劉 勇，張 恒

(天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；江蘇科瑞德智控自動化科技有限公司，江蘇 223800)

一、引言

伴隨科技和社會的快速發(fā)展，民眾的生活發(fā)生改變，但是與此同時，快速發(fā)展的科技和經(jīng)濟并不是沒有任何代價的，與其伴隨而來的也存在一些負面的影響，特別是霧霾問題。PM2.5粉塵是霾的主要的構(gòu)成成分。因此，PM2.5濃度不可避免的轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗冴P(guān)注的一個焦點問題。

PM2.5就是空氣中徑長大小不超過2.5μm的微顆粒物，它能在大氣里飄浮很久。大氣中PM2.5的含量數(shù)值愈高，就代表該地域大氣的污染情況愈嚴(yán)重。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。 在2010年末，美國與歐盟主要發(fā)達國家規(guī)定將PM2.5加入到空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并對它進行了一系列的限制，以期望改進空氣質(zhì)量。

根據(jù)社會和民眾生活的需求，本文提出一種基于STM32單片機的PM2.5檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案。它可以對周圍環(huán)境中的PM2.5濃度進行檢測，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器進行處理后，能夠把PM2.5的濃度數(shù)值在OLED屏上實時顯示，使用戶獲得實時實地的環(huán)境和大氣污染程度，該設(shè)計使用方便、成本低，可在日常生活或工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中大范圍的推廣應(yīng)用。

二、總體設(shè)計

方案采用STM32F103系列微控制器與PM2.5粉塵傳感器相結(jié)合，設(shè)計了一款針對PM2.5濃度的空氣質(zhì)量檢測的系統(tǒng)。在本系統(tǒng)設(shè)計里，STM32微處理器為整個系統(tǒng)的控制核心，粉塵濃度采樣系統(tǒng)主要是由蜂鳴器、PM2.5粉塵傳感器、OLED液晶顯示屏、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等組成。PM2.5粉塵傳感器通過對所處的周圍大氣的空氣質(zhì)量監(jiān)測來實現(xiàn)對PM2.5含量值的測量，然后經(jīng)過微處理器以及其外圍電路的計算、轉(zhuǎn)換以及讀取數(shù)據(jù)，最終把要測得的PM2.5濃度數(shù)值顯示在OLED液晶顯示屏上。

具體的實施方案：

經(jīng)過PM2.5粉塵傳感器采集周圍大氣環(huán)境的PM2.5含量值，檢測電路將搜集到的數(shù)值傳送到MCU，同時把模擬量處理為數(shù)字量，處理的結(jié)果顯示在OLED液晶顯示屏上，隨時觀察PM2.5的變化。若PM2.5粉塵的濃度值過高，系統(tǒng)中由 LED警示燈和蜂鳴器件構(gòu)成的警示電路就會警示。

PM2.5檢測系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)成如圖1。

圖1 PM2.5檢測系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計

(一)STM32最小系統(tǒng)

主控芯片選用的是STM32F103C8T6，其采用高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72MHz，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C ～ 85°C。

STM32芯片不可以單獨進行工作，需要連接其他外圍相關(guān)的電路共同組成STM32最小系統(tǒng)。STM32最小系統(tǒng)中包含了電源電路、時鐘晶振、復(fù)位電路、去耦電路、通信接口等。如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)中需要用到STM32的ADC采樣功能。STM32芯片包括1到3個可以獨立進行工作使用的ADC，并且這些ADC可以在雙重模式下工作。STM32有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。每個通道的模擬和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)化都可以選擇不同的模式工作。

STM32模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大速率為1兆赫茲，需要保持ADC的時鐘低于14兆，這能保持轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確度。STM32將ADC的轉(zhuǎn)換分為2個通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。注入通道組的轉(zhuǎn)化工作能夠?qū)⒁?guī)則通道組的轉(zhuǎn)化進行打斷，并且在注入通道組轉(zhuǎn)化工作成功后，規(guī)則通道組才能接著進行轉(zhuǎn)化。

STM32的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化不僅可以使用ADC-CR2寄存器的ADON位開啟單次轉(zhuǎn)化模式，還可以使用外部觸發(fā)的方式進行啟動，在這個時候，CONT位應(yīng)該為0。以規(guī)則通道而言，在轉(zhuǎn)化完成之后，成果將會被儲存在 ADC-DR 寄存器里，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位就要被置位處理，倘若之前配置了EOCIE，就會發(fā)生中斷操作。然后 ADC 將停止，直到下次啟動。

(二)PM2.5傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集部分主要完成采集 PM2.5 濃度，它是在 PC 機上進行操作的，主要是將系統(tǒng)的硬件、應(yīng)用軟件和計算機相互結(jié)合來進行對數(shù)據(jù)的測量。

PM2.5數(shù)據(jù)采集工作主要利用Sharp公司開發(fā)推出市場得GP2Y1010AU0F型號傳感器來進行。GP2Y1010AU0F傳感器的電源工作電壓是3.3V，它的輸出管腳A和STM32處理器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)化管腳相連接，ILED管腳與STM32芯片的GPIO管腳連接。傳感器通過內(nèi)部的紅外二極管輸出一個電壓值，這個電壓值跟據(jù)灰塵濃度而發(fā)生改變。STM32芯片可以依據(jù)這個電壓大小推測出大氣中粉塵的濃度值。傳感器的特點如下：

1.尺寸：(46.0×30×17.6 mm)

2.最大工作電流：20mA

3.單脈沖可測量出大氣微粒含量(待工作穩(wěn)定)

4.工作溫度：-10～65℃

5.安全無害

GP2Y1010AU0F傳感器內(nèi)部的原理圖如圖3。在傳感器上存在孔隙，空氣可以通過孔隙流動，這時發(fā)出定向的LED光線，傳感器通過感應(yīng)空氣塵埃折射后的光線狀況來進行粉塵濃度的判斷工作。

圖3 傳感器工作原理圖

圖4為傳感器輸出電壓與粉塵濃度的工作關(guān)系。根據(jù)觀察圖像發(fā)現(xiàn)，該曲線的前部分存在一定的線性增長關(guān)系，但是到0.5mg/m左右時，該曲線增長放緩，甚至不再增長，此時輸出電壓值為3.5V左右。通過對曲線的前半部分的觀察總結(jié)，可以得出電壓值與灰塵濃度的關(guān)系為：Dust density = 0.17*Output Voltage .

圖4 傳感器輸出電壓與微粒濃度關(guān)系

(三)發(fā)光報警模塊

報警電路的核心元器件是蜂鳴器，三極管S8050驅(qū)動和微控制器的IO管腳相連接，當(dāng)IO管腳呈現(xiàn)高電平時候，蜂鳴器是不報警的，當(dāng)它變成低電平時候，而且還帶有 LED 二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出報警聲音。系統(tǒng)還可以通過手動按鍵的方式來調(diào)整PM2.5 適合的值，如果超過設(shè)置的最高濃度值，蜂鳴器就會報警。

(四)OLED顯示模塊

顯示模塊是用來顯示當(dāng)前PM2.5的數(shù)值供用戶知悉。在整個檢測系統(tǒng)中選取一塊0.96寸的OLED顯示屏，顯示屏通過4線串行的SPI接口與微處理器完成通訊連接。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計選用了合適的開發(fā)平臺Keil MDK。Keil是51單片機的一種開發(fā)軟件，2005年Keil公司被ARM公司收購，之后相關(guān)的產(chǎn)品都改名為MDK系列。

在軟件系統(tǒng)設(shè)計時選用的MDK版本是MDK uVision 4.72，這個嵌入式軟件開發(fā)平臺加入了靈活的窗口界面管理，可以提供多臺監(jiān)控器給開發(fā)程序員使用，并使開發(fā)者能夠在視覺內(nèi)的任何地方控制窗口的位置。此版本還有一個較大的更新就是對更多新的ARM內(nèi)核進行了支持和語法檢查的強大功能，為開發(fā)者帶來了很大的方便。

(一)主程序設(shè)計

整個系統(tǒng)需要用到的模塊系統(tǒng)有：初始化、時鐘、中斷指令、微粒監(jiān)測和警報模塊等。它們分別實現(xiàn)其特有的功能，共同構(gòu)成整個監(jiān)測系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)通電后，首先進行初始化設(shè)置，然后調(diào)取各個模塊的子程序，設(shè)置一段時間的延時時間，接著進行循環(huán)執(zhí)行。

(二)微粒檢測設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)開始執(zhí)行時，實現(xiàn)進行上電初始化，PM2.5傳感器檢測周圍環(huán)境中空氣的微粒狀況并且產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化，接著PM2.5傳感器將電壓值輸出給微處理器，ADC采集其數(shù)據(jù)并且根據(jù)算法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濃度值，最終通過軟件程序?qū)?shù)值轉(zhuǎn)化為字符串形式，并且在OLED顯示器上表示出來。

(三)報警任務(wù)設(shè)計

當(dāng)STM32 MCU收到PM2.5傳感器傳來的電壓，并由電路轉(zhuǎn)化成具體數(shù)值后，對其數(shù)據(jù)開展判斷工作，與預(yù)先設(shè)定的警示值進行比較，徜若實時的值大小比預(yù)先設(shè)定的高，則輸出脈沖給蜂鳴器，報警程序啟動，蜂鳴器開始工作。

五、結(jié)束語

現(xiàn)如今空氣污染的問題愈發(fā)的嚴(yán)重，其中最嚴(yán)重的污染因素就是微粒粉塵。人們對PM2.5對于環(huán)境情況影響也越來越關(guān)注，無論是屋內(nèi)還是室外的PM2.5污染，都涉及到人類自身的健康問題，PM2.5的監(jiān)測應(yīng)該是人們的關(guān)注重點。官方天氣環(huán)境空氣質(zhì)量播報的有關(guān)PM2.5的數(shù)據(jù)具有區(qū)域性，對針對個人身邊的PM2.5污染指數(shù)參考價值有限。

本文介紹了一種基于STM32的PM2.5檢測系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，該系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低、便于攜帶。能夠?qū)崟r采集PM2.5的濃度，通過轉(zhuǎn)換，單片機計算后，在OLED液晶顯示器上顯示，測量精度高，可以滿足日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的需要。