基于STM32的家用空氣質(zhì)量檢測系統設計*

摘 要：人們大多數時(shí)間都是在室內度過(guò)，所以對空氣質(zhì)量提出了更高的要求。根據市面上空氣質(zhì)量檢測商品價(jià)格昂貴且功能不夠完善的情況，設計一款性?xún)r(jià)比高、功耗低、便攜式的家用空氣質(zhì)量檢測系統至關(guān)重要。該設計以STM32微處理器為主控芯片，是一款具有實(shí)時(shí)監測、智能調節、數據傳輸功能的空氣質(zhì)量檢測系統。

關(guān)鍵詞：STM32；傳感器；空氣質(zhì)量；藍牙通信

*基金項目：平頂山學(xué)院青年基金資助項目，項目編號：PXY-QNJJ-2019012

平頂山學(xué)院雙師雙能型教師培養資助項目，項目編號：PXY-SSSN-202071

0 引言

隨著(zhù)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，所以對環(huán)境質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。在儀器研制方面，西方國家比我國相對成熟。美國 ESC 公司的 Z/ ZDL 便攜式氣體檢測器能檢測室內的各類(lèi)有害氣體，如甲醛、氨氣、一氧化碳，還有 7565 型 NP-8A 型手持式甲醛檢測儀，功能也很完善。

我國自 20 世紀 70 年代以來(lái)也著(zhù)手研究有害氣體的檢測技術(shù)，并制造出對應檢測儀器 ^[1]。北京華云儀器研究院開(kāi)發(fā)的便攜式甲醛檢測裝置；長(cháng)春小天鵝公司的 GDYK-208S 現場(chǎng)檢測裝置 ^[1]。這些儀器抗干擾能力強、精度高，但是由于測量氣體單一、操作復雜等原因，導致不能廣泛推廣，所以未來(lái)還有很長(cháng)的一段路要走。

1 系統總體方案設計

1.1 功能需求分析

該設計的目的是為人們提供一個(gè)健康的生活環(huán)境，避免患上由污濁空氣導致的各種疾病，因此該系統需要具備以下功能：

1）設定閾值：通過(guò)按鍵對每個(gè)參數進(jìn)行閾值設定，以此來(lái)衡量空氣質(zhì)量是否符合標準。

2）能夠獲取空氣質(zhì)量參數：系統可對空氣中的溫濕度、PM2.5、一氧化碳進(jìn)行準確的檢測。

3）自動(dòng)調節功能：當空氣中的某項指標超出閾值時(shí)排氣扇會(huì )自動(dòng)轉動(dòng)使空氣指標恢復到正常值。

4）無(wú)線(xiàn)傳輸及報警功能：當系統檢測到空氣質(zhì)量指標超標時(shí)會(huì )觸發(fā)報警模塊并將報警信息通過(guò)藍牙上傳到手機端。

1.2 構建系統框架

1）系統對環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和數據采集，硬件設備主要有最小系統、DHT11 傳感器模塊、PM2.5 傳感器模塊、MQ7 傳感器模塊、藍牙模塊。當系統采集到各項數據后發(fā)送到中央處理器進(jìn)行處理。

2）自動(dòng)調節空氣質(zhì)量。已知數據與閾值進(jìn)行比較，一旦超出閾值，系統的風(fēng)扇模塊就會(huì )啟動(dòng)，以達到正常的空氣質(zhì)量。

3）通信模塊由藍牙模塊組成。系統采集的參數經(jīng)由藍牙模塊傳送至移動(dòng)端，系統整體框圖如圖 1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 溫濕度傳感器模塊

DHT11 是一款集溫度、濕度于一體的新型傳感器，其數字信號輸出經(jīng)過(guò)標定，保證了產(chǎn)品的長(cháng)期穩定 ^[3]。該傳感器由電阻測濕儀和 NTC 溫度計組成，并與 8 bit 的高性能微處理器連接。其引腳 2 與 STM32 單片機 PA1 管腳相連，溫度、濕度數據由該管腳傳送至單片機進(jìn)行處理 ^[4]，傳感器在接通電源后應等待 1 s，在這段時(shí)間內，不要發(fā)出任何指示，以免造成錯誤。電源引腳之間可添加 1 個(gè)電容，用于去耦濾波。DHT11 傳感器模塊電路原理圖如圖 2 所示。

圖2 DHT11傳感器模塊電路原理圖

2.2 MQ7傳感器模塊

MQ7 氣體傳感器的氣敏材料是二氧化錫，在大氣中的導電性能很差 ^[5]，它是采用高、低溫循環(huán)的方法進(jìn)行濃度檢測。該模塊正常工作需要兩個(gè)電壓：加熱電壓 VH，以及 1 個(gè)試驗電壓 VC。VH 是為提供傳感器的工作溫度所設計，VC 用來(lái)測量負載電阻器（RL）上的電壓。這種傳感器的極性很低，所以VC必須使用直流電流。為充分利用傳感器，必須選用適當的 RL 電阻。其電壓與濃度之間的關(guān)系如圖 3 所示，電路原理圖如圖 4 所示。

圖3 電壓與濃度曲線(xiàn)圖

2.3 PM2.5 傳感器模塊

傳感器的內部包括 1 個(gè)紅外發(fā)光二極管和 1 個(gè)光電晶體管。因為利用的是光線(xiàn)折射原理，所以成對角分布 ^[6]。傳感器的中央有 1 個(gè)可以讓空氣流通的圓孔，當圓孔中有顆粒時(shí)就會(huì )產(chǎn)生反射，此時(shí)該模塊會(huì )接收到紅外線(xiàn)，從而改變輸出端的電壓。輸出的是一個(gè)與測量塵埃濃度成比例的仿真電壓。此時(shí)測出輸出電壓 , 然后通過(guò)公式：(V-0.6)×0.17 就可以換算出濃度 ^[6]。模塊原理圖如圖 5 所示。

2.4 自動(dòng)調節模塊

當由最小系統或者電位器檢測到的數據超出閾值時(shí)，系統會(huì )給出指令讓風(fēng)扇轉動(dòng)，以此使所測參數回歸正常范圍。其原理為：在風(fēng)扇上電后，扇葉通過(guò)高速轉動(dòng)使周?chē)目諝饬鲃?dòng)，從而外面的新鮮空氣就能進(jìn)入室內達到調節功能，實(shí)物圖以及驅動(dòng)電路如圖 6、7 所示。

圖6 自動(dòng)調節模塊實(shí)物圖

圖7 電機驅動(dòng)原理圖

2.5 報警模塊

報警電路主要由蜂鳴器 ( 有源蜂鳴器 ) 構成。當檢測到的參數值高于閾值，電路輸出低電平驅動(dòng)蜂鳴器：當檢測到的參數值沒(méi)有超出閾值，此時(shí)輸出高電平不會(huì )驅動(dòng)蜂鳴器。整個(gè)報警模塊與主控芯片的 PA0 連接，報警模塊接口電路如圖 8 所示。

2.6 藍牙模塊

JDY-31藍牙模塊引腳2連接電源正極，引腳3接地，引腳 4 為串口輸入引腳，引腳 5 為串口輸出引腳。引腳 3、4 分別接 STM32 單片機的 PA10、PA9 引腳，通過(guò)這兩個(gè)引腳可以實(shí)現 MCU 與藍牙之間的通訊。具體接線(xiàn)圖以及內部原理圖如圖 9 所示。

3 系統軟件設計與實(shí)現

3.1 系統主程序設計

系統工作后，先對各模塊傳感器、按鍵、顯示屏進(jìn)行初始化，然后通過(guò)對應傳感器將物理信號轉化為電信號參數值，再通過(guò)公式轉化為對應的目標濃度。系統的主程序流程圖如 10 所示。

3.2 溫濕度檢測子程序

根據傳感器的通訊協(xié)議，單片機首先要利用 I/O 來(lái)生成所需的激勵信號，并將數據線(xiàn)的控制權交給傳感器，由單片機通過(guò) While 循環(huán)語(yǔ)句來(lái)持續地檢測 I/O 的狀態(tài)，從而實(shí)現對時(shí)間序列的掌握，從而獲得精確的數據傳送。該傳感器模塊的軟件流程圖如圖 11 所示。

圖11 DHT11傳感器子流程

3.3 PM2.5 濃度檢測程序設計

通過(guò) PM2.5 傳感器模塊檢測濃度，主要是利用紅外發(fā)射與紅外接收。如果當前空氣質(zhì)量比較渾濁，則接受量比較小，單片機會(huì )通過(guò) ADC 口讀取電壓，然后通過(guò)公式轉換成 PM2.5 濃度，再進(jìn)一步對當前濃度進(jìn)行判斷是否報警。具體子流程圖如圖 12 所示。

圖12 PM2.5模塊子流程

3.4 報警模塊程序設計

報警模塊在硬件處理方面運用有源蜂鳴器 ( 內部帶有震蕩電路 )，為了達到預期的報警功能，需要相應的代碼編程作為輔助。該硬件共有 3 個(gè)引腳最主要的就是控制引腳 (IN 引腳 )，如果 IN 引腳短路則蜂鳴器不會(huì )工作。軟件編程重要也是圍繞 IN 引腳，該模塊軟件流程圖如圖 13 所示。

圖13 報警模塊子流程

3.5 無(wú)線(xiàn)通信程序設計

藍牙驅動(dòng)程序主要依靠硬件的設備驅動(dòng)程序 (UART 或 USB 口 )，為了使其更貼切于硬件，該模塊的程序編寫(xiě)需要借助串口驅動(dòng)程序的接口函數來(lái)完成兩者之間的信息互傳 ^[7]。無(wú)線(xiàn)通信模塊主要就是通過(guò)串口進(jìn)行通信，其波特率設置為 9 600 Hz，本身是一個(gè)透傳模塊，單片機 (TX 引腳 ) 發(fā)送數據傳輸到手機；同樣手機發(fā)送數據，通過(guò)串口傳輸到單片機 (RX 引腳 )。軟件設計流程圖如圖 14 所示。

圖14 通信模塊流程

4 測試系統與調試

為了對系統的整體功能進(jìn)行測試，將該系統放置在實(shí)驗環(huán)境中進(jìn)行測試。首先對系統上電同時(shí)將傳感器暴露置空氣中，然后將系統與手機端建立聯(lián)系。此時(shí)系統處于工作狀態(tài)，通過(guò)長(cháng)時(shí)間的觀(guān)察以及得到的數據，對系統是否能夠正常工作進(jìn)行判斷。測試結果如圖 15 所示，該系統正常工作且達到預期。

5 總結

系統以 STM32F103C6T6 為主控芯片，借助各種傳感器以及報警和藍牙通信模塊達到對空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監測、調節和數據傳輸。該系統電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，功能穩定。相較于市場(chǎng)大多數空氣質(zhì)量檢測儀器，該系統能充分利用硬件資源，而且設計貼切實(shí)際，能隨時(shí)了解所處環(huán)境的空氣質(zhì)量。

參考文獻：

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)