具有圖形顯示功能的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計

李金歡，周敏彤，殷吉橋

（蘇州大學(xué)文正學(xué)院 江蘇 蘇州 215104）

1 引言

工業(yè)高速發(fā)展和高科技發(fā)展的新時代，空氣污染對人類的健康危害越來越明顯。隨著人們生活水平的提高，人類對空氣質(zhì)量的關(guān)注度也越來越高。PM2.5和霧霾之類的字詞逐漸進人每個人的生活。

本文介紹了一種基于STM32嵌入式平臺的室內(nèi)空氣監(jiān)測儀，系統(tǒng)實時監(jiān)測PM2.5濃度和甲醛濃度，定期將數(shù)據(jù)保存于設(shè)備自帶的SD卡中，并可根據(jù)數(shù)據(jù)繪制PM2.5濃度歷史變化曲線，直觀反映該區(qū)域的空氣變化情況。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊和電源模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

空氣質(zhì)量傳感器檢測PM2.5、PM10的濃度，通過UART串口向單片機發(fā)送32bit數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到與數(shù)據(jù)對應(yīng)的實際空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，顯示在OLED屏上，并將其存儲到SD卡中。系統(tǒng)采用USB電源供電，同時配有備用紐扣電池，即使電源掉電也能保證系統(tǒng)時鐘模塊正常工作。系統(tǒng)板除了在OLED顯示屏上顯示實時測量信息，還可以根據(jù)用戶設(shè)定繪制某一時段的歷史數(shù)據(jù)曲線。

3 硬件設(shè)計

3.1 主控模塊

系統(tǒng)的主控模塊由STM32F103C8T6及外圍電路構(gòu)成。STM32F103系列單片機是一種應(yīng)用較廣的處理器芯片，系統(tǒng)時鐘頻率最高可達(dá)72MHz，具有較快的數(shù)據(jù)處理速度。同時，該芯片具有擁有多種外設(shè)接口，便于設(shè)備功能的擴展。

3.2 PM2.5傳感器及接口

系統(tǒng)中用于測量空氣中可吸入顆粒物的傳感器是益杉科技公司的PM2.5、PM10粉塵傳感器，該傳感器采用日本羅姆工業(yè)級激光源，配合益杉公司獨有激光防衰減技術(shù)和雙頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)保證傳感器的精度，與美國TSI公司的TSI8530粉塵儀類比，擬合度達(dá)98%。傳感器內(nèi)嵌微處理器，可以直接以串口方式和單片機通信。系統(tǒng)中該傳感器的串口和單片機的UART相連。

3.3 甲醛傳感器及接口

甲醛傳感器選用ZE08-CH20模塊，它有三種輸出模式，分別是模擬量輸出，PWM脈寬輸出和UART串口輸出。在系統(tǒng)設(shè)計中使用傳感器模塊的模擬輸出端接單片機的模擬輸入端，0.4V～2V的模擬輸入范圍滿足STM32的AD轉(zhuǎn)換量程要求。該傳感器的分辨率可以達(dá)到0.001ppm，可以精確分辨空氣中的甲醛濃度。

3.4 SD卡及接口

系統(tǒng)采集后的數(shù)據(jù)存儲在單片機的flash和SD卡中。STM32F103C8T6自身的flash容量64K字節(jié)，以一次采集并存儲的數(shù)據(jù)為20個字節(jié)計算，一天采集50次，去掉程序4K字節(jié)，flash可以存放近2個月的數(shù)據(jù)量。使用SD卡的目的是存放更多的數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行備份，以便對大量的數(shù)據(jù)進行分析和保存。

SD卡一般使用專用接口，同時支持SPI協(xié)議。由于STM32F103系列沒有專用的SDIO接口，所以SD卡的讀寫采用SPI通信，SD卡和單片機SPI端口的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 SD卡和單片機SPI總線的連接

4 軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

上電之后先初始化主控芯片各個模塊，對每個傳感器進行校準(zhǔn)，之后每過半小時記錄一次當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的數(shù)據(jù)，先將數(shù)據(jù)存入片內(nèi)flash，同時將數(shù)據(jù)保存至SD卡。片內(nèi)flash可以存儲兩個月的數(shù)據(jù)，如果片內(nèi)flash已滿，則清空片內(nèi)flash，重新存儲之后兩個月的數(shù)據(jù)。之后在OLED屏幕上顯示當(dāng)前測量的空氣質(zhì)量情況。

4.2 歷史數(shù)據(jù)圖形顯示子程序設(shè)計

為了能讓使用者方便地看出空氣質(zhì)量變化情況，我們將空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)以時間曲線方式直接繪制出顯示在屏幕上，這樣可以不用將數(shù)據(jù)讀出而直觀的看出變化規(guī)律。設(shè)計采用按鍵外部中斷的方式實現(xiàn)。其中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

圖3 按鍵中斷服務(wù)程序流程圖

5 結(jié)語

本文給出具有圖形顯示功能的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計和實現(xiàn)方案，該方案可實時檢測和顯示室內(nèi)的PM2.5和甲醛濃度，并能根據(jù)用戶設(shè)定的時間范圍，繪制在這一時間段內(nèi)的空氣質(zhì)量變化曲線。通過實際測試結(jié)果證明，該系統(tǒng)體積小，檢測結(jié)果直觀，空氣質(zhì)量的歷史變化曲線可以方便人們了解該區(qū)域的空氣質(zhì)量變化情況，為室內(nèi)環(huán)境是否需要改進給出參考意見。