安陽工學院電子信息與電氣工程學院 李志瑞 申慶超

智能家用P M2.5環(huán)境檢測儀設計

安陽工學院電子信息與電氣工程學院 李志瑞 申慶超

作為霧霾的主要成分，PM2.5越來越受到人們的重視，但傳統(tǒng)的PM2.5環(huán)境檢測儀造價昂貴，使用不方便，難以在家庭中應用?；诖耍趥鞲衅骷夹g(shù)和STM32設計了一款智能家用PM2.5環(huán)境檢測儀。使用夏普GP2Y1010傳感器完成對粉塵顆粒物的采集，溫濕度傳感器DHT11完成室內(nèi)溫濕度的采集，AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換之后送入STM32單片機進行控制處理，并在OLED顯示屏上進行顯示，同時可以設置超限報警值，當PM2.5濃度超過設定值之后，進行聲光報警和GSM模塊發(fā)送短信提醒。

PM2.5；傳感器技術(shù)；STM32；SM模塊

1 引言

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，人民群眾的生活水平不斷提高，環(huán)境污染問題越來越嚴重，引起人們的廣泛關注，特別是每到冬季華北地區(qū)的霧霾問題。而作為霧霾主要成分PM2.5的檢測也成為環(huán)保部門空氣質(zhì)量報告的主角，我國目前對PM2.5的檢測技術(shù)已經(jīng)相當成熟，空氣質(zhì)量報告也實時更新，但是對家庭內(nèi)部的PM2.5的檢測關注較少。傳統(tǒng)的PM2.5的環(huán)境檢測儀造價昂貴，使用不方便，難以在家庭中應用。因此，本設計基于傳感器技術(shù)和STM32設計了一款智能家用PM2.5環(huán)境檢測儀，從而實現(xiàn)對PM2.5的實時檢測。使用夏普GP2Y1010傳感器完成對粉塵顆粒物的采集，溫濕度傳感器DHT11完成室內(nèi)溫濕度的采集，AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換之后送入STM32單片機進行控制處理，并在OLED顯示屏上進行顯示，同時可以設置超限報警值，當PM2.5濃度超過設定值之后，進行聲光報警和GSM模塊發(fā)送短信提醒。

本設計具有體積小、便于攜帶、價格便宜、使用方便靈活等特點，且檢測效果良好，適用于家居環(huán)境的PM2.5和溫濕度的檢測特性。

2 系統(tǒng)硬件設計

從整體設計的角度來看，采用模塊化的設計理念，本設計主要組成部分：由PM2.5粉塵傳感器、溫濕度傳感器構(gòu)成的傳感器模塊，STM32控制模塊，OLED液晶顯示模塊，GSM模塊，電源模塊等。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

傳感器模塊主要有兩部分組成：PM2.5粉塵傳感器采用夏普GP2Yl010AU0F粉塵傳感器采集空氣中的粉塵顆粒，溫濕度傳感器采用DHT11采集室內(nèi)的溫濕度環(huán)境參數(shù)。

夏普GP2Yl010AU0F粉塵傳感器的主要構(gòu)成部分是紅外發(fā)光管和光電晶體管，檢測原理是紅外發(fā)光管一直發(fā)射LED光，發(fā)射出來的光線會因為空氣中灰塵的存在而產(chǎn)生折射，檢測折射過后的光線就可以判斷出灰塵的含量。傳感器輸出電壓與灰塵濃度關系在0～0.5mg/m3范圍內(nèi)成線性關系。計算灰塵濃度關系的公式為：

其中ADout為模擬量輸出，通過公式(1)和(2)即可計算出當前PM2.5的濃度值。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

圖2 STM32F103微控制器的管腳示意圖

DHT11是一款目前廣泛應用的已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。溫度量程0～50℃，精度±2℃；濕度量程在20-90%RH，精度±5%RH。輸出采用單總線結(jié)構(gòu)簡單、方便，具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點，可滿足家居環(huán)境對溫濕度的要求。

控制模塊采用嵌入式STM32F103微控制器，采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)能夠快速處理數(shù)據(jù)；具有內(nèi)部功能豐富、集成度高的特點；出色的外設接口，與總線相連可以達到很高的運行速度。為使STM32F103微控制器正常工作，需要外接晶振電路、復位電路、輸入/輸出接口等。STM32F103微控制器的管腳示意圖如圖2所示。

OLED12864是128×64行點陣顯示模塊。其驅(qū)動IC為SSD1306，具有內(nèi)部升壓功能。通過SDA數(shù)據(jù)總線輸入數(shù)據(jù)，點亮顯示數(shù)據(jù)RAM中對應地址的數(shù)據(jù)，就可以在顯示屏上顯示信息。粉塵傳感器進行數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)過STM32運算處理，在液晶OLED上面顯示出計算測量到的PM2.5濃度值。OLED的工作電壓范圍是3～5.5V，本設計中采用5V供電。

GSM模塊是由GPRS A6芯片構(gòu)成，該模塊以GPRS數(shù)據(jù)傳輸為核心，在數(shù)據(jù)傳輸方面功能強大。STM32與GSM模塊進行連接，當檢測到的PM2.5超過設定的超限報警值時，GSM模塊和PA9、PA10接口連接，啟動報警數(shù)據(jù)傳輸，進而實現(xiàn)報警。

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計使用STM32作為整個系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)軟件設計主要分為系統(tǒng)初始化模塊、PM2.5濃度和溫濕度檢測、數(shù)據(jù)存儲顯示和報警電路控制等模塊，每個模塊都不能缺少，并且在系統(tǒng)中發(fā)揮著各自的功能，使整個系統(tǒng)得以正常工作。系統(tǒng)上電后首先進行初始化操作，主要是系統(tǒng)時鐘初始化、GPIO端口配置及參數(shù)配置等，接著檢測是否調(diào)整設定的報警值，溫濕度、PM2.5的濃度值等數(shù)據(jù)采集并進行顯示，如果檢測到的PM2.5的濃度值超過設定的報警值則觸發(fā)GSM短信報警和聲光報警。系統(tǒng)軟件設計的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設計流程圖

將系統(tǒng)各模塊電路連接，STM32中應用嵌入式C語言在軟件Keil uVision燒錄程序之后，對其電路進行測試與驗證結(jié)果符合設計預期，檢測效果明顯，PM2.5檢測界面圖如圖4所示。

圖4 PM2.5檢測界面圖

4 結(jié)束語

本文結(jié)合傳感器技術(shù)和STM32設計了一款智能家用PM2.5環(huán)境檢測儀，主要介紹了其硬件電路的各模塊構(gòu)成與軟件實現(xiàn)并進行了設計驗證。經(jīng)過測試結(jié)果表明所設計的PM2.5環(huán)境檢測儀，簡單方便、造價低廉，應用前景廣闊。

[1]王雪瑞,李艷瑋,李拴保.分布式礦井粉塵濃度在線監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2014,22(7):2084-2086.

[2]曹龍.基于STM32的室內(nèi)PM2.5檢測系統(tǒng)的設計[J].電子世界,2016(17):108-108.

[3]梅祥.基于STM32的PM2.5檢測系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機,2016,29(9):159-160.

[4]葛年明,殷彩萍,邵文學.基于STM32的室內(nèi)有害氣體檢測系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,2015,34(23):20-22.

[5]孫慧芳,莫淳棟.基于STM32智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程,2014,19:82-85.

[6]王嘯東.一種新型 PM2.5檢測儀的設計[J].電氣時代,201(4):82－84

[7]彭煜.基于STM32的便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器的研究[D].廣州:暨南大學,2013.

The Design of Intelligent Home PM2.5 Environment Detector

LI Zhi-rui，SHEN Qing-chao
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Anyang Institute of Technology，Henan Anyang,455000，China）

As the main component of fog and haze，PM2.5 has been paid more and more attention ，but the traditional PM2.5 environment detector is expensive and inconvenient and diff i cult to use in the home. Based on this，a intelligent home PM2.5 environment detector has designed based on sensor technology and STM32. Using the SHARP GP2Y1010 sensor of dust particles collection，temperature and humidity sensor DHT11 to complete the indoor temperature and humidity acquisition，after AD conversion into STM32 MCU control processing，and displayed on the OLED screen，and can set the alarm value，when the PM2.5 concentration exceeds the set value，the acousto-optic alarm and GSM module SMS alerts.

PM2.5；sensor technology；STM32；GSM module

李志瑞（1985—），男，河南許昌人，碩士，安陽工學院電子信息與電氣工程學院講師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡、信息檢測技術(shù)。

安陽工學院青年科研基金“無線低頻振動檢測系統(tǒng)的研制與應用研究”（項目編號：QJJ2015016）。