室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測微型系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

王駿西 路曉波 陶杰

摘 ? 要：隨著生活水平的提高，人們更加重視室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。本文著重研究了STM32F0系列單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、異步串行通信模塊及模擬IIC的時序工作原理，設(shè)計(jì)了基于該單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測微型低功耗系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)溫度、濕度、空氣懸浮顆粒指數(shù)等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和顯示功能。此外，本系統(tǒng)還預(yù)留了TTL電平的串行通信接口，為系統(tǒng)后續(xù)升級改造提供便利。

關(guān)鍵詞：STM32F0單片機(jī) ?微型監(jiān)測系統(tǒng) ?室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

中圖分類號：TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0137-02

人們生活水平日益提高，對生活環(huán)境的要求也越來越高，更加注重室內(nèi)環(huán)境諸如溫度、濕度、空氣中可吸入微型顆粒物數(shù)量以及空氣中有害氣體含量等環(huán)境質(zhì)量。因此，身處的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)可視化也成為人們追求的目標(biāo)之一，可視化使得環(huán)境指數(shù)更加透明，增加人們對周身環(huán)境的可信度及安全感。同時，實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境可視化檢測也有利于人們通過一些方法和手段及時調(diào)整環(huán)境狀態(tài)，以適應(yīng)自身需求。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以室內(nèi)環(huán)境參數(shù)可視化為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的地點(diǎn)移動性和隨機(jī)性等因素，以STM32F0系列單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，將檢測到的數(shù)據(jù)處理，發(fā)送至OLED液晶顯示器顯示，方便人們了解自身所處環(huán)境的各參數(shù)指標(biāo)，便攜且可移動性良好。同時，該系統(tǒng)還預(yù)留了一個TTL電平的異步串行通信接口[1]（即UART），為后續(xù)系統(tǒng)通信擴(kuò)展提供接口。

在整個系統(tǒng)中NTC-B3950為高精度溫敏電阻，STM32F030為意法半導(dǎo)體32位單片機(jī)，Si7021為溫濕度傳感器模塊，TGS2600為空氣懸浮顆粒成分傳感器，UART為串行異步通信接口。本系統(tǒng)采用精巧化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將所有器件和一塊3V紐扣供電電池集成于一塊PCB電路板上，整個系統(tǒng)集成后預(yù)計(jì)約2cm見方。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于STM32F0系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由3V紐扣電池作為電源，外部電路包含了高精度溫敏電阻傳感器、溫濕度傳感器、空氣懸浮顆粒物傳感器和OLED液晶顯示部分分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、普通IO模塊、模擬IIC接口與STM32F030單片機(jī)相連。硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

在圖1所示系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)原理圖中，外部溫度傳感器（P7接口）采用1%精度的NTC-B3950溫敏電阻，由PA0作為ADC的通道0讀取該處的電壓值，經(jīng)過計(jì)算得到溫敏電阻值及環(huán)境溫度值。還可以采用Si7021型溫濕度傳感器模塊（P4接口）采集環(huán)境溫度和濕度，同時將溫敏電阻采集的溫度和溫濕度傳感器采集的溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，可以使該系統(tǒng)采集環(huán)境溫度更準(zhǔn)確。系統(tǒng)采用TGS2600（P9接口）作為空氣成分傳感器，通過ADC采集傳感器輸出電壓值，在通過標(biāo)定的方式將電壓值對應(yīng)成空氣質(zhì)量參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出空氣質(zhì)量參數(shù)[2]。

系統(tǒng)將上述參數(shù)采集過程得到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后通過IIC接口送至OLED顯示屏進(jìn)行逐行顯示，系統(tǒng)完成一個周期的數(shù)據(jù)采集和顯示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)使用的是意法半導(dǎo)體官方推薦的Keil 5編譯環(huán)境中完成。結(jié)合總體設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)原理。

在軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)流程初始化單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換外設(shè)的轉(zhuǎn)換方式、速率以及位數(shù)設(shè)置;I/O外設(shè)的輸入輸出方式設(shè)置;串行通信接口外設(shè)的引腳指定、傳輸數(shù)率、數(shù)據(jù)位數(shù)和數(shù)據(jù)接收方式設(shè)置;OLED的字庫初始化等。

完成單片機(jī)外設(shè)資源初始化后，按照A/D采集到的電壓值對應(yīng)成電阻值，根據(jù)電阻值標(biāo)定的溫度值、空氣質(zhì)量參數(shù)值計(jì)算出當(dāng)前溫度和空氣質(zhì)量參數(shù);讀取TGS2600溫濕度值。根據(jù)獲取的溫度值、溫濕度值、空氣質(zhì)量參數(shù)值送至OLED顯示器。系統(tǒng)完成一次顯示后，程序會自動跳轉(zhuǎn)至AD采集溫度處，并按照軟件工作流程執(zhí)行，每顯示一次就是系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)就更新以此。嵌入式系統(tǒng)程序是不斷循環(huán)執(zhí)行的，只要系統(tǒng)供電不中斷，就會一直工作下去，采集各個傳感器上的數(shù)據(jù)并顯示。

4 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思想，將硬件設(shè)計(jì)原理通過Altium Designer設(shè)計(jì)出PCB圖，再經(jīng)過制版、焊接，通過Keil編程實(shí)現(xiàn)軟件流程中各個功能單元模塊，調(diào)試穩(wěn)定后，本系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。本系統(tǒng)集成度高，界面顯示簡潔，可將“環(huán)境濕度”、“環(huán)境溫度”和“空氣質(zhì)量”的數(shù)值內(nèi)容顯示內(nèi)容具體詳實(shí)。

5 ?結(jié)語

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了STM32F0系列單片機(jī)功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低及性價(jià)高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初預(yù)留了異步串行口，可以為后續(xù)無線通信設(shè)計(jì)提供端口支撐，該端口可以連接具有TTL電平異步串行接口的藍(lán)牙通信模塊、433M無線數(shù)傳模塊、WiFi通信模塊等。增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和應(yīng)用廣泛性。整個系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡單、體積小、功能多等優(yōu)點(diǎn)，可以為其他室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控檢測小型化系統(tǒng)提供參考，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫占鵬，李佳，歐文.多傳感器室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（1）：87-90.

[2] 陳陽.室內(nèi)微環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2016（3）：99-100.

[3] 徐玲.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（10）：32-34.