王志強，王 直

（江蘇科技大學 電子與信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于STM32室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

王志強，王 直

（江蘇科技大學 電子與信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

本室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，采用Cortex-M3為內(nèi)核的STM32C8T6作為微處理器，主控板搭載SHT20溫濕度傳感器、PM2.5激光傳感器，能夠快速、準確地將室內(nèi)溫濕度值、PM2.5含量檢測出來，并通過段式LCD液晶屏顯示，同時根據(jù)檢測出的PM2.5數(shù)值，利用CC2541藍牙模塊串口透傳功能，發(fā)送自定義指令，讓子模塊執(zhí)行相應功能。

溫濕度；PM2.5；段式LCD；CC2541藍牙模塊；STM32

隨著大氣污染的日益加劇，受大氣污染影響且污染更嚴重的室內(nèi)空氣污染成為全球性廣泛關(guān)注重點[1]，在諸多氣象因素中，對人體健康影響最大的是氣溫和濕度，當室內(nèi)溫度過高時，會影響到人的體溫調(diào)節(jié)功能，脈搏和呼吸減慢，溫度過低時，又會使人新陳代謝功能下降，同樣，室內(nèi)濕度過大時，抑制人體蒸發(fā)散熱，使人體感到不舒適，而濕度過低時，會感到口干舌燥。人體的生理結(jié)構(gòu)決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力，PM2.5的危害隨著經(jīng)濟發(fā)展帶來的空氣污染，逐步暴露出其恐怖的一面。本設(shè)計是某型空氣凈化器控制樞紐，采用Corex-M3[2]為內(nèi)核的STM32C8T6微處理器，搭載溫濕度傳感器、PM2.5激光傳感器，利用藍牙CC2541模塊，段式LCD，將內(nèi)室空氣質(zhì)量情況檢測、顯示、傳輸和控制方案集成一體[3]，能夠幫助人們了解身體周邊空氣質(zhì)量情況。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 STM32外圍電路設(shè)計

主控芯片STM32C8T6具有20 kB SRAM、64 kB FLASH、1個高級定時器、3個通用定時器、2個SPI、2個IIC、3個串口、1個USB、1個CAN、1個12ADC以及36個通用IO口，外圍資源豐富，性能穩(wěn)定是STM32廣泛運用的重要因素之一[4]。

該部分電路主要包括復位電路、晶振電路、系統(tǒng)啟動模式電路、SWD下載代碼電路。 其中STM32C8T6為低電平復位，因此設(shè)計的電路也是低電平復位，這里的R3和C1構(gòu)成了上電復位電路。外接8 M高速外部晶振，通過PLL鎖相環(huán)倍頻輸出，可達到72 MHZ，相比傳統(tǒng)的C51單片機，具有很大優(yōu)勢[5]。STM32啟動模式可分為FLASH啟動、系統(tǒng)存儲器啟動、SRAM啟動。本電路通過硬件配置BOOT0、BOOT1為0，因此系統(tǒng)默認從FLASH啟動。STM32下載電路大體有3種方式，第一種是串口下載，此種方式最大問題是只能下載代碼，并不能實時跟蹤調(diào)試。另外兩種下載方式為JTAG、SWD，二者均通過JLINK仿真器，它們的差別在于，JTAG需要占用比SWD模式多很多的IO口，而主控板上這些IO口可能被用于其他外設(shè)，造成部分外設(shè)無法使用，而SWD只需要2個IO口（JTCK、JTMS）即可實現(xiàn)代碼下載及在線仿真調(diào)試，本電路設(shè)計也是采用SWD代碼下載方式。

圖1 STM32外圍電路設(shè)計

1.2 電源電路設(shè)計

外接12 V電源，電路中需要用到5 V、3.3 V電壓，因此選用了 XL1509-5.0、LM1117-3.3V兩款DC-DC轉(zhuǎn)換芯片。XL1509系列芯片是一個150 KHz固定頻率脈寬調(diào)制（降壓型）DC/DC轉(zhuǎn)換器。具有2A負載驅(qū)動能力并且效率高，低文波和極好的線性，負載能力好，僅需最少外部元件，較寬的電壓輸入范圍4.5～40 V，輸出可調(diào)范圍1.23～37 V，這里我們直接選用該系列的XL1509-5.0型號，可直接輸出5 V電壓。芯片VIN為電壓輸入管腳，OUTPUT為功率開關(guān)輸出引腳，F(xiàn)EEDBACK為反饋引腳，ON/OFF引腳為使能引腳，引腳為低時，開啟設(shè)備。

圖2 電源電路設(shè)計

LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2 V輸出，負載電流為800 mA時為1.2 V。這里選擇該系列固定電壓輸出型號LM1117-3.3 V，可以將5 V轉(zhuǎn)換成需要的3.3 V電壓。

1.3 SHT20溫濕度傳感器外圍電路設(shè)計

SHT20，新一代Sensirion溫濕度傳感器在尺寸和智能方面形成了行業(yè)標準，它嵌入了適于回流焊的雙列扁平無引腳DFN封裝，地面3X3 mm，高度1.1 mm[6]。傳感器輸出經(jīng)過標定的數(shù)字信號，標準I2C格式。該傳感器濕度分辨率8/12 bit、溫度分辨率12/ 14 bit可通過輸入命令進行改變，濕度正常測量范圍0-80%RH、溫度為-40～+125攝氏度[7]。

圖3 SHT20溫濕度傳感器外圍電路

SHT20的工作電壓范圍是2.1～3.6 V，這里我們選擇3.3 V供電，它與STM32C8T6通信采用標準I2C協(xié)議，由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成串行總線，可發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。圖3中，R6和R7均為10 k上拉電阻，C11為濾波電容，VSS接地，VDD接3.3 V電壓。

1.4 PM2.5傳感器外圍電路設(shè)計

該傳感器選用的是北京?？酥莿涌萍奸_發(fā)有限公司型號為HK-PM01激光式PM2.5傳感器。HKPM01是一款數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可以用于獲得單位體積內(nèi)空氣中0.3～10微米懸浮顆粒物個數(shù)，即顆粒濃度，并以數(shù)字接口形式輸出，同時也可以輸出每種粒子的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

圖4 PM2.5傳感器外圍電路

PM2.5傳感器供電電壓為 5 V，SET引腳接STM32C8T6普通IO口即可，當SET=1時，模塊工作在連續(xù)采樣方式下，模塊在每一次采樣結(jié)束后主動上傳采樣數(shù)據(jù)，采樣響應時間為1 s。當SET=0時，模塊進入低功耗待機模式。RXD、TXD分別與STM32C8T6串口3的TX、RX相接。

1.5 CC2541藍牙2.4 G模塊設(shè)計

該模塊選用的是深圳市藍嵌科技有限公司的CC2541[8]藍牙模塊，該模塊內(nèi)置256 K字節(jié)可插除存儲器，可提供PIO、UART、SPI、USB輸出接口，工作頻段2.402～2.480 GHz，接受靈敏度達到-88 dB（典型），最大可達-94 dB，板載天線情況下，通信距離有100米。

圖5 CC2541藍牙2.4G模塊設(shè)計

模塊3.3 V供電，模塊nRST引腳為復位輸入引腳，這里直接通過上拉電阻R9進行拉高。C13、C14為電源濾波電容，R12、R11電阻是為了阻抗匹配，防止反射。由于用到的是藍牙串口透傳功能，因此將藍牙模塊的RX、TX引腳接到STM32C8T6的串口1的TX、RX引腳。D5為發(fā)光二極管，作為藍牙狀態(tài)指示燈，當指示燈有規(guī)律的一閃一滅，說明該藍牙主模塊與其他藍牙從模塊未建立連接；當指示燈出現(xiàn)急促亮滅，說明與其他藍牙模塊已建立連接。另外需要說明的是，藍牙模塊的主從模式，可以通過PC串口將藍牙模塊進入AT模式進行修改。

1.6 段式LCD液晶屏驅(qū)動電路設(shè)計

段式LCD液晶屏主要用來顯示數(shù)字，也可以根據(jù)項目實際需求定制圖案，廣泛應用于儀器、儀表、辦公設(shè)備、銀行系統(tǒng)、工控設(shè)備等[9]。與LED相比，LCD主要的特點是功耗極地，適合電池供電設(shè)備中使用，段式LCD有一個明顯特點就是需要交流電壓驅(qū)動，若用直流電壓驅(qū)動會損壞段式液晶屏[10]，這就決定了STM32驅(qū)動段式LCD方法與驅(qū)動LED數(shù)碼管方法不同，LCD數(shù)碼管每個數(shù)碼管幾個相同的段連接在一起作為公共電極，單個數(shù)碼管不在同一個公共極上的幾個段連接在一起引出。為了更好的驅(qū)動段式LCD液晶屏，這里我們選擇HT1622芯片，該芯片是臺灣HOLTEK專門驅(qū)動段式液晶屏而研發(fā)的一種芯片，一個32X8LCD驅(qū)動器，內(nèi)嵌32X8位顯示RAM內(nèi)存，1/4偏壓和1/8的占空比，四線串行接口，具有數(shù)據(jù)、命令、數(shù)據(jù)命令3種數(shù)據(jù)訪問模式，提供VLCD管教用于調(diào)整LCD操作電壓。

CS為片選引腳，接上拉電阻，當CS為高電平時，讀寫HT1622的數(shù)據(jù)和命令無效，串行接口電路復位，當CS為低電平和作為輸入時，讀寫HT1622的數(shù)據(jù)和命令有效；RD為讀脈沖輸入，接上拉電阻，在 RD信號的下降沿，HT1622內(nèi)存數(shù)據(jù)被讀到DATA線上，主控制器可以在下一個上升沿時鎖存這些數(shù)據(jù)；WR為寫脈沖輸入，接上拉電阻，在WR信號的上升沿，DATA線上數(shù)據(jù)寫到HT1622。DATA外接上拉電阻，該引腳作為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。上述4個引腳與STM32通用IO口連接即可。R34為15 KΩ電位器，用于調(diào)節(jié)段式LCD液晶屏驅(qū)動電壓。芯片COM0～COM7接液晶屏8個公共極，SEG0～SEG13分別接液晶屏14個段極。

圖6 段式LCD液晶屏驅(qū)動電路

1.7 觸摸感應按鍵電路設(shè)計

觸摸感應檢測按鍵是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型按鍵，它可以穿透絕緣材料外殼（玻璃、塑料等等），通過檢測人體手指帶來的電荷移動，而判斷出人體手指觸摸動作，從而實現(xiàn)按鍵操作[11]。電容式觸摸按鍵不需要傳統(tǒng)按鍵的機械觸點，也不再使用傳統(tǒng)金屬觸摸的人體直接接觸金屬片而帶來的安全隱患以及應用局限。FTC334B是專業(yè)的觸摸按鍵處理芯片，采用最新高精度數(shù)字電容測量技術(shù)，能夠做到防輻射以及電源干擾、防面板水珠影響[12]。其最大能支持到8個觸摸按鍵功能。輸出4位二進制碼，帶靈敏度選項腳，以及按鍵指示口。

圖7 觸摸感應按鍵電路

此部分電路中，C23、C24兩個電容用于共同調(diào)節(jié)觸摸靈敏度，二者電容之和越小，觸摸靈敏度越高；電容之和越大觸摸靈敏度越低。與此同時，芯片S1管腳也作為靈敏度調(diào)節(jié)輸入選項口，內(nèi)部有上拉電阻。懸空靈敏度高，接地靈敏度低，在調(diào)節(jié)C23、C24電容無法達到預期靈敏度時，使用S1選項腳輔助調(diào)節(jié)。K1～K8為8個觸摸盤電容信號輸入口，一般使用時串聯(lián)470～1 kΩ電阻，能有效防止RF干擾和提升抗ESD靜電能力。這里我們用了7個按鍵，K8未用到，接地處理。D0～D3為4個二進制碼輸出端，接STM32C8T6通用IO口即可。

2 測試及問題解決方案

測試過程中，發(fā)現(xiàn)藍牙的通信距離大概只有20多米的距離，信號衰減比較厲害。原因是藍牙信號容易被金屬屏蔽，因此藍牙模塊周圍尤其是天線部分，應該盡量遠離金屬部分[13]，在電路板PCB布局中，模塊天線部分應靠載板PCB四圍放置，不允許放置于板中，且天線下方載板銑空，與天線平行方向，不允許鋪銅或走線[14]。把天線部分直接露出載板也是個比較好的選擇。

按鍵會出現(xiàn)反應遲鈍，或者出現(xiàn)連擊的現(xiàn)象，這都是觸摸芯片F(xiàn)TC334B外圍電容設(shè)置不合理造成的原理，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，一般電容值在0.1～1 uF之間能適應大部分應用場合。

運行時，偶爾會出現(xiàn)屏幕跳動，屏幕有鬼影現(xiàn)象。主要原因是電源濾波沒有處理好，還有就是跟PCB布線也有較大關(guān)系，原則上輸入輸出端的導線應盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合[15]。

3 結(jié)束語

設(shè)計了一款基于STM32C8T6室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測模塊，能夠檢測溫度、濕度、PM2.5，通過段式LCD液晶屏顯示出數(shù)值，同時根據(jù)檢測出的PM2.5數(shù)值，利用2.4 GHz藍牙CC2541無線串口透傳功能發(fā)送自定義指令，讓子模塊執(zhí)行相應功能。通過整機調(diào)試，一定程度上解決了藍牙信號衰減、觸摸按鍵靈敏度、段式LCD屏幕跳動及鬼影問題。

圖8 整機測試效果圖

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The hardware design of indoor air quality testing system based on STM32

WANG Zhi-qiang，WANG Zhi
（school of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

This indoor air quality testing system adopts Cortex-M3 as the core microprocessor STM32C8T6 as the core CPU embedded controller.The master plat carries SHT20 temperature and humidity sensor，PM2.5 laser sensor，able to quickly and accurately detect values，the sections of LCD can display that，at the same time，according to the detected PM2.5 values，the CC2541 bluetooth module with its serial transfer function to send custom commands to the child module performs，that will do the corresponding function.

temperature and humidity；PM2.5；Sections of LCD；CC2541 bluetooth module；STM32

TN99

A

1674-6236（2017）09-0108-05

2016-04-09稿件編號：201604089

王志強（1991—），男，江西贛州人，碩士研究生。研究方向：智能控制。