基于STM32的家用空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

摘 要：人們大多數(shù)時(shí)間都是在室內(nèi)度過，所以對(duì)空氣質(zhì)量提出了更高的要求。根據(jù)市面上空氣質(zhì)量檢測(cè)商品價(jià)格昂貴且功能不夠完善的情況，設(shè)計(jì)一款性價(jià)比高、功耗低、便攜式的家用空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。該設(shè)計(jì)以STM32微處理器為主控芯片，是一款具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸功能的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：STM32；傳感器；空氣質(zhì)量；藍(lán)牙通信

*基金項(xiàng)目：平頂山學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：PXY-QNJJ-2019012

平頂山學(xué)院雙師雙能型教師培養(yǎng)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：PXY-SSSN-202071

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，所以對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高。在儀器研制方面，西方國(guó)家比我國(guó)相對(duì)成熟。美國(guó) ESC 公司的 Z/ ZDL 便攜式氣體檢測(cè)器能檢測(cè)室內(nèi)的各類有害氣體，如甲醛、氨氣、一氧化碳，還有 7565 型 NP-8A 型手持式甲醛檢測(cè)儀，功能也很完善。

我國(guó)自 20 世紀(jì) 70 年代以來也著手研究有害氣體的檢測(cè)技術(shù)，并制造出對(duì)應(yīng)檢測(cè)儀器 ^[1]。北京華云儀器研究院開發(fā)的便攜式甲醛檢測(cè)裝置；長(zhǎng)春小天鵝公司的 GDYK-208S 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置 ^[1]。這些儀器抗干擾能力強(qiáng)、精度高，但是由于測(cè)量氣體單一、操作復(fù)雜等原因，導(dǎo)致不能廣泛推廣，所以未來還有很長(zhǎng)的一段路要走。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

該設(shè)計(jì)的目的是為人們提供一個(gè)健康的生活環(huán)境，避免患上由污濁空氣導(dǎo)致的各種疾病，因此該系統(tǒng)需要具備以下功能：

1）設(shè)定閾值：通過按鍵對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行閾值設(shè)定，以此來衡量空氣質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

2）能夠獲取空氣質(zhì)量參數(shù)：系統(tǒng)可對(duì)空氣中的溫濕度、PM2.5、一氧化碳進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)。

3）自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：當(dāng)空氣中的某項(xiàng)指標(biāo)超出閾值時(shí)排氣扇會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣指標(biāo)恢復(fù)到正常值。

4）無線傳輸及報(bào)警功能：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到空氣質(zhì)量指標(biāo)超標(biāo)時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警模塊并將報(bào)警信息通過藍(lán)牙上傳到手機(jī)端。

1.2 構(gòu)建系統(tǒng)框架

1）系統(tǒng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，硬件設(shè)備主要有最小系統(tǒng)、DHT11 傳感器模塊、PM2.5 傳感器模塊、MQ7 傳感器模塊、藍(lán)牙模塊。當(dāng)系統(tǒng)采集到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后發(fā)送到中央處理器進(jìn)行處理。

2）自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量。已知數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，一旦超出閾值，系統(tǒng)的風(fēng)扇模塊就會(huì)啟動(dòng)，以達(dá)到正常的空氣質(zhì)量。

3）通信模塊由藍(lán)牙模塊組成。系統(tǒng)采集的參數(shù)經(jīng)由藍(lán)牙模塊傳送至移動(dòng)端，系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器模塊

DHT11 是一款集溫度、濕度于一體的新型傳感器，其數(shù)字信號(hào)輸出經(jīng)過標(biāo)定，保證了產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定 ^[3]。該傳感器由電阻測(cè)濕儀和 NTC 溫度計(jì)組成，并與 8 bit 的高性能微處理器連接。其引腳 2 與 STM32 單片機(jī) PA1 管腳相連，溫度、濕度數(shù)據(jù)由該管腳傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理 ^[4]，傳感器在接通電源后應(yīng)等待 1 s，在這段時(shí)間內(nèi)，不要發(fā)出任何指示，以免造成錯(cuò)誤。電源引腳之間可添加 1 個(gè)電容，用于去耦濾波。DHT11 傳感器模塊電路原理圖如圖 2 所示。

圖2 DHT11傳感器模塊電路原理圖

2.2 MQ7傳感器模塊

MQ7 氣體傳感器的氣敏材料是二氧化錫，在大氣中的導(dǎo)電性能很差 ^[5]，它是采用高、低溫循環(huán)的方法進(jìn)行濃度檢測(cè)。該模塊正常工作需要兩個(gè)電壓：加熱電壓 VH，以及 1 個(gè)試驗(yàn)電壓 VC。VH 是為提供傳感器的工作溫度所設(shè)計(jì)，VC 用來測(cè)量負(fù)載電阻器（RL）上的電壓。這種傳感器的極性很低，所以VC必須使用直流電流。為充分利用傳感器，必須選用適當(dāng)?shù)?RL 電阻。其電壓與濃度之間的關(guān)系如圖 3 所示，電路原理圖如圖 4 所示。

圖3 電壓與濃度曲線圖

2.3 PM2.5 傳感器模塊

傳感器的內(nèi)部包括 1 個(gè)紅外發(fā)光二極管和 1 個(gè)光電晶體管。因?yàn)槔玫氖枪饩€折射原理，所以成對(duì)角分布 ^[6]。傳感器的中央有 1 個(gè)可以讓空氣流通的圓孔，當(dāng)圓孔中有顆粒時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射，此時(shí)該模塊會(huì)接收到紅外線，從而改變輸出端的電壓。輸出的是一個(gè)與測(cè)量塵埃濃度成比例的仿真電壓。此時(shí)測(cè)出輸出電壓 , 然后通過公式：(V-0.6)×0.17 就可以換算出濃度 ^[6]。模塊原理圖如圖 5 所示。

2.4 自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊

當(dāng)由最小系統(tǒng)或者電位器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出指令讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，以此使所測(cè)參數(shù)回歸正常范圍。其原理為：在風(fēng)扇上電后，扇葉通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)使周圍的空氣流動(dòng)，從而外面的新鮮空氣就能進(jìn)入室內(nèi)達(dá)到調(diào)節(jié)功能，實(shí)物圖以及驅(qū)動(dòng)電路如圖 6、7 所示。

圖6 自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊實(shí)物圖

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警電路主要由蜂鳴器 ( 有源蜂鳴器 ) 構(gòu)成。當(dāng)檢測(cè)到的參數(shù)值高于閾值，電路輸出低電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器：當(dāng)檢測(cè)到的參數(shù)值沒有超出閾值，此時(shí)輸出高電平不會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。整個(gè)報(bào)警模塊與主控芯片的 PA0 連接，報(bào)警模塊接口電路如圖 8 所示。

2.6 藍(lán)牙模塊

JDY-31藍(lán)牙模塊引腳2連接電源正極，引腳3接地，引腳 4 為串口輸入引腳，引腳 5 為串口輸出引腳。引腳 3、4 分別接 STM32 單片機(jī)的 PA10、PA9 引腳，通過這兩個(gè)引腳可以實(shí)現(xiàn) MCU 與藍(lán)牙之間的通訊。具體接線圖以及內(nèi)部原理圖如圖 9 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作后，先對(duì)各模塊傳感器、按鍵、顯示屏進(jìn)行初始化，然后通過對(duì)應(yīng)傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)參數(shù)值，再通過公式轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的目標(biāo)濃度。系統(tǒng)的主程序流程圖如 10 所示。

3.2 溫濕度檢測(cè)子程序

根據(jù)傳感器的通訊協(xié)議，單片機(jī)首先要利用 I/O 來生成所需的激勵(lì)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)線的控制權(quán)交給傳感器，由單片機(jī)通過 While 循環(huán)語句來持續(xù)地檢測(cè) I/O 的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間序列的掌握，從而獲得精確的數(shù)據(jù)傳送。該傳感器模塊的軟件流程圖如圖 11 所示。

圖11 DHT11傳感器子流程

3.3 PM2.5 濃度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

通過 PM2.5 傳感器模塊檢測(cè)濃度，主要是利用紅外發(fā)射與紅外接收。如果當(dāng)前空氣質(zhì)量比較渾濁，則接受量比較小，單片機(jī)會(huì)通過 ADC 口讀取電壓，然后通過公式轉(zhuǎn)換成 PM2.5 濃度，再進(jìn)一步對(duì)當(dāng)前濃度進(jìn)行判斷是否報(bào)警。具體子流程圖如圖 12 所示。

圖12 PM2.5模塊子流程

3.4 報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊在硬件處理方面運(yùn)用有源蜂鳴器 ( 內(nèi)部帶有震蕩電路 )，為了達(dá)到預(yù)期的報(bào)警功能，需要相應(yīng)的代碼編程作為輔助。該硬件共有 3 個(gè)引腳最主要的就是控制引腳 (IN 引腳 )，如果 IN 引腳短路則蜂鳴器不會(huì)工作。軟件編程重要也是圍繞 IN 引腳，該模塊軟件流程圖如圖 13 所示。

圖13 報(bào)警模塊子流程

3.5 無線通信程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)程序主要依靠硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (UART 或 USB 口 )，為了使其更貼切于硬件，該模塊的程序編寫需要借助串口驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)來完成兩者之間的信息互傳 ^[7]。無線通信模塊主要就是通過串口進(jìn)行通信，其波特率設(shè)置為 9 600 Hz，本身是一個(gè)透?jìng)髂K，單片機(jī) (TX 引腳 ) 發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)；同樣手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī) (RX 引腳 )。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖 14 所示。

圖14 通信模塊流程

4 測(cè)試系統(tǒng)與調(diào)試

為了對(duì)系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行測(cè)試，將該系統(tǒng)放置在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。首先對(duì)系統(tǒng)上電同時(shí)將傳感器暴露置空氣中，然后將系統(tǒng)與手機(jī)端建立聯(lián)系。此時(shí)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，通過長(zhǎng)時(shí)間的觀察以及得到的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)是否能夠正常工作進(jìn)行判斷。測(cè)試結(jié)果如圖 15 所示，該系統(tǒng)正常工作且達(dá)到預(yù)期。

5 總結(jié)

系統(tǒng)以 STM32F103C6T6 為主控芯片，借助各種傳感器以及報(bào)警和藍(lán)牙通信模塊達(dá)到對(duì)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，功能穩(wěn)定。相較于市場(chǎng)大多數(shù)空氣質(zhì)量檢測(cè)儀器，該系統(tǒng)能充分利用硬件資源，而且設(shè)計(jì)貼切實(shí)際，能隨時(shí)了解所處環(huán)境的空氣質(zhì)量。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)