【基于藍牙的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)12000字（論文）】

基于藍牙的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要面對許多大城市嚴重的霧霾現(xiàn)象、城市房屋的裝修、各種未經(jīng)處理的化學成分在空氣中的傳播，都會對人的身體健康造成傷害。由于人們生活水平及環(huán)保意識的提高，室內(nèi)空氣檢測也已隨著智能家居進入民用。針對目前的室內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀。本文以室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測為切入點，STM32F103RC單片機作為開發(fā)平臺，并結合了藍牙無線傳輸技術，設計了一種便攜式、低功耗的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。介紹了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計方案、傳感器的選擇以及應用電路的設計、藍牙協(xié)議棧的特點與應用以及智能終端的開發(fā)，完成了檢測系統(tǒng)的設計。通過無線藍牙傳輸技術與智能終端進行通信。最后對檢測系統(tǒng)進行功能測試，藍牙與智能終端的數(shù)據(jù)通信測試。結果表明，本文設計的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對室內(nèi)空氣的實時檢測。檢測系統(tǒng)具有低功耗、便攜式、智能化等優(yōu)點，為人們生活在健康的室內(nèi)環(huán)境提供了保障。關鍵詞：空氣質(zhì)量；傳感器；藍牙；Android應用目錄TOC\o"1-3"\h\u139041緒論 127121.1研究背景及意義 110291.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1270381.3發(fā)展方向 3258931.3.1行業(yè)背景分析 3183801.3.2市場分析 4208792系統(tǒng)總體設計方案及設計目標 5191532.1系統(tǒng)總體設計方案 5226192.2檢測系統(tǒng)設計目標 6197073室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件設計 7153123.1檢測系統(tǒng)硬件總體設計方案 7235223.2嵌入式核心處理設計 8322333.3檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集 10310563.3.1溫度檢測采集 10271603.3.2濕度檢測采集 1162603.4檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與顯示 12200223.4.1藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸 12249943.4.2lcd1602液晶顯示 14255224空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)軟件設計 15228384.1檢測系統(tǒng)軟件流程 15131854.2藍牙低功耗無線傳輸數(shù)據(jù)透傳程序 17108254.3檢測模塊測試 18210945結束語 217261參考文獻 221緒論1.1研究背景及意義隨著人們生活水平的提高，人們對環(huán)境的污染情況給予了很大的關注。環(huán)境的污染情況也變得被人們更加的重視。在經(jīng)歷英國工業(yè)革命的環(huán)境污染所給人們帶來的傷害，以及美國曾經(jīng)面臨的環(huán)境污染問題，都為當今科技快速發(fā)展的中國帶來了沉重的教訓。面對著我國當前的國家形式，然而科技要發(fā)展，就勢必對環(huán)境帶來破壞。而室外空氣質(zhì)量的破壞也一定會對人們生活的室內(nèi)環(huán)境帶來影響。根據(jù)世界銀行統(tǒng)計報告，我國每年造成的經(jīng)濟損失約32億美元是因為室內(nèi)環(huán)境污染所至。另外根據(jù)國際檢測環(huán)境機構的調(diào)查，全球至少有30%建筑物的室內(nèi)環(huán)境中含有危害人身體健康的有害物質(zhì)。室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響了人們的身體健康和生活水平，而且室內(nèi)環(huán)境污染也已經(jīng)被列入對公眾健康危害最大的五種環(huán)境因素之一?？諝馐侨祟愘囈陨娴臈l件，如果沒有質(zhì)量好的空氣條件人類將面臨著嚴重的生存危機。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計人的一生中約有80%的時間都是在室內(nèi)中度過的。因此室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響人們的身心健康。針對室內(nèi)空氣污染的嚴重情況，2002年國家環(huán)保總局與國家衛(wèi)生部發(fā)布并實施了《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》，該標準給出了室內(nèi)環(huán)境中的溫濕度范圍、有害氣體的濃度范圍及其影響室內(nèi)空氣環(huán)境因素的具體指標。如今室內(nèi)裝修材料大多會散發(fā)出甲醛等有害物質(zhì)，由于物質(zhì)燃燒而產(chǎn)生的有毒物質(zhì)都會影響人們生存的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。盡管世界上很多地方都建立了環(huán)境的檢測系統(tǒng)，人們可以容易的在電腦或手機上觀察到室外的空氣質(zhì)量。但是對于室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測方面的研究相對薄弱。隨著嵌入式研究的不斷發(fā)展，針對這種方式設計的檢測設備在當前市場上有了相應應用產(chǎn)品的出現(xiàn)。因此針對智能化的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究是很有必要的。目前國內(nèi)關于室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測研究還需要大力的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢室內(nèi)空氣質(zhì)量很早就被人們開始研究了，早在18世紀日本的科學家緒方正規(guī)就發(fā)表了室內(nèi)換氣的論文。然而隨著當今環(huán)境的破壞，關于室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究在近些年才真正引起全世界關注并成為研究的熱點。1978年在丹麥的哥本哈根首次召開了“室內(nèi)空氣及氣候的國際會議”(InternationConfereonIndoorAirandClimate)。我國也早在2002年12月18日就正式發(fā)布了第一部《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》該標準與2003年3月1日起正式實施。國外相對于國內(nèi)而言，關于室內(nèi)空氣質(zhì)量研究出現(xiàn)的比較早。研究報道早在20世紀60年代末期就相繼出現(xiàn)了。隨著科學技術的不斷發(fā)展，關于室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的研究也得到了相繼發(fā)展。2004年GE傳感與檢測科技公司設計檢測室內(nèi)空氣中溫濕度以及二氧化碳濃度的Ventostat8000系列新產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠大大提高了管理人員的工作效率。2009年GiHeungCHOI等人設計提出了一種監(jiān)測地鐵室內(nèi)空氣質(zhì)量的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)用于檢測人流動量相對大的地鐵周圍環(huán)境。2010年MinuAPillai等人提出并設計了一種智能傳感器網(wǎng)絡來解決室內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境情況。2012年飛利浦公司也針對凈化室內(nèi)的空氣質(zhì)量，研發(fā)設計了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀。該室內(nèi)空氣凈化設備不但能去除甲醛在空氣中的含量、還能濾除別的有害氣體。2013年由S.Zampolli組成的研發(fā)小組設計開發(fā)了一款低成本用于檢測室內(nèi)環(huán)境情況的電子鼻。在國內(nèi)，由于對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究相對緩慢。但是隨著目前嚴重的空氣污染局勢，人們的生活水平也有了提高。我國對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究也越來越多。2011年丁麗佳與陳琢悅同學就設計了基于嵌入式的多功能家用可燃氣體報警裝置的設計。2013年暨南大學彭煜設計便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器的研究，該檢測系統(tǒng)基于STM32處理器使用甲醛傳感器、粉塵傳感器加入Zigbee無線通信裝置來控制的后續(xù)空氣質(zhì)量處理設備。2014年蘇州大學的胡敏、盧亞平設計了一種基于MCU控制的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計，使用溫濕度、甲醛傳感器等用來監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度以及甲醛的濃度。2014年王嘯東設計了一種新型的PM2.5檢測儀，該研究是一種基于C51處理器以及外圍電路采用PM2.5粉塵傳感器來檢測粉塵的裝置。2014年8月張光男設計了一種新型的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置。該設計是一種涉及室內(nèi)甲醛、氨氣、和苯這三種氣體的檢測，系統(tǒng)設計是一種基于FPGA設計的數(shù)據(jù)監(jiān)測。該檢測系統(tǒng)具有檢測精度高、速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。2014廣西民族大學邢凱設計使用甲醛濃度檢測傳感器MS1100加入nRF905無線傳感技術的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于STC12C5A60S2單片機，該裝置設備的每一部分的供電部分均采用有線連接，系統(tǒng)可將檢測每一點的數(shù)值均顯示在協(xié)調(diào)器的液晶屏幕上。目前我國室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究大部分都是基于嵌入式操作來實現(xiàn)的。使用這種設計方式成本低廉、便于生產(chǎn)。隨著嵌入式、無線傳感、計算機技術的不斷發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)的實時采集、智能化檢測、多樣化的參數(shù)采集以及數(shù)據(jù)展示與分析的多元化需求越來越多。因此在這一方面的研究就有了實現(xiàn)的意義。1.3發(fā)展方向1.3.1行業(yè)背景分析作為每一個中國的公民或多或少受都到傳統(tǒng)觀念的影響，成家立業(yè)，家的概念特別重要，并且置田，購宅深入到每一個中國人的心目中。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，商品住宅私有化快速成為一種消費趨勢，促使現(xiàn)實中的很多中國人都有買房的打算，因此房地產(chǎn)行業(yè)也增長快速。作為住宅與之對應裝修需求和家裝消費將充滿無限的商機。1.房地產(chǎn)業(yè)情況由于房地產(chǎn)行業(yè)的暴利，促使開發(fā)商開發(fā)了很多的商品房，商品房的銷售形勢也因為住房消費的持續(xù)好轉，商品住宅持續(xù)熱銷。從最近幾年中國的經(jīng)濟發(fā)展情況來看，雖然經(jīng)濟發(fā)展溫度降了下來，經(jīng)濟增長的GDP仍然有7.0%左右。由于城鎮(zhèn)化持續(xù)推進，房地產(chǎn)行業(yè)在中國的經(jīng)濟中仍然占據(jù)著重要的地位。與此同時，個人購房的比例仍然有交大的空間?，F(xiàn)在，我國城鎮(zhèn)人均住房面積25平方米，按照十二五規(guī)劃，城市人均住宅將達到27平方米。世界各個國家的經(jīng)驗證明，在人均住宅達到30平方米到35平方米之前，將會保持旺盛的住房需求，所以房地產(chǎn)仍然有很大的發(fā)展空間。2.智能家居產(chǎn)業(yè)情況通過中國家具協(xié)會統(tǒng)計，中國家具產(chǎn)業(yè)一直保持著20%到30%的增長。2013年全行業(yè)總值年達到了1萬億元，比2003年增長了10倍，比1993年增長了100倍。現(xiàn)在全國擁有家具企業(yè)達10萬家，其中合資企業(yè)上千家，從業(yè)人員有上百萬，因此家具工業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟重要的一個增長點。3.家居裝飾裝修情況隨著生活水平有了很大的改變，提高居住條件己經(jīng)成為人們消費的強烈關注問題。由于城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進，將給建筑業(yè)，建材業(yè)以及建筑裝飾裝修行業(yè)帶來很大的機遇，同時也給國民經(jīng)濟帶來很大的推動力。由于物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，給智能家居提供了巨大的發(fā)展空間。1.3.2市場分析目前人們對于污染的認識達到了空前的關注。特別由于前段時間中央電視臺主持人柴靜的一段視頻，更能引起大家的共鳴。很多消費者已經(jīng)認識到家裝材料潛在的危害性。對于健康有更深的理解和追求的我們，更應該維護自身的核心利益。智能家居是在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的具體體現(xiàn)。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術將家中的很多種控制系統(tǒng)連接到一起，給家里溫馨舒適的生活提供了很多方便。與傳統(tǒng)家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還可以幫助人們生活中安全可靠地與外部保持全方位的信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間去完成其它重要的事情。利用智能控制器可以使家庭的主人更加體會到智能化的方便快捷。這些智能控制器還可以為家庭主人提供健康的居住環(huán)境，通過相應的傳感器可以準確有效的監(jiān)控室內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5、甲烷、氨氣等，進而控制空調(diào)、窗簾、空氣凈化器等系統(tǒng)的運行，從而提高更好更舒適的生活空間。本文設計了一個室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀器正是智能家居的體現(xiàn)。智能家居室內(nèi)的檢測治理是一個全社會的大市場，在社會各界的關注下，市場會很快火爆起來，成為一個新興的朝陽產(chǎn)業(yè)。據(jù)調(diào)查，2013年智能家居室內(nèi)環(huán)境檢測產(chǎn)品的生產(chǎn)和空氣凈化裝置的生產(chǎn)達到了1000億元人民幣。并且在未來的幾年還會快速增長，因此市場需求回呈現(xiàn)饑渴狀態(tài)。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是電子通信技術的快速發(fā)展使得測量儀器的精度越來越高。從而使室內(nèi)測量儀器儀表向著智能化的方向迅速發(fā)展。然而，我們國家的智能家居環(huán)境監(jiān)測才剛開始起步，但是也有一些技術很強的公司從事此類系統(tǒng)的開發(fā)與研究。此外，我們國內(nèi)也有一些電子廠家在智能家居市場上推廣自主研發(fā)的智能家居空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。目前有很多有線技術也可以對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行監(jiān)測，但是也有很多缺點:系統(tǒng)布線比較麻煩，安裝與維護成本特別高，系統(tǒng)可擴展性差，移動性也不方便。新的智能家用多功能監(jiān)測系統(tǒng)具有如下特點:操作自動化、測量智能化、數(shù)據(jù)處理速度快以及具有良好的人機對話能力。當室內(nèi)多功能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測超過限值時，無線通信網(wǎng)絡就會發(fā)出指令從而可以智能地打開空氣凈化裝置，進而可以凈化室內(nèi)的空氣，確保有一個健康舒適的生活環(huán)境。因此，新的智能家用多功能監(jiān)測系統(tǒng)與空氣凈化系統(tǒng)完美地結合起來將為人們美好健康的生活提供保障。所以新的智能家用多功能監(jiān)測系統(tǒng)將是今后一個時期的發(fā)展方向。2系統(tǒng)總體設計方案及設計目標2.1系統(tǒng)總體設計方案為了能夠檢測室內(nèi)的空氣質(zhì)量，提高檢測系統(tǒng)的智能性達到便攜式與低功耗的設計目的。檢測系統(tǒng)的總體設計方案包括兩大部分的設計內(nèi)容即系統(tǒng)硬件設計與系統(tǒng)軟件設計。本文設計的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)是基于ARM核心控制器來進行研究的。其中硬件的設計部分包括：嵌入式核心處理電路、溫度檢測采集電路、濕度檢測采集電路、lcd1602液晶顯示、甲醛氣體檢測采集電路、無線藍牙傳輸電路以及系統(tǒng)電源管理電路的設計。軟件設計主要為智能終端軟件程序設計、檢測裝置的嵌入式程序設計?？傮w設計結構圖如2-1所示。圖2-1系統(tǒng)的總體框圖室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的總體方案設計流程，通過設計前端的各個檢測采集電路進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)后續(xù)的信號放大電路、信號處理電路以及A/D轉換，將采集到的數(shù)據(jù)送至嵌入式核心處理部分的中央處理單元ARM。通過對嵌入式ARM核心處理器的軟件編程，將檢測電路采集到的數(shù)據(jù)在lcd1602液晶屏上進行實時的顯示。能夠容易的觀察到當前室內(nèi)的空氣質(zhì)量情況。為了增加檢測系統(tǒng)的智能化特性，在檢測裝置后加入無線藍牙傳輸部分，通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳至智能終端。為了使檢測系統(tǒng)的智能性、網(wǎng)絡化概念更強，更能夠方便的為人們生活提供幫助。檢測系統(tǒng)的智能終端選用生活中普遍使用的手機為檢測系統(tǒng)提供智能顯示。目前市面上常見的手機有兩種操作系統(tǒng)一種是蘋果公司的IOS系統(tǒng)，另一種為谷歌公司推出的開源Android系統(tǒng)。對比兩種操作系統(tǒng)：由于Android操作系統(tǒng)的手機的價格比較低廉適用于大多數(shù)人應用以及Android操作系統(tǒng)的開源特性使用起來更加方便?；谝陨系目紤]檢測系統(tǒng)選用Android操作系統(tǒng)的手機作為智能終端。2.2檢測系統(tǒng)設計目標為了滿足檢測系統(tǒng)所要達到檢測的目的，重點要考慮的因素如下：測量的檢測數(shù)據(jù)種類多；檢測系統(tǒng)要求測量精度高；檢測系統(tǒng)有較高的靈敏度、可靠性、低功耗。影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的有害氣體種類很多，本文研究的室內(nèi)空氣檢測系統(tǒng)的測量標準是參考國家標準GB/T50325-2010作為檢測測量的指標。表2-1為國家頒布的民用建筑室內(nèi)空氣環(huán)境污染物檢測的濃度限量的標準。表2-1民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染物濃度限量污染物I類民用工程II類名用工程氡（BQ/m3）≤200≤400甲醛（mg/m3）≤0.08≤0.1苯（mg/m3）≤0.09≤0.09氨（mg/m3）≤0.2≤0.2TVOC（mg/m3）≤0.5≤0.6從表中可以看出影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要污染物有：甲醛、笨、氨、TVOD等有害物質(zhì)。如果這些有害物質(zhì)在室內(nèi)空氣中含量過多，就會危害人們的身體健康。例如室內(nèi)空氣中的甲醛濃度含量過高，就會刺激人的皮膚黏膜，同時甲醛能與人體蛋白質(zhì)結合使人們出現(xiàn)頭痛，頭暈等顯現(xiàn)。所以，人們?nèi)粘Ｉ罹幼〉氖覂?nèi)環(huán)境中要嚴格的控制有害氣體的濃度，為人們生活在健康的環(huán)境中提供保障。本文對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究提出了具體的功能要求，以及根據(jù)國家規(guī)定的檢測標準設計了系統(tǒng)指標。如表2-2所示。表2-2室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)達到設計指標功能目標溫度檢測溫度：0-45℃精度：0.1℃濕度檢測相對濕度5-95%RH精度：1%RH甲醛氣體濃度檢測量程0-0.1(mg/m3)精度：0.01mg/m3lcd1602顯示結果將采集到的數(shù)據(jù)進行顯示無線傳輸采用Blue技術將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行顯示功耗選用低功耗傳感器以及合理的電路設計對比與TFT_LCD節(jié)約數(shù)倍功耗尺寸10cm*8cm*4cm3室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件設計針對檢測系統(tǒng)的性能需求，考慮到如何使檢測系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗、便攜式的設計要求。因此需要為檢測系統(tǒng)搭建硬件平臺來完成檢測功能，本章重點介紹整個系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件基礎。3.1檢測系統(tǒng)硬件總體設計方案硬件電路的設計是整個檢測系統(tǒng)的基礎，同時硬件電路的設計為整個檢測系統(tǒng)提供了保障。由于本室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)是以低功耗、便攜式為切入點。根據(jù)檢測系統(tǒng)的功能需求以及總體設計方案要求，檢測系統(tǒng)選用ARM系列的STM32F103RCT6低功耗芯片作為檢測系統(tǒng)的核心處理單元。檢測部分主要通過設計檢測采集電路應用ME3-CH2O甲醛傳感器、DS18B20溫度傳感器、HS1101濕度傳感器設計相應的甲醛、溫度、濕度檢測部分。將這些檢測部分檢測到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的處理與數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)處理后在lcd1602液晶屏上進行實時顯示、數(shù)據(jù)通過無線藍牙傳輸模塊傳輸至智能終端、電源管理系統(tǒng)為整個檢測系統(tǒng)提供電源。檢測系統(tǒng)整體硬件結構設計如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件整體結構圖3.2嵌入式核心處理設計嵌入式系統(tǒng)是一種實現(xiàn)嵌入對象智能化的微小型計算機。嵌入式微處理器是一塊將微型處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM等）及各種外設集成在一起的微小型操作系統(tǒng)，這樣的微處理器具有計算機特性所以常常被稱為微型計算機。嵌入式操作系統(tǒng)可以分為很多種類型，比如EMPU（EmbeddMicroprocessorUint）、MCU（MicroprocessorUint）、DSP（DigitalSignalProcessor）以及SoC（SystemonChip）。其中目前主要有的嵌入式微處理器Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。STM32F1系統(tǒng)芯片內(nèi)部采用ARM公司設計的32位處理器是一款功能較全面的微處理器。Cortex-M3處理器可提供1.25DMIPS/MHz的性能。Coxtex-M3處理器是一個32位的處理器。Cortex-M3處理器除了包括中心處理器內(nèi)核之外，還包括很多其他的組件，如嵌套的中斷控制器、SysTick定時器、存儲器保護單元、總線矩陣（BusMatrix）、嵌入式跟蹤單元、接口單元、FTB、ROM表、串行調(diào)試端口等以用于系統(tǒng)管理和調(diào)試支持，如圖3-2為Cortex-M3處理器基本結構。圖3-2Cortex-M3處理器內(nèi)部基本結構系統(tǒng)所選用的核心處理器為以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列芯片。選用芯片為STCSTM32F103RCT6作為中央處理器，使用該芯片是因為相對于其他種類核心處理芯片，該芯片的價格更低、相對多的內(nèi)存資源、且能夠滿足檢測系統(tǒng)低功耗的要求。由于在本檢測系統(tǒng)中要根據(jù)所選用的芯片來設計完成檢測的功能。所以要設計合理的ARM核心處理器電路。ARM核心電路主要是由STM32F103RCT6芯片及滿足芯片工作條件的電源電路、復位電路、晶振電路、濾波電路以及下載JTAG電路等組成。其原理圖如圖3-3所示。圖3-3STM32最小系統(tǒng)原理圖由于ARM核心處理器要完成對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行采集、處理、顯示、傳輸?shù)裙δ堋Ｒ虼嗽谠O計的過程中要考慮到ARM處理器芯片中每一個相應引腳的作用及其所要完成的功能。在針對ARM原理圖設計的時候，已經(jīng)預留出各種模塊相應的接口引腳。從圖中可以看出ARM芯片的各個引腳都有相應的標注，這些應用到的引腳包括為ARM能夠提供基本工作的電源電路、復位電路、晶振電路，各種室內(nèi)檢測氣體檢測模塊的相應接口引腳，液晶顯示部分的相應引腳，數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P引腳。圖3-4JTAG下載電路圖3-4為系統(tǒng)的JTAG下載電路，系統(tǒng)通過JTAG硬件設備將編寫好的嵌入式軟件寫入ARM核心處理芯片中來完成相應的數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸?shù)裙δ?。圖3-5復位電路3.3檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集3.3.1溫度檢測采集采用一種低功耗單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為檢測裝置提供溫度采集。這款單總線數(shù)字溫度傳感器提供9位溫度讀數(shù)值，用來檢測室內(nèi)溫度值的大小。DS18B20溫度傳感器特有的單總線接口設計，在應用時僅僅需要一個接口引腳便能夠進行通信，無需任何外部器件的幫助。這種獨特的設計使得從主控芯片到DS18B20數(shù)據(jù)讀取與寫入僅需要一根數(shù)據(jù)線就能完成。由于傳感器的低功耗，在完成溫度轉換的同時，傳感器所需要的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部提供額外的電源。傳感器測量的溫度范圍從-55oC至+125℃，精確度為0.5℃、以9位數(shù)字方式對溫度進行讀/些。DS18B20為了具有更強的抗干擾能力，設計將溫度檢測與數(shù)據(jù)輸出全部集成于一個芯片之上。工作周期可以分為兩個部分，溫度的檢測與數(shù)據(jù)處理。如下表所示為DS18B20的引腳說明，在硬件設計中接入相應引腳即可完成溫度檢測設計。表3-1DS18B20的引腳說明引腳符號說明1GND地2DQ單線運用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，漏極開路“寄生電源”3VBD可選VBD引腳，有關連接的細節(jié)見“寄生電源”3.3.2濕度檢測采集選用HS1101濕度傳感器用來檢測室內(nèi)的濕度值，該傳感器特殊的工藝設計將傳感器設計為可變的電容元件，其傳感器的工作原理為傳感器的電容值隨著濕度的增大而增大。這款HS1101濕度傳感器也已經(jīng)被人們廣泛的應用于工業(yè)檢測、家電產(chǎn)品以及車廂內(nèi)的濕度檢測。考慮到使用HS1101傳感器不需要校正、能夠快速脫濕、可以自動化焊接、可靠性高與穩(wěn)定性強、反應速度快等優(yōu)點。因此使用HS1101濕度傳感器來檢測室內(nèi)空氣中的濕度值。濕度傳感器的參數(shù)如下：1、測量范圍RH：1—99%；2、精度：1%RH;3、響應時間：5S；4、電壓：5V等。根據(jù)HS1101濕度傳感器的工作原理設計濕度的檢測電路，通過ARM核心處理器使用輸入捕捉波形方式來實現(xiàn)對濕度數(shù)據(jù)進行處理與顯示。所設計的濕度檢測電路如圖3-6所示：圖3-6濕度檢測電路圖在電路構成中將HS1101濕度傳感器等效成電容值可變的器件。該傳感器的特性為電容的大小與檢測空氣中濕度值成一定的正比關系。因此將HS1101置于NE555振蕩電路中可以根據(jù)NE555振蕩芯片的工作原理設計。NE555電路是根據(jù)所輸入的電源電壓的1/3Vcc與2/3Vcc的變化輸出進行翻轉的?？梢詫S1101可變電容進行充放電來實現(xiàn)輸出為頻率可變的方波來供ARM采集。首先對HS1101充電，充電電路流經(jīng)R2，R3，HS1101，當NE555芯片引腳THR和TLR上的電源高于2/3Vcc時，NE555芯片輸出低電平。對HS1101進行放電說明，放電電路流經(jīng)HS1101和R3進行放電，當THR和TLR上的電源低于1/3Vcc時，NE555芯片輸出為高電平。就這樣能夠得出頻率隨著HS1101容值變化的方波。ARM可以對方波進行數(shù)據(jù)捕獲。3.4檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與顯示在檢測部分采集到數(shù)據(jù)之后，為了更好的能夠為人們提供應用。需要將檢測到的數(shù)據(jù)通過藍牙無線傳輸傳送至智能終端。為了使檢測系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)能夠直觀的觀測到室內(nèi)的空氣情況示數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)在檢測系統(tǒng)設計的lcd1602液晶屏模塊上進行實時顯示。設計將lcd1602液晶屏在ARM主控芯片上連接顯示8080并口的硬件電路。3.4.1藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸無線藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由四個方面構成：無線射頻單元、基帶與鏈路控制單元、鏈路管理單元以及藍牙軟件協(xié)議棧。藍牙的系統(tǒng)結構如圖3-7所示：圖3-7藍牙系統(tǒng)結構圖其每一部分的基本應用為：1、無線射頻單元（Radio）：使得藍牙能夠完成數(shù)據(jù)的傳輸和實現(xiàn)語音通信，保證能夠完成數(shù)據(jù)與語音的發(fā)送與接收。2、基帶與鏈路控制單元（LinkController）：保證藍牙數(shù)據(jù)傳輸與語音通信時射頻信號與數(shù)字或語音信號能夠相互之間進行轉化，實現(xiàn)基帶協(xié)議和底層連接規(guī)程以便能夠達到目的。3、鏈路管理單元（LinkManager）：該部分能夠管理藍牙設備之間的通信，實現(xiàn)無線藍牙鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。4、藍牙編程軟件協(xié)議棧的編寫使其能夠實現(xiàn)短距離無線通信，數(shù)據(jù)傳輸與語音通信。藍牙技術是一種短距離無線電寬帶技術，一種全球的開放性標準能夠實現(xiàn)語音通信和短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。它使用多種先進技術包括跳頻擴譜（FHSS）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）等，在很小的范圍內(nèi)建立不同種通信鏈接并且可以滿足系統(tǒng)之間的信息傳輸。其具體特點如下表3-3所示：表3-3藍牙技術的主要特點特點說明及其優(yōu)點工作頻段2.4GHz的頻段載頻，間隔1MHz、采用TDD時分雙工方式傳輸速度1Mb/s調(diào)試方式BT=0.5的GFSK調(diào)制、調(diào)制指數(shù)為0.28-0.35采用調(diào)頻技術藍牙通過快跳頻和短分組技術減少同頻干擾、保證傳輸?shù)目煽啃灾С蛛娐方粨Q和分組交換業(yè)務語音和數(shù)據(jù)可以單獨或同時傳輸支持點對點基多點通信可組成微微網(wǎng)和分布式網(wǎng)絡工作距離藍牙設備分為三個功率等級100mW、2.5mW、1mW相應的有效工作范圍為：100米、10米和1米。系統(tǒng)選用的低功耗無線藍牙數(shù)據(jù)傳輸芯片為CC2540，該芯片是基于TI公司設計研發(fā)應用與短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，具有低功耗、體積小、短距離傳輸、抗干擾能力強等特點。自帶的低功耗8051微處理器作為核心處理單元；且兼容藍牙低功耗射頻RF收發(fā)器，其頻率為2.4Ghz；支持多種串口通信協(xié)議的USART；以及應有的存儲功能等。因為CC2540支持多種窗口通信協(xié)議，所以數(shù)據(jù)傳輸部分的設計原理為藍牙無線傳輸模塊連接ARM核心處理器的串口部分進行數(shù)據(jù)讀寫，使得ARM核心處理器發(fā)送到串口的數(shù)據(jù)能夠傳送至藍牙無線傳輸模塊。后經(jīng)藍牙無線傳輸模塊藍牙協(xié)議棧協(xié)議軟件編寫，將數(shù)據(jù)傳送至智能終端。在智能終端進行一定的軟件編寫來達到將采集、處理數(shù)據(jù)在智能終端的顯示。無線藍牙CC2540無線傳輸?shù)碾娐窞椋褐饕譃槿齻€部分分別為：主控芯片的最小工作電路、產(chǎn)生2.4GHz載波頻率的巴倫匹配電路以及設計PCB板的F型天線的搭配。CC2540無線藍牙工作原理圖如圖3-8所示：圖3-8無線藍牙電路圖設計的無線藍牙通信電路分為三個部分，第一部分為主控芯片的工作電路設計。設計能夠滿足主控芯片CC2540正常工作的基本電路，該部分包括主控芯片的電源電路、晶振電路、復位電路。第二部分設計振蕩電路，該部分振蕩電路的作用為將頻率提升至2.4GHz把信號能夠采用無線的方式傳送出去。在射頻電路中我們采用巴倫匹配電路來實現(xiàn)相應的功能，在設計與使用的過程中，由于要滿足巴倫電路的起振條件，所以在設計過程中要保證巴倫電路的對稱性來達到應用的目的。第三部分為外圍天線部分的設計，在本設計中選用兩種方式的天線，一種為PCB走線的倒F行天線，另一種為帶有插孔的金屬天線。它們各有各的優(yōu)點因此該系統(tǒng)可以隨意的選擇。本系統(tǒng)所選用的天線為PCB走線的倒F型天線。3.4.2lcd1602液晶顯示lcd1602即有機發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode），系統(tǒng)選用lcd1602液晶屏作為檢測系統(tǒng)的顯示部分，基于檢測系統(tǒng)的低功耗設計lcd1602液晶屏具有如下特點：首先它不需要背光源具有自發(fā)光功能，且它的對比度高、厚度薄體積小便于設計、顯示速度快、可以跨度大的溫度范圍使用、構造較簡單等優(yōu)點，lcd1602的使用也被認為是今后顯示器的最新應用技術。lcd1602液晶屏相對于傳統(tǒng)的LCD液晶屏，lcd1602不需要背光源，因此可以降低檢測系統(tǒng)整體的功耗。lcd1602具有如下特點尺寸小、高分辨率、多種接口方式以及不需要高電壓就可以直接完成工作了。選用0.96寸的lcd1602液晶屏作為檢測系統(tǒng)的顯示部分。lcd1602顯示屏分辨率為128*64，lcd1602同時還支持5種接口方式分別為IIC接口、6800接口、8080并行接口、4線串行接口、3線串行接口。lcd1602液晶屏由BS0、BS1、BS2三個接口來選擇具體的工作方式本檢測系統(tǒng)采用lcd1602的8080接口方式查詢資料三個接口均置為0。圖3-9lcd1602接口電路lcd1602液晶顯示并口的原理圖顯示如上圖3-9所示：使用其并口操作需要的管教較多總共有16個管腳其引線圖如上圖所示。其中我們使用15條引腳來操作，其中一個引腳是懸空的。2條引腳為電源和地線，將還剩下13條引腳作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柧€。4空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)軟件設計4.1檢測系統(tǒng)軟件流程使用HS1101濕度傳感器設計濕度檢測應用電路。檢測電路對產(chǎn)生的方波周期來進行數(shù)據(jù)采集。使用核心處理器對方波信號進行輸入捕獲來完成對濕度的檢測采集。由得到的方波頻率來計算室內(nèi)空氣質(zhì)量中的相對濕度。核心處理器的輸入捕獲設計是通過使用定時器實現(xiàn)的，檢測采集相鄰的上升沿與下降沿信號對應的定時器時間，將當前所得到的定時器值存放到對應的寄存器中，完成檢測捕獲。從而能夠計算出輸出檢測電路中輸出的方波頻率。如圖4-1所示為濕度檢測部分軟件流程圖。圖4-1濕度檢測部分軟件流程圖濕度檢測的軟件設計思路為：使用定時器5通道1來捕獲定時器高電平的時間，從而求出檢測部分輸出的方波頻率。首先我們先對輸入捕獲設置為高電平檢測，當電平跳為高電平時記錄定時器的時間，直到下一個電平跳入低電平時再一次記錄定時器的時間。這樣將前后兩次的定時器5通道1的值之差就是高電平的時間。從而計算出輸出方波的頻率。通過采集高電平的時間來計算方波的周期值，應用檢測到的高電平時間來通過公示計算我們應用的濕度值。當然這要考慮所使用的傳感器件的工作值來定。具體代碼如下所示：If(TIM_GetITStatus(TIM5,TIM_IT_CC1)!=RESET)//發(fā)生捕獲事件{If(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//捕獲到一個下降沿{TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//標記成功捕獲上升沿TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising);//設置為上升沿捕獲}else{TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//清空TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;TIM_Set_Counter(TIM5,0);TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40；//標記捕獲到了上升沿TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Faling);}}}上述代碼是對高電平時間進行輸入捕獲。從代碼可以看出，程序代碼中實現(xiàn)了使用定時器捕獲相鄰上升沿跳變時間間隔來的得到輸出方波頻率的時間。由代碼中可知，從還未成功捕獲開始，到捕獲到第一個高電平，在到標記上升沿開始成功捕獲到相鄰的上升沿，都是通過使用了定時器與計數(shù)器來實現(xiàn)的。通過編寫軟件代碼調(diào)用STM32自帶庫函數(shù)來完成上述基本功能。4.2藍牙低功耗無線傳輸數(shù)據(jù)透傳程序藍牙的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷藍牙的初始化、藍牙對周圍其他的藍牙設備的查找、建立兩個藍牙設備之間的連接、藍牙數(shù)據(jù)的傳輸以及斷開藍牙連接來完成藍牙之前的數(shù)據(jù)傳輸。在藍牙協(xié)議棧的通信協(xié)議中，定義主動簡歷連接請求的是本地藍牙適配器，經(jīng)過查詢掃描建立連接的是遠程藍牙適配器。在藍牙協(xié)議棧中通過使用HCL層完成對應的藍牙通信。能夠實現(xiàn)藍牙的無線數(shù)據(jù)傳輸就需要調(diào)用相應的協(xié)議棧代碼。藍牙的初始化包括復位、讀取緩沖區(qū)大小、寫入掃描允許、指定時間過濾器、寫入超時、寫入呼叫相應超時、寫入本地藍牙地址以及讀本地藍牙的地址來完成藍牙初始化的的過程。當然這些過程需要調(diào)用相應的程序代碼。數(shù)據(jù)傳輸過稱為：藍牙初始化之后，本地藍牙通過HCL_Inquriy指令進入查詢模式進行查詢，目的為發(fā)現(xiàn)周圍的藍牙設備。通過HCL_Create_Connection指令控制鏈路管理層與指定藍牙遠程設備進行連接。在藍牙設備完成連接后就能進行數(shù)據(jù)的傳輸了，通常采用HCLACL分組L2CAP的格式。遠程的藍牙設備接收到信號后開始分組數(shù)據(jù)的方式接收傳輸來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸完通過HCL_Disconnection來斷開連接完成藍牙數(shù)據(jù)的傳輸。因為藍牙數(shù)據(jù)的傳輸是一個很復雜的過程，要經(jīng)歷三次握手與四次揮手才能完成連接。因此在本人的藍牙傳輸程序中，只是從藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸讉€部分來完成。其無線藍牙透傳程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2無線藍牙數(shù)據(jù)傳輸流程圖4.3檢測模塊測試為了驗證甲醛檢測的準確性與其甲醛檢測模塊的性能，將甲醛模塊與主控芯片的相應引腳相連，如圖4-3所示。將檢測系統(tǒng)檢測到的甲醛濃度進行實時的顯示并記錄下來。圖4-3甲醛檢測模塊接口電路該甲醛傳感器的工作原理為兩電極電化學傳感器，通過擴散原理來實現(xiàn)對甲醛的檢測。由于本檢測系統(tǒng)所使用的傳感器是一種在國外發(fā)展成熟的電化學傳感器，因此在投入使用之前成產(chǎn)公司已對其甲醛濃度的相應標定已作出具體的標定聲明，該傳感器可以直接投入使用。在對甲醛氣體進行檢測、標定的時候主要從甲醛傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性、響應時間、校準曲線、以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的角度來對傳感器檢測的甲醛氣體進行檢測。靈敏度甲醛傳感器的靈敏度是指某種傳感器能夠檢測到甲醛濃度的下限。影響靈敏度的因素由甲醛氣體以及電解液在傳感器里的擴散速度以及內(nèi)部工作電極的化學特性的影響。其ME3-CH2O傳感器對其靈敏度的定義為：靈敏度=2000nA/cm3。2、穩(wěn)定性在對傳感器穩(wěn)定性進行測量時，需要測量兩個值：零點漂移、量程漂移。下表是使用ME3-CH2O傳感器對其穩(wěn)定性的規(guī)定所示：零點漂移≤10%FS量程漂移≤10%FS響應時間響應時間是反映傳感器快慢的性能指標。電化學甲醛傳感器的感應速度是根據(jù)工作電極與參考電極之間的電解液電阻決定的。本系統(tǒng)使用的傳感器在設計中已定義好響應時間其規(guī)定為：響應時間≤S30。傳感器的校準曲線該甲醛傳感器采用滲透管這種方法來定義傳感器的校準曲線，其理論依據(jù)為：在特殊指定的溫度下，水和頂端空氣之間的揮發(fā)性隔離層是恒定不變的。校準曲線提供環(huán)境為20℃時1.0ppm的甲醛中進行測試。以下20℃時1.0ppm甲醛溶液的校準曲線如圖4-4所示：圖4-41.0ppm甲醛的校準曲線5、實驗數(shù)據(jù)將檢測系統(tǒng)放到室內(nèi)進行檢測。在不同地點進行檢測。所檢測的結果如表4-1所示：表4-1系統(tǒng)檢測結果如圖所示：地點溫度濕度甲醛濃度狀態(tài)實驗室23.3℃49%RH0.03mg/m3正常寢室25.2℃51%RH0.02mg/m3正常食堂17.1℃64%RH0.03mg/m3正常甲醛發(fā)生器通過加熱一定濃度的液態(tài)甲醛，經(jīng)過實驗裝置的公式計算可得到不同濃度的氣態(tài)甲醛。通過加熱不同濃度的液態(tài)甲醛得到相應濃度的氣態(tài)甲醛進行測量。實驗選擇5種不同濃度的氣態(tài)甲醛經(jīng)過計算得到產(chǎn)生的甲醛濃度分別為0.01mg/cm3、0.015mg/cm3、0.02mg/cm3、0.025mg/cm3、0.03mg/cm3測量的環(huán)境均為25oC的室內(nèi)溫度產(chǎn)生氣態(tài)甲醛。記錄兩種傳感器檢測的甲醛濃度值如表4-2所示。表4-2實驗室檢測甲醛數(shù)據(jù)實驗裝置產(chǎn)生本檢測系統(tǒng)WP69000.01mg/cm30.01mg/cm30.009mg/cm30.015mg/cm30.02mg/cm30.015mg/cm30.02mg/cm30.02mg/cm30.021mg/cm30.025mg/cm30.03mg/cm30.024mg/cm30.03mg/cm30.03mg/cm30.027mg/cm3由于實驗室裝置簡單，標準氣體環(huán)境不容易達到，甲醛氣體存在一定的危險性。因此在實驗室檢測與進行標定時存在著一定的誤差，兩種傳感器測量的數(shù)值進行比較，其結果如圖4-5、4-6所示:圖4-5WP6900檢測的甲醛濃度圖4-6檢測系統(tǒng)所檢測的甲醛濃度通過對比檢測的結果的流程圖可以看出所設計的檢測裝置與WP6900由于