基于STM32的PM2.5空氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250100）

引言

隨著科技的飛速發(fā)展，人們逐漸過上了小康生活，與此同時(shí)，也不可避免地帶來了一些意想不到的負(fù)面影響，特別是霧霾問題[1]。眾所周知，PM2.5顆粒是構(gòu)成霾的主要成分。因此，PM2.5的濃度已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

近年來，霧霾問題困擾著我們，大大地影響了人們的生活及質(zhì)量。因此，國內(nèi)外開展了好多關(guān)于PM2.5的研究[2]，主要是用來檢測PM2.5的濃度值。美國是世界上最早提出PM2.5大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和開始采樣檢測工作的國家。2010年末，美國與歐盟主要發(fā)達(dá)國家將PM2.5加入到空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)它進(jìn)行了一系列的限制，空氣質(zhì)量得到了有效的改進(jìn)[3]。

1 本課題總體設(shè)計(jì)

針對(duì)此現(xiàn)狀，本課題采用STM32F103系列微控制器與PM2.5粉塵傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款PM2.5的空氣檢測系統(tǒng)，微控制器作為整個(gè)控制的核心，粉塵濃度的采樣檢測系統(tǒng)由蜂鳴器、PM2.5粉塵傳感器、LCD液晶顯示屏、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成，通過人們對(duì)自己所處的周圍環(huán)境的檢測實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5濃度值的收集、計(jì)算、轉(zhuǎn)換以及讀取數(shù)據(jù)，最終把要測得的數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶顯示屛上。

本設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，制作簡單，成本低，精度高，能隨時(shí)調(diào)節(jié)。程序預(yù)先設(shè)置一個(gè)PM2.5濃度的最大限值，如果檢測到數(shù)值超過這個(gè)最大限值，蜂鳴器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

本課題的研究方案為：經(jīng)過PM2.5粉塵傳感器采集周圍環(huán)境中的PM2.5濃度值，檢測電路將采集到的數(shù)據(jù)傳送給微控制器，同時(shí)把模擬量處理為數(shù)字量，處理的結(jié)果顯示在LCD液晶顯示屛上，隨時(shí)觀察到PM2.5的變化。若PM2.5粉塵的濃度值過高，系統(tǒng)中由LED指示燈和蜂鳴器組成的報(bào)警電路就會(huì)警示。

便攜式PM2.5空氣檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分的MCU主控制器是意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的STM32F103系列微控制器，該控制器使用ARM公司的Cortex-M系列內(nèi)核，支持嵌入操作系統(tǒng)。軟件部分主要包括底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)環(huán)境的建立及數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用程序的編寫，便攜式PM2.5凈化器系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 凈化器總體框圖

2 凈化器的硬件設(shè)計(jì)

便攜式PM2.5凈化器項(xiàng)目硬件電路分為開關(guān)電源電路模塊和核心控制器面板電路模塊兩部分。硬件總體框圖2所示。

開關(guān)電源電路主要包括AC-DC（12V/1.5A）開關(guān)電源電路、DC-DC（5V）電源轉(zhuǎn)換、DC-DC（3.3V）電源轉(zhuǎn)換電路以及220V交流電機(jī)控制電路。

核心控制器面板電路包括微處理器最小系統(tǒng)電路、存儲(chǔ)器電路、功能按鍵電路、觸摸顯示屏電路以及PM2.5傳感器電路等。

圖2 凈化器系統(tǒng)硬件總體框圖

2.1 STM32F103C8T6微控制器簡介

本系統(tǒng)處理器采用STM32F103C8T6微控制器，它是STM32F103系列芯片之一，在Cortex-M內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)張了高性能的外設(shè)[4]。該芯片支持嵌入U(xiǎn)C/OS操作系統(tǒng)，它是一款專門為要求比較高的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的芯片。在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)還可以應(yīng)用ST公司專門為芯片設(shè)計(jì)的固件庫函數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，使得整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期大大的縮短并使整個(gè)程序機(jī)構(gòu)清晰，方便易懂。

STM32F103C8T6微控制的工作主頻可達(dá)72MHz，內(nèi)置128K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器 （ROM）和20K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM），外設(shè)設(shè)備通過2條APB總線和內(nèi)核處理器連接，包含4個(gè)定時(shí)器（3個(gè)16位通用定時(shí)器以及1個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器）、2個(gè)12位的ADC，在通訊接口方面包含3個(gè)同步串口（USART）接口、2個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、2個(gè)I2S接口、1個(gè)USB接口、1個(gè)CAN總線接口、1個(gè)SDIO接口以及80個(gè)通用輸入輸出接口（GPIO）等[5]。因此整個(gè)設(shè)計(jì)選擇此款芯片為主控系統(tǒng)。

2.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)包括電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制與檢測。它把一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及一些輸入輸出設(shè)備等整合在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制，保障系統(tǒng)的正常工作[6]。微控制器的工作電壓為3.3V，接到VCC端口，VSS端口接地。最小系統(tǒng)的框架如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)框架圖

2.3 PM2.5數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)采集PM2.5濃度，它是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，主要是將系統(tǒng)的硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)相互結(jié)合來進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了信號(hào)、傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集模塊及相應(yīng)軟件的完美結(jié)合[7]。

本課題PM2.5數(shù)據(jù)采集工作是利用日本夏普公司開發(fā)的GP2Y1010AU0F傳感器來實(shí)現(xiàn)，該傳感器可以測量空氣中的PM2.5指數(shù)。因?yàn)榛覊m的密度比較低，采集的結(jié)果是間斷性的，所以需要加上濾波算法。本軟件設(shè)計(jì)采用了均值濾波、限幅濾波等濾波算法實(shí)現(xiàn)濾波。采集電路如圖4所示。

圖4 PM2.5采集電路

GP2Y1010AU0F傳感器是一款光學(xué)灰塵濃度檢測傳感器。用于檢測特別細(xì)微的顆粒，如香煙顆粒、細(xì)微灰塵，包括空氣中的PM2.5指數(shù)，精度達(dá)到±5μg/m3。GP2Y1010AU0F使用發(fā)光二極管，利用光敏原理來工作，其內(nèi)部的紅外發(fā)光管和光電晶體管成對(duì)腳分布[8]。一般，發(fā)光二極管在長期通電情況下，輸出會(huì)降低，隨之，無塵輸出電壓及檢出感度也會(huì)降低。

GP2Y1010AU0F傳感器的特點(diǎn)是靈敏度和準(zhǔn)確率高；它的規(guī)格比較小且易于安裝；能夠?qū)崿F(xiàn)空氣的流通，大大地增強(qiáng)了外部的大氣流通；很容易保護(hù)和護(hù)理。

GP2Y1010AU0F依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒濃度，如圖5所示。增加無塵輸出電壓及感度的補(bǔ)正算法，保證PM2.5采集的精確度。空氣清新機(jī)能在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)沒有變化，則無塵輸出電壓會(huì)自動(dòng)更新。

圖5 用脈沖高度判斷PM2.5顆粒濃度

2.4 液晶顯示屏控制電路

一個(gè)完整的顯示屏由三部分組成，包括液晶顯示器面板，電容觸摸屏面板以及PCB底板[9]。本設(shè)計(jì)采用ILI9341液晶顯示屏對(duì)采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。ILI9341是3.2寸薄膜晶體管液晶顯示器（thin film transistor-liquid crystaldisplay，TFT LCD），具有低壓、微功耗特性，SPI串口，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[10]。

TFT LCD顯示屏控制電路如圖6所示。其中，VDD端口接3.3V電壓，GND端口接地。

圖6 TFT LCD顯示屏控制電路

2.5 發(fā)光報(bào)警電路

報(bào)警電路的核心器件是蜂鳴器，三極管S8050驅(qū)動(dòng)和微控制器的PB8相連接，當(dāng)PB8口呈現(xiàn)的是高電平的時(shí)候，蜂鳴器是不報(bào)警的，當(dāng)它變成低電平的時(shí)候，而且還帶有LED二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。系統(tǒng)還可以通過手動(dòng)按鍵的方式來調(diào)整PM2.5適合的值，如果超過設(shè)置的最高濃度值，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。報(bào)警電路圖如圖7所示。

圖7 報(bào)警電路圖

3 凈化器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 功能實(shí)現(xiàn)

便攜式PM2.5空氣檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要由采集、顯示、控制三大部分組成，整個(gè)工程框架采用嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。

采集部分能夠采集空氣中PM2.5濃度，精度±5μg/m3。

顯示部分分為led指示燈顯示和3.2寸高清TFT LCD顯示屏兩部分。其中，led指示燈顯示部分通過指示燈看出當(dāng)前風(fēng)速（低、中、高、智能）和負(fù)離子工作狀態(tài)（開、關(guān)）；3.2寸高清TFT LCD屏顯示當(dāng)前PM2.5濃度、設(shè)備工作狀態(tài)、風(fēng)速等信息。

控制部分包括按鍵控制、紅外控制、觸摸屏控制三個(gè)控制模塊。

其中，按鍵控制通過物理按鍵控制總開關(guān)、負(fù)離子開關(guān)、風(fēng)速；紅外控制通過紅外遙控器控制總開關(guān)、負(fù)離子開關(guān)、風(fēng)速、智能模式、睡眠模式；觸摸屏控制通過TFT LCD液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)觸摸控制。

3.2 顯示部分的軟件實(shí)現(xiàn)

Led顯示部分包含三個(gè)風(fēng)速led指示燈和一個(gè)負(fù)離子開關(guān)led指示燈，如圖8所示。三個(gè)風(fēng)速led指示燈分別表示低速，中速，高速。全亮代表智能模式。負(fù)離子開關(guān)led指示燈表示處于負(fù)離子工作狀態(tài)。

圖8 led指示燈顯示

本設(shè)計(jì)的LCD顯示部分采用3.2寸ILI9341 TFT LCD，顯示PM2.5濃度和設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)和led指示燈同步顯示。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 LCD顯示結(jié)果

3.3 PM2.5采集部分的軟件實(shí)現(xiàn)

3.5 控制部分軟件實(shí)現(xiàn)

控制部分實(shí)現(xiàn)按鍵、外部遙控、觸摸同步控制總開關(guān)、負(fù)離子開關(guān)、風(fēng)速、智能模式、睡眠模式。

風(fēng)速分為低速、中速、高速和智能模式，智能模式下，根據(jù)當(dāng)前PM2.5的濃度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制風(fēng)速，濃度大于75ug小于115ug低速模式，大于115ug小于150ug中速模式，大于150ug高速模式。

睡眠模式下，所有的指示燈包括LCD顯示屏關(guān)閉，保證用戶正常睡眠，任意按鍵可以喚醒睡眠模式。

支持掉電恢復(fù)，當(dāng)意外斷電恢復(fù)時(shí)繼續(xù)之前的工作狀態(tài)，使用flash定時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款PM2.5空氣檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集PM2.5濃度，通過轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計(jì)算，LCD顯示性能，具備電路簡單、成本低、測量精度高、用途比較廣等特點(diǎn)。

編輯:董剛