室內環境參數監測微型系統研究與實現

王駿西 路曉波 陶杰

摘 ? 要：隨著生活水平的提高，人們更加重視室內環境質量。本文著重研究了STM32F0系列單片機內部模數轉換模塊、異步串行通信模塊及模擬IIC的時序工作原理，設計了基于該單片機的室內環境參數監測微型低功耗系統。通過該系統實現了對室內溫度、濕度、空氣懸浮顆粒指數等參數的實時監測和顯示功能。此外，本系統還預留了TTL電平的串行通信接口，為系統后續升級改造提供便利。

關鍵詞：STM32F0單片機 ?微型監測系統 ?室內環境參數

中圖分類號：TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0137-02

人們生活水平日益提高，對生活環境的要求也越來越高，更加注重室內環境諸如溫度、濕度、空氣中可吸入微型顆粒物數量以及空氣中有害氣體含量等環境質量。因此，身處的室內環境參數可視化也成為人們追求的目標之一，可視化使得環境指數更加透明，增加人們對周身環境的可信度及安全感。同時，實現對周圍環境可視化檢測也有利于人們通過一些方法和手段及時調整環境狀態，以適應自身需求。

1 ?系統總體設計

以室內環境參數可視化為出發點，結合室內環境參數監控的地點移動性和隨機性等因素，以STM32F0系列單片機為系統控制核心，將檢測到的數據處理，發送至OLED液晶顯示器顯示，方便人們了解自身所處環境的各參數指標，便攜且可移動性良好。同時，該系統還預留了一個TTL電平的異步串行通信接口[1]（即UART），為后續系統通信擴展提供接口。

在整個系統中NTC-B3950為高精度溫敏電阻，STM32F030為意法半導體32位單片機，Si7021為溫濕度傳感器模塊，TGS2600為空氣懸浮顆粒成分傳感器，UART為串行異步通信接口。本系統采用精巧化結構設計，將所有器件和一塊3V紐扣供電電池集成于一塊PCB電路板上，整個系統集成后預計約2cm見方。

2 ?系統硬件設計

本系統基于STM32F0系列單片機實現，由3V紐扣電池作為電源，外部電路包含了高精度溫敏電阻傳感器、溫濕度傳感器、空氣懸浮顆粒物傳感器和OLED液晶顯示部分分別通過模數轉換模塊、普通IO模塊、模擬IIC接口與STM32F030單片機相連。硬件設計如圖1所示。

在圖1所示系統主要硬件設計原理圖中，外部溫度傳感器（P7接口）采用1%精度的NTC-B3950溫敏電阻，由PA0作為ADC的通道0讀取該處的電壓值，經過計算得到溫敏電阻值及環境溫度值。還可以采用Si7021型溫濕度傳感器模塊（P4接口）采集環境溫度和濕度，同時將溫敏電阻采集的溫度和溫濕度傳感器采集的溫度進行溫度補償計算，可以使該系統采集環境溫度更準確。系統采用TGS2600（P9接口）作為空氣成分傳感器，通過ADC采集傳感器輸出電壓值，在通過標定的方式將電壓值對應成空氣質量參數，進而計算出空氣質量參數[2]。

系統將上述參數采集過程得到的環境參數進行計算后通過IIC接口送至OLED顯示屏進行逐行顯示，系統完成一個周期的數據采集和顯示。

3 ?系統軟件設計

系統軟件開發使用的是意法半導體官方推薦的Keil 5編譯環境中完成。結合總體設計和硬件電路設計原理。

在軟件設計中，根據流程初始化單片機A/D轉換外設的轉換方式、速率以及位數設置;I/O外設的輸入輸出方式設置;串行通信接口外設的引腳指定、傳輸數率、數據位數和數據接收方式設置;OLED的字庫初始化等。

完成單片機外設資源初始化后，按照A/D采集到的電壓值對應成電阻值，根據電阻值標定的溫度值、空氣質量參數值計算出當前溫度和空氣質量參數;讀取TGS2600溫濕度值。根據獲取的溫度值、溫濕度值、空氣質量參數值送至OLED顯示器。系統完成一次顯示后，程序會自動跳轉至AD采集溫度處，并按照軟件工作流程執行，每顯示一次就是系統傳感器數據就更新以此。嵌入式系統程序是不斷循環執行的，只要系統供電不中斷，就會一直工作下去，采集各個傳感器上的數據并顯示。

4 ?系統實現結果

根據系統設計結構思想，將硬件設計原理通過Altium Designer設計出PCB圖，再經過制版、焊接，通過Keil編程實現軟件流程中各個功能單元模塊，調試穩定后，本系統運行結果如圖2所示。本系統集成度高，界面顯示簡潔，可將“環境濕度”、“環境溫度”和“空氣質量”的數值內容顯示內容具體詳實。

5 ?結語

該系統的實現，體現了STM32F0系列單片機功能強大、運行穩定、成本較低及性價高等優點。系統在設計之初預留了異步串行口，可以為后續無線通信設計提供端口支撐，該端口可以連接具有TTL電平異步串行接口的藍牙通信模塊、433M無線數傳模塊、WiFi通信模塊等。增加了系統的可擴展性和應用廣泛性。整個系統具有實現簡單、體積小、功能多等優點，可以為其他室內環境監控檢測小型化系統提供參考，具有實際應用價值。

參考文獻

[1] 孫占鵬，李佳，歐文.多傳感器室內環境監測系統[J].傳感器與微系統，2017，36（1）：87-90.

[2] 陳陽.室內微環境智能監測系統分析與設計[J].科技經濟市場，2016（3）：99-100.

[3] 徐玲.一種基于物聯網的室內環境監測系統研究[J].物聯網技術，2016，6（10）：32-34.