葛年明，殷彩萍，邵文學(xué)

（1.三江學(xué)院 電工電子實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210012；2.三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210012；3.三江學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

基于STM32的室內(nèi)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛年明1，殷彩萍2，邵文學(xué)3

（1.三江學(xué)院 電工電子實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210012；2.三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210012；3.三江學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

隨著人們對(duì)空氣污染的日益關(guān)注，空氣質(zhì)量檢測(cè)已成為智能家居生活的重要組成部分。本文采用STM32、夏普PM2.5檢測(cè)傳感器和MS1100VOC傳感器，有效檢測(cè)空氣中PM2.5和甲醛的濃度值，并通過自帶的 WiFi模塊，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)等功能。

STM32；空氣質(zhì)量檢測(cè)；PM2.5；甲醛；WiFi

0 引言

近幾年，空氣污染問題受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，除了頻繁造訪的霧霾天氣造成的空氣污染，室內(nèi)各種有害氣體污染的狀況也不容樂觀，造成空氣污染的物質(zhì)種類很多，其中最被人們所熱議的當(dāng)屬PM2.5和甲醛。

目前市場(chǎng)上已有很多空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，這些空氣檢測(cè)儀功能大多比較單一，只能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)的功能，很難實(shí)現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［1］。本課題所做的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)具有高效、便捷、實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，同時(shí)又具有智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)有效地對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控及預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

1.1 硬件組成電路框圖

空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要由電源電路、微處理器、PM2.5傳感器、VOC傳感器、LCD顯示模塊、595數(shù)碼管等級(jí)顯示等組成，具體如圖1所示。

圖1 空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電路基本工作原理及主要功能介紹

系統(tǒng)經(jīng)傳感器模塊采集傳感器輸出的電壓值，將采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將處理過后的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送給智能手機(jī)終端，用戶可以根據(jù)手機(jī)上面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察家居空氣質(zhì)量的情況；另一方面，用戶可以通過智能手機(jī)終端向WiFi模塊發(fā)送指令，WiFi模塊再將控制指令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再做出相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器控制單元

本系統(tǒng)采用的是STM32單片機(jī)作為處理器，STM32價(jià)格便宜，性價(jià)比高，擁有一流的外設(shè)，具有低功耗、最大集成度、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、處理數(shù)據(jù)速度快、市場(chǎng)應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)［2］。STM32最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 STM32最小系統(tǒng)圖

2.2 PM2.5傳感器電路

PM2.5傳感器的原理：PM2.5傳感器中有空氣流動(dòng)的通孔，空氣的流動(dòng)帶動(dòng)粉塵、煙霧等粒子的運(yùn)動(dòng)，在PM2.5傳感器中帶有發(fā)光二極管，檢測(cè)的主要原理就是通過發(fā)光二極管散發(fā)出的光，經(jīng)過灰塵的折射，根據(jù)接受管所接受到的光量來判斷灰塵的濃度，然后再將濃度值轉(zhuǎn)換成電壓值由單片機(jī)檢測(cè)［3］。

PM2.5傳感器采用的 GP2Y1010AU0F粉塵類傳感器，相對(duì)于其他 PM2.5檢測(cè)傳感器，它的封裝體積較小，而且可以檢測(cè)非常細(xì)小的顆粒，該傳感器檢測(cè)時(shí)間較短，塵埃只要一個(gè)脈沖的時(shí)間即可被檢測(cè)到，且還能區(qū)分煙和塵埃。具體電路如圖3所示。

圖3 PM2.5傳感器連接電路

2.3 甲醛傳感器電路

甲醛傳感器采用的型號(hào)是 MS1100-P111VOC，該型號(hào)傳感器品質(zhì)好，精準(zhǔn)度高，且靈敏度較好，能夠測(cè)量0.1 ppm濃度的氣體，是進(jìn)口的半導(dǎo)體式傳感器，可以檢測(cè)多種不同的氣體［4］。具體電路如圖4所示。

圖4 甲醛傳感器連接電路

2.4 溫濕度傳感器電路

溫濕度傳感器采用的型號(hào)是 DHT11，該型號(hào)傳感器應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，具有卓越的長(zhǎng)期性和穩(wěn)定性，且功耗很小，它的相對(duì)濕度和溫度測(cè)量皆有露點(diǎn)，能做到自動(dòng)休眠。具體電路如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器

2.5 液晶顯示電路

液晶顯示采用顯示屏 LCDNokia5110，該屏性價(jià)比高，可以顯示 15個(gè)漢字，30個(gè)字符，接口較為簡(jiǎn)單方便，只需要四根數(shù)據(jù)線、電源和地即可完成液晶的顯示部分。不僅如此，該屏傳輸數(shù)據(jù)快，工作電壓為 3.3 V，是低功耗設(shè)備。具體電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，采用 C語言編程使程序更加可靠，方便開發(fā)人員的調(diào)試和維護(hù)。軟件設(shè)計(jì)主要分為兩種：空氣中的可入肺顆粒物（PM2. 5）檢測(cè)部分和空氣中甲醛含量的檢測(cè)。系統(tǒng)主程序如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

PM2.5檢測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)：除了各個(gè)部分的初始化之外，最重要的就是單片機(jī)對(duì)于采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了能夠有效并且實(shí)時(shí)地檢測(cè) PM2.5的值，單片機(jī)必須能夠?qū)崟r(shí)對(duì) PM2.5傳感器測(cè)得值進(jìn)行采集、處理、顯示。

甲醛、溫濕度檢測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)：在讀取溫濕度的值時(shí)先跟其進(jìn)行握手連接，如果握手成功則對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，DHT11的傳輸數(shù)據(jù)包括整數(shù)和小數(shù)，對(duì)DHT11按時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，然后在屏幕上顯示即可。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 驅(qū)動(dòng)條件

根據(jù)傳感器GP2Y1010的數(shù)據(jù)手冊(cè)，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件就是在3腳輸入的PWM波的周期。按規(guī)格書上所說：占空比 3.2%，周期 10 ms的脈沖波，在此條件下無塵電壓固定，若有變動(dòng)，無塵電壓將隨之變動(dòng)。在設(shè)計(jì)程序中，如果沒有特定的條件，請(qǐng)?jiān)谕扑]范圍內(nèi)操作規(guī)范。

此外，根據(jù)電源電壓，輸出電壓也會(huì)改變。

4.2 硬件連接

圖3中傳感器引腳1接上150 Ω的電阻，然后接上6腳，6腳接上5 V電源，1腳接上220 μF有極性電容，然后接上2、4兩個(gè)腳，傳感器的第三腳是脈沖輸入端，單片機(jī)送入周期為10 ms的脈沖，5腳為單片機(jī)A/D采樣點(diǎn)。

需要注意的是：在單片機(jī)輸入 PWM時(shí)，有條件的話，要用示波器先觀察波形，看輸出的波形是否符合要求。傳感器的正負(fù)不能接反。

4.3 傳感器數(shù)據(jù)處理

傳感器所要處理的數(shù)據(jù)分別為無塵時(shí)傳感器所測(cè)得的峰峰電壓值和有灰塵時(shí)傳感器所測(cè)得的電壓峰峰值，此處也是傳感器數(shù)據(jù)處理的一個(gè)難點(diǎn)，借助 Excel表格分別對(duì)所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波處理。具體如圖8、圖9所示。

圖8 PM2.5無塵時(shí)數(shù)據(jù)處理

圖9 PM2.5有灰塵時(shí)數(shù)據(jù)處理

由圖8、9可知，傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)，在無塵和有塵時(shí)唯一的變化是在一個(gè)周期內(nèi)輸出的波形的峰峰值，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)必須針對(duì)其峰峰值。

5 結(jié)束語

本文將嵌入式系統(tǒng)、Android應(yīng)用、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到有害氣體檢測(cè)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)PM2.5與甲醛檢測(cè)于一體的有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果證明，所有功能基本能夠?qū)崿F(xiàn)，測(cè)量精準(zhǔn)，可靠性高，功耗低。

［1］矯曉敏，尚麗平．應(yīng)用TDLAS探測(cè)氣體的誤差分析與補(bǔ)償研究［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（3）：70-72，76．

［2］蔡屹.基于雙相鎖相放大器的微弱信號(hào)矢量測(cè)量［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（25）：111-112．

［3］柏興洪.基于ARM9的嵌入式氣體檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)及研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011．

［4］王杰．基于STM32F103礦用高壓隔爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2010．

［5］黎長(zhǎng)云.基于 ZigBee的低功耗無線油井傳感變送器的研究與設(shè)計(jì)［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2011．

Design of the system of the indoor harmful gas detection based on STM32

Ge Nianming1，Yin Caiping2，Shao Wenxue3
（1.Electrical and Electronic Experimental Center，Sanjiang University，Nanjing 210012，China；2.Electronic Information Engineering College，Sanjiang University，Nanjing 210012，China；3.Electrical and Automation Engineering College，Sanjiang University，Nanjing 210012，China）

With the increasing attention to air pollution，air quality testing has become an important part of the smart home life.In this paper，STM32，SHARP PM2.5 detection sensor and MS1100VOC sensor are applied to effectively test the concentration of PM2.5 and formaldehyde in the air.In addition，we can realize monitoring the indoor air quality，collecting remote data and other functions by the built-in WiFi module.

STM32；air quality testing；PM2.5；formaldehyde；WiFi

TP23

A

1674-7720（2015）23-0020-03

葛年明，殷彩萍，邵文學(xué).基于 STM32的室內(nèi)有害氣體檢測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：20-22.

2015-08-07）

葛年明（1979-），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。E-mail：piaoyi_129@163.com。