構建基于STM32的PM2.5含量實時檢測系統

李勇　韓斌　熊鐵軍　酈文忠

摘 要：通過硬件和軟件設計，實現了基于STM32的空氣質量信息實時檢測、存儲和顯示。以一種高性能的32位單片機為主控芯片，除了能夠準確顯示某地點實時PM2.5值外，還能夠將一天中收集到的PM2.5、濕度等數據存儲在外部存儲芯片中，并通過程序處理將PM2.5、濕度等數據轉化為圖形數據，顯示在OLED屏幕上，直觀的反映出這一天PM2.5、濕度的波動情況，具有測量精度高，結構模塊化、功能多樣化、使用方便等特點。

關鍵詞： STM32; PM2.5; 外部存儲; 實時顯示

中圖分類號： TP368

文獻標志碼： A

Abstract： Through the design of hardware and software， the system realizes the real-time detection， storage and display of air quality information based on STM32. The system uses a high-performance 32-bit single chipmicrocomputer as the main control chip. In addition to accurately displaying the real-time PM2.5 value of a certain place， it can also store the PM2.5， humidity and other data collected in a day in an external storage chip， and convert the PM2.5， humidity and other data into graphic data through program processing and display them on organic light emitting display，directly reflect the fluctuation of PM2.5 and humidity on that day. The system has the characteristics of high measurement accuracy， modular structure， diversified functions， convenient use.

Key words： STM32; PM2.5; external storage; real-time display

0 引言

隨著社會科技快速發展，各產業越來越工業化、自動化，正因如此，導致的環境污染、空氣質量的破壞也愈發嚴重，急劇上升的PM2.5含量給人們的生活帶來了前所未有的困擾，霧霾嚴重，導致不方便出行，PM2.5含量超標會導致人們患呼吸道類的疾病，因此，人們掌握周圍環境的實時PM2.5含量的變化情況變得越來越重要。本系統主要用于檢測某地點實時PM2.5含量，并在采集完一天的數據后，將一天的數據在二維坐標軸上顯示，通過圖形可直觀的反映出一天的PM2.5含量的變化。

1 硬件設計

1.1 硬件總結構設計

系統結構總框圖，如圖1所示。

該系統包括STM32微控制器、PM2.5傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、W25Q16外部存儲模塊、OLED顯示模

塊、按鍵模塊、實時時鐘系統等模塊，本系統將STM32F103RCT6芯片作為整個系統的核心[1]，擔任對各個

傳感器采集的數據進行處理、分析、存儲，并將PM2.5數據、溫度值、濕度值在OLED屏幕上正確顯示，存儲芯片主要用來存儲一周的PM2.5數據，按鍵模塊是用來調取存儲在W25Q16中的某一天的PM2.5數據，并將一天的眾多數據以柱狀圖的形式顯示在OLED上，以直觀的反映一天中PM2.5值的變化。

1.2 主控制器

主控制器使用的是一種高性能的32位單片機，其擁有超大的閃存容量，大量的GPIO口供使用，還擁有豐富的內設資源，使用該單片機能夠大大的簡化設計電路，是一款高性價比的微控制器。主控制器就像是人的大腦，擁有著本系統絕對的主導地位，控制著該系統的所有模塊的正常工作。主控制器型號眾多，本設計使用STM32F103RCT6芯片，其擁有48K SRAM和256K FLASH，本設計主要使用該單片機的IIC通信、SPI通信、12位ADC等內部資源，以及其豐富的GPIO口資源，該芯片完全能夠勝任本系統軟件、硬件設計。

1.3 PM2.5傳感器

PM2.5傳感器采用的是比較常用的夏普光學灰塵傳感器，型號為GP2Y1010AU0F，實物圖，如圖2所示。

由于該傳感器在檢測空氣中的粉塵、燃燒產生的煙霧、PM2.5顆粒時非常有效，因此該傳感器常用于空氣進化器、空調、PM2.5測量等系統中。該裝置主要由一個紅外發光二極管和光電晶體管組成，兩晶體管對角放置在傳感器中，利用灰塵和細顆粒在光的照射下會發生散射的現象，然后測量入射光在被測量顆粒場的光強衰減率，最后對數據進行處理，得出灰塵濃度。該PM2.5傳感器具有體積小、電路連接簡單、數據輸出穩定、功耗低、價格實惠等優點，非常適合本系統使用，傳感器接線圖，如圖3所示。

灰塵傳感器的靈敏度為0.5 V/0.1（mg/m3），保證在其測量范圍內時，PM2.5傳感器輸出的模擬電壓與灰塵濃度呈一定的線性關系，通過廠商提供的線性關系圖，灰塵濃度N=K*V，可得出系數K=N/V約等于0.13，由于該傳感器輸出的為模擬信號，需先通過STM32內部的12位的ADC將模擬信號轉換為數字信號值value，然后計算出電壓值，即電壓值V=value*3 300/4 096，最終得出PM2.5值=V*0.13。

1.4 外部存儲

本系統采用的是W25Q16外部存儲芯片，W25Q16（16M-bit）是為系統提供一個最小的空間、引腳和功耗的存儲器解決方案的串行Flash存儲器[2]，該芯片比普通的串行Flash存儲器更靈活、性能更優越，采用SPI串行通信，能夠快速的存儲數據和讀取數據，芯片工作電壓在2.7 V到3.6 V之間，正常工作電流小于5 MA，掉電時低于1 uA。

W25Q16由每頁256字節，總共8 192頁組成，每頁的256字節用一次頁編程指令即可完成，該芯片還具有靈活的4 KB扇區結構，每次擦除的最小單元為16頁，即一個扇區（4 KB）。在本系統中，由于存儲的PM2.5數據量較小且簡單，為了方便存儲與擦除，在存儲數據時，是將一天的PM2.5數據存儲在一個扇區內，該扇區內剩余空間不使用，本系統設定為存儲一周的數據，即需要7個扇區的容量，因此，對于該芯片來說，存儲容量完全夠用。

1.5 實時時鐘

為了讓系統能隨著時間準確的采集PM2.5數據并將數據存儲起來，實時時鐘系統是非常重要的，本設計將DS1302時鐘芯片作為實時時鐘的核心[3]，DS1302時鐘芯片是8引腳芯片，體積小、計時精準，傳輸數據采用IIC通信，數據傳輸快且穩定，為保證內部正常計數，在芯片晶振引腳處需外接32.768 kHz的晶振，該芯片還可接備用電池，在主電源掉電時，利用備用電源使其繼續正常的運轉，該芯片的時間誤差極小，性價比高，非常適用于本系統。該模塊的接線圖，如圖4所示。

1.6 OLED顯示

OLED顯示屏是一種有機發光顯示屏，主要由非常薄的有機材料涂層和玻璃基板組成，與LCD顯示屏最大的區別是，OLED無需背光源，完全依靠自身發光來顯示圖像，觀察效果也不會受到觀察角度以及周圍光線的影響，擁有功耗低、顯示效果好、驅動簡單、發光對比度高等特點。在本設計中，將使用OLED顯示實時測得的PM2.5數據、溫度值、濕度值，通過按鍵，可查看存儲在Flash芯片中前幾天的PM2.5數據，這些數據將以柱狀圖的形式顯示在OLED上，觀察柱狀圖高低的變化，可直觀的觀察出某一天24小時PM2.5的波動情況。

1.7 溫度傳感器

溫度傳感器采用三引腳DS18B20傳感器，該傳感器輸出為數字信號，通過單片機接收該傳感器的數字信號，并對數據進行處理后，得出結果，并將其結果顯示在OLED上。該傳感器只有一個普通三極管的大小，具有體積小、價格便宜、使用簡單、輸出數據穩定、功耗低、測量精度高等特點。本系統主要使用該傳感器測量某地點的實時溫度，是一個高性價比的選擇。DS18B20接線圖，如圖5所示。

1.8 濕度傳感器

DHT11是一個能夠測量溫度和濕度的數字傳感器，但由于其溫度測量范圍小，所以多用來測量濕度，由于DHT11傳感器內部使用了一個8位MCU，因此具有自動數據校準功能[4]，校準后濕度精度為5%RH，該傳感器內部組成結構，如圖6所示。

有高性能8位MCU、電阻式感濕元件、NTC測阻元件等。該傳感器具有體積小、驅動簡單、響應快、抗干擾能力強、性價比高等特點，應用場所十分廣泛。

2 軟件程序設計

2.1 程序流程設計

程序設計采用的編程軟件是MDK5，由于本設計使用STM32單片機的功能多且設計復雜，為了減少編程工作量，本次編程主要以官方提供的固件庫函數為基礎，通過調用庫函數來進行編程，能夠大大減小編程難度。由于官方的庫函數使用范圍寬廣，不恰當的使用會導致程序代碼的大小過大，因此在編程時應該穿插使用。

由于本設計使用的模塊較多，為了方便程序的調試與檢測，程序應該模塊化。總程序流程圖，如圖7所示。

系統通電后，單片機對系統、各傳感器、OLED等模塊進行初始化，初始化各模塊使用的GPIO口以及開啟各模塊的功能，此時實時時鐘系統也已經正常工作，各傳感器隨著時間的推移開始收集數據，采集到的數據會經過STM32內部的模數轉換，轉換成數字信號，并通過程序對該數字信號進行處理，在本系統中，我們規定每隔1分鐘采集一次PM2.5數據，15分鐘就有15個PM2.5數據，然后將這15個PM2.5數據取平均值，該平均值作為這15分鐘的一個PM2.5數據，并將此PM2.5數據存入Flash存儲器中，一天24小時，將會有96個PM2.5數據被存入Flash存儲器中，當用戶通過按鍵調取某一天的數據時，OLED將PM2.5數據以柱狀圖的形式顯示出來，當不調取前幾天的數據時，OLED將顯示實時采集到的PM2.5值，實時PM2.5數據將會每5秒刷新一次。溫度和濕度數據會進行實時采集并處理，同時顯示在OLED上。但溫度值和濕度值不會存入外部存儲器中。

2.2 程序調試

2.2.1 軟件仿真

軟件仿真采用MDK5自帶的程序仿真，在編程過程中，通過軟件仿真，我們可以快速的檢驗程序的一般可行性，當程序有運行錯誤時，我們可通過軟件仿真快速找出其原因，并對其修改完善。使用軟件仿真可以查看運行過程中各個寄存器的狀態，通過觀察這些寄存器的狀態，可以判斷程序是否能夠達到預期效果。在檢驗程序的效果時，我們可以人為的控制，讓其一步一步運行程序，通過串口監視器、寄存器狀態、邏輯分析儀、符號窗口等眾多窗口，我們可以觀察到該步程序的各個狀態，并判斷是否符合預期值。軟件仿真功能示意圖。如圖8所示。

2.2.2 采集數據子程序

在該系統中，核心部分是各個傳感器模塊數據的采集與存儲，以PM2.5值的采集與存儲為例，設定一分鐘采集一次PM2.5數據，15分鐘采集15個數據，并以這15個數據的平均值作為該15分鐘內的一個數據平均值，然后將其存入數組中，當一天結束后，總共會有96個數據存入數組，最后將數組的數據存入FLASH中。以下為數據采集過程偽代碼。

3 實驗結果

用該系統對多個地點進行多次測量與評估，然后分析測得的一天的數據，并與國家天氣預報的PM2.5進行比較，數據相近，但在室內，由于人多物雜，人員活動的影響，尤其在操場及食堂內，測得的PM2.5數據、溫度、濕度都相對偏大。但通過多次數據的測量與比較，在相對封閉的空間內，采集的數據更加穩定，在開闊的戶外及天氣的影響，測量時，數據波動大，但對波動較大的數據進行平均值處理后，多個時段的平均值差值相對比較小，因此可以得出，單一的看某地點某時刻的PM2.5數據并不能真正的反映其空氣質量，需要進一步比較一天的PM2.5數據。如表1所示。

規定用本系統測得的為“測量值”，以某測量儀器測得的為“實際值”，國家天氣預報的值作為“天氣預報值”，對各數據進行對比，測量數據達到了設計要求。

4 總結

根據系統的設計要求，系統所使用的傳感器都是市面上常用的傳感器，精度高、實用性好，完全能夠保證系統的精確度和穩定性;基于STM32強大的硬件和軟件功能，該系統能夠對收集到的數據進行自動處理、存儲以及數據的圖形化實時顯示，通過對本系統的實地測試，數據采集、處理、存儲以及實時顯示等功能正常運行且工作穩定;系統整體模塊化設計，便于系統的擴展和維修，硬件體積小，集成度高，便于嵌入其他設備或裝置，適用范圍廣，室內外均可使用。

參考文獻

[1] 烏云.基于STM32的溫度檢測設計與實現[J].電子制作，2017（13）：7888.

[2] 蔣雪琴.基于單片機的串行通信[J].電子世界，2016（14）：108-112.

[3] 許珂樂.基于51單片機的電子時鐘設計[J].現代電子技術，2017（13）：108-112.

[4] 王金寶，谷文，張珽.濕度傳感器的應用研究[J].科技風，2016（19）：49-58.

（收稿日期： 2019.08.16）