基于STM32和FATFS的PM2.5數據采集系統

廉嘉偉

摘要：介紹一種基于STM32處理器的溫度測量系統設計方案。以STM32F103微控制器為核心，采用益杉A3粉塵濃度傳感器，測量溫度用OLED顯示，同時顯示濃度曲線和濃度值，并且通過移植FatFs文件系統通過SD卡儲存數據，可以顯示歷史值。具有體積小、精度高、處理能力強，存儲能力強，數據觀測直觀等特點。

關鍵詞：STM32 PM2.5 濃度檢測 FatFs

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0074-02

Abstract：This paper introduces a design scheme of temperature measurement system based on STM32 processor. The micro controller STM32F103 as the core， the Yi Shan A3 dust concentration sensor， temperature measurement with OLED display， display at the same time concentration curve and concentration， and the transplant FatFs file system to store data through the SD card， can display the historical value. Has the characteristics of small size， high precision， strong processing ability， memory ability， data observation and so on.

Key Words：STM32；PM2.5；concentration detection；FatFs

隨著經濟的快速發展，機動車數量的急劇攀升，以煤炭石油為主的能源消耗量大幅度增加，大氣顆粒物污染也隨之加劇。PM2.5是指環境空氣中空氣動力學直徑小于等于2.5μm的顆粒物。PM2.5粒徑更，可成為病毒和細菌的載體，對人體健康產生極大危害，在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，也是導致霧霾天氣的主要污染物，同時它還是造成環境能見度降低的空氣能見度的主要原因。本文采用益杉A3粉塵濃度傳感器，STM32F103作為系統核心，設計了一種PM2.5粉塵濃度測量系統，它可以監測PM2.5濃度，通過TFTLCD屏幕顯示，并且通過移植FATFS系統可以存儲大量已經測量的歷史值。

1 系統結構

PM2.5測量系統主要有PM2.5傳感器，顯示系統，能量供應系統，數據存儲模塊組成。主控電路由STM32F103及其外圍電路組成，是系統核心部分，主要完成數據的傳輸和處理工作，并將已經處理的數據在TFTLCD屏幕上顯示同時繪制曲線，如有需要還可以與PC端通過UART轉USB串口進行數據傳輸。

STM32系列處理器是意法半導體ST公司生產的一種基于 ARMv7架構的 32位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器。嵌入式處理器不能獨立工作，必須給它提供電源、時鐘以及復位電路。本系統采用STM32F103芯片，其特點是功能增強，處理數據更快。這些提供給嵌入式處理器運行所必須的條件電路與嵌入式處理器共同構成了這個嵌入式處理器的最小系統。如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 STM32F103系列MCU

STM32F103是一款基于CORTEX-M3內核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，在軟件和引腳封裝方面同其他STM32系列處理器是兼容的。

它的工作頻率為72MHz，能實現高端的數據運算。片上集成了高速存儲器和通過APB總線連接的豐富和增強的外設和I/O口。所有的設備都提供標準的通信結構，片上還帶有兩個12位的ADC、一個12位雙通道DAC、11個16位計時器。其主要特點為先進的內核結構、優秀的功耗控制、性能出眾而且功能創新的片上外設、高度的集成整合和易于開發。

2.2 數據采集模塊

數據采集采用益杉A3粉塵濃度傳感器，該傳感器是一款激光數字式通用顆粒物濃度傳感器。

這款傳感器數據經過多次標定測量精準，采集功能強大，響應迅速，輸出數據為標準串口格式。輸出為32位數字信號，其中包括起始符0X32和0X3D，包括幀長度信息和數據信息，其數據位的數據二代表PM2.5濃度值。波特率為9600bit/s。數據輸出端與STM32的PA10相連。實物圖如圖2所示。

2.3 OLED電路

OLED，即有機發光二極管。OLED由于同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異之特性。OLED顯示技術具有自發光的特性，而且顯示屏幕可視角度大，并且能夠節省電能以目前的技術，OLED的尺寸還難以大型化，但是分辨率確可以做到很高。硬件電路如圖3所示。

其中CS為OLED片選信號。WR為寫數據。RD為讀數據。D[7：0]為8位雙向數據線。RST（RES）為硬復位OLED。DC為命令/數據標志。

OLED讀寫過程為根據要寫入/讀取的數據的類型，設置DC為高/低，然后拉低片選，選中OLED控制器SSD1306，接著根據是讀數據或寫數據置RD/WR為低，讀數據過程為在RD的上升沿，使數據鎖存到數據線上。寫數據過程為在WR的上升沿，使數據寫入到SSD1306里面。

2.4 SD卡電路

SD卡是一種為滿足安全性、容量、性能和使用環境等各方面的需求而設計的一種新型存貯器件。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式，1位SD模式，4位SD模式。低速卡通常支持0～400kb/s的數據傳輸率，采用SPI和1位SD模式；高速卡支持0～100Mb/s的數據傳輸率，采用4位SD傳輸模式；支持0～25Mb/s傳輸速率，采用SPI和1位SD模式。

SD卡由9個引腳與外部通信，支持SPI和SDIO兩種模式，不同模式下，SD卡引腳功能描述如表1所示。

本文中SD卡通過SPI方式與MCU進行通信。SD卡硬件連接電路如圖4所示。

3 軟件設計

根據設計任務的要求，系統軟件主要完成PM2.5濃度值的讀取、OLED粉塵濃度值顯示以及曲線繪制，移植FATFS系統并且將數據寫入SD卡并存儲。程序采用STM32的固件函數庫在MDKKeil uVision5 環境下編寫，主要包括以下內容。

3.1 PM2.5濃度值讀取程序

首先完成GPIO初始化，配置PA9和PA10端口，使能USART1和GPIO時鐘，設置PA9為推挽復用輸出，PA10為浮空輸入。隨后配置NVIC，進行中斷設置，并且開啟串口中斷。最后設置相應的USART初始化配置，串口波特率設置為與傳感器相同的9600bit/s，一個停止位，無奇偶校驗位。

根據傳感器數據格式，編寫相應的通信協議使得STM32可以從一幀數據中準確讀出PM2.5濃度值并且進行校驗。

3.2 OLED顯示程序

根據硬件編寫驅動程序，片選信號與PD6連接，復位信號與PG15連接，讀數據信號與PD3相連，寫信號與PG14相連，數據命令標志與PG13相連。PC0～7為8080數據。配置相應IO口。編寫描點函數，數字顯示函數和畫線函數。

編寫OLED初始化程序，程序流程圖如圖5所示。

3.3 FATFS程序移植

FatFs是一個通用的文件系統模塊，用來在小的嵌入式系統上實現FAT文件系統。FatFs獨立于具體的硬件，可以在不做修改或少量修改的情況下移植到常用的微控制器。FatFs的設計思想是小塊的數據可以通過Buffer存貯，大塊的數據直接存取，提高了存取速度和效率。

使用STM32的SPI1，引腳 PA3為SD卡片選，配置為推挽輸出，PA7為MOSI，配置為推挽復用（GPIO_Mode_AF_PP），PA6為MISO，也配置為推挽復用。

圖6為SD卡的初始化過程，在SD卡剛剛上電的時候至少要延時等待74個時鐘周期，然后發送復位命令。STM32連接SD卡的GPIO引腳頻率至少要配置為10MHz以上SD卡才能正常工作，SD卡初始化階段SPI的時鐘頻率必須小于400k，一旦初始化完成可以設置為高速模式，SPI模式數據傳輸為高位在前。讀SD卡時發送CMD17或者CMD18，返回0x00，接收數據開始令牌0xfe（或者0xfc）+正式數據512Bytes+CRC校驗2Bytes。寫SD卡時發送CMD24或者CMD25，返回0x00，發送數據開始令牌0xfe（或者0xfc）+正式數據512Bytes+CRC校驗2Bytes。

4 結語

本文采用激光粉塵濃度傳感器測量空氣中PM2.5粉塵濃度，以S T M32F 103做主控芯片，并配上相應的顯示、存儲等外部接口電路，用SD卡儲存數據。設計制作了一款便攜的PM2.5濃度測量系統。該系統體積小、精度高、功能穩定、使用方便，可以直觀讀取當前和歷史PM2.5濃度值。適用于日常生活、環境檢測中的PM2.5濃度值的測量。

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