基于STM32的空氣質量檢測系統研究與設計

朱馨月，周智超，李昊澤

（蘇州城市學院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

隨著工業化的發展，城市的空氣質量堪憂，由于很難做到對重點污染區域的有效控制，故設計了一款基于STM32的空氣質量檢測儀，可以實時監測室內溫度、濕度、PM的變化，當室內PM超標時，系統會通過蜂鳴器會進行報警。用戶還可以通過藍牙將實時數據傳送至手機端以便實時觀測。該系統輕巧便攜、成本低、精度高、具有一定的市場應用前景。

1 系統的主要設計及功能

本設計主要有六大模塊：STM32最小系統模塊作為主控模塊，用于數據的分析處理等；SHT20溫濕度傳感器用來監測系統外部空氣中的溫濕度；BMP180大氣壓強模塊主要檢測空氣中的大氣壓強；GP2Y1010AU0F光學粉塵濃度檢測模塊用來監測環境中PM濃度；LCD1602模塊用來顯示采集到的數據；HC05藍牙模塊則是用來與手機等電子設備進行數據傳輸。

本文設計的是基于STM32F103的空氣質量監測儀，具有檢測空氣中溫濕度、大氣壓強、PM濃度的功能，當空氣中PM超過設定的最大值時，系統會顯示紅燈并報警。還可以通過當前空氣濕度大致推算出下雨的概率，測得的數據可以通過藍牙模塊將數據發送至用戶手機端或電腦端隨時查看。

2 設計方案

圖1為本設計總體設計框圖，分為傳感器模塊、主控、液晶顯示、藍牙和用戶五部分。首先是三種傳感器將數據傳輸給主控，本設計以STM32F103作為微處理器進行信號處理，主控板配合硬件電路來實行數據提取，并將提取的數據傳送至液晶顯示屏，繼而通過藍牙傳送至手機或電腦端。

圖1 系統總體框圖

3 系統硬件設計

3.1 概述

系統硬件設計主要包括：SHT20溫濕度傳感器電路、GP2Y1010AU0F光學粉塵濃度檢測電路、LCD1602液晶顯示屏電路、BMP180大氣壓強電路、HC05藍牙電路，三極管驅動電路。

3.2 系統硬件設計總體電路圖

系統硬件總體電路如圖2所示。

圖2 系統硬件總體電路圖

3.3 STM32F103概述

STM32F103是一個32位ARM微控制器，屬于中低端芯片。最大閃存為1MB。STM32F103包括電機控制外設和USB全速接口式，它具有低功耗、低電壓的優點，可以提供出色的性能和實時功能。

由于Cortex-M3體系結構的加強，STM32F103有了更高的性能，如它里面的thumb-2指令集，編碼密度更好，中斷響應更快，是領先的工業功耗。出色的實時性能，出色的效率和新的外圍設備，最大限度地提高了串行引腳，外圍設備和軟件兼容性之間的集成。

3.4 SHT20溫濕度檢測電路

本設計采用的是SHT20芯片，STH20是新一代數字溫濕度傳感器，它嵌入了合適回流焊的雙列扁平無引腳DFN封裝，底面是3×3 mm，高度為1.1 mm。SHT20使用了全新的CMOSens芯片和標準的能隙溫度傳感元件，輔以改進后的電容式濕度傳感元件，具有高精度、低功耗、低成本的優點。它的濕范圍約在±3 % RH，濕度約在0～100%RH、溫度約在40℃～125℃。SHT20的供電電壓最低為2.1 V，最高為3.6 V，功耗較低。

3.5 BMP180大氣壓強電路

BMP180采用功能強大的8引腳陶瓷無引線芯片載體（LCC）超薄封裝，性能卓越，內置校準校正，絕對精度低至0.03 HPa（0.25 m），電極消耗僅為3 μA。它的氣壓測量范圍約為300 HPa～1 100 HPa，較適用于日常使用的絕大多數情況。BMP180的工作電壓為1.8 V～3.6 V，典型工作電壓為2.5 V。

壓力和溫度數據應通過BMP180的EEPROM校準數據進行校正，BMP180由一個壓電電阻傳感器、一個模數轉換器和一個帶有EEPROM和串行IIC接口的控制單元組成。176位個人校準數據存儲在EEPROM中。它用于補償傳感器偏移、溫度依賴性和其他參數。

3.6 PM2.5檢測電路

PM有兩種通信方式：一種是直接A/D、D/A模數轉換，一種是接單片機的串口通過讀取指令集進行獲取當前的值。本次設計采用的是通過單片機串口直接獲取當前PM值。

PM通過串口將數據發送到單片機的接收端來采集數據，灰塵傳感器使用脈沖法檢測當前空氣中的灰塵濃度值。煙霧顆粒、散落的灰塵和其他比較細的顆粒主要是通過在傳感器內部使用紅外弧光管和光電晶體管來實現的。粉塵較大時，PWM輸出高；濃度低時，PWM輸出低。

4 程序設計

4.1 軟件主程序架構

本設計的主程序總流程圖如圖3所示。

圖3 主程序總流程圖

4.2 溫濕度數據采集子程序

圖4是該設計溫濕度數據采集軟件設計流程圖，設備通電工作后，溫濕度傳感器開始工作，采集過程首先是STM32F103單片機發起開始信號，由I/O引腳發送給SHT20溫濕傳感器，之后由SHT20溫濕傳感器向單片機發送響應，并將采集到的數據按照40位數據格式輸出。

圖4 溫濕度采集程序流程圖

由于SHT20是采用PTAT能隙材料制成的溫敏元件，因而具有良好的線性輸出，可按下式算得實際溫度值：Temperature=+×

4.3 大氣壓強數據采集子程序

圖5是該設計大氣壓強數據采集模塊軟件設計流程圖，讀取BMP180數據時回直接傳送沒有經過補償的初始值，EEPROM中儲存了176位單獨的校準數據，這些數據用于對讀取的初始值進行補償。在每一次計算壓強數據之前，單片機要先讀出EEPROM中的校準數據，然后再采集壓強數據。注意要獲得氣壓數據就必須先向控制寄存器寫0x34（0x74、0xB4、0xF4），然后等待至少4.5ms，再從地址0xF6和0xF7讀取對應的氣壓數據。

圖5 大氣壓強采集流程圖

4.4 藍牙模塊子程序

圖6是該設計藍牙模塊軟件設計流程圖，藍牙HC05是常用的主從一體的藍牙模塊，當該模塊藍牙與其他藍牙設備配對連接成功后，便可以忽略藍牙內部的通信協議，將藍牙當作串口使用。數據傳輸時，兩臺設備共同使用一個通道即同一個串口，一個設備發送數據到通道中，另外一個設備便可以接收到通道中的數據。

圖6 藍牙傳輸流程圖

5 系統調試

5.1 焊接和軟件調試

首先將各個模塊按照電路圖連接起來，用萬用表進行通斷檢測，確保沒有出現短路現象。接著，將編譯好的軟件燒錄進去，按下電源開關通電，對LCD1602液晶屏進行初始化操作，LCD1602顯示屏頁面分為兩行，上面一行顯示測得的溫度值、濕度值，下面一行顯示大氣壓強值和降雨概率。然后將該裝置放置在室內，檢測幾秒后，LCD1602液晶顯示屏上顯示對應的溫度值、濕度值和PM濃度值。按下按鍵，可以設置PM報警的上限值，接著調整PM報警濃度的上限值，當PM濃度高于設定的上限值時，觀察蜂鳴器是否進行報警，以上功能調試完畢后，該裝置的基本功能就已經調試完成。

5.2 測試實物

圖7為設備上電后，顯示溫濕度、大氣壓強、PM濃度，以及調整PM濃度上下限的界面。

圖7 測試實物圖

6 結 論

本設計針對所檢測的空氣質量指標選用了市場上主流的、性價比較高的傳感器：PM傳感器。添加了大氣壓強模塊、溫濕度模塊、藍牙模塊，系統整體集成度高，可以依附或集成于其他室內設備上，測得的數據還可以實時傳輸到手機便于實時監測空氣質量，小巧便捷，適合一般家庭日常使用。