摘  要： 隨著人們對(duì)空氣污染的日益關(guān)注，空氣質(zhì)量檢測(cè)已成為智能家居生活的重要組成部分。本文采用STM32、夏普PM2.5檢測(cè)傳感器和MS1100VOC傳感器，有效檢測(cè)空氣中PM2.5和甲醛的濃度值，并通過(guò)自帶的WiFi模塊，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)等功能。

　　關(guān)鍵詞： STM32；空氣質(zhì)量檢測(cè)；PM2.5；甲醛；WiFi

0 引言

　　近幾年，空氣污染問(wèn)題受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，除了頻繁造訪的霧霾天氣造成的空氣污染，室內(nèi)各種有害氣體污染的狀況也不容樂(lè)觀，造成空氣污染的物質(zhì)種類很多，其中最被人們所熱議的當(dāng)屬PM2.5和甲醛。

　　目前市場(chǎng)上已有很多空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，這些空氣檢測(cè)儀功能大多比較單一，只能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)的功能，很難實(shí)現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[1]。本課題所做的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)具有高效、便捷、實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，同時(shí)又具有智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)有效地對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控及預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

　　1.1 硬件組成電路框圖

　　空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要由電源電路、微處理器、PM2.5傳感器、VOC傳感器、LCD顯示模塊、595數(shù)碼管等級(jí)顯示等組成，具體如圖1所示。

　　1.2 電路基本工作原理及主要功能介紹

　　系統(tǒng)經(jīng)傳感器模塊采集傳感器輸出的電壓值，將采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將處理過(guò)后的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊發(fā)送給智能手機(jī)終端，用戶可以根據(jù)手機(jī)上面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察家居空氣質(zhì)量的情況；另一方面，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)終端向WiFi模塊發(fā)送指令，WiFi模塊再將控制指令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再做出相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 微處理器控制單元

　　本系統(tǒng)采用的是STM32單片機(jī)作為處理器，STM32價(jià)格便宜，性價(jià)比高，擁有一流的外設(shè)，具有低功耗、最大集成度、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、處理數(shù)據(jù)速度快、市場(chǎng)應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。STM32最小系統(tǒng)如圖2所示。

　　2.2 PM2.5傳感器電路

　　PM2.5傳感器的原理：PM2.5傳感器中有空氣流動(dòng)的通孔，空氣的流動(dòng)帶動(dòng)粉塵、煙霧等粒子的運(yùn)動(dòng)，在PM2.5傳感器中帶有發(fā)光二極管，檢測(cè)的主要原理就是通過(guò)發(fā)光二極管散發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)灰塵的折射，根據(jù)接受管所接受到的光量來(lái)判斷灰塵的濃度，然后再將濃度值轉(zhuǎn)換成電壓值由單片機(jī)檢測(cè)[3]。

　　PM2.5傳感器采用的GP2Y1010AU0F粉塵類傳感器，相對(duì)于其他PM2.5檢測(cè)傳感器，它的封裝體積較小，而且可以檢測(cè)非常細(xì)小的顆粒，該傳感器檢測(cè)時(shí)間較短，塵埃只要一個(gè)脈沖的時(shí)間即可被檢測(cè)到，且還能區(qū)分煙和塵埃。具體電路如圖3所示。

　　2.3 甲醛傳感器電路

　　甲醛傳感器采用的型號(hào)是MS1100-P111VOC，該型號(hào)傳感器品質(zhì)好，精準(zhǔn)度高，且靈敏度較好，能夠測(cè)量0.1 ppm濃度的氣體，是進(jìn)口的半導(dǎo)體式傳感器，可以檢測(cè)多種不同的氣體[4]。具體電路如圖4所示。

　　2.4 溫濕度傳感器電路

　　溫濕度傳感器采用的型號(hào)是DHT11，該型號(hào)傳感器應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，具有卓越的長(zhǎng)期性和穩(wěn)定性，且功耗很小，它的相對(duì)濕度和溫度測(cè)量皆有露點(diǎn)，能做到自動(dòng)休眠。具體電路如圖5所示。

　　2.5 液晶顯示電路

　　液晶顯示采用顯示屏LCDNokia5110，該屏性價(jià)比高，可以顯示15個(gè)漢字，30個(gè)字符，接口較為簡(jiǎn)單方便，只需要四根數(shù)據(jù)線、電源和地即可完成液晶的顯示部分。不僅如此，該屏傳輸數(shù)據(jù)快，工作電壓為3.3 V，是低功耗設(shè)備。具體電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，采用C語(yǔ)言編程使程序更加可靠，方便開(kāi)發(fā)人員的調(diào)試和維護(hù)。軟件設(shè)計(jì)主要分為兩種：空氣中的可入肺顆粒物（PM2.5）檢測(cè)部分和空氣中甲醛含量的檢測(cè)。系統(tǒng)主程序如圖7所示。

　　PM2.5檢測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)：除了各個(gè)部分的初始化之外，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。為了能夠有效并且實(shí)時(shí)地檢測(cè)PM2.5的值，單片機(jī)必須能夠?qū)崟r(shí)對(duì)PM2.5傳感器測(cè)得值進(jìn)行采集、處理、顯示。

　　甲醛、溫濕度檢測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)：在讀取溫濕度的值時(shí)先跟其進(jìn)行握手連接，如果握手成功則對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，DHT11的傳輸數(shù)據(jù)包括整數(shù)和小數(shù)，對(duì)DHT11按時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，然后在屏幕上顯示即可。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

　　4.1 驅(qū)動(dòng)條件

　　根據(jù)傳感器GP2Y1010的數(shù)據(jù)手冊(cè)，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件就是在3腳輸入的PWM波的周期。按規(guī)格書上所說(shuō)：占空比3.2%，周期10 ms的脈沖波，在此條件下無(wú)塵電壓固定，若有變動(dòng)，無(wú)塵電壓將隨之變動(dòng)。在設(shè)計(jì)程序中，如果沒(méi)有特定的條件，請(qǐng)?jiān)谕扑]范圍內(nèi)操作規(guī)范。

　　此外，根據(jù)電源電壓，輸出電壓也會(huì)改變。

　　4.2 硬件連接

　　圖3中傳感器引腳1接上150 的電阻，然后接上6腳，6腳接上5 V電源，1腳接上220 F有極性電容，然后接上2、4兩個(gè)腳，傳感器的第三腳是脈沖輸入端，單片機(jī)送入周期為10 ms的脈沖，5腳為單片機(jī)A/D采樣點(diǎn)。

　　需要注意的是：在單片機(jī)輸入PWM時(shí)，有條件的話，要用示波器先觀察波形，看輸出的波形是否符合要求。傳感器的正負(fù)不能接反。

　　4.3 傳感器數(shù)據(jù)處理

　　傳感器所要處理的數(shù)據(jù)分別為無(wú)塵時(shí)傳感器所測(cè)得的峰峰電壓值和有灰塵時(shí)傳感器所測(cè)得的電壓峰峰值，此處也是傳感器數(shù)據(jù)處理的一個(gè)難點(diǎn)，借助Excel表格分別對(duì)所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波處理。具體如圖8、圖9所示。

　　由圖8、9可知，傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)，在無(wú)塵和有塵時(shí)唯一的變化是在一個(gè)周期內(nèi)輸出的波形的峰峰值，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)必須針對(duì)其峰峰值。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文將嵌入式系統(tǒng)、Android應(yīng)用、WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到有害氣體檢測(cè)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)PM2.5與甲醛檢測(cè)于一體的有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果證明，所有功能基本能夠?qū)崿F(xiàn)，測(cè)量精準(zhǔn)，可靠性高，功耗低。

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