王駿西 路曉波 陶杰

摘 ? 要：隨著生活水平的提高，人們更加重視室內環(huán)境質量。本文著重研究了STM32F0系列單片機內部模數(shù)轉換模塊、異步串行通信模塊及模擬IIC的時序工作原理，設計了基于該單片機的室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測微型低功耗系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)實現(xiàn)了對室內溫度、濕度、空氣懸浮顆粒指數(shù)等參數(shù)的實時監(jiān)測和顯示功能。此外，本系統(tǒng)還預留了TTL電平的串行通信接口，為系統(tǒng)后續(xù)升級改造提供便利。

關鍵詞：STM32F0單片機 ?微型監(jiān)測系統(tǒng) ?室內環(huán)境參數(shù)

中圖分類號：TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0137-02

人們生活水平日益提高，對生活環(huán)境的要求也越來越高，更加注重室內環(huán)境諸如溫度、濕度、空氣中可吸入微型顆粒物數(shù)量以及空氣中有害氣體含量等環(huán)境質量。因此，身處的室內環(huán)境參數(shù)可視化也成為人們追求的目標之一，可視化使得環(huán)境指數(shù)更加透明，增加人們對周身環(huán)境的可信度及安全感。同時，實現(xiàn)對周圍環(huán)境可視化檢測也有利于人們通過一些方法和手段及時調整環(huán)境狀態(tài)，以適應自身需求。

1 ?系統(tǒng)總體設計

以室內環(huán)境參數(shù)可視化為出發(fā)點，結合室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的地點移動性和隨機性等因素，以STM32F0系列單片機為系統(tǒng)控制核心，將檢測到的數(shù)據(jù)處理，發(fā)送至OLED液晶顯示器顯示，方便人們了解自身所處環(huán)境的各參數(shù)指標，便攜且可移動性良好。同時，該系統(tǒng)還預留了一個TTL電平的異步串行通信接口[1]（即UART），為后續(xù)系統(tǒng)通信擴展提供接口。

在整個系統(tǒng)中NTC-B3950為高精度溫敏電阻，STM32F030為意法半導體32位單片機，Si7021為溫濕度傳感器模塊，TGS2600為空氣懸浮顆粒成分傳感器，UART為串行異步通信接口。本系統(tǒng)采用精巧化結構設計，將所有器件和一塊3V紐扣供電電池集成于一塊PCB電路板上，整個系統(tǒng)集成后預計約2cm見方。

2 ?系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)基于STM32F0系列單片機實現(xiàn)，由3V紐扣電池作為電源，外部電路包含了高精度溫敏電阻傳感器、溫濕度傳感器、空氣懸浮顆粒物傳感器和OLED液晶顯示部分分別通過模數(shù)轉換模塊、普通IO模塊、模擬IIC接口與STM32F030單片機相連。硬件設計如圖1所示。

在圖1所示系統(tǒng)主要硬件設計原理圖中，外部溫度傳感器（P7接口）采用1%精度的NTC-B3950溫敏電阻，由PA0作為ADC的通道0讀取該處的電壓值，經過計算得到溫敏電阻值及環(huán)境溫度值。還可以采用Si7021型溫濕度傳感器模塊（P4接口）采集環(huán)境溫度和濕度，同時將溫敏電阻采集的溫度和溫濕度傳感器采集的溫度進行溫度補償計算，可以使該系統(tǒng)采集環(huán)境溫度更準確。系統(tǒng)采用TGS2600（P9接口）作為空氣成分傳感器，通過ADC采集傳感器輸出電壓值，在通過標定的方式將電壓值對應成空氣質量參數(shù)，進而計算出空氣質量參數(shù)[2]。

系統(tǒng)將上述參數(shù)采集過程得到的環(huán)境參數(shù)進行計算后通過IIC接口送至OLED顯示屏進行逐行顯示，系統(tǒng)完成一個周期的數(shù)據(jù)采集和顯示。

3 ?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件開發(fā)使用的是意法半導體官方推薦的Keil 5編譯環(huán)境中完成。結合總體設計和硬件電路設計原理。

在軟件設計中，根據(jù)流程初始化單片機A/D轉換外設的轉換方式、速率以及位數(shù)設置;I/O外設的輸入輸出方式設置;串行通信接口外設的引腳指定、傳輸數(shù)率、數(shù)據(jù)位數(shù)和數(shù)據(jù)接收方式設置;OLED的字庫初始化等。

完成單片機外設資源初始化后，按照A/D采集到的電壓值對應成電阻值，根據(jù)電阻值標定的溫度值、空氣質量參數(shù)值計算出當前溫度和空氣質量參數(shù);讀取TGS2600溫濕度值。根據(jù)獲取的溫度值、溫濕度值、空氣質量參數(shù)值送至OLED顯示器。系統(tǒng)完成一次顯示后，程序會自動跳轉至AD采集溫度處，并按照軟件工作流程執(zhí)行，每顯示一次就是系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)就更新以此。嵌入式系統(tǒng)程序是不斷循環(huán)執(zhí)行的，只要系統(tǒng)供電不中斷，就會一直工作下去，采集各個傳感器上的數(shù)據(jù)并顯示。

4 ?系統(tǒng)實現(xiàn)結果

根據(jù)系統(tǒng)設計結構思想，將硬件設計原理通過Altium Designer設計出PCB圖，再經過制版、焊接，通過Keil編程實現(xiàn)軟件流程中各個功能單元模塊，調試穩(wěn)定后，本系統(tǒng)運行結果如圖2所示。本系統(tǒng)集成度高，界面顯示簡潔，可將“環(huán)境濕度”、“環(huán)境溫度”和“空氣質量”的數(shù)值內容顯示內容具體詳實。

5 ?結語

該系統(tǒng)的實現(xiàn)，體現(xiàn)了STM32F0系列單片機功能強大、運行穩(wěn)定、成本較低及性價高等優(yōu)點。系統(tǒng)在設計之初預留了異步串行口，可以為后續(xù)無線通信設計提供端口支撐，該端口可以連接具有TTL電平異步串行接口的藍牙通信模塊、433M無線數(shù)傳模塊、WiFi通信模塊等。增加了系統(tǒng)的可擴展性和應用廣泛性。整個系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單、體積小、功能多等優(yōu)點，可以為其他室內環(huán)境監(jiān)控檢測小型化系統(tǒng)提供參考，具有實際應用價值。

參考文獻

[1] 孫占鵬，李佳，歐文.多傳感器室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（1）：87-90.

[2] 陳陽.室內微環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)分析與設計[J].科技經濟市場，2016（3）：99-100.

[3] 徐玲.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2016，6（10）：32-34.