方 帆

（巢湖學院教務(wù)處，安徽巢湖238024）

隨著人們生活水平的日益提高，環(huán)境污染對人類健康的危害開始引起人們的廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，人類有80%～90%的時間在室內(nèi)度過[1]，而由于過度裝修以及空氣不流通等原因，室內(nèi)某些污染物比室外還要高，這嚴重影響人類健康。室內(nèi)空氣中的主要污染物有可吸入顆粒、細小顆粒物（PM2.5）、甲醛、一氧化碳等。為了使人們能夠及時了解室內(nèi)的甲醛含量，本文提出基于STM32微控制器設(shè)計一款適合家用的甲醛檢測儀的具體方案。

1 甲醛檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 STM32處理器

STM32是意法半導體公司基于Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計的32位微控制器，具有高性能、低成本和低功耗的優(yōu)點，內(nèi)嵌大容量存儲器，具有豐富的外設(shè)和多種類型的通信接口，時鐘頻率可達72 MHz，同時支持多種低功耗工作模式。STM32微控制器具有多個型號，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要選擇。本設(shè)計采用STM32F103RCT6微控制器，具有48 KB的SRAM，可對檢測的數(shù)據(jù)進行存儲分析，獲取檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢，包含8個定時器，3個12位的ADC，5個USART接口，可同時檢測多個傳感器數(shù)據(jù)，供電電壓為（2.0～3.6）V，一系列的省電模式保證低功耗的應(yīng)用要求，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計需要[2-3]。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包含兩個傳感器：數(shù)字化溫濕度傳感器（DHT11）和甲醛檢測傳感器（ZE08-CH20），配合STM32F103RCT6微控制器完成數(shù)據(jù)采集。為保證系統(tǒng)檢測的精度和準確性，要求選擇的傳感器具有較高的精度和穩(wěn)定度[3]，同時考慮傳感器檢測信號的傳輸模式便于主控芯片檢測。所選傳感器型號及傳輸方式如表1所示。

表1 傳感器選型

甲醛檢測采用電化學式傳感器ZE08-CH20，該模塊采用電化學原理對空氣中的甲醛進行檢測。當空氣中含有甲醛時，空氣的流動會使甲醛擴散到傳感器的電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并生成感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與空氣中的甲醛濃度成正比，通過檢測電流的大小就可以確定甲醛的濃度。該傳感器具有體積小、靈敏度高、分辨率高、功耗低等優(yōu)點[4]，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)的甲醛檢測。該傳感器輸出信號有兩種模式：（0.4～2）V的模擬電壓和UART方式輸出檢測數(shù)據(jù)。由于ZE08-CH20模塊內(nèi)部的ADC精度低于STM32微控制器自帶的ADC精度，因此選擇輸出模擬電壓，輸入STM32微控制器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進行顯示。甲醛模塊和STM32微控制的接口電路如圖1所示。

圖1 甲醛模塊電路

圖2 溫濕度傳感器電路

溫濕度檢測采用的是含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11，其電路如圖2所示，是一款具有較高可靠性和穩(wěn)定性的數(shù)字化傳感器，性價比高，可以滿足大部分場合溫濕度的測量要求[5]。該傳感器包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，溫濕度分辨率為16 bit，濕度測量精度可達±5%RH，溫度測量精度為±2℃。DHT11的工作電壓范圍為（3.3～5.5）V，由于STM32微控制器采用的是3.3 V電壓供電，因此DHT11采用相同的供電電壓。它與STM32F103RCT6采用單總線通信。

1.3 顯示模塊

系統(tǒng)采用2.4 ch TFT液晶顯示器，對檢測結(jié)果進行實時顯示。顯示屏使用ILI9325作為驅(qū)動，分辨率為240×320，可顯示圖片、數(shù)字和文字。LCD液晶屏支持兩種驅(qū)動方式[6]：SPI串行傳輸方式和16 bit并行傳輸方式。并行傳輸方式的驅(qū)動速度快，因此系統(tǒng)采用并行驅(qū)動方式。液晶屏可同時顯示甲醛濃度、溫度和濕度，當甲醛濃度超過警戒值時，相應(yīng)指示燈點亮，蜂鳴器報警。

1.4 無線通信模塊

藍牙通信模塊適用于短距離的無線通信，可將系統(tǒng)輸出的串口信號轉(zhuǎn)化為無線信號，傳輸給智能終端。系統(tǒng)選用HC-08藍牙串口通信模塊[7]，實現(xiàn)和手機的無線通信，以便手機端實時獲取系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)。該模塊采用串口與主控芯片進行通信，采用Bluetooth Specification4.0 BLE藍牙協(xié)議，可實現(xiàn)極低功耗，睡眠模式時電流僅0.4μA，通信距離最高可達80 m，適合家用。無線藍牙通信模塊與STM32微控制器的連接方式如圖3所示。

圖3 藍牙模塊接口圖

2 甲醛檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

主機工作流程設(shè)計。工作電源開啟后，需對各模塊進行初始化[8]，初始化外部中斷源、定時器和各傳感器，設(shè)定各自的工作模式，同時檢測無線藍牙模塊與主控芯片連接是否正常。系統(tǒng)初始化完成后，傳感器開始采集信息，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給STM32微控制器。MCU將檢測到的數(shù)據(jù)進行處理、修正和補償，轉(zhuǎn)化為待測物理量數(shù)值實時顯示，當檢測到的甲醛濃度超過警戒值時，觸發(fā)聲光報警。主機工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

無線傳輸模塊。人機交互模塊的程序包括按鍵控制程序、液晶顯示程序和無線通信程序[9]。系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸采用中斷方式實現(xiàn)，當用戶按下按鍵K1，產(chǎn)生一個中斷，在中斷服務(wù)程序中啟動藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，屏幕顯示OK，程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

檢測結(jié)果。為檢測系統(tǒng)整體性能，將檢測儀放于封閉的室內(nèi)進行測試，固定時間間隔，記錄甲醛濃度，一天的甲醛濃度檢測如圖6所示。通過檢測結(jié)果可及時了解室內(nèi)甲醛濃度和溫濕度，以便采取開窗通風等有效措施。

圖6 甲醛濃度檢測

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于STM32F103RCT6微控制器的家用甲醛檢測儀，應(yīng)用低功耗的STM32微控制器以及性價比較高的傳感器實現(xiàn)了室內(nèi)溫度、濕度和甲醛濃度的檢測，通過TFT液晶屏顯示測量結(jié)果，同時利用按鍵控制甲醛濃度數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。經(jīng)測試，該檢測儀具有操作簡單，監(jiān)測實時和功耗低的特點，適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測。