基于單片機的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)內(nèi)容提要:時至今日，在科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新下，人民的生活質(zhì)量也在不斷提高，但是在工業(yè)發(fā)展過程中，難免會造成有害化學(xué)物質(zhì)的排放，從而破壞了自然環(huán)境，同時也會影響到人類健康，因而很有必要對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行檢測。本文在研究時采用STM32微處理器，再運用課堂上學(xué)過的C語言，對使用到的多種不同功能的傳感器進行程序編寫。從而實現(xiàn)對室內(nèi)的甲醛濃度，粉塵濃度，溫濕度，四個因素的檢測功能。同時將監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)通過連接的顯示器將數(shù)值顯示出來，結(jié)合這些參數(shù)，就可判斷出室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣。相比與其他市面上普通的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，本文提供的檢測系統(tǒng)有小型化，方便攜帶，及時監(jiān)測，穩(wěn)定，成本低等優(yōu)點，可實現(xiàn)多因素的精確監(jiān)測，更加符合市場的需求，具有廣大的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：STM32單片機，室內(nèi)空氣質(zhì)量，傳感器目錄TOC\o"1-3"\h\u22567內(nèi)容提要 I24892第一章緒論 1157191.1課題研究背景與意義 2191151.2室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 2192031.3我國室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)階段存在問題 3269491.4課題主要研究內(nèi)容 3106431.5論文章節(jié)安排 327805第二章總體方案設(shè)計 3225432.1設(shè)計功能及目標(biāo) 4303942.2元器件的選型 4152702.3系統(tǒng)的整體設(shè)計 832326第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 9260313.1溫濕度傳感器DHT11的硬件設(shè)計 9141503.2甲醛傳感器ZE08-CH2O的硬件設(shè)計 9107453.3PM2.5傳感器GP2Y1014AU0F的硬件設(shè)計 10242343.4顯示器硬件設(shè)計 1142653.5處理器STM3.2F103ZET6 12264133.6電源電路設(shè)計 1418444第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 14149404.1軟件開發(fā)環(huán)境與開發(fā)工具 1576944.2主程序的流程框圖 1558304.3溫濕度傳感器運行流程圖 1515744.4甲醛傳感器流程圖 1673194.5PM2.5傳感器 176147第五章總結(jié)與展望 18256505.1本文總結(jié) 1851805.2發(fā)展與展望 1810183參考文獻 20緒論1.1課題研究背景與意義隨著社會的發(fā)展，人們經(jīng)常出入大型購物中心、高層辦公樓等大型建筑，這些大型室內(nèi)場所與外界的空氣相對隔絕，如果長時間呆在這樣的封閉空間里，很容易因氧氣不足，空氣不流通而導(dǎo)致身體不適。與此同時，人們室內(nèi)裝修的頻率也在上漲，而在裝修過程中很容易就會產(chǎn)生甲醛這類的有害氣體，危害人們的身體健康，因此對這類有害氣體進行有效的監(jiān)測和防治顯得尤為重要REF_Ref12022\r\h[1]。為了解決當(dāng)前市場上的室內(nèi)空氣質(zhì)量測試設(shè)備價格高、功能單一、耗電量大等問題，本文提出了一種低能耗、低成本的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足未來的市場發(fā)展需求。1.2室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀二戰(zhàn)后美國職業(yè)的衛(wèi)生研究所首次對室內(nèi)的空氣質(zhì)量開展不同角度的研究，并取得重要進展。意大利和挪威等國家也已經(jīng)開始了相應(yīng)的研究。上世紀(jì)六七十年代以來歐美的研究人員就已經(jīng)做出了很多的改進與創(chuàng)新在監(jiān)控技術(shù)方面，只求能夠研制出高精度、高準(zhǔn)確度的大氣污染監(jiān)測儀?？諝馄焚|(zhì)檢測器也在不斷更新迭代，其測量原理以庫侖法、導(dǎo)電法為主，使用時所需的化學(xué)試劑很多，難免會出現(xiàn)試劑的調(diào)試、廢水的處置等問題；干法器則是利用電位電解感應(yīng)原理，使被測樣品始終處于氣態(tài)，無損耗，維修量少，實用性高，性價比高。目前，對環(huán)境污染的監(jiān)測主要是采用濕法化學(xué)方法和吸氣取樣的試驗方法。美國ESC公司利用電化學(xué)傳感器研制出了Z/ZD型便攜式氣體探測器。美國TSI公司研制的TSI17575型空氣質(zhì)量檢測儀器，主要用于奧運會、亞運會等場所。德國TESTO公司則推出了一款集溫度、濕度、網(wǎng)絡(luò)關(guān)節(jié)點、在線監(jiān)測于一體的TestoSaveris產(chǎn)品REF_Ref16721\r\h[2]。目前，歐洲各國的大氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)分為兩大類，一類是以歐盟為基礎(chǔ)，一類是各國自行組建的。這兩種監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合在一起，形成了一個完整的系統(tǒng)，在監(jiān)控范圍之內(nèi)，互相支撐，互補，促進了歐洲的空氣監(jiān)控與污染控制。在國外，對環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研究是世界上最先進的，其相關(guān)的產(chǎn)品也得到了廣泛的應(yīng)用。Chao-TungYang等人設(shè)計了一套智能的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，用于醫(yī)院內(nèi)部的空氣監(jiān)測。S.Zampolli等設(shè)計了一個以固體傳感器為基礎(chǔ)的電子鼻，用于低成本的室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控。JeonghwanHwang,ChangsunShin等人對一種以無線傳感器為基礎(chǔ)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究。飛利浦也是一家專門從事環(huán)境優(yōu)化的公司，他們的主要產(chǎn)品是研究、開發(fā)、制造室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控與凈化裝置，其功能是清潔房間中的空氣，能有效的去除甲醛、過敏源等有害物質(zhì)，還可以起到增濕、過濾細菌的作用，從而提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)。GE感測技術(shù)公司還研制了幾種儀器，用于監(jiān)控室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，通過這種儀器，可以輕松的測量室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測工作起步比較晚，上世紀(jì)80年代初這方面的研究才受到重視，直至1987年出臺了相關(guān)法規(guī)，對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量進行了嚴(yán)格的監(jiān)管。為了解決能夠?qū)崟r對室內(nèi)環(huán)境的各項環(huán)境參數(shù)，包括PM2.5、CO、溫度、濕度等，并利用無線傳輸技術(shù)將監(jiān)測的各項指標(biāo)上傳至主機，由上位機進行實時監(jiān)測，同時還能自動設(shè)定以前的數(shù)據(jù)開始和結(jié)束時間的功能，山東的一家電氣公司特地研發(fā)了一套監(jiān)測系統(tǒng)。就讀于山東大學(xué)的張鵬等人在2017年研制成功了一種新型的多用途空氣凈化裝置，并可以通過按鍵操作和紅外線遠程進行凈化，同時還可以進行液晶顯示。在當(dāng)前的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方面的研究中，大多數(shù)的監(jiān)測分析過程要么采用現(xiàn)場采用的方法，要么就借助實驗室的儀器來進行分析處理，這兩種方法都不夠成熟和完善，整體的調(diào)控還有點欠缺、自動化程度低。并且這兩種方式監(jiān)測的效率并不高，所消耗的費用也不低。經(jīng)過各種方法的對比研究，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)室內(nèi)有害氣體、空氣質(zhì)量和微粒的有效監(jiān)測的最好方法就是利用各類型的傳感器來檢測數(shù)據(jù)，再通過單片機來對各數(shù)據(jù)進行整合。我國的環(huán)保監(jiān)控技術(shù)發(fā)展較晚，但發(fā)展迅速，許多企業(yè)、科研機構(gòu)正在借鑒、學(xué)習(xí)、研究國外先進的環(huán)保技術(shù)REF_Ref16891\r\h[3]。北京華運安特科技有限公司引進了許多國外先進的技術(shù)與產(chǎn)品，這些設(shè)備有便攜式單氣探測器、一氧化碳探測器、便攜式甲烷濃度探測器等。該公司的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣環(huán)境質(zhì)量的實時監(jiān)控，是一種很好的測試儀器。大連交大的姚營營基于MSP430F449，在DS18B20、HS1101、照明度傳感器的基礎(chǔ)上，研制出了一種便攜式、精確、快速的環(huán)境檢測器。沈陽工大的楊晨以ARM11為核心，添加DHT90、BH1750、DSM501A、DSM501A等模塊，構(gòu)成了便攜式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。西南交大王紹杰教授則通過研究發(fā)表了相關(guān)文章。1.3我國室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)階段存在問題成本高，市面上的測量儀器費用高，測量周期長，同時還需要定期重新校準(zhǔn)以確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確。（2）由于要有專門的操作人員，所以很難進行連續(xù)的檢測。1.4課題主要研究內(nèi)容基于以上現(xiàn)階段我國室內(nèi)質(zhì)量檢測系統(tǒng)發(fā)展所存在的問題，本文將基于現(xiàn)階段發(fā)展成果的基礎(chǔ)上設(shè)計出可自動監(jiān)測室內(nèi)空氣多因素同時成本較低的檢測系統(tǒng)。基本思路是將整個系統(tǒng)分為顯示模塊、監(jiān)測溫濕度模塊、甲醛濃度監(jiān)測模塊、PM2.5監(jiān)測模塊和主控器五個模塊來設(shè)計。實現(xiàn)對室內(nèi)溫度和濕度的實時監(jiān)控，對甲醛含量，PM2.5濃度的多因素測量。甲醛氣體檢測模塊，在不同地點利用多個傳感器協(xié)同工作，在應(yīng)用過程中高效探測室內(nèi)空氣中甲醛含量。溫濕度檢測模塊，這種模塊在運行過程中主要是基于空氣溫濕度變化范圍較小，變化幅度較小的特點，選用可監(jiān)測室內(nèi)溫濕度范圍內(nèi)的溫濕度傳感器PM2.5檢測模塊，在運行過程中主要是測定空氣中的PM2.5主控器，以單片機作為控制器，處理各傳感器模塊檢測到的信息發(fā)送到顯示器單元，進行所得結(jié)果顯示1.5論文章節(jié)安排為了能夠?qū)υ撜n題設(shè)計進行有條理的研究與設(shè)計，對全文內(nèi)容做出了如下的章節(jié)安排：第一章，緒論。本章節(jié)介紹了多功能空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研制背景及意義，并對這類型研究進行了展望。本章還對國內(nèi)外大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀進行了綜述，并對其進行了多角度的分析。說明了本文的章節(jié)結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容。第二章，主要是設(shè)計了系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，對本系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)進行論述，給出大致的研究方向。其次，通過對市面上的一些主流傳感器的監(jiān)測范圍及功能比較，結(jié)合該系統(tǒng)的研究需求，對比分析選擇適宜的硬件單元。且對相應(yīng)的框架圖和原理圖進行說明。第三章，本課題的硬件設(shè)計和開發(fā)。介紹了各個部件之間的連接線路，及主控器的最小系統(tǒng)，同時確定各元器件與主控器的接口選擇，確定整個系統(tǒng)的電源電壓。第四章，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計和開發(fā).建立一個軟件所需要的開發(fā)環(huán)境，以及系統(tǒng)的主程序，子程序和主要的模塊程序，同時進行系統(tǒng)的測試。第五章，總結(jié)了全文相關(guān)工作，且對研究結(jié)論和系統(tǒng)基本功能的實現(xiàn)進行概述，分析本系統(tǒng)未來的應(yīng)用前景和對本系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與展望，以期能夠在現(xiàn)實生活中得到更好，更廣泛的應(yīng)用。總體方案設(shè)計2.1設(shè)計功能及目標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)中選擇了STM32單片機進行總體控制，且據(jù)此研發(fā)出一種高性能的室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。目標(biāo)：檢測室內(nèi)的溫濕度檢測室內(nèi)的PM2.5濃度檢測室內(nèi)的甲醛濃度將傳感器所測數(shù)據(jù)通過LCD屏顯示2.2元器件的選型2.2.1溫濕度傳感器（1）傳感器的選用 目前市場上應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測溫度和濕度的傳感器是DHT11。DHT11是一款既廉價又操作簡單的溫度和濕度雙重檢測的傳感器，所以本系統(tǒng)使用了該型號的傳感模塊。通過數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并結(jié)合溫度檢測技術(shù)，來保證監(jiān)測溫濕度的工作可靠，使用壽命更長。該款傳感器相比同類型的傳感器，優(yōu)勢明顯，收到信號可以快速響應(yīng)、穩(wěn)定性能好、價格低廉、體積小。每個DHT11都需要在出廠之前進行精確的溫濕修正REF_Ref17008\r\h[4]。在OTP存貯器中，校準(zhǔn)因子是以編程形式存在的，在之后實際的監(jiān)測過程中，所監(jiān)測到的信號就需要參考這些修正系數(shù)，才能較為準(zhǔn)確的輸出環(huán)境中的溫濕度。DHT11傳感器是可以通過單總線來進行數(shù)據(jù)的傳輸以及信號的傳遞，簡化了集成過程。超小的體積和極低的功率消耗使得這種傳感器即使是在最嚴(yán)格的環(huán)境下，也是最理想的。本溫濕度傳感器通過四個單排的引腳就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測與數(shù)據(jù)傳輸，與微處理器的連接并不復(fù)雜。只要外接3.3~5.5伏電壓就可以正常工作；輸出信號為數(shù)字信號，不用進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，一條總線就可實現(xiàn)。這種系統(tǒng)的的濕度測量范圍為20~90%，溫度范圍為0~50℃，對應(yīng)的誤差分別為+-5%RH，-2℃。（2）DHT11傳感器管腳說明圖2.1展示的是這種類型傳感器模塊實物。 圖2.1模塊實物圖2.2.2甲醛傳感器（1）甲醛傳感器的選取甲醛濃度的測定方法根據(jù)檢測原理可以分為三種：光譜分析法、分光法、電化學(xué)法。使用光譜測定方法，所測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，但是在數(shù)據(jù)采集過程中檢測的時間較長，一般要兩三天才能完成。最重要的是價格高昂，一般只有在實驗室中，從事高精度的研究才會用到該類型儀器，并不適合大眾使用檢測。分光法，就是利用了一種特殊的化學(xué)藥劑，在不同的環(huán)境下，會發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，然后顯示出多種顏色，從而判斷出其中的甲醛含量。不過，化學(xué)藥劑的配制并不簡單，檢測的手段更加的專業(yè)，需要相關(guān)的專業(yè)知識為基礎(chǔ)，而且能夠精確測量的設(shè)備也更加的昂貴REF_Ref17100\r\h[5]。電化學(xué)法則需要借助于一種將膜電極和電解液組合而成的傳感器，在外界氣體的信號下，正負電荷就會有電解質(zhì)分解而成，探測信號也通過電極產(chǎn)生。缺點是使用壽命較短，大約可以使用5年。使用這個檢測原理研制出來的甲醛傳感器，不論是從檢測精度、檢測時間還是價格等方面，都是一款更適用于家用的甲醛檢測儀器。此外，各種檢測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，利用電化學(xué)方法可以很好的實現(xiàn)對甲醛濃度的檢測，而且所得到的檢測結(jié)果精準(zhǔn)而穩(wěn)定。綜上所述，本系統(tǒng)采用電化學(xué)法對甲醛進行檢測的方法，結(jié)合實際需要并經(jīng)過對比分析，此處選擇ZE08-CH2O傳感器。ZE08-CH2O型傳感組件是一款集先進電化學(xué)檢測技術(shù)與精密電路設(shè)計于一體的新型產(chǎn)品。這個傳感器模塊還具有小型，通用的特點，因而本系統(tǒng)將采用這一器件對甲醛的濃度檢測展開分析。該傳感器為了后續(xù)使用者處理數(shù)據(jù)的方便，還專門配有溫度補償?shù)墓δ堋E08-CH2O模塊中設(shè)置有相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理電路，其在系統(tǒng)中所起的作用就是將甲醛的濃度信號轉(zhuǎn)換成電子信號，再把它轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，然后用串口來傳輸所測數(shù)據(jù)，ZE08-CH2O模塊還能輸出模擬信號，有一個引腳為DAC，該引腳在電路中所起的作用是將信號轉(zhuǎn)換為適宜的電壓，并與微處理器的ADC管腳相連，完成模擬信號的轉(zhuǎn)換。本模塊使用的是串口通信，出廠時的串口速率為9600，不可改變。上傳的方式包括默認(rèn)的主動上傳方式，以及一種不常用的問答式方法。同時它每隔一段時間就會發(fā)送一次所測數(shù)據(jù)。（2）如下圖2.2展示的就是這款甲醛傳感器的實物。圖2.2ZE08實物圖2.2.3PM2.5傳感器（1）PM2.5傳感器的選取現(xiàn)在市場上有紅外、激光兩種類型的PM2.5傳感器，它們在現(xiàn)階段主要是用于檢測空氣中的PM2.5濃度。對于前者，大多數(shù)都會用來監(jiān)測顆粒半徑大、粉塵濃度高的環(huán)境，它的探測等級是mg/m3，測量精度不高，用這類型的傳感器來檢測室內(nèi)的PM2.5濃度會出現(xiàn)檢測精度不準(zhǔn)的情況，只能探測到大顆粒粉塵的濃度，衡量灰塵的污染程度。激光式的PM2.5探測器，它可以安裝在家庭（車上，手握）的空氣凈化器中REF_Ref17211\r\h[6]。另外，在現(xiàn)在的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方面以及新興的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，通過激光技術(shù)來完成數(shù)據(jù)采集的傳感器還是非常常見的。同時應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對檢測數(shù)據(jù)的要求也是不同的，不同器件運行原理不同，適用場所也各異。對于數(shù)據(jù)要求大的中高端市場，就會較多的使用激光傳感器。而對數(shù)據(jù)要求不高的低端市場，采用紅外型的傳感器就可滿足其要求。除了數(shù)據(jù)精度的區(qū)別外，根據(jù)檢測的范圍又可分為工業(yè)級和家用級。因此就會出現(xiàn)家用級的激光型和紅外型，以及工業(yè)級的激光型和紅外型四大類的傳感器。綜上所述，本系統(tǒng)打算采用夏普公司的傳感器。此器件是一款改進后的適用度廣的傳感器，紅外LED與光電晶體管放在內(nèi)部的對角處，因此可以偵測細小顆粒所反射的光線，即便是很細微的顆粒，例如煙草的煙塵，花粉等常見細小顆粒都可以偵測到，因此在實踐中得到廣泛應(yīng)用。夏普公司的光學(xué)灰塵傳感器是目前市場上常見的一類傳感器，可以很好地探測細小的微粒，在常見的空氣清潔器中具有廣泛的應(yīng)用REF_Ref17292\r\h[7]。其電流損耗很小最高為20mA，一般是11mA，可以安裝7VDC的傳感器。最后的檢測數(shù)據(jù)是通過模擬信號來輸出，輸出模擬信號是跟空氣中的粉塵濃度相關(guān)的，濃度越高，輸出電壓值也越高。需要5~7V供電才能正常工作，-10~65℃的環(huán)境溫度下都可正常工作，最小顆粒檢測值0.8微米。它的原理是通過在傳感器的中央有一個孔口，讓空氣自由流動，并發(fā)出LED光，測出監(jiān)控空氣中的塵埃折射率，從而判斷出空氣中粉塵的濃度。通過測試得到的數(shù)據(jù)，對照如下參數(shù)來判斷空氣質(zhì)量：所檢測的數(shù)值可分為：3000-3000，1050-3000，300-1050，150-300，75-150，0-75，六個檔次，檢測到的數(shù)值越小，則表示該環(huán)境中的空氣質(zhì)量越好，反之則質(zhì)量較差。（2）如下圖2.3為PM2.5傳感器的實物圖，從左到右依次是Pin1-Pin6，共六個管腳。圖2.3PM2.5傳感器實物圖2.2.4顯示器（1)顯示器的選取根據(jù)以上系統(tǒng)各元器件的選取以及顯示需求，最后需要對檢測到的溫度、濕度、PM2.5、甲醛四個參數(shù)的進行顯示，選用LCD12864顯示屏可直接將這四組數(shù)據(jù)進行顯示，顯示界面簡單明了，所有數(shù)據(jù)一目了然，不需要過多的操作，同時具有低成本、便捷、穩(wěn)定的優(yōu)點REF_Ref17358\r\h[8]。（2）LCD12864的各項參數(shù)及實物圖顯示屏是由12864個液晶顯示點組成。其主要是通過二進制數(shù)來決定是否顯示，0表示著滅，1表示著亮。電壓為3V~5.5V時顯示器可以正常工作，它還包括有一個漢語文字庫，可以顯示8192個16x16的點陣漢字，它運行時的時鐘頻率位2MHZ。如下圖2.4展示的就是這款顯示屏的實物。圖2.4LCD12864的實物圖2.2.5控制器根據(jù)以上三個傳感器的選用以及各自監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸出特點，還有之后通過顯示器的顯示要求。本控制系統(tǒng)決定采用市面上使用廣泛的以Cortex-M3為內(nèi)核的中央處理器STM32F103ZET6，該單片機價格相對較低，且具有功耗低、性能高的優(yōu)勢，同時它內(nèi)核是高性能的ARMCortex-M3，這些優(yōu)點都使這款處理器成為該系統(tǒng)最合適的選擇。還包括72M的時鐘源，144個引腳中還包括有112個可以外接的IO口，除了一些模擬的通道口外，基本都可以接5V電壓。它內(nèi)部包含的68個中斷通道，還可以通過人為的編程設(shè)置出最多16個優(yōu)先等級，時鐘源根據(jù)其高、低速以及內(nèi)外部產(chǎn)生了四種時鐘源，定時器也根據(jù)使用的范圍分為基本、通用、高級三種類型，控制單元中共設(shè)置有8個定時器，ADC控制器還包括兩種信號源，一種是監(jiān)測外部的信號源有16個，另一種是監(jiān)測內(nèi)部的信號源有2個REF_Ref17420\r\h[9]。如下圖2.5就是這款控制器的實物。圖2.5STM32F103ZET6實物圖2.3系統(tǒng)的整體設(shè)計該系統(tǒng)設(shè)計是在處理器的基礎(chǔ)上，通過檢測和處理各個傳感器模塊所測數(shù)據(jù)，將所測的空氣質(zhì)量參數(shù)通過顯示模塊進行顯示。此處采用繪圖軟件繪制出如下圖2.6系統(tǒng)框圖。圖2.6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)3.1溫濕度傳感器DHT11的硬件設(shè)計此款器件可以實現(xiàn)溫度濕度兩組數(shù)據(jù)的同時檢測，價格較低，功能齊全。同時體積小、功耗低等優(yōu)點使它的運用范圍更廣。采用單根總線同機進行雙向串行數(shù)據(jù)傳送，最遠可達20多米，在對檢測數(shù)據(jù)的實時性以及精度要求并不高的場所中，適用性非常廣REF_Ref17505\r\h[10]。各引腳定義如下表3.1所示，根據(jù)引腳情況，設(shè)計了傳感器的硬件電路原理圖，具體如圖3.1所示。表3.1DHT11傳感器管腳定義圖3.1DHT11硬件電路原理圖3.2甲醛傳感器ZE08-CH2O的硬件設(shè)計模塊采用串口通訊，各類串口參數(shù)如下表3.2。其中9600的波特率是不可更改的。該款傳感器的引腳定義如下表3.3所示，控制電路采用了串口(UART)的通訊方式，模塊只需接上5.0V電源，該模塊主要是通過UART引腳與控制單元相連接，其硬件電路原理圖如下圖3.2所示。表3.2ZE08-CH2O參數(shù)設(shè)置表3.3ZE08甲醛傳感器的管腳定義圖3.2ZE08甲醛傳感器的硬件電路原理圖3.3PM2.5傳感器GP2Y1014AU0F的硬件設(shè)計圖3.3是型號為的PM2.5傳感器的外接電路圖，由圖可知外接一個150歐的電阻器，以及一個220uF的電容。由于V-LED和LED-GND都是用來給發(fā)光二極管供電的，因此不能直接連接到5V電源上，必須用150歐的電阻器來限制電流，來保證電源的穩(wěn)定，還必須在LED的正、負兩個電極上安裝220uF的電容器REF_Ref17622\r\h[11]。此外，這種型號的傳感器還有模擬和串口兩種傳輸方式，為方便讀取，本文采用串口輸出的方式來傳輸數(shù)據(jù)，其具體的電路原理圖如圖3.4所示。圖3.3電容電阻連接圖圖3.4硬件電路圖由上圖可知，此傳感器的電路結(jié)構(gòu)較簡單。3.4顯示屏硬件設(shè)計在這一環(huán)節(jié)中，主要是進行顯示屏硬件設(shè)計。本文選擇的是LCD12864作為顯示模塊，相對來說其引腳較多，但其用途非常廣泛，官方引腳定義如下圖3.4所示。圖3.4LCD12864官方引腳定義圖LCD12864與單片機連接的電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6液晶顯示電路圖3.5處理器STM3.2F103ZET63.5.1最小系統(tǒng)介紹該系統(tǒng)使用以Cortex-M3為內(nèi)核的，其具有成本低、功耗低、性能好等特點REF_Ref17697\r\h[12]。單片機最小系統(tǒng)中的時鐘電路與復(fù)位電路如下。時鐘電路它是處理器的重要組成部分。從本質(zhì)上來說，時鐘電路是一種振蕩電路，正是有時鐘電路的存在，系統(tǒng)的各部分工作才能按一定先后順序運轉(zhuǎn)。在該微處理器中，CPU時鐘會在收到系統(tǒng)重置的信號后，選用8MHZ的RC振蕩器.。除了選用這種8MHZ的高頻時鐘外，還有32.768KHZ的低頻時鐘也可選用，具體的電路原理圖如下圖3.7所示。圖3.7時鐘電路復(fù)位電路這是處理器中用于實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位的模塊。使用這款微處理器，CPU復(fù)位電路的實現(xiàn)需要低電平有效，具體電路圖如圖3.8所示。圖中NRST端出現(xiàn)低電平時，CPU就會來到復(fù)位狀態(tài)。圖中由R9與C18組成的電路，就是一個簡單的RC復(fù)位電路。當(dāng)系統(tǒng)中有電流時，C18兩端則是0伏電壓，整個的CPU就會進入復(fù)位的狀態(tài)REF_Ref17756\r\h[13]。當(dāng)3.3伏的電壓接進來時，C18兩端就會通過R9進行充電，直到C18兩端電壓比CPU的高電平門檻電壓高時，CPU才會轉(zhuǎn)到運行模式，退出復(fù)位狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行。而在實際應(yīng)用中，為了保證系統(tǒng)正常運行，電路中的電阻與電容的大小要選擇合適，否則不能保證在CPU復(fù)位時滿足最小脈寬。圖3.8按鍵復(fù)位電路3.5.2單片機與外圍電路的連接根據(jù)以上對各部分元器件的分析與了解可以將單片機所需要用到的各引腳單獨引出來與各個元器件進行連接。具體與外圍電路連接示意圖如圖3.9所示。圖3.9PCB原理圖單片機按照以上方法與外圍電路連接，由此實現(xiàn)更多功能。3.6電源電路設(shè)計整個系統(tǒng)使用USB就可供電，而USB接進來的是5V電壓，需要經(jīng)過下圖3.10中的1117-3.3降壓模塊，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，就可以滿足單片機電源供應(yīng)REF_Ref17835\r\h[14]。圖3.10STM31F103ZET6的電源部分電路原理圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計硬件設(shè)施在上一站已經(jīng)進行了設(shè)置與搭建，在此基礎(chǔ)上，這里將進一步對整個系統(tǒng)的軟件平臺進行構(gòu)建與研究。使用C語言進行軟件程序的編寫，將三個外置傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)輸出到控制器STM32F103ZET6內(nèi)，再將數(shù)據(jù)顯示到顯示器上REF_Ref17906\r\h[15]。4.1軟件開發(fā)環(huán)境與開發(fā)工具結(jié)合實際情況并經(jīng)過對比分析，本文選擇KeiluVision5進行軟件開發(fā)。Keil5具有簡潔、直觀的操作界面，使用非常方便，包括編譯、安裝和調(diào)試，讓用戶有一種全新的體驗。KeiluVision5與KeilMDK-ARMuVision4兼容。4.2主程序的流程框圖為便于讀者理解，本文繪制出主程序流程圖，具體如下。 圖4.1主程序流程圖4.3溫濕度傳感器運行流程圖本文采用繪圖軟件繪制出該器件工作流程。具體情況見下圖。圖4.2傳感器流程圖4.4甲醛傳感器流程圖本文采用繪圖軟件繪制出傳感器流程圖，具體情況如下。圖4.3ZE08流程圖4.5PM2.5傳感器本文采用繪圖軟件繪制出傳感器運行流程圖，具體如下。圖4.4PM2.5傳感器流程圖總結(jié)與展望5.1本文總結(jié)本文汲取和借鑒了國內(nèi)外空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)研究，然后進一步設(shè)計出一款檢測多個空氣質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測系統(tǒng)。為盡可能的提高系統(tǒng)自動化水平，本文以STM32F103ZET6芯片作為控制單元，并將其與其他外圍器件集成，能夠獲取室內(nèi)空氣中溫濕度以及甲醛是否超標(biāo)，PM2.5是否在正常范圍內(nèi)的信息，通過單片機處理顯示出來REF_Ref18288\r\h[16]。作為一個可檢測多個室內(nèi)空氣質(zhì)量的系統(tǒng)樣機，也可以在不同場合中，通過對系統(tǒng)的功能改進或者刪減，能夠快速與到其他的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，體現(xiàn)了本文的系統(tǒng)設(shè)計的價值所在REF_Ref18380\r\h[17]。本文的系統(tǒng)設(shè)計大致經(jīng)過了以下的步驟：從國內(nèi)外有關(guān)方面研究進展進行了分析，同時結(jié)合市場需求與自身所學(xué)知識內(nèi)容，提出設(shè)計出該系統(tǒng)的合理性與可行性。根據(jù)該系統(tǒng)最后要實現(xiàn)的基本功能，對各類元器件進行比較與選取，同時了解各元器件的工作原理與工作環(huán)境，同時還要注意每個傳感器模塊與單片機模塊的接口電路設(shè)計與規(guī)劃。最后將各個模塊進行連接測試與調(diào)節(jié)，確保該系統(tǒng)能在正常環(huán)境下正常運行。搭建該系統(tǒng)工作過程中的軟件開發(fā)環(huán)境，規(guī)劃設(shè)計各個模塊的程序流程圖，參考各個模塊的數(shù)據(jù)手冊設(shè)計各模塊的子程序，確保系統(tǒng)性能和功能達到應(yīng)用要求。系統(tǒng)設(shè)計出來以后，進行了調(diào)試以驗證是否可以實現(xiàn)最初系統(tǒng)對功能的要求。5.2發(fā)展與展望本課題所設(shè)計的系統(tǒng)在后續(xù)的發(fā)展過程中還是有很多改進的部分，在儀器的外觀尺寸上可以控制的更小REF_Ref18494\r\h[18]，各功能模塊的功耗也可以控制的更低，同時再實現(xiàn)最基本功能的基礎(chǔ)上，可以對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化與縮減，讓該系統(tǒng)可以更簡單便捷，更好的適用于室內(nèi)的空氣質(zhì)量的檢測，更好的達到便攜、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的要求。參考文獻許元，