構(gòu)建基于STM32的PM2.5含量實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)

李勇　韓斌　熊鐵軍　酈文忠

摘 要：通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于STM32的空氣質(zhì)量信息實(shí)時(shí)檢測、存儲(chǔ)和顯示。以一種高性能的32位單片機(jī)為主控芯片，除了能夠準(zhǔn)確顯示某地點(diǎn)實(shí)時(shí)PM2.5值外，還能夠?qū)⒁惶熘惺占降腜M2.5、濕度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)芯片中，并通過程序處理將PM2.5、濕度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形數(shù)據(jù)，顯示在OLED屏幕上，直觀的反映出這一天PM2.5、濕度的波動(dòng)情況，具有測量精度高，結(jié)構(gòu)模塊化、功能多樣化、使用方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： STM32; PM2.5; 外部存儲(chǔ); 實(shí)時(shí)顯示

中圖分類號(hào)： TP368

文獻(xiàn)標(biāo)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(huì)科技快速發(fā)展，各產(chǎn)業(yè)越來越工業(yè)化、自動(dòng)化，正因如此，導(dǎo)致的環(huán)境污染、空氣質(zhì)量的破壞也愈發(fā)嚴(yán)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(yán)重，導(dǎo)致不方便出行，PM2.5含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致人們患呼吸道類的疾病，因此，人們掌握周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)PM2.5含量的變化情況變得越來越重要。本系統(tǒng)主要用于檢測某地點(diǎn)實(shí)時(shí)PM2.5含量，并在采集完一天的數(shù)據(jù)后，將一天的數(shù)據(jù)在二維坐標(biāo)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(shè)計(jì)

1.1 硬件總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖，如圖1所示。

該系統(tǒng)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(chǔ)模塊、OLED顯示模

塊、按鍵模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)等模塊，本系統(tǒng)將STM32F103RCT6芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的核心[1]，擔(dān)任對(duì)各個(gè)

傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)，并將PM2.5數(shù)據(jù)、溫度值、濕度值在OLED屏幕上正確顯示，存儲(chǔ)芯片主要用來存儲(chǔ)一周的PM2.5數(shù)據(jù)，按鍵模塊是用來調(diào)取存儲(chǔ)在W25Q16中的某一天的PM2.5數(shù)據(jù)，并將一天的眾多數(shù)據(jù)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(jī)，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(nèi)設(shè)資源，使用該單片機(jī)能夠大大的簡化設(shè)計(jì)電路，是一款高性價(jià)比的微控制器。主控制器就像是人的大腦，擁有著本系統(tǒng)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，控制著該系統(tǒng)的所有模塊的正常工作。主控制器型號(hào)眾多，本設(shè)計(jì)使用STM32F103RCT6芯片，其擁有48K SRAM和256K FLASH，本設(shè)計(jì)主要使用該單片機(jī)的IIC通信、SPI通信、12位ADC等內(nèi)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(tǒng)軟件、硬件設(shè)計(jì)。

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(xué)灰塵傳感器，型號(hào)為GP2Y1010AU0F，實(shí)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(chǎn)生的煙霧、PM2.5顆粒時(shí)非常有效，因此該傳感器常用于空氣進(jìn)化器、空調(diào)、PM2.5測量等系統(tǒng)中。該裝置主要由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和光電晶體管組成，兩晶體管對(duì)角放置在傳感器中，利用灰塵和細(xì)顆粒在光的照射下會(huì)發(fā)生散射的現(xiàn)象，然后測量入射光在被測量顆粒場的光強(qiáng)衰減率，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出灰塵濃度。該P(yáng)M2.5傳感器具有體積小、電路連接簡單、數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定、功耗低、價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)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(nèi)時(shí)，PM2.5傳感器輸出的模擬電壓與灰塵濃度呈一定的線性關(guān)系，通過廠商提供的線性關(guān)系圖，灰塵濃度N=K*V，可得出系數(shù)K=N/V約等于0.13，由于該傳感器輸出的為模擬信號(hào)，需先通過STM32內(nèi)部的12位的ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)值value，然后計(jì)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(chǔ)

本系統(tǒng)采用的是W25Q16外部存儲(chǔ)芯片，W25Q16（16M-bit）是為系統(tǒng)提供一個(gè)最小的空間、引腳和功耗的存儲(chǔ)器解決方案的串行Flash存儲(chǔ)器[2]，該芯片比普通的串行Flash存儲(chǔ)器更靈活、性能更優(yōu)越，采用SPI串行通信，能夠快速的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)，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(shí)低于1 uA。

W25Q16由每頁256字節(jié)，總共8 192頁組成，每頁的256字節(jié)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(qū)結(jié)構(gòu)，每次擦除的最小單元為16頁，即一個(gè)扇區(qū)（4 KB）。在本系統(tǒng)中，由于存儲(chǔ)的PM2.5數(shù)據(jù)量較小且簡單，為了方便存儲(chǔ)與擦除，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，是將一天的PM2.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，該扇區(qū)內(nèi)剩余空間不使用，本系統(tǒng)設(shè)定為存儲(chǔ)一周的數(shù)據(jù)，即需要7個(gè)扇區(qū)的容量，因此，對(duì)于該芯片來說，存儲(chǔ)容量完全夠用。

1.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

為了讓系統(tǒng)能隨著時(shí)間準(zhǔn)確的采集PM2.5數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)是非常重要的，本設(shè)計(jì)將DS1302時(shí)鐘芯片作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的核心[3]，DS1302時(shí)鐘芯片是8引腳芯片，體積小、計(jì)時(shí)精準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)采用IIC通信，數(shù)據(jù)傳輸快且穩(wěn)定，為保證內(nèi)部正常計(jì)數(shù)，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(shí)，利用備用電源使其繼續(xù)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，該芯片的時(shí)間誤差極小，性價(jià)比高，非常適用于本系統(tǒng)。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(jī)發(fā)光顯示屏，主要由非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板組成，與LCD顯示屏最大的區(qū)別是，OLED無需背光源，完全依靠自身發(fā)光來顯示圖像，觀察效果也不會(huì)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(qū)動(dòng)簡單、發(fā)光對(duì)比度高等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，將使用OLED顯示實(shí)時(shí)測得的PM2.5數(shù)據(jù)、溫度值、濕度值，通過按鍵，可查看存儲(chǔ)在Flash芯片中前幾天的PM2.5數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)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(shí)PM2.5的波動(dòng)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(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)接收該傳感器的數(shù)字信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出結(jié)果，并將其結(jié)果顯示在OLED上。該傳感器只有一個(gè)普通三極管的大小，具有體積小、價(jià)格便宜、使用簡單、輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定、功耗低、測量精度高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)主要使用該傳感器測量某地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，是一個(gè)高性價(jià)比的選擇。DS18B20接線圖，如圖5所示。

1.8 濕度傳感器

DHT11是一個(gè)能夠測量溫度和濕度的數(shù)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(nèi)部使用了一個(gè)8位MCU，因此具有自動(dòng)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能[4]，校準(zhǔn)后濕度精度為5%RH，該傳感器內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，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(qū)動(dòng)簡單、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，應(yīng)用場所十分廣泛。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 程序流程設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用的編程軟件是MDK5，由于本設(shè)計(jì)使用STM32單片機(jī)的功能多且設(shè)計(jì)復(fù)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(shù)為基礎(chǔ)，通過調(diào)用庫函數(shù)來進(jìn)行編程，能夠大大減小編程難度。由于官方的庫函數(shù)使用范圍寬廣，不恰當(dāng)?shù)氖褂脮?huì)導(dǎo)致程序代碼的大小過大，因此在編程時(shí)應(yīng)該穿插使用。

由于本設(shè)計(jì)使用的模塊較多，為了方便程序的調(diào)試與檢測，程序應(yīng)該模塊化?？偝绦蛄鞒虉D，如圖7所示。

系統(tǒng)通電后，單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)、各傳感器、OLED等模塊進(jìn)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(shí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)也已經(jīng)正常工作，各傳感器隨著時(shí)間的推移開始收集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過STM32內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過程序?qū)υ摂?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，在本系統(tǒng)中，我們規(guī)定每隔1分鐘采集一次PM2.5數(shù)據(jù)，15分鐘就有15個(gè)PM2.5數(shù)據(jù)，然后將這15個(gè)PM2.5數(shù)據(jù)取平均值，該平均值作為這15分鐘的一個(gè)PM2.5數(shù)據(jù)，并將此PM2.5數(shù)據(jù)存入Flash存儲(chǔ)器中，一天24小時(shí)，將會(huì)有96個(gè)PM2.5數(shù)據(jù)被存入Flash存儲(chǔ)器中，當(dāng)用戶通過按鍵調(diào)取某一天的數(shù)據(jù)時(shí)，OLED將PM2.5數(shù)據(jù)以柱狀圖的形式顯示出來，當(dāng)不調(diào)取前幾天的數(shù)據(jù)時(shí)，OLED將顯示實(shí)時(shí)采集到的PM2.5值，實(shí)時(shí)PM2.5數(shù)據(jù)將會(huì)每5秒刷新一次。溫度和濕度數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并處理，同時(shí)顯示在OLED上。但溫度值和濕度值不會(huì)存入外部存儲(chǔ)器中。

2.2 程序調(diào)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(yàn)程序的一般可行性，當(dāng)程序有運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，我們可通過軟件仿真快速找出其原因，并對(duì)其修改完善。使用軟件仿真可以查看運(yùn)行過程中各個(gè)寄存器的狀態(tài)，通過觀察這些寄存器的狀態(tài)，可以判斷程序是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。在檢驗(yàn)程序的效果時(shí)，我們可以人為的控制，讓其一步一步運(yùn)行程序，通過串口監(jiān)視器、寄存器狀態(tài)、邏輯分析儀、符號(hào)窗口等眾多窗口，我們可以觀察到該步程序的各個(gè)狀態(tài)，并判斷是否符合預(yù)期值。軟件仿真功能示意圖。如圖8所示。

2.2.2 采集數(shù)據(jù)子程序

在該系統(tǒng)中，核心部分是各個(gè)傳感器模塊數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，以PM2.5值的采集與存儲(chǔ)為例，設(shè)定一分鐘采集一次PM2.5數(shù)據(jù)，15分鐘采集15個(gè)數(shù)據(jù)，并以這15個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該15分鐘內(nèi)的一個(gè)數(shù)據(jù)平均值，然后將其存入數(shù)組中，當(dāng)一天結(jié)束后，總共會(huì)有96個(gè)數(shù)據(jù)存入數(shù)組，最后將數(shù)組的數(shù)據(jù)存入FLASH中。以下為數(shù)據(jù)采集過程偽代碼。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用該系統(tǒng)對(duì)多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行多次測量與評(píng)估，然后分析測得的一天的數(shù)據(jù)，并與國家天氣預(yù)報(bào)的PM2.5進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)相近，但在室內(nèi)，由于人多物雜，人員活動(dòng)的影響，尤其在操場及食堂內(nèi)，測得的PM2.5數(shù)據(jù)、溫度、濕度都相對(duì)偏大。但通過多次數(shù)據(jù)的測量與比較，在相對(duì)封閉的空間內(nèi)，采集的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，在開闊的戶外及天氣的影響，測量時(shí)，數(shù)據(jù)波動(dòng)大，但對(duì)波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理后，多個(gè)時(shí)段的平均值差值相對(duì)比較小，因此可以得出，單一的看某地點(diǎn)某時(shí)刻的PM2.5數(shù)據(jù)并不能真正的反映其空氣質(zhì)量，需要進(jìn)一步比較一天的PM2.5數(shù)據(jù)。如表1所示。

規(guī)定用本系統(tǒng)測得的為“測量值”，以某測量儀器測得的為“實(shí)際值”，國家天氣預(yù)報(bào)的值作為“天氣預(yù)報(bào)值”，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測量數(shù)據(jù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)所使用的傳感器都是市面上常用的傳感器，精度高、實(shí)用性好，完全能夠保證系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性;基于STM32強(qiáng)大的硬件和軟件功能，該系統(tǒng)能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的圖形化實(shí)時(shí)顯示，通過對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)地測試，數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)顯示等功能正常運(yùn)行且工作穩(wěn)定;系統(tǒng)整體模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維修，硬件體積小，集成度高，便于嵌入其他設(shè)備或裝置，適用范圍廣，室內(nèi)外均可使用。

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（收稿日期： 2019.08.16）