一種基于STM32的空氣檢測下位機設計方法

夏建琪+朱留存+劉文娟

摘 要：為了檢測當前空氣環境的質量及各氣體濃度，以便采取有效的預防和改善措施，文章設計了一種氣體檢測器監控系統，該系統以STM32F103C8T6為主控芯片，組合MEMS氣體傳感器、溫濕度傳感器，有效地采集當前環境溫濕度、甲醛、二氧化碳和TVOC等參數指標。通過LCD進行實時顯示，同時通過無線WiFi網絡連接至服務端，實現數據的遠程監測。實驗表明，系統穩定可靠，能夠準確地測量當前各項氣體參數值。

關鍵詞：空氣檢測；溫濕度傳感器；氣體參數

近年來，隨著中國經濟的發展，生活水平質量的提高，人們對自己生活和工作的環境以及對于自身健康生活的意識也在逐年提升。環境污染引發的空氣污染問題備受關注。PM 2.5經?？M繞耳邊。除了PM 2.5，人們也開始關注甲醛、TVOC等污染空氣質量的有害物質。因此對空氣質量監測的需求量也變得很大。目前市場上檢測空氣質量的設備很多，但功能單一不完善、專用性弱、數據誤差大，只是簡單的實時顯示。當今處正在互聯網、大數據的時代，智能化迅速聚焦于人們的視野。本系統致力于工廠智能化，將通信技術與傳感器技術相融合，實時監測空氣質量，并通過無線WiFi，上傳數據到服務端，供其他客戶端應用軟件讀取。根據《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）標準，當超過限值時及時報警，應用軟件APP把空氣質量情況及時通知主人，從而實現智能化。

1 系統總體結構

本系統的主要功能是通過傳感器模塊采集工業現場的甲醛、二氧化碳、TVOC等參數指標和環境溫濕度數據，選用了ARM公司的STM32F103微處理器為硬件平臺核心。該芯片具有高性能、低成本、低功耗以及片內資源豐富等優點。系統由電源供電模塊、STM32微處理器模塊、MEMS氣體傳感器采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、LCD顯示模塊、WiFi通信模塊和報警模塊組成。系統框如圖1所示。

1.1 系統基本工作原理

STM32微處理器通過A/D口（模數轉換），采集MEMS氣體傳感器輸出的電壓值，經過數據處理擬合轉化為甲醛（HCHO）的質量濃度，乙醇（H2C6O）的血液濃度，二氧化碳（CO2）的體積濃度，總揮發性有機化合物（TVOC）體積溶度，并進行溫濕度補償處理。通過LCD進行實時顯示，同時定時1 s，將數據通過TCP協議用WiFi送到服務器，根據《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）標準，超過國家標準時用指示燈和蜂鳴器同時進行報警。

1.2 電源供電模塊

系統中電源電壓的兩種轉換電路：（1）STM32F103及系統其他3.3 V供電；（2）5 V供電。電源供電模塊用12 V電源適配器直接供電，經過TPS5454芯片降壓成5 V，給蜂鳴器報警模塊供電，再經過ASM1117-3.3穩壓芯片降電壓至3.3 V，給STM32F103及系統其他3.3 V供電。

1.3 STM32微處理器模塊

本系統采用的是LQFP64腳的STM32F103RCT6作為微處理器?；贏RM Cortex-M3內核，主頻為72 MHz，可滿足大多數產品對微控制器的運行速度的要求。芯片擁有卓越的高集成度，片內集成了復位電路、低壓檢測、調壓器和精準的RC振蕩器。擁有128 Kflash，20 KSRAM。同時擁有SPI，I2C，Can，UART等通信接口。專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，具有集成度高、結構簡單、處理數據速度快等優點，市場占有率高，具有非常廣泛的應用場景。

1.4 MEMS氣體傳感器采集模塊

MEMS氣體傳感器采集模塊如圖2所示。氣體檢測傳感器選用的是低功耗、微型金屬氧化物半導體 MEMS 氣體傳感器芯片，它擁有 4 個有效連接端口。氣體傳感器工作時，在一對 HEAT 電極上施加一定大小的工作電壓后，保持一段時間后（約3分鐘），氣體傳感器達到了穩定工作狀態，這時可通過測量傳感器電極端的電阻值，對比存儲的標定數據，來計算出環境內各氣體的濃度值。

STM32通過AD口采集傳感器的RS端的電壓數據，將其轉換為傳感器的等效電阻數據，同時自動選擇一段時間內所有測試數據中最大的電阻值作為標定的基準電阻。通過基準電阻與實時電阻的比值，然后通過公式換算出 TVOC，乙醇、甲醛的等效氣體濃度數據。

1.5 溫濕度傳感器采集模塊

溫濕度傳感器采集模塊如圖3所示。

本系統使用的是SHT21溫濕度傳感器，通過I2C接口讀取溫濕度信息。I2C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，I2C總線最主要的優點是其簡單性和有效性。相對濕度RH可以根據 SDA輸出的相對濕度信號SRH通過公式 算出，同理溫度 （ST是SDA輸出的溫度輸出信號結果以%RH表示）。

1.6 LCD顯示模塊

本系統選用的JLX12864G-086-PC 型液晶顯示模塊，既可以當成普通的圖像型液晶模塊使用（即顯示普通圖像型的單色圖片功能），又含有 JLX-GB2312 字庫 IC，可以從字庫 IC 中讀出內置的字庫的點陣數據寫入到LCD驅動 IC 中，以達到顯示漢字的目的。STM32F103 內部嵌有 LCD 驅動模塊，可將 LCD12864 直接與單片機的驅動端口相連，電路設計極為簡單。

1.7 WiFi通信模塊

WiFi通信模塊如圖4所示。本系統采用的是安可信的ESP-07模塊。該模塊核心處理器 ESP8266 封裝在較小尺寸內，集成了業界領先的Tensilica L106超低功耗32位微型 MCU，帶有 16 位精簡模式，主頻支持 80 MHz 和160 MHz。支持標準的 IEEE802.11 b/g/n 協議，支持完整的 TCP/IP 協議。使用該模塊可為現有的設備添加聯網功能，構建獨立的網絡控制器，使用簡單方便。

本系統在配網之前處于AP模式提供熱點。通過軟件給系統提供需要接入網絡路由器的SSID和keyword。然后切換成STA模式，連接路由器和服務器，進入透傳模式，此時系統采集的數據就可以通過WiFi送入服務器。

1.8 報警模塊

報警電路如圖5所示。

報警方式可以用視覺的LED，同時也可用蜂鳴器發出聲音。輕微超標狀態下（如甲醛>0.1 mg/m3），紅燈快閃（每0.5 s）；嚴重超標狀態時（如甲醛>0.3 mg/m3）紅燈常亮，同時蜂鳴器發出聲音。三合一LED共陽的方式接到單片機I/O引腳，單片機輸出低LED亮，輸出高LED滅，蜂鳴器通過三極管驅動接到單片機，當單片機輸出高電平時，蜂鳴器發出聲音。

2 系統下位機軟件設計

系統程序在keil for ARM MDK環境下，采用C語言編寫，調用STM32F103原有固件庫，主要包括系統初始化程序，網絡數據通信程序與傳感器采集程序等組成。硬件上電或者硬件強行復位，軟件開始對主控芯片等進行初始化，接著通過協議進行配網，配網成功之后進行數據采集。主要功能是實現對傳感器數據的采集，然后對數據進行分析，計算出氣體的濃度值及溫濕度值。通過液晶屏實時顯示。同時將數據通過網絡模塊送到服務器，檢測出空氣質量差時進行報警。系統軟件流程如圖6所示。

2.1 傳感器采集程序

STM32F103內部自帶12位的ADC采集模塊，它是一種逐次逼近型模擬數字轉換器，多通道采集范圍0～3.3 V。此設計用一路ADC連續采集模擬電壓信號，端口的模擬電壓信號轉化成為0～4 096的數字量后，經過擬合公式換算出各氣體濃度，所用公式如下所示。

2.2 網絡數據通信程序

通信之前先需要配網，配網成功后，將傳感器采集的數據組成一個20字節的數據包，通過網絡定時2 s發送一個數據包。WiFi則是通過串口，將數據透傳到服務器，實現數據的存儲與共享。

3 實驗數據測試

終端可以在溫度：-20～70 ℃；濕度：0～100 %RH環境下正常工作。利用標準CO2，TVOC，甲醛和乙醇4種標準氣體，來檢測終端設備的精度和穩定性，檢測結果可靠性符合系統的要求性能。對比儀器進行測試，表1—2是4種氣體檢測數據與對應的標準值進行比較的結果。

4 結語

本設備采用ST公司的STM32F103作為主控芯片，實物展示如圖7所示。工作頻率最大可達72 MHz，具有豐富的功能模塊和極低的功耗，大大縮短了開發周期，使得設備具有成本低、功能強、低功耗、體積小等優點，最后進行了測試和數據分析，驗證了系統的可行性、準確性、穩定性和可靠性，有利于更大范圍的市場推廣，更具有現實生產生活應用價值。

作者簡介：夏建琪（1992— ），男，江蘇泰州，碩士研究生。

*通信作者：朱留存（1961—），男，江蘇揚州，揚州大學特聘教授，碩士生導師，國家“千人計劃”專家；研究方向：汽車電子信息技術。

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Abstract： In order to detect the quality of the current air environment and the concentration of each gas， to take effective prevention and improvement measures， this paper designed a gas detector monitoring system. The system uses STM32F103C8T6 as the main control chip， combined with MEMS gas sensor， temperature and humidity sensor， effectively collect the current environmental temperature and humidity， formaldehyde， carbon dioxide， TVOC and other parameter index. Real-time display through the LCD， while through the wireless WiFi network connected to the server， to achieve remote monitoring of data. Experiments showed that the system is stable and reliable， can accurately measure the current gas parameter values.

Key words： air detection； temperature and humidity sensor； gas parameter