基于STM32的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

朱馨月，周智超，李昊澤

（蘇州城市學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，城市的空氣質(zhì)量堪憂，由于很難做到對(duì)重點(diǎn)污染區(qū)域的有效控制，故設(shè)計(jì)了一款基于STM32的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、PM的變化，當(dāng)室內(nèi)PM超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警。用戶還可以通過藍(lán)牙將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)端以便實(shí)時(shí)觀測(cè)。該系統(tǒng)輕巧便攜、成本低、精度高、具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)及功能

本設(shè)計(jì)主要有六大模塊：STM32最小系統(tǒng)模塊作為主控模塊，用于數(shù)據(jù)的分析處理等；SHT20溫濕度傳感器用來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外部空氣中的溫濕度；BMP180大氣壓強(qiáng)模塊主要檢測(cè)空氣中的大氣壓強(qiáng)；GP2Y1010AU0F光學(xué)粉塵濃度檢測(cè)模塊用來監(jiān)測(cè)環(huán)境中PM濃度；LCD1602模塊用來顯示采集到的數(shù)據(jù)；HC05藍(lán)牙模塊則是用來與手機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本文設(shè)計(jì)的是基于STM32F103的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，具有檢測(cè)空氣中溫濕度、大氣壓強(qiáng)、PM濃度的功能，當(dāng)空氣中PM超過設(shè)定的最大值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示紅燈并報(bào)警。還可以通過當(dāng)前空氣濕度大致推算出下雨的概率，測(cè)得的數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶手機(jī)端或電腦端隨時(shí)查看。

2 設(shè)計(jì)方案

圖1為本設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖，分為傳感器模塊、主控、液晶顯示、藍(lán)牙和用戶五部分。首先是三種傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給主控，本設(shè)計(jì)以STM32F103作為微處理器進(jìn)行信號(hào)處理，主控板配合硬件電路來實(shí)行數(shù)據(jù)提取，并將提取的數(shù)據(jù)傳送至液晶顯示屏，繼而通過藍(lán)牙傳送至手機(jī)或電腦端。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 概述

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：SHT20溫濕度傳感器電路、GP2Y1010AU0F光學(xué)粉塵濃度檢測(cè)電路、LCD1602液晶顯示屏電路、BMP180大氣壓強(qiáng)電路、HC05藍(lán)牙電路，三極管驅(qū)動(dòng)電路。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體電路圖

系統(tǒng)硬件總體電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體電路圖

3.3 STM32F103概述

STM32F103是一個(gè)32位ARM微控制器，屬于中低端芯片。最大閃存為1MB。STM32F103包括電機(jī)控制外設(shè)和USB全速接口式，它具有低功耗、低電壓的優(yōu)點(diǎn)，可以提供出色的性能和實(shí)時(shí)功能。

由于Cortex-M3體系結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，STM32F103有了更高的性能，如它里面的thumb-2指令集，編碼密度更好，中斷響應(yīng)更快，是領(lǐng)先的工業(yè)功耗。出色的實(shí)時(shí)性能，出色的效率和新的外圍設(shè)備，最大限度地提高了串行引腳，外圍設(shè)備和軟件兼容性之間的集成。

3.4 SHT20溫濕度檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)采用的是SHT20芯片，STH20是新一代數(shù)字溫濕度傳感器，它嵌入了合適回流焊的雙列扁平無引腳DFN封裝，底面是3×3 mm，高度為1.1 mm。SHT20使用了全新的CMOSens芯片和標(biāo)準(zhǔn)的能隙溫度傳感元件，輔以改進(jìn)后的電容式濕度傳感元件，具有高精度、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)。它的濕范圍約在±3 % RH，濕度約在0～100%RH、溫度約在40℃～125℃。SHT20的供電電壓最低為2.1 V，最高為3.6 V，功耗較低。

3.5 BMP180大氣壓強(qiáng)電路

BMP180采用功能強(qiáng)大的8引腳陶瓷無引線芯片載體（LCC）超薄封裝，性能卓越，內(nèi)置校準(zhǔn)校正，絕對(duì)精度低至0.03 HPa（0.25 m），電極消耗僅為3 μA。它的氣壓測(cè)量范圍約為300 HPa～1 100 HPa，較適用于日常使用的絕大多數(shù)情況。BMP180的工作電壓為1.8 V～3.6 V，典型工作電壓為2.5 V。

壓力和溫度數(shù)據(jù)應(yīng)通過BMP180的EEPROM校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，BMP180由一個(gè)壓電電阻傳感器、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)帶有EEPROM和串行IIC接口的控制單元組成。176位個(gè)人校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中。它用于補(bǔ)償傳感器偏移、溫度依賴性和其他參數(shù)。

3.6 PM2.5檢測(cè)電路

PM有兩種通信方式：一種是直接A/D、D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換，一種是接單片機(jī)的串口通過讀取指令集進(jìn)行獲取當(dāng)前的值。本次設(shè)計(jì)采用的是通過單片機(jī)串口直接獲取當(dāng)前PM值。

PM通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)的接收端來采集數(shù)據(jù)，灰塵傳感器使用脈沖法檢測(cè)當(dāng)前空氣中的灰塵濃度值。煙霧顆粒、散落的灰塵和其他比較細(xì)的顆粒主要是通過在傳感器內(nèi)部使用紅外弧光管和光電晶體管來實(shí)現(xiàn)的。粉塵較大時(shí)，PWM輸出高；濃度低時(shí)，PWM輸出低。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 軟件主程序架構(gòu)

本設(shè)計(jì)的主程序總流程圖如圖3所示。

圖3 主程序總流程圖

4.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集子程序

圖4是該設(shè)計(jì)溫濕度數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)流程圖，設(shè)備通電工作后，溫濕度傳感器開始工作，采集過程首先是STM32F103單片機(jī)發(fā)起開始信號(hào)，由I/O引腳發(fā)送給SHT20溫濕傳感器，之后由SHT20溫濕傳感器向單片機(jī)發(fā)送響應(yīng)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照40位數(shù)據(jù)格式輸出。

圖4 溫濕度采集程序流程圖

由于SHT20是采用PTAT能隙材料制成的溫敏元件，因而具有良好的線性輸出，可按下式算得實(shí)際溫度值：Temperature=+×

4.3 大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集子程序

圖5是該設(shè)計(jì)大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖，讀取BMP180數(shù)據(jù)時(shí)回直接傳送沒有經(jīng)過補(bǔ)償?shù)某跏贾?，EEPROM中儲(chǔ)存了176位單獨(dú)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于對(duì)讀取的初始值進(jìn)行補(bǔ)償。在每一次計(jì)算壓強(qiáng)數(shù)據(jù)之前，單片機(jī)要先讀出EEPROM中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后再采集壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。注意要獲得氣壓數(shù)據(jù)就必須先向控制寄存器寫0x34（0x74、0xB4、0xF4），然后等待至少4.5ms，再?gòu)牡刂?xF6和0xF7讀取對(duì)應(yīng)的氣壓數(shù)據(jù)。

圖5 大氣壓強(qiáng)采集流程圖

4.4 藍(lán)牙模塊子程序

圖6是該設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖，藍(lán)牙HC05是常用的主從一體的藍(lán)牙模塊，當(dāng)該模塊藍(lán)牙與其他藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)連接成功后，便可以忽略藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，將藍(lán)牙當(dāng)作串口使用。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備共同使用一個(gè)通道即同一個(gè)串口，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收到通道中的數(shù)據(jù)。

圖6 藍(lán)牙傳輸流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 焊接和軟件調(diào)試

首先將各個(gè)模塊按照電路圖連接起來，用萬用表進(jìn)行通斷檢測(cè)，確保沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象。接著，將編譯好的軟件燒錄進(jìn)去，按下電源開關(guān)通電，對(duì)LCD1602液晶屏進(jìn)行初始化操作，LCD1602顯示屏頁(yè)面分為兩行，上面一行顯示測(cè)得的溫度值、濕度值，下面一行顯示大氣壓強(qiáng)值和降雨概率。然后將該裝置放置在室內(nèi)，檢測(cè)幾秒后，LCD1602液晶顯示屏上顯示對(duì)應(yīng)的溫度值、濕度值和PM濃度值。按下按鍵，可以設(shè)置PM報(bào)警的上限值，接著調(diào)整PM報(bào)警濃度的上限值，當(dāng)PM濃度高于設(shè)定的上限值時(shí)，觀察蜂鳴器是否進(jìn)行報(bào)警，以上功能調(diào)試完畢后，該裝置的基本功能就已經(jīng)調(diào)試完成。

5.2 測(cè)試實(shí)物

圖7為設(shè)備上電后，顯示溫濕度、大氣壓強(qiáng)、PM濃度，以及調(diào)整PM濃度上下限的界面。

圖7 測(cè)試實(shí)物圖

6 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)針對(duì)所檢測(cè)的空氣質(zhì)量指標(biāo)選用了市場(chǎng)上主流的、性價(jià)比較高的傳感器：PM傳感器。添加了大氣壓強(qiáng)模塊、溫濕度模塊、藍(lán)牙模塊，系統(tǒng)整體集成度高，可以依附或集成于其他室內(nèi)設(shè)備上，測(cè)得的數(shù)據(jù)還可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，小巧便捷，適合一般家庭日常使用。