi)現(xiàn)代化進(jìn)程步伐的加快，人們生活水平日益提高，環(huán)境污染問題顯得異常突出[1]，人們對(duì)于綠色健康生活的意識(shí)在逐年提升，對(duì)所處生活環(huán)境的關(guān)注也越來越多[2-3]。尤其近幾年我國相當(dāng)一部分地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣，各大城市的PM2.5居高不下，大大超過了環(huán)境警戒值，使得環(huán)境污染問題再次引起了政府及廣大群眾的高度關(guān)注。室內(nèi)環(huán)境與人們的工作、生活、學(xué)習(xí)息息相關(guān)，其環(huán)境質(zhì)量直接影響人們的身體健康，因此一定程度上人們更關(guān)注室內(nèi)環(huán)境。國內(nèi)外很多研究均表明，室內(nèi)空氣污染會(huì)引起人類的各種疾病，包括頭暈頭痛、煩躁以及注意力難于集中等，嚴(yán)重影響人們的工作和生活[4]。因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測也越來越受到關(guān)注[5-7]。與此同時(shí)，人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求也越來越大，因此，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，設(shè)計(jì)了基于STM32的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要應(yīng)用于人群密集區(qū)域(居住區(qū)、學(xué)校、辦公樓等)，采用上下位機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用低功耗的STM32-L073RZ單片機(jī)為核心控制芯片，通過DHT11溫濕度傳感器[8-10]和夏普光學(xué)塵埃傳感器采集室內(nèi)溫度、濕度及灰塵顆粒濃度(PM2.5)[11]，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32通過串口模塊發(fā)送給PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的控制器STM32于2007年由ST公司發(fā)布，至今短短十年發(fā)展已相當(dāng)成熟，STM32系列處理器型號(hào)多樣，本系統(tǒng)采用了STML0系列，其處理器屬于ARM Cortex-M0處理器。

2.1 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其僅使用一根數(shù)據(jù)線進(jìn)行控制通訊，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作更加方便快捷。DHT11的連接電路如圖2所示。

DHT11的供電電壓為3～5.5 V。系統(tǒng)打開電源后，要延時(shí)一段時(shí)間，使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。電源VCC跟GND之間添加濾波電容，使DHT11可以穩(wěn)定運(yùn)行。采集控制與數(shù)據(jù)基于單總線的串行接口，實(shí)現(xiàn)MCU往DHT11發(fā)送指令和MCU讀取DHT11數(shù)據(jù)的功能，完成MCU與DHT11之間的數(shù)據(jù)通訊與信號(hào)同步。

圖2 溫濕度采集電路圖

2.2 串口通訊模塊設(shè)計(jì)

串口通訊模塊采用的是PL2303SA方案，

PL2303SA是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口。在串口方式下，PL2303SA可以將USB電平轉(zhuǎn)換為TTL電平[12]。電路如圖3所示。輔以上位機(jī)軟件，就可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)跟STM32進(jìn)行串行通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語言開發(fā)，編譯采用的是MDK_KEIL軟件進(jìn)行程序編譯。當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)進(jìn)入初始化狀態(tài)，此時(shí)，進(jìn)入到自動(dòng)控制模式下，主模塊上的溫濕度傳感器及空氣粉塵檢測傳感器讀取室內(nèi)的數(shù)據(jù)，經(jīng)STM32處理過后，將信息顯示在LCD12864上，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)[13]，其工作流程圖如圖4所示。

圖3 串口通信接口電路

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

4 系統(tǒng)測試

測試是檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是否可行的基本方法。首先，對(duì)硬件的獨(dú)立模塊進(jìn)行測試，運(yùn)行正常后，再進(jìn)行整體性能測試[14]。軟件使用Keil進(jìn)行模塊和整體的調(diào)試，串口調(diào)試軟件使用SSCOM5.11a調(diào)試助手。

4.1 數(shù)據(jù)采集測試

首先，用氣體標(biāo)定箱來模擬一個(gè)室內(nèi)環(huán)境，然后用標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計(jì)和所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)所測數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)傳感器模塊的測量精度[15]。

根據(jù)溫濕度傳感器的工作量程，分別選取10組溫度和濕度數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果如表1和表2所示。據(jù)此，可直觀地畫出相應(yīng)的對(duì)比曲線圖，如圖5所示。

表1 溫度檢測數(shù)據(jù)

表2 濕度檢測數(shù)據(jù)

經(jīng)測試可知，系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.2 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后，可實(shí)時(shí)經(jīng)串口將檢測到的溫度、濕度及PM2.5值上傳給PC機(jī)，如圖6所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)值和測量值的對(duì)比曲線圖

圖6 系統(tǒng)功能測試結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)室內(nèi)溫度、濕度和PM2.5的數(shù)據(jù)檢測及顯示，并可將檢測到的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。通過測試實(shí)驗(yàn)表明：單片機(jī)和上位PC機(jī)能協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較好，該系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)其他計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。