基于SM32的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

VI1緒論研究背景及意義隨著中國人民生活水平的提升，中國人民也更加關心環(huán)境污染問題。中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展給人類帶來了很多物質(zhì)享受，但同時也為人類造成了巨大的空氣污染。以往英歐在對工業(yè)進行革新時產(chǎn)生的污染情況和美國在發(fā)展過程中環(huán)境空氣污染形式嚴峻的經(jīng)驗，為當今科學文化蓬勃發(fā)展的我國帶來了重要的借鑒，在過去的二十多年里，隨著中國金融經(jīng)濟的繁榮變化和鄉(xiāng)村現(xiàn)代化速度的不斷進步，而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)達的農(nóng)村區(qū)域也開始發(fā)生了區(qū)域空氣污染問題。在發(fā)展中，我國也深切意識到“金山銀山”不是靠“犧牲綠水青山”才能做到，而是要給人民一種安穩(wěn)、平和、美麗的自然環(huán)境。目前，我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的空氣污染已從單一城市的燃煤污染轉變?yōu)槠囄矚馕廴静⒋娴膮^(qū)域性復雜污染。監(jiān)測項目集中在城市地區(qū)，主要基于現(xiàn)有的空氣污染物。城市地區(qū)空氣污染現(xiàn)象主要表現(xiàn)在兩個方面。一是輕、重工業(yè)企業(yè)隨意排放污水、廢氣和污染原料。我國的經(jīng)濟發(fā)展主要集中在第二和第三產(chǎn)業(yè)，即工業(yè)和服務業(yè)，這兩個產(chǎn)業(yè)都需要大量的物質(zhì)生產(chǎn)。科學技術的局限和人們的認知薄弱，對環(huán)境和空氣污染不重視，造成環(huán)境和空氣污染，生態(tài)平衡被打亂。此外，能源的生產(chǎn)和使用，特別是冬季燃煤，會排放大量有毒有害氣體，污染大氣環(huán)境。其次，城市化是造成周邊空氣污染的另一大原因。比如城市汽車保有量明顯增加，尾氣排放超標，使用空調(diào)產(chǎn)生大量二氧化碳排放，溫室效應不斷加大，異常氣候也越來越多。污染的性質(zhì)大致集中在這樣一些方面:一是區(qū)域逐漸增加。此前，中國的重工業(yè)基地主要設在北方地區(qū)，北方冬天實行集中供熱，燃煤會形成煙塵，使得污染越來越強烈。如今，中國包括南方在內(nèi)的不少地區(qū)，都發(fā)生了如霧霾般的重大氣候變化，城市周圍空氣質(zhì)量嚴重下降，大規(guī)模的污染也使得處理困難度增大。二是污染源性質(zhì)和成分都非常復雜。大氣污染源，包括了帶有二氧化氮、二氧化硫等成分的工業(yè)廢氣，以及汽車尾氣、空調(diào)排放等，都嚴重危害人的正常呼吸，問題解決起來也非常麻煩。污染有二種主要原因。一種是人為污染物，如工業(yè)污染源、汽車尾氣等人類活動污染物。據(jù)中國國內(nèi)的空氣污染研究分析，多由新建房屋所造成。因為這種房子內(nèi)會揮發(fā)大量的有機化學污染物，所以能夠在室內(nèi)長期漂浮。一些污染物的含量很低，但由于設備無法監(jiān)測到它，卻很容易從人的鼻孔里聽到味道，從而嚴重威脅到了人類的健康。這種室內(nèi)空氣污染中大多含有揮發(fā)性有機物質(zhì)，如甲醛、一氧化碳和二氧化碳。而其中眾所周知的甲醛大多來自于裝修材料，有著強烈的揮發(fā)性和劇毒，會對人類健康產(chǎn)生巨大的影響。如今，甲醛已經(jīng)被美國認證為能夠?qū)е掳┌Y的物質(zhì)。眾所周知，二氧化碳和一氧化碳都是無色且沒有味道的氣體，如果濃度過高會導致頭暈和胸痛等癥狀。二是環(huán)境本身的因素，主要包括顆粒物（PM2.5、PM10）和粉塵以及室內(nèi)微生物釋放的細菌和真菌污染。也就是說，氣流、溫度、濕度、干旱、沙塵等各種惡劣天氣對此都有很大的影響。而今，中國的智能空氣質(zhì)量檢測技術雖然發(fā)展迅速，但還是難登大雅之堂。盡管現(xiàn)在市場上面有很多各種各樣的空氣質(zhì)量檢測儀，但是大部分檢測儀都只能給對一種氣體進行檢測。為了能夠全面多樣地對污染氣體進行檢測，需要設計穩(wěn)定性高、功能強、精度高、界面簡潔、價格相對公道的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不只能夠?qū)彝ナ覂?nèi)的空氣進行檢查，也能夠?qū)σ恍┓秶^小的場所如車內(nèi)、辦公室等地方進行空氣質(zhì)量檢查，這具有很好的適用性和價值。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀長期以來，人們一直在研究室內(nèi)空氣質(zhì)量。然而，在環(huán)境遭到破壞的今天，室內(nèi)空氣質(zhì)量研究已引起全世界的關注，成為近年來的研究熱點。在國外，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測技術發(fā)展迅速，美國和日本一直處于領先地位。GE生產(chǎn)出第一臺揮發(fā)性有機化合物檢測儀，這表明室內(nèi)品質(zhì)監(jiān)測技術已進行了理論研究并發(fā)展為現(xiàn)實應用程序。GE生產(chǎn)的氣體品質(zhì)感應器能夠監(jiān)測室內(nèi)中的氣溫、濕度和二氧化碳等諸多因素，現(xiàn)已發(fā)展成一款室內(nèi)品質(zhì)傳感器裝置。但是，準確檢測甲基乙烯、甲苯和可揮發(fā)性氣體等危險氣體的裝置卻十分昂貴。例如，英國PPM企業(yè)PPM-400約需二萬元，而且檢測時間過長，必須定時復位，而且無法控制溫度和持續(xù)的工作。國內(nèi)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究也在陸續(xù)展開。如微諾時代技術公司制的AIDISCOVERY多功能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)，以及上海懷新環(huán)境技術公司制造的HX-A1系統(tǒng)等，已經(jīng)完成了對有害氣體的監(jiān)測功能，主要應用于科研機構和專業(yè)監(jiān)測組織[9]。同時，其他公司也有自己的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測設備。他們生產(chǎn)的測試設備精度高、功能完善，但由于設備成本高、操作難度大，在實際使用中并不引人注目。國內(nèi)和國外產(chǎn)品設計的不同大部分都是體現(xiàn)在選擇傳感器方面和使用的芯片方面。操作上，國外設計的產(chǎn)品在用戶界面上有更好的使用體驗，實現(xiàn)的功能也多種多樣?？蓳]發(fā)性氣體和甲醛檢測現(xiàn)狀可揮發(fā)性氣體是一種指標，它是專門用來對空氣中的揮發(fā)性有機化合物的污染情況進行評價。其表示是常溫下沸點為68.74℃～286.79℃、飽和蒸氣壓在一百三十三帕以上的揮發(fā)性有機化合物。將標準工作曲線換算為橫軸為峰面積，縱軸為各揮發(fā)性有機污染物濃度，并將未知VOCs的峰換算為甲苯的響應系數(shù)，計算出可揮發(fā)性氣體。當轉換為標準條件下的濃度時，這些污染物濃度的總和就是可揮發(fā)性氣體濃度。甲醛的化學式是HCHO，化學計量比是30.03。這是無色氣體，有刺鼻的味道，易溶于水和乙醇[3]，水溶液的濃度約為36%，俗稱“Homelin”。甲醛目前用于紡織行業(yè)、木材工業(yè)和防腐蝕解決方案。在我們?nèi)粘Ｉ罘矫娴膽弥校撬芰系脑稀铣蓸渲?。不僅如此，它還能和不同的材料組合成為油漆以及人造纖維，是膠粘劑的主要。在我們對這些產(chǎn)品的使用過程中，其中沒有發(fā)生反應以及沒有消耗掉的甲醛會緩慢散發(fā)到周圍，這些甲醛能持續(xù)釋放到很長的一段時間。據(jù)相關機構研究發(fā)現(xiàn)，它的持續(xù)時間能夠到達十年，甚至更久。例如，膠粘劑中產(chǎn)生的甲醛遇水易分解形成玻璃甲醛，不斷遷移到板面并在板面積聚，然后離開板面揮發(fā)到空氣中。作為VOCs的指示污染物，可揮發(fā)性氣體會根據(jù)暴露量的不同對人體健康造成不同程度的損害。表1-1顯示了可揮發(fā)性氣體暴露與其對人體健康影響之間的數(shù)量關系。表1-1可揮發(fā)性氣體濃度對人體的影響從表中可以看出，如果可揮發(fā)性氣體暴露濃度小于0.2mg/m3，對人體沒有危害。當可揮發(fā)性氣體暴露濃度為3mg/m3或更高時，人體感到嚴重不適。隨著濃度持續(xù)增加，會發(fā)生中毒和其他反應。目前，大多數(shù)可揮發(fā)性氣體檢測方法都是采用氣相色譜-熱解吸法。檢測過程如下：激活TENAX采樣管連接大氣采樣器，采樣高度為0.5m至1.5m，采樣1至10L氣體。TENAX采樣管在CMA實驗室進行氣相色譜分析以獲得可揮發(fā)性氣體指標。比較輕便的方法是使用光電離PID直讀式可揮發(fā)性氣體便攜式檢測儀（如圖1-1）進行檢測，但測得的可揮發(fā)性氣體所含化合物并不符合室內(nèi)空氣質(zhì)量標準（GB/T18883-2002）的要求，而且這種檢測儀的價格比較高昂，想知道實際的可揮發(fā)性氣體，只能在CMA實驗室用氣相色譜法檢測。如果所在地區(qū)沒有CMA實驗室，還要選擇寄送樣品進行測試。圖1-1光離子化PID直讀式可揮發(fā)性氣體檢測儀甲醛對人體系統(tǒng)有副作用，對于人體來說，它會造成一些皮膚過敏性的反應和一些呼吸系統(tǒng)的疾病，還會對免疫系統(tǒng)造成影響。根據(jù)一些機構研究表明，人體的健康會根據(jù)接觸甲醛濃度的大小而產(chǎn)生不同的人體反應，如果甲醛在空氣中的含量在0.05ppm以下，對人的身體不會造成影響，但如果甲醛在空氣中的含量在高于100ppm，人的身體會出現(xiàn)肺部感染、肺部充氣脹痛、昏迷等癥狀，導致死亡。在一段較長時間內(nèi)接觸甲醛，會導致人體的呼吸狀態(tài)發(fā)生改變，并導致氣管水腫和疼痛。當前檢測甲醛的標準方法有:(1)分光光度法。這個方法的原理是：在甲醛與酚二烯酸的影響下生成有機雜環(huán)化合物（嗪），然后用酸性液體氧化以生成藍綠化合物，這種化合物的光譜亮度取決于顏色的深淺，以總量來量化。(2)酰丙酮分光光度法。含有甲醛的氣體在和水相融后，在水溫達到飽和溫度的條件下，將其放在酸堿度值為6的醋酸銨溶液中與三釕反應，立即得到穩(wěn)定的黃色物質(zhì)，于波長四百一十三納米處檢測。(3)氣相色譜與液相色譜法。這種方法一般是通過便攜式甲醛分析儀來進行。使用便攜式甲醛分析儀的原理通常是靜電電位電解。以固定電位分解氣體，可以利用氣體檢測產(chǎn)生的電量來測定測量對象氣體的濃度。這些測量手段的主要優(yōu)勢是簡便、快捷、使用簡易，但受環(huán)境空氣中的各種元素如水分、一氧化碳、甲醛、乙醛等的影響，用便攜式甲醛測定儀精確量化有一些困難，但可用于確定環(huán)境空氣中甲醛含量的一定范圍，在必要時也要用實驗室的測試手段作為仲裁，加以精確量化。圖1-2為市面上使用的便攜式甲醛檢測儀。圖1-2甲醛檢測儀課題主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)的目標設計是開發(fā)一個實時檢測嵌入式系統(tǒng)，可以檢測小場所如汽車空氣和一些封閉的室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)實時顯示在LCD屏幕上，同時還可以通過聲光警報發(fā)出警示，通過這個系統(tǒng)降低對人類生命有害的物質(zhì)的質(zhì)量，對于提升生活品質(zhì)，保證身體強壯有著十分重要的意義。嵌入式系統(tǒng)具有運行時穩(wěn)固安定，測量時精密準確，操作時隨意方便，成本較低，移植能力較好等優(yōu)點，系統(tǒng)硬件核心采用嵌入式處理器，以STM32F103C6T6為主要進行控制的單片機，通過安裝在電路板上的傳感器檢測溫度、濕度、PM2.5、可揮發(fā)性氣體、二氧化碳。根據(jù)本課題的主要研究內(nèi)容，論文各章的主要安排如下：第一章，緒論。這一章的主要內(nèi)容是對研究背景進行闡述，對國內(nèi)和國外的空氣質(zhì)量檢測研究分別進行介紹，最后介紹研究的內(nèi)容和各章的安排。第二章，空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)功能需求分析。本文主要介紹了空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的功能需求分析和可行性分析。第三章，系統(tǒng)總體設計。這章的主題是對本系統(tǒng)的設計目標和系統(tǒng)整體的設計方案進行描述，并將準備使用的傳感器型號進行介紹。第四章，系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)。本章章主要是介紹系統(tǒng)環(huán)境搭建過程中用到的軟件，每個模塊的設計內(nèi)容，如使用的器件的選型、模塊的電路設計以及程序設計等，并且還列出了系統(tǒng)中一些比較小的電路的設計。第五章，系統(tǒng)測試與分析。主要介紹可揮發(fā)性氣體檢測結果分析、二氧化碳檢測結果分析、溫度/濕度檢測結果分析、PM2.5檢測結果分析。第六章：結論和展望。在這一章的主要工作是對這次設計中的過程進行總結，并對設計取得的成果進行闡述。同時還對本設計指出了一些繼續(xù)改進的方向以繼續(xù)完善本設計。2系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)功能需求分析為了能夠?qū)崟r、準確的檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量，本文基于STM32F103C6T6單片機設計了空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。將整個系統(tǒng)分為四個模塊：主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊。STM32F103C6T6作為系統(tǒng)的核心處理器，將二氧化碳、可揮發(fā)性氣體、可吸入顆粒(PM2.5)以及溫濕度共3個傳感器采集的污染物濃度信息輸送至STM32F103C6T6，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器處理之后實現(xiàn)：TFT液晶模塊現(xiàn)場顯示，按鍵可以對報警值進行調(diào)整。經(jīng)過本系統(tǒng)設計的傳感器模塊中的溫濕度傳感器對當前環(huán)境進行溫濕度檢測。如果檢測出來的溫度數(shù)據(jù)超過了設定的報警值時，啟動報警模塊進行提示；如果檢測出來的濕度數(shù)據(jù)超過了設定的報警值時，啟動報警模塊進行提示。經(jīng)過本系統(tǒng)設計的傳感器模塊中的PM2.5傳感器對當前環(huán)境中的粉塵進行檢測。如果檢測出來的PM2.5數(shù)據(jù)超過了設定的報警值時，啟動報警模塊進行提示。經(jīng)過本系統(tǒng)設計的傳感器模塊中的二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器對當前環(huán)境中的二氧化碳和可揮發(fā)性氣體進行檢測。如果檢測出來的二氧化碳數(shù)據(jù)超過了設定的報警值時，啟動報警模塊進行提示；如果檢測出來的可揮發(fā)性氣體數(shù)據(jù)超過了設定的報警值時，啟動報警模塊進行提示。2.2系統(tǒng)可行性分析滿足檢測系統(tǒng)檢測目標的主要考慮因素有：各種類型的檢測數(shù)據(jù)需要測量；設計的系統(tǒng)必須要有優(yōu)秀的測量精準度；該設計的檢測系統(tǒng)能否迅速檢測到物質(zhì)；檢測過程及結果是否穩(wěn)定；能源消耗是否符合標準。本系統(tǒng)的測量標準為國家標準GB/T50355-2010。表2-1是土木工程建筑的空氣污染物檢查標準。表2-1室內(nèi)空氣污染物檢測標準從表2-1中，我們了解到對于室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測標準是是否含有以下物質(zhì)：甲醛、苯、氨水、TVOC等有毒物質(zhì)。在室內(nèi)，如果人體吸入這些有毒物質(zhì)過多，會對人體造成極大的危害。因此，若空氣中的甲醛數(shù)量過多，會影響身體肌膚和黏膜，而且甲醛還會和人體內(nèi)的化學物質(zhì)（氨基酸）結合，導致頭疼和頭暈。所以，為了使人類生存在健康的自然環(huán)境中，人們就應該在日常中嚴格控制室內(nèi)環(huán)境中有害氣體的含量。本文提出了空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)研究的具體功能要求，并根據(jù)國家定義的傳感標準設計系統(tǒng)指標。同表2-2。表2-2空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的指標2.3本章小結這一章的主要內(nèi)容是介紹設計系統(tǒng)的需求，并對這個系統(tǒng)的可行性進行分析，同時根據(jù)一些標準對本系統(tǒng)設計提出一些指標。3系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)設計目標該系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容是對室內(nèi)環(huán)境的舒適性進行分析，并通過設計一款適用于小場所的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)來進行溫度、濕度、二氧化碳濃度和PM2.5、揮發(fā)性氣體等室內(nèi)氣體進行檢測分析。在分析室內(nèi)環(huán)境的舒適度之前，還必須使用某些傳感器檢測一些室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值，目前所用的傳感器主要分為空氣溫濕度傳感器、二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器，以及PM2.5傳感器。而利用上述傳感器和TFT液晶屏等先進硬件，可以研發(fā)一種空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，同時使用開發(fā)的軟件系統(tǒng)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并把所收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞到液晶屏。該系統(tǒng)的主要設計目標是：利用硬件裝置實現(xiàn)了空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件開發(fā)。(2)使用所學的編程語言開發(fā)空氣質(zhì)量檢測軟件。(3)開發(fā)便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感系統(tǒng)。3.2系統(tǒng)整體設計方案經(jīng)過對本系統(tǒng)的需求進行分析后，為了使系統(tǒng)設計更加具體，在設計本系統(tǒng)時將其分為4個模塊，分別是主控模塊（處理由傳感器模塊傳過來的數(shù)據(jù)，并將處理好的數(shù)據(jù)傳到顯示模塊）、傳感器模塊（通過各個傳感器檢測室內(nèi)的空氣，并轉化為數(shù)據(jù)傳給主控模塊進行處理）、顯示模塊（將主控模塊處理好的數(shù)據(jù)進行展示，并和報警模塊聯(lián)系以隨時進行報警提示）和報警模塊（當空氣數(shù)據(jù)超過設定好的警告值時，進行報警提示）。如圖3-1所示為本系統(tǒng)設計整體框圖。圖3-1系統(tǒng)結構框圖本次設計的系統(tǒng)決定使用STM32F103C6T6作為主控芯片，并且STM32單片機具有基于ARM系列Cortex-M3內(nèi)核，具有運行比較穩(wěn)定、耗能少的特點。MCU接收到傳感器檢測輸出數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理，并以TFT彩屏界面的形式顯示處理的結果。當系統(tǒng)檢測到有害物質(zhì)濃度超標時，LED指示燈閃爍并啟動報警。傳感器模塊設計包括一個SGP30氣體傳感器、一個GP2Y1014AU粉塵傳感器和一個DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SGP30氣體傳感器用于檢測室內(nèi)環(huán)境中的可揮發(fā)性氣體和二氧化碳氣體；GP2Y1014AU粉塵傳感器用于檢測室內(nèi)環(huán)境中的PM2.5；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器用于檢測室內(nèi)環(huán)境的溫濕度。設計的各個傳感器的應用電路，滿足室內(nèi)可揮發(fā)性氣體氣體、溫濕度、微塵等精準檢測的要求，最終完成空氣質(zhì)量測量。圖3-2為系統(tǒng)電路圖。圖3-2系統(tǒng)電路圖3.3本章小結本章對系統(tǒng)的設計目標進行了介紹，同時給出了系統(tǒng)的整體設計方案，對于系統(tǒng)的設計方向以及接下來的工作有了一些認識。4系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)4.1系統(tǒng)設計環(huán)境搭建目前國內(nèi)主要用來進行PCB設計的軟件主要有AltiumDesigner、Cadenceallegrro、PADS、PROTEL99se。本系統(tǒng)使用的軟件是采用AltiumDesigner，AltiumDesigner作為備受推崇的Protel系列的延續(xù)，受到國內(nèi)學校和企業(yè)電子電路開發(fā)商的高度評價，這個軟件的可用性和耐用性受到電子設計師的高度評價。2001年，PROTL被改稱為Altium。之后發(fā)售了AltiumDesign。并且，作為一款板設計軟件，它與Windows平臺的兼容性很好。除此之外，基于Windows平臺，Altium推出了ProtelDXP平臺，這個平臺擁有一個兼容性的環(huán)境，能夠兼容多數(shù)工具進行設計和編譯。AltiumDesigner承載了以前Protel的大部分優(yōu)秀特性，增加了許多優(yōu)秀的改進，對于一些新出現(xiàn)的板級接口進行了添加，同時它還承載了現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列和可編程片上系統(tǒng)的設計理念，能夠幫助設計人員進行嵌入式開發(fā)設計。到目前為止，在產(chǎn)品設計開發(fā)產(chǎn)業(yè)中，涌現(xiàn)出了很多設計產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都只擁有一項或兩項功能，如在設計過程中能夠進行軟件開發(fā)、集成PCB設計或者以某一款處理器為核心進行設計。但是AltiumDesigner，是第一款能夠結合多項功能進行設計的產(chǎn)品，也正因為如此，它能夠計劃將一項產(chǎn)品從虛無縹緲的概念進而設計成為成品。本系統(tǒng)設計過程中使用了AltiumDesigner軟件來對電路板進行設計和描繪PCB圖。本次設計的PCB原理圖如圖4-1所示。圖4-1PCB原理圖4.2主控模塊設計4.2.1主控芯片選型隨著計算機和電子工業(yè)的不斷進步，目前，在市面上出現(xiàn)的微處理器類型比較多，根據(jù)這些處理器的性能范疇能夠劃分為8位、16位、32位和64位的處理器。第一種處理器相比于其他幾種的特點是運行的速度遲緩，接口少，抗干擾能力很差，價格相對低廉，開發(fā)起來比較簡單，這類傳感器的典型代表就是AT89C51；而16位處理器，運行速度相對8位稍微快一些，接口相對多一點，抗干擾能力較強，價格較低，開發(fā)簡單，典型代表是MSP430；與前面的處理器相比，32位處理器的運行速度快，接口多，抗干擾能力強，價格區(qū)間較廣，開發(fā)難度就相對較大，典型的代表就是STM32系列處理器。綜上所述，對于8位微處理器和16位微處理器來說，32位微處理器在運行速率和防止干預能力方面具有明顯的亮點，并且可以提供很多來自外部的接觸插口資源來滿足本設計的要求。綜上所述，本次設計使用的中心芯片是意法半導體的STM32F103C6T6微處理器。該芯片有64K字節(jié)的SRAM存儲器和512k字節(jié)的閃存，具有三個內(nèi)部ADC[13]，轉換時間短至1us，支持ADC、DAC、IC、USART、定時器等多種外設，還支持串行總線調(diào)試（SWD）和JTAG調(diào)試；同時具有功耗低、指令執(zhí)行速度快、性能穩(wěn)定等特點，可廣泛用于測控系統(tǒng)、無線技術等電子產(chǎn)品的項目開發(fā)。STM32F103C6T6芯片的引腳圖如圖4-2所示。圖4-2STM32F103C6T6的引腳圖4.2.2主控芯片電路設計ARM核心處理器必須完成諸如采集、處理、顯示、傳輸?shù)仁覂?nèi)空氣質(zhì)量功能，因此在設計中必須考慮ARM處理器芯片上的每個對應引腳的功能和執(zhí)行功能。在設計ARM圖時，預先留有對應于各個模塊的接口引腳。如圖4-3所示，ARM芯片上的每個管腳都有對應的標簽。引腳7-23為TFT液晶顯示器的連接管腳，引腳13是PM2.5傳感器的連接點，15-16是二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器的連接引腳，引腳21連接的是溫濕度傳感器引腳，引腳35-33連接的是按鍵電路，36連接的是警報LED燈，引腳37連接的是蜂鳴器，18、19、20、38、39、40為芯片的電源管腳引腳。圖4-3STM32F103C6T6引腳圖4.2.3主控模塊程序設計系統(tǒng)主要采用模塊化進行編程，將各個功能劃分為自己的小模塊。首先，通過對系統(tǒng)的外部命令使整個系統(tǒng)運行，進入初始化狀態(tài)后，執(zhí)行各種數(shù)據(jù)指標檢測過程:二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器SGP30檢測到相應氣體后輸出二氧化碳含量以及可揮發(fā)性氣體含量數(shù)據(jù)；PM2.5傳感器GP2Y1014AU檢測到粉塵后輸出粉塵含量數(shù)據(jù)；DHT11溫濕度傳感器會將檢測到的溫度和濕度傳輸?shù)街骺匦酒?。這些數(shù)據(jù)會直接通過TFT液晶顯示屏顯示出來，并且如果四個指標中的任意一個超過了警戒值值，會產(chǎn)生報警并閃爍LED燈以作為提醒。圖4-4為程序運行流程圖。圖4-4程序運行流程圖4.3傳感器模塊設計4.3.1傳感器選型（1）溫濕度傳感器選型溫濕度是判斷一個環(huán)境是否舒適最基礎的因素。市面上有很多關于溫度測量和濕度測量的傳感器，但是只擁有一項功能的傳感器并不能滿足本設計的需求。所以，在選擇傳感器的過程中，對于能夠集成溫度檢測和濕度檢測與一體的傳感器尤為注意。這一類傳感器往往配置有熱敏感元件和濕敏感元件，能夠同時對一個環(huán)境中的溫濕度進行檢測，其普遍運用于生產(chǎn)的各個領域，體積合適，功能穩(wěn)固安定。在這一類傳感器中，因為設計和配置的不同，又被分為三種類型的溫濕度傳感器：模擬量輸入溫濕度傳感器、輸出信號類型為RS485的溫濕度傳感器、能夠通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏貪穸葌鞲衅?。在對市面上使用的溫濕度傳感器進行調(diào)查后，決定使用DHT11溫濕度傳感器來進行設計。這種傳感器集成了溫度測量和濕度測量，在輸出時，會進行校對，其獨特的數(shù)據(jù)采集模塊能夠穩(wěn)定且安全的傳輸數(shù)字信號。通過獨特的數(shù)據(jù)模塊測量技術和溫濕度測量技術，產(chǎn)品保障性和耐用性都相當好，

其測量的數(shù)據(jù)范圍如下：精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度5~95%RH，溫度-20~+60℃。其外觀如圖4-5所示。圖4-5DHT11溫濕度傳感器該傳感器由一個內(nèi)部包含特殊電阻的濕度測量元件和一個熱敏電阻溫度測量元件組成，同時它能夠和各種類型的單片機聯(lián)系起來。除此之外，這種傳感器的內(nèi)部設置有一種獨有的標準，并將這種標準放在一次性編程存儲器中，傳感器在運行時會對這個標準進行調(diào)用。并且，由于DHT11的接口類型，對于設計具有非常優(yōu)秀的簡便性。綜上所述，DHT11溫濕度傳感器的優(yōu)點如下：性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好、反應能力卓越、價格合理等，超緊湊的尺寸以及非常低的功率也使其成為了某些條件較嚴苛的應用的完美選項，并且該產(chǎn)品還能夠在4針1線排針封裝中輕松連接。其引腳圖如圖4-6所示。圖4-6DHT11引腳圖及功能PM2.5傳感器選型PM2.5也稱為灰塵傳感器，可用于檢測環(huán)境空氣中的顆粒物（PM2.5）的濃度的傳感器。工作原理是基于光散射原理發(fā)展的。當光線照射時，粒子和分子散射光并吸收幾個光能。由于粒子周圍的散射和吸收效應，當平行單色光束進入被測粒子場時，由于粒子周圍的散射和吸收效應，光強會降低。本系統(tǒng)采用GP2Y1014AU粉塵傳感器檢測室內(nèi)空氣粉塵（PM2.5）。GP2Y1014AU粉塵傳感器是夏普研發(fā)的一款光學粉塵監(jiān)測傳感器模塊。屬性值為：電源電壓為5至7V。工作溫度-10-65℃，最小監(jiān)測直徑0.8um，靈敏度為0.5VI（0.1mg/m3）。粉塵濃度每變化0.1mg/m3，輸出電壓變化0.5V。中心有一個大孔，空氣可以通過這個孔進行流動，紅外光學二極管和光學晶體管位于相鄰的位置。紅外LED將紅外線朝著固定的方向發(fā)射。如果這時空氣中有物質(zhì)阻擋了紅外線的發(fā)射，此時發(fā)射出來的紅外線就會產(chǎn)生一種散射現(xiàn)象，光學晶體管通過接收散射出來的紅外線，來對準備向外輸出的電壓進行改變而導致其發(fā)生變化。其元件外觀如圖4-7所示，引腳圖如圖4-8所示。圖4-7GP2Y1014AU粉塵傳感器圖4-8GP2Y1014AU粉塵傳感器引腳圖GP2Y1014AU粉塵傳感器的引腳功能如表4-1所示。（3）二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器選型對于一個氣體檢測系統(tǒng)來說，氣體傳感器往往是它工作的核心，而這個核心一般是安裝在這個系統(tǒng)的探針上。氣體傳感器運行的原理是：氣體傳感器將檢測到的氣體的數(shù)據(jù)轉變?yōu)閷碾娦盘?。同時，在檢測過程中，對于準備用到的氣體樣品還會通過傳感器本身進行調(diào)整。這個檢測過程一般是包括清除用不到或雜質(zhì)過多的氣體、將氣體樣品進行冷卻和去濕、通過化學方法對樣品進行處理，通過這個過程可以實現(xiàn)縮短檢測時間，加快檢測效率。綜上所述，使用的氣體傳感器具有這些特性：檢測穩(wěn)定、敏感度高、耐腐蝕。但是，氣體傳感器的特性可以根據(jù)不同的制作材料而出現(xiàn)不同的特性基于本設計的需求，決定采用SGP30傳感器作為本系統(tǒng)的氣體傳感器。SGP30是第一款在芯片上組合多個傳感元件，可以提供空氣信息（如二氧化碳和可揮發(fā)性氣體等氣體含量），基于金屬氧化物的氣體傳感器。在工作時，它會對空氣進行檢測，并輸出信號，該信號經(jīng)過全面校準，主要用于空氣質(zhì)量檢測。由于可揮發(fā)性氣體是一項重要指標，一般可以用來反映甲醛濃度，所以SGP30主要用于甲醛檢測，同時它也能對二氧化碳進行檢測。二氧化碳濃度含量會影響人的身體狀態(tài)，具體影響如表4-2所示。表4-2二氧化碳含量與人體生理反應SGP30的引腳圖如圖4-9所示圖4-9SGP30引腳圖引腳功能如表4-3所示表4-3引腳功能4.3.2傳感器電路設計（1）溫濕度傳感器電路設計圖4-10溫濕度傳感器電路圖（2）PM2.5傳感器電路設計圖4-11PM2.5傳感器電路圖（3）二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器電路設計圖4-12二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器電路圖4.3.3傳感器程序設計（1）溫濕度傳感器程序設計DHT11是可以在線檢測空氣中的溫濕度，達到實時反映空氣情況的目的，能夠滿足家庭小巧、輕便和高效的需求的傳感器。在實驗中，DHT11在室內(nèi)運行并檢測通過房間的空氣狀況，來確定空氣中的溫濕度情況，在顯示屏上可以給結果設置警戒值。當空氣中的溫度和濕度超過警戒值時，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報并閃爍LED燈。DHT11傳感器運行流程圖如圖4-13所示。圖4-13溫濕度傳感器運行流程圖（2）PM2.5傳感器程序設計本設計是一套可以在線檢測空氣中的含塵量，達到實時反映空氣質(zhì)量的目的，滿足家庭小型化、自動化、高效化需求的系統(tǒng)。在實驗系統(tǒng)中，首先要選擇合適的光源，根據(jù)光源進行檢測。該系統(tǒng)在室內(nèi)運行并檢測通過房間的空氣，在含塵量不同的條件下，標準光源對測試目標氣體的吸收程度不同。因此，可以獲得不同的投射光強度來確定空氣中的灰塵含量。為檢測結果設置警戒值，當空氣中的粉塵濃度超過警戒值時，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報提示用戶。傳感器運行流程圖如圖4-13所示。圖4-14粉塵傳感器運行流程圖（3）二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器程序設計對于含量極低的有害氣體，該傳感器也能夠進行檢測。它的主要特點是小巧、運行速度快、性能優(yōu)越等。這類傳感器的運行原理是：通過和氣體進行接觸，并觸發(fā)一個模擬電壓，這個電壓和氣體的含量有一定的聯(lián)系，隨后這個電壓在芯片上被處理后得到一個關于氣體的濃度數(shù)據(jù)。SGP30傳感器運行流程圖如圖4-15所示。圖4-15二氧化碳和可揮發(fā)性氣體傳感器運行流程圖4.4顯示模塊設計4.4.1顯示模塊選型LCD顯示器也叫液晶顯示器，是一種由薄膜晶體管驅(qū)動的有源矩陣液晶顯示器。它主要是通過電源產(chǎn)生的電流將液晶分子啟動，在背光管中產(chǎn)生點、線、面，形成圖像。IPS、TFT和SLCD都是LCD的子類。它的運行原理是通電后，液晶分子陳列的方位會產(chǎn)生改變，同時來自于外部光線透過的程度會發(fā)生變化，此時就會發(fā)生由電子轉換為光線的變化，然后激發(fā)三基色信號。通過三基色類型的能夠選取所需輻射波段的光學器件，對圖像空間和時域的色彩進行還原。市面上的顯示器類型有很多，經(jīng)過仔細的斟酌后，在設計時決定使用TFT顯示器。TFT的中文名字是薄膜晶體管，具體是在LCD玻璃表面上隊列的晶體管,在這種界面上所有的像素都可以有一種屬于它的位置。其中,像素可以利用特殊的電沖擊來對基板上的液晶進行調(diào)控。綜上所述,TFT顯示器能夠有計劃地控制像素。在市面上的主流顯示設備中，TFT顯示器一直作為很多筆記本電腦以及臺式機的首選。在這些類型的顯示器中，TFT顯示器主要是將液晶像素進行組合并通過薄膜晶體管對這些像素進行啟動，以此來實現(xiàn)高速、高亮度、高對比度的顯示信號。因此，TFT顯示器也是一種活動矩陣液晶顯示裝置。對于現(xiàn)在市面上的液晶彩色顯示裝置來說，TFT顯示器可以說是獨占鰲頭。通過上面的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)TFT顯示器具有反應迅速、亮度比較好和色彩明艷的優(yōu)點。和傳統(tǒng)CRT式屏幕的效果非常接近，并且由于TFT式顯示屏的色域范圍較廣，因此廣泛用作中低價數(shù)位彩屏手機。市面上常見的TFT液晶顯示屏如圖4-16所示。圖4-16TFT液晶顯示屏4.4.2顯示模塊電路設計本系統(tǒng)選擇TFT液晶顯示電路進行展示空氣質(zhì)量檢測的結果，TFT顯示屏可以用比較低的電壓驅(qū)動，3.3V電壓即可驅(qū)動。引腳7、8為TFT液晶顯示屏的電源，引腳6為SPI時鐘輸入接口，引腳5為讀取選擇和寫選擇，引腳4為接受數(shù)據(jù)的端口，引腳3為讀寫數(shù)據(jù)/寫命令的選擇引腳，引腳2是SPI片選輸入的端口，引腳1為背光控制的引腳。其引腳圖為圖4-17所示。圖4-17TFT液晶顯示屏引腳圖TFT液晶顯示屏引腳功能如表4-4所示。表4-4TFT液晶顯示屏引腳功能表TFT液晶顯示屏的電路圖如圖4-18所示。圖4-18TFT液晶顯示電路圖4.4.3顯示模塊程序設計首先，第一步操作是將系統(tǒng)進行初始化，變更TFT顯示器的CR和AR，同時對一些相應的參數(shù)進行設置，設置Cache（高速緩沖存儲器）的位置和大小等，接著就是將屏幕進行初始化。最后，通過從主控芯片送到顯示器的信號來啟動對應的功能，因此將想要顯示的畫面展現(xiàn)出來。而對于TFT顯示器的初始化來說，最重要的是對控制器的各項參數(shù)如頻率、buffer地址等進行設置。系統(tǒng)打開后，因為存在于緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化，所以不能正常顯示畫面。因此，在操作之前，必須將緩沖存儲器原有的數(shù)據(jù)刪除，或者將一些設定好的數(shù)據(jù)發(fā)送到緩沖存儲器，然后填充畫面。在初始化之后，系統(tǒng)就能夠處理所收集到的信號，并通過文字和圖畫的方式顯示出來。運行流程圖如圖4-20所示。圖4-20顯示模塊運行流程圖4.5報警模塊設計4.5.1報警模塊選型蜂鳴器是一種集成的電子發(fā)聲器，由直流電壓驅(qū)動，通常作為計算機、報警器、玩具、定時器等電子設備的聲音輸出裝置。現(xiàn)在大部分用到的蜂鳴器有以下兩種：由于電壓的影響導致蜂鳴片產(chǎn)生變形而發(fā)聲的壓電蜂鳴器；通過線圈進行電磁感應對蜂鳴片產(chǎn)生作用而發(fā)聲的電磁蜂鳴器兩種。蜂鳴器發(fā)聲的原理是在通過蜂鳴器內(nèi)的振動裝置和諧振裝置作用在蜂鳴片上來使蜂鳴器發(fā)出聲音，蜂鳴器分為無源型和有源型。無源型的工作原理如下：來自外部的方形波動信號被輸入到振動裝置中，然后轉化成為聲音信號進行輸出。其工作原理圖如圖4-21所示。圖4-21無源型蜂鳴器工作發(fā)聲原理有源型蜂鳴器的工作發(fā)聲原理是：經(jīng)過振蕩系統(tǒng)后，直流電被放大并進行取樣反饋，最后在振動系統(tǒng)的作用下轉化成為聲音信號輸出。其工作原理如圖4-22所示。圖4-22有源型蜂鳴器工作發(fā)聲原理通過對這次設計的需求進行考慮分析，決定使用的是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器使用的電源是恒定電流，這是它和另一類型蜂鳴器差異最大的地方。它的工作方式為：電流在經(jīng)過蜂鳴器的振蕩裝置后，振蕩裝置會使電流的大小和方向都發(fā)生周期性的變化，從而轉變成為振蕩電流，形成一種電壓信號，然后發(fā)送到磁場內(nèi)使磁場發(fā)生交變，導致蜂鳴片產(chǎn)生波動而發(fā)出聲音。一般有源蜂鳴器的外觀如圖4-23所示。圖4-23有源蜂鳴器在設計中還采用了普通的LED燈作為報警燈，與蜂鳴器組合作為一個報警模塊。4.5.2報警模塊電路設計本系統(tǒng)報警電路主要是由蜂鳴器和LED燈組成。由于報警電路并不復雜，可以用蜂鳴器呼叫和閃爍燈間斷地閃爍就能實現(xiàn)[6]。其電路設計如圖4-24和圖4-25所示。圖4-24蜂鳴器電路圖圖4-25LED燈電路圖4.6系統(tǒng)其他電路設計此系統(tǒng)其它的外圍電路還應包括按鍵控制電路。按鍵控制電路并不復雜，其功能主要是調(diào)節(jié)警戒值的大小，其電路圖如圖4-26所示。圖4-26按鍵控制電路4.7本章小結本章主要是對系統(tǒng)的設計進行詳細的闡述，對于其中的模塊進行解釋和分析，詳細講述了程序的設計流程并提出了程序運行的流程圖，介紹了程序的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)處理。5系統(tǒng)測試與分析5.1功能測試5.1.1溫濕度傳感器功能測試為了測試DHT11溫濕度傳感器的功能能否正常使用，將溫濕度傳感器與STM32F103C6T6連接起來，并鏈接電源測試溫度檢測和濕度檢測的功能。將設計的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)上電后放置在室內(nèi)，觀察其在通電后能否測量到室內(nèi)的溫濕度狀況。如圖5-1所示。圖5-1溫濕度傳感器功能測試5.1.2PM2.5傳感器功能測試為了測試PM2.5傳感器GP2Y1014AU及其模塊的性能，將粉塵傳感器的引腳與系統(tǒng)主板連接起來如圖5-2所示，并準備通電測試其粉塵測量功能。將設計的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)上電后放置在室內(nèi)，觀察其在通電后能否測量到室內(nèi)的粉塵狀況。圖5-2PM2.5傳感器功能測試5.1.3二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器功能測試為了測試二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器SGP30及其模塊的性能，將SGP30的引腳與系統(tǒng)主板連接起來如圖5-3所示，并準備通電測試其二氧化碳/可揮發(fā)性氣體測量功能。將設計的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)上電后放置在室內(nèi)，觀察其在通電后能否測量到室內(nèi)的二氧化碳和可揮發(fā)性氣體狀況。圖5-3二氧化碳/TVOC傳感器功能測試5.2測試結果分析5.2.1溫濕度測試結果分析通過前面的介紹，我們可以知道DHT11傳感器能夠同時進行溫度和濕度的檢測。所以，對于溫濕度的性能測試要將溫度測試和濕度測試分開，通過控制變量來進行。開始時，我們要做的是將變量濕度設置為60%并保持不變，分別設置變量溫度為10℃、15℃、25℃，隨即將測試出來的結果記錄下來。測試數(shù)據(jù)如表5-1所示。在測試中，測量了18次數(shù)據(jù)并與標準設備測得的實際值進行比較。表5-1溫濕度傳感器溫度測試數(shù)據(jù)與實際值對比為了直觀表示，通過折線圖進行數(shù)據(jù)的展示。通過折線圖的數(shù)據(jù)展示可以明顯發(fā)現(xiàn)，我們設計的系統(tǒng)在溫度上的誤差范圍在5%以內(nèi)，能夠符合現(xiàn)在空氣質(zhì)量檢測儀的質(zhì)量標準。折線圖如圖5-4所示。圖5-4單一條件下的溫度變化情況繼續(xù)上述的實驗，這次我們要做的是將變量溫度設置為20℃并保持不變，分別設置變量濕度為45%RH、55%RH、65%RH，隨即將測試出來的結果記錄下來。測試數(shù)據(jù)如表5-2所示。表5-2溫濕度傳感器濕度測試數(shù)據(jù)與實際值對比表5-2中的數(shù)據(jù)同樣是通過18次測量結果出來的。通過折線圖的數(shù)據(jù)展示可以明顯發(fā)現(xiàn)，我們設計的系統(tǒng)在濕度上的誤差范圍在6%以內(nèi)，能夠符合現(xiàn)在空氣質(zhì)量檢測儀的質(zhì)量標準。圖5-5單一條件下的濕度變化情況5.2.2PM2.5測試結果分析傳感器GP2Y1014AU主要是用來檢測空氣中的粉塵（PM2.5），測試的主要場所是在室內(nèi)，所以這次實驗先通過一般標準的粉塵傳感器進行測量，再通過本系統(tǒng)的GP2Y1014AU傳感器對室內(nèi)粉塵的測試，將得到的數(shù)據(jù)進行對比，通過這種方式來找出誤差值的情況并測試GP2Y1014AU傳感器是否符合標準。測試數(shù)據(jù)如表5-3所示。表5-3GP2Y1014AU測量數(shù)據(jù)和實際值的對比表5-3中的數(shù)據(jù)進行了4次測量，通過調(diào)整檢測PM2.5含量的時間，然后經(jīng)過GP2Y1014AU傳感器獲取數(shù)據(jù)，與標準的粉塵傳感器測量到的數(shù)據(jù)進行對照。通過簇狀柱形圖5-6的直觀展示，本系統(tǒng)測量到的粉塵濃度和真實值的誤差較小，誤差范圍1%-3%之間，滿足空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的指標要求。圖5-6GP2Y1014AU所測粉塵含量與實際值對比5.2.3二氧化碳/可揮發(fā)性氣體測試結果分析傳感器SGP30主要檢測的氣體為二氧化碳和TVOC氣體，因為SGP30的優(yōu)異性能，因此這次測試分為二氧化碳部分和TVOC氣體部分。本次測試主要進行的場所是在室內(nèi)，所以這次實驗先通過一般標準的CO2傳感器進行測量，再通過本系統(tǒng)的SGP30傳感器對室內(nèi)空氣的測試，將得到的數(shù)據(jù)進行對比，通過這種方式來找出誤差值的情況并測試SGP30傳感器是否符合標準。測試數(shù)據(jù)如表5-4所示。表5-4SGP30所測二氧化碳數(shù)據(jù)與實際值對比表5-4中的數(shù)據(jù)進行了4次測量，通過調(diào)整檢測CO2的濃度的時間，然后通過SGP30傳感器獲取數(shù)據(jù)，與標準的CO2傳感器測量到的數(shù)據(jù)進行對照。通過簇狀柱形圖5-7的直觀展示，本系統(tǒng)測量到的CO2濃度和真實值的誤差較小，誤差范圍1%-3%之間，滿足空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的指標要求。圖5-7SGP30所測二氧化碳數(shù)據(jù)與實際值對比和二氧化碳的檢測一樣，TVOC氣體部分的測試也在室內(nèi)進行，同樣是通過一般標準的TVOC傳感器進行測量，再通過本系統(tǒng)的SGP30傳感器對室內(nèi)空氣的測試，將得到的數(shù)據(jù)進行對比，通過這種方式來找出誤差值的情況并測試SGP30傳感器是否符合標準。測試數(shù)據(jù)如表5-5所示。表5-5SGP30所測TVOC數(shù)據(jù)與實際值對比表5-5中的數(shù)據(jù)進行了5次測量，通過調(diào)整檢測TVOC濃度的時間，然后通過SGP30傳感器獲取數(shù)