基于CAN總線的PM2.5檢測(cè)系統(tǒng)

邵文學(xué)++張鳳登

摘 要：隨著人們對(duì)空氣中PM2.5等污染元素的日益關(guān)注，空氣質(zhì)量的好壞已經(jīng)成為人們生活質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足用戶對(duì)PM2.5檢測(cè)的功能需求，提出了一種基于STM32和CAN總線協(xié)議的PM2.5檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)高效傳輸。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將PM2.5測(cè)量結(jié)果與現(xiàn)有測(cè)量產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定，能快速高效地讓用戶知曉空氣質(zhì)量，可以應(yīng)用于家居和工廠等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：PM2.5；STM32；CAN總線

DOIDOI：10.11907/rjdk.162065

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）011011803

0 引言

近幾年，空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。基于STM32的空氣檢測(cè)儀具有高效、便捷、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控并報(bào)警PM2.5的值，將CAN總線應(yīng)用于智能家居或者工廠能夠有效地體現(xiàn)出這些優(yōu)勢(shì)。

本文設(shè)計(jì)了基于STM32和CAN總線的PM2.5檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)液晶顯示屏來(lái)顯示監(jiān)測(cè)到的PM2.5值，可以高效地反映實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由PM2.5濃度測(cè)量模塊、液晶顯示模塊、CAN通信模塊組成，其主控電路由STM32F103C8T8和其外圍電路組成。PM2.5測(cè)量模塊采用夏普一代PM2.5檢測(cè)傳感器，它將采集到的模擬信號(hào)傳輸給主控芯片，主控芯片經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換獲得PM2.5的值，再經(jīng)過(guò)主控芯片相關(guān)處理后通過(guò)CAN通信模塊傳輸至CAN網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，若未接收來(lái)自CAN網(wǎng)絡(luò)的PM2.5信號(hào)，則通過(guò)液晶顯示模塊顯示接收到的來(lái)自CAN網(wǎng)絡(luò)的值，反之，則顯示其自身PM2.5傳感器檢測(cè)到的PM2.5值。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103C8T8微處理器

STM32F103C8T8是一個(gè)32位的微處理器，采用ARMv7的Cortex-M3內(nèi)核，其時(shí)鐘頻率高達(dá)72MHz，使用3.3V供電，具有豐富的外設(shè)，內(nèi)置有CAN控制器，本次設(shè)計(jì)的PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，CAN控制器內(nèi)置，只需要外接一個(gè)CAN收發(fā)器即可，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程[5]。

BxCAN（Basic Extended CAN）是STM32內(nèi)置的CAN控制器，它支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，bxCAN接口，可以自動(dòng)地接收和發(fā)送CAN報(bào)文，支持標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符[1]。具有3個(gè)發(fā)送郵箱，發(fā)送報(bào)文的優(yōu)先級(jí)可以使用軟件配置，可以記錄發(fā)送的時(shí)間。有兩個(gè)3級(jí)深度的接收FIFO，可以使用過(guò)濾發(fā)送只接收或不接收某些ID的報(bào)文[2]。

2.2 PM2.5傳感器

本系統(tǒng)采用夏普的GP2Y1010AU0F。PM2.5傳感器的原理：PM2.5傳感器中存在一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)灰塵通過(guò)傳感器時(shí)二極管射出的光就會(huì)折射回來(lái)，通過(guò)檢測(cè)折射的光線來(lái)檢測(cè)PM2.5的濃度[7]。

GP2Y1010AU0F優(yōu)點(diǎn)是體積較小、功耗低而且可以檢測(cè)非常細(xì)小的顆粒，同時(shí)該傳感器檢測(cè)時(shí)間較短，塵埃被檢測(cè)到只需一個(gè)脈沖的時(shí)間，且還能區(qū)分煙和塵埃的區(qū)別[4]。

2.3 液晶顯示器

液晶顯示屏選用的是Nokia5110，該屏具有易于使用、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 CAN外圍收發(fā)器電路

TJA1050是Philips公司推出的總線收發(fā)器，應(yīng)用在通信速率為60kbps～1Mbps的高速自動(dòng)化系統(tǒng)中。TJA1050是CAN控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN控制器提供不同的發(fā)送/接收功能，輸入電平與3.3V以及5V的器件兼容，至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。它有兩種工作模式，當(dāng)STB接地時(shí)，TJA1050進(jìn)入高速模式，如果接的是高電平，則進(jìn)入待機(jī)模式，發(fā)送器被關(guān)閉，其電路原理如圖2所示。

其中，TXD端口和 RXD端口與STM32F103C8T8的PA12口和PA11口相連接。CANH 端口與CANH端口與物理總線相連接，之間接一個(gè)120Ω的終端電阻，從而組成一個(gè)CAN通信模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：初始化、PM2.5值的讀取、PM2.5值的顯示和CAN通信程序。其主體流程如圖3所示。

3.1 系統(tǒng)初始化

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，它包括系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、AD、GP2Y1010AU0F、液晶初始化和CAN等的初始化配置[10]。其中在CAN模式的配置中需要配置工作時(shí)的波特率，在設(shè)計(jì)中只需配置采樣點(diǎn)的位置即可，Tq=1，TBS1=5，TBS2=3，分頻器BRP=8。在APB1頻率為36MHz的條件下CAN通信的波特率=36 000/[（1+5+3）*8]=500Kbit/s。

3.2 數(shù)據(jù)采集與打包發(fā)送

首先，判斷GP2Y1010AU0F采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后的值是否讀取成功，若讀取數(shù)據(jù)成功，則調(diào)用用戶函數(shù)CAN_SetMsg（）將采集到的數(shù)據(jù)打包成報(bào)文，再調(diào)用庫(kù)函數(shù)CAN_Transmit（）將該報(bào)文廣播到CAN網(wǎng)絡(luò)上。

3.3 PM2.5值采集、數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)顯示

PM2.5檢測(cè)部分的軟件設(shè)計(jì)：除了各部分的初始化外，最重要的就是單片機(jī)對(duì)于采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為了能夠有效并實(shí)時(shí)地檢測(cè)PM2.5的值，單片機(jī)必須要能夠?qū)崟r(shí)對(duì)PM2.5傳感器測(cè)得值進(jìn)行采集、處理、顯示[6]。起初調(diào)試時(shí)將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示都放到了程序的主函數(shù)中，雖然在電腦的串口顯示程序中AD所采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)上傳，但是在屏上顯示的數(shù)據(jù)變化太快肉眼無(wú)法看清，加上延時(shí)函數(shù)后，顯示問(wèn)題雖然解決，卻影響了數(shù)據(jù)采集，因此將數(shù)據(jù)采集和顯示放在了中斷函數(shù)中，這樣可解決這個(gè)問(wèn)題。

程序采用定時(shí)中斷采集的方法，定時(shí)時(shí)間為10ms左右，根據(jù)調(diào)試時(shí)單片機(jī)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，觀察可知10ms定時(shí)所采集的數(shù)據(jù)較為合適。

采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)PM2.5傳感器輸出的電壓值，在一個(gè)周期中有一個(gè)最大值，與其余的較大值有很大差值。當(dāng)有煙霧時(shí)，變化巨大的只有那個(gè)最大值，所以只有對(duì)其最大值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析才能夠準(zhǔn)確地知道PM2.5的濃度。在中斷程序設(shè)計(jì)中，首先對(duì)PM2.5輸出的模擬量進(jìn)行采集，對(duì)采集的電壓值進(jìn)行大小排序，保存每組40個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值一共保存5組，對(duì)這5組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波，將處理后的數(shù)據(jù)跟無(wú)塵時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，保存大于無(wú)塵時(shí)的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)液晶顯示。這種數(shù)據(jù)處理方式不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且對(duì)于空氣質(zhì)量的檢測(cè)也較為精準(zhǔn)。

顯示時(shí)首先判斷是否接收到CAN網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)，采用中斷接收方式。若接收成功，則輪詢標(biāo)志變量flag變?yōu)?，表示成功接收到了數(shù)據(jù)，液晶實(shí)時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù)；反之，則液晶實(shí)時(shí)顯示自身PM2.5傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

4 調(diào)試與仿真

本次設(shè)計(jì)使用了Keil μVision4進(jìn)行軟件調(diào)試，使用Altium Designer畫出系統(tǒng)原理圖的pcb線路板，進(jìn)行打樣；將元器件焊好，用JTAG將程序燒錄好進(jìn)行實(shí)物調(diào)試[8]，使用Vector公司所生產(chǎn)的CANoe進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)試，如圖4所示。

測(cè)試結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，最后進(jìn)行有煙和無(wú)煙的實(shí)物調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如圖5所示，左邊實(shí)現(xiàn)的是無(wú)煙時(shí)，顯示PM2.5值，右邊實(shí)現(xiàn)的是有煙時(shí)[9]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了基于STM32和CAN總線協(xié)議的PM2.5檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)軟件和硬件調(diào)試，能夠很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好，在智能家居或者工廠中具有很好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）