基于STM32的室內有害氣體檢測系統設計

葛年明，殷彩萍，邵文學

（1.三江學院 電工電子實驗中心，江蘇 南京 210012；2.三江學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 210012；3.三江學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 南京 210012）

基于STM32的室內有害氣體檢測系統設計

葛年明1，殷彩萍2，邵文學3

（1.三江學院 電工電子實驗中心，江蘇 南京 210012；2.三江學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 210012；3.三江學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 南京 210012）

隨著人們對空氣污染的日益關注，空氣質量檢測已成為智能家居生活的重要組成部分。本文采用STM32、夏普PM2.5檢測傳感器和MS1100VOC傳感器，有效檢測空氣中PM2.5和甲醛的濃度值，并通過自帶的 WiFi模塊，可實現室內空氣質量的遠程數據采集、監測等功能。

STM32；空氣質量檢測；PM2.5；甲醛；WiFi

0 引言

近幾年，空氣污染問題受到人們越來越多的關注，除了頻繁造訪的霧霾天氣造成的空氣污染，室內各種有害氣體污染的狀況也不容樂觀，造成空氣污染的物質種類很多，其中最被人們所熱議的當屬PM2.5和甲醛。

目前市場上已有很多空氣質量檢測儀，這些空氣檢測儀功能大多比較單一，只能實現實時檢測、實時查看數據的功能，很難實現智能化和遠程監測［1］。本課題所做的空氣質量檢測系統具有高效、便捷、實時檢測功能，同時又具有智能化和遠程監測等優點，能夠實時有效地對空氣質量進行監控及預警。

1 系統總體設計概述

1.1 硬件組成電路框圖

空氣質量檢測系統的硬件設計部分主要由電源電路、微處理器、PM2.5傳感器、VOC傳感器、LCD顯示模塊、595數碼管等級顯示等組成，具體如圖1所示。

圖1 空氣質量檢測系統結構圖

1.2 電路基本工作原理及主要功能介紹

系統經傳感器模塊采集傳感器輸出的電壓值，將采集到的數據送入單片機進行處理，單片機將處理過后的數據通過WiFi模塊發送給智能手機終端，用戶可以根據手機上面的數據實時觀察家居空氣質量的情況；另一方面，用戶可以通過智能手機終端向WiFi模塊發送指令，WiFi模塊再將控制指令發送給單片機，單片機再做出相應的操作，實現用戶的遠程監控功能。

2 系統硬件電路設計

2.1 微處理器控制單元

本系統采用的是STM32單片機作為處理器，STM32價格便宜，性價比高，擁有一流的外設，具有低功耗、最大集成度、簡單結構、處理數據速度快、市場應用廣等優點［2］。STM32最小系統如圖2所示。

圖2 STM32最小系統圖

2.2 PM2.5傳感器電路

PM2.5傳感器的原理：PM2.5傳感器中有空氣流動的通孔，空氣的流動帶動粉塵、煙霧等粒子的運動，在PM2.5傳感器中帶有發光二極管，檢測的主要原理就是通過發光二極管散發出的光，經過灰塵的折射，根據接受管所接受到的光量來判斷灰塵的濃度，然后再將濃度值轉換成電壓值由單片機檢測［3］。

PM2.5傳感器采用的 GP2Y1010AU0F粉塵類傳感器，相對于其他 PM2.5檢測傳感器，它的封裝體積較小，而且可以檢測非常細小的顆粒，該傳感器檢測時間較短，塵埃只要一個脈沖的時間即可被檢測到，且還能區分煙和塵埃。具體電路如圖3所示。

圖3 PM2.5傳感器連接電路

2.3 甲醛傳感器電路

甲醛傳感器采用的型號是 MS1100-P111VOC，該型號傳感器品質好，精準度高，且靈敏度較好，能夠測量0.1 ppm濃度的氣體，是進口的半導體式傳感器，可以檢測多種不同的氣體［4］。具體電路如圖4所示。

圖4 甲醛傳感器連接電路

2.4 溫濕度傳感器電路

溫濕度傳感器采用的型號是 DHT11，該型號傳感器應用電路簡單，具有卓越的長期性和穩定性，且功耗很小，它的相對濕度和溫度測量皆有露點，能做到自動休眠。具體電路如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器

2.5 液晶顯示電路

液晶顯示采用顯示屏 LCDNokia5110，該屏性價比高，可以顯示 15個漢字，30個字符，接口較為簡單方便，只需要四根數據線、電源和地即可完成液晶的顯示部分。不僅如此，該屏傳輸數據快，工作電壓為 3.3 V，是低功耗設備。具體電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

3 系統軟件設計

本系統采用模塊化和層次化的設計方法，采用 C語言編程使程序更加可靠，方便開發人員的調試和維護。軟件設計主要分為兩種：空氣中的可入肺顆粒物（PM2. 5）檢測部分和空氣中甲醛含量的檢測。系統主程序如圖7所示。

圖7 軟件設計流程圖

PM2.5檢測部分軟件設計：除了各個部分的初始化之外，最重要的就是單片機對于采集后的數據進行處理。為了能夠有效并且實時地檢測 PM2.5的值，單片機必須能夠實時對 PM2.5傳感器測得值進行采集、處理、顯示。

甲醛、溫濕度檢測部分軟件設計：在讀取溫濕度的值時先跟其進行握手連接，如果握手成功則對其數據進行讀取，DHT11的傳輸數據包括整數和小數，對DHT11按時序進行數據讀取，然后在屏幕上顯示即可。

4 系統測試與分析

4.1 驅動條件

根據傳感器GP2Y1010的數據手冊，單片機的驅動條件就是在3腳輸入的PWM波的周期。按規格書上所說：占空比 3.2%，周期 10 ms的脈沖波，在此條件下無塵電壓固定，若有變動，無塵電壓將隨之變動。在設計程序中，如果沒有特定的條件，請在推薦范圍內操作規范。

此外，根據電源電壓，輸出電壓也會改變。

4.2 硬件連接

圖3中傳感器引腳1接上150 Ω的電阻，然后接上6腳，6腳接上5 V電源，1腳接上220 μF有極性電容，然后接上2、4兩個腳，傳感器的第三腳是脈沖輸入端，單片機送入周期為10 ms的脈沖，5腳為單片機A/D采樣點。

需要注意的是：在單片機輸入 PWM時，有條件的話，要用示波器先觀察波形，看輸出的波形是否符合要求。傳感器的正負不能接反。

4.3 傳感器數據處理

傳感器所要處理的數據分別為無塵時傳感器所測得的峰峰電壓值和有灰塵時傳感器所測得的電壓峰峰值，此處也是傳感器數據處理的一個難點，借助 Excel表格分別對所取得的數據進行平均濾波處理。具體如圖8、圖9所示。

圖8 PM2.5無塵時數據處理

圖9 PM2.5有灰塵時數據處理

由圖8、9可知，傳感器所測得的數據，在無塵和有塵時唯一的變化是在一個周期內輸出的波形的峰峰值，所以在進行數據采集和處理時必須針對其峰峰值。

5 結束語

本文將嵌入式系統、Android應用、WiFi無線網絡等技術應用到有害氣體檢測設計中，實現PM2.5與甲醛檢測于一體的有害氣體檢測系統。測試結果證明，所有功能基本能夠實現，測量精準，可靠性高，功耗低。

［1］矯曉敏，尚麗平．應用TDLAS探測氣體的誤差分析與補償研究［J］．傳感器與微系統，2008，27（3）：70-72，76．

［2］蔡屹.基于雙相鎖相放大器的微弱信號矢量測量［J］.微計算機信息，2007，23（25）：111-112．

［3］柏興洪.基于ARM9的嵌入式氣體檢測系統硬件平臺的設計及研究［D］.重慶：重慶大學，2011．

［4］王杰．基于STM32F103礦用高壓隔爆開關綜合保護系統的研究與開發［D］.天津：河北工業大學，2010．

［5］黎長云.基于 ZigBee的低功耗無線油井傳感變送器的研究與設計［D］.武漢：湖北工業大學，2011．

Design of the system of the indoor harmful gas detection based on STM32

Ge Nianming1，Yin Caiping2，Shao Wenxue3
（1.Electrical and Electronic Experimental Center，Sanjiang University，Nanjing 210012，China；2.Electronic Information Engineering College，Sanjiang University，Nanjing 210012，China；3.Electrical and Automation Engineering College，Sanjiang University，Nanjing 210012，China）

With the increasing attention to air pollution，air quality testing has become an important part of the smart home life.In this paper，STM32，SHARP PM2.5 detection sensor and MS1100VOC sensor are applied to effectively test the concentration of PM2.5 and formaldehyde in the air.In addition，we can realize monitoring the indoor air quality，collecting remote data and other functions by the built-in WiFi module.

STM32；air quality testing；PM2.5；formaldehyde；WiFi

TP23

A

1674-7720（2015）23-0020-03

葛年明，殷彩萍，邵文學.基于 STM32的室內有害氣體檢測設計系統［J］.微型機與應用，2015，34（23）：20-22.

2015-08-07）

葛年明（1979-），男，碩士，實驗師，主要研究方向：嵌入式系統應用、物聯網應用。E-mail：piaoyi_129@163.com。