基于STM32的环境综合参数检测仪的设计

测控技术

2018年第37卷第6期

智能感知与仪器仪表

基于STM32的环境综合参数检测仪的设计

苏百顺##靳孝峰2,郭帅童##霍晓丽2

(1.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南焦作454000% 2.焦作大学机电工程学院，河南焦作454000)

摘要:针对目前国内便携式环境参数检测仪器功能单一、测量精度低、实时性差和成本较高的缺点，设计 了一款采用STM32F103RCT6为核心控制器的环境参数检测仪，软件采用模块化程序设计。该检测仪 能够定时采集环境传感器数据，在HMI上显示VOC、PM2. 5、PM10、温湿度和气压等参数，从而确定环境 空气质量等级。测试结果表明，该测量仪运行稳定，数据实时性高，显示界面友好，能够为空气环境评价 提供相关依据，具有较好的市场应用前景。关键词：环境参数;模块化设计；空气质量等级；HMI中图分类号:TP391

文献标识码:A

文章编号!1000 -8829(2018)06 -0060 -04

doi:10. 19708/j. ckjs.2018.06.013

Designof Environment Comprehensive Parameter Detector BasedonSTM32

SU Bai-shun1, JIN Xiao-feng2, OUO Shuai-tong1, HUO Xiao-li2

(1. College of Computer Science and Technology, Henan Polytechnic University, Jiaozno 454000, China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiaozuo University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: In order to overcome the disadvantages of the single function, low accuracy, poor real-time and high cost for tlie

current domestic portable environmental

with

STM32F103RCT6

parameter as

the

measuring instrument, core

controller.

an A

detector is designed

environment pa

modular progra

software. The detector can collect the environmental sensor data at regular time and display parameters such asVOC, PM2. 5, PM 10, temperature, humidity

and

air pressure

on

the

HMI

to

determine

test result shows that the device runs stably and has the characteristics of good real-time and friendly displayinterface, which can

provide a

basis

for

air

environment

assessment and has a

better market

Key words: environment parameter; modular design; air quality grade; HMI

空气质量检测仪是空气质量检测的重要工具[1]， 在不同城市多点移动检测、不定期抽查重点污染企业 和应对空气质量应急监测突发事件处理等方面发挥了 重要作用。目前市场上的大多数便携式空气质量检测 仪存在着功能单一、测量精度低和性能不稳定等缺点， 而且很多都是基于特殊环境定制，成本相对较高[2]。 在分析空气质量污染成分的基础上，本文设计了一种 采用STM32处理器的环境综合参数检测仪，选用高性 能的数字式环境传感器模组，可以实时检测PM2. 5和

PM10浓度，同时还能检测VOC浓度、环境温湿度和大

气压强等其他参数，当环境空气质量指数超限时能够

进行声光报警，具有低功耗和多功能一体化的特点。

1整体方案设计

环境综合测试仪的组成结构框图如图1所示。

收稿日期:2017 -05 -24

基金项目：河南省科技攻关项目（152102210020,152102210204)%河南省大学生创新创业训练计划项目（201710460042)

作者简介：苏百顺（1977—)，男，河北唐山人，博士，讲师，主要研究方向为计算机测控技术。

图1环境测试仪结构框图

其中核心控制器采用意法半导体公司的基于 ARM Cortex™-M3内核的32位RISC处理器 STM32F103RCT6[3]。该芯片工作频率为72 MHz，工作 电压2. 0〜3. 6 V，支持UART、I2C等通信接口，具有高

基于STM32的环境综合参数检测仪的设计

性能、低功耗和实时性好等优点，能够满足设计要求。

• 61 *

的串行口 1、串行口 2分别和VOC模块、激光传感器模 块进行连接，采集对应的传感器数据信息，然后通过串

口 3送到HMI进行数据显示。各硬件组成部分说明 如下。

2硬件电路设计

该检测仪电路臓图如图！所示，STM32F103RCT6

图2检测仪电路原理图

20电源模块

检测仪采用3. 3 V电源供电，采用电源转换芯片

AMS1117将5 V电源转换为3.3 V为STM32供电⑷。

+5V

为了显示不同空气质量等级的颜色标识[6]，利

用STM32的PA2、PA4〜PA8的6个引脚串联6种不 同颜色的发光二极管来进行区分，具体电路如图2 所示。

当环境质量等级达到四级（红色$以上时，STM32 的端口 PC5输出低电平驱动PNP三极管8550，启动蜂 鸣器报警。1N4148续流二极管吸收蜂鸣器线圈的反 向电压避免损坏三极管。20 HMI显示模块

采用深圳淘晶驰电子公司提供的2. 2 B HMI智 能串口屏，内部集成OPU字库，支持多种组态控件，串 口屏内部有1 KB的指令缓冲区，STM32可无等待地 连续发送多条传输指令，相对于传统的触摸屏，传输数 据更加简单方便，程序代码量大大降低。通过2根数据 线与STM32F103RCT6的串口 3连接。串口屏接收STM32 串口发送过来的传感器数据，通过存储在该显示模 块上的SD卡上的内部串口接收命令进行数据显 示。

rf^9 rkQ

D7

〇I+~~Ci\\ai^

图3

电源模块

20报警电路

根据环保部《环境空气质量指数(AQI)技术规定》 分级方法[5]，得到表1空气质量指数及其相关信息。

表1空气质量指数及相关信息

空气质量指数

0 ~5051 ~ 100101 ~150151 ~200201 ~300>300

空气质量等级

一级二级

三级

空气质量类别

优良轻度污染中度污染重度污染严重污染

颜色标注

绿黄橙红紫褐

四级五级六级

• 62 *2.4环境检测传感器模组

传感器模组主要包括温湿度、气压、激光和VOC 传感器模块，下面分别进行说明。2.4.1温湿度传感器模块

温湿度传感器采用AM2302芯片，内部包括

一

个

电容式感湿元件和一个NTC测温元件[7]，采用5 V供 电，电源引脚和接地之间增加一个100 nF的去耦滤波 电容。该传感器模块的DATA引脚与STM32

F103RCT6的PC4引脚通过单总线连接。DATA引脚

接5 =!上拉电阻，当总线闲置时为高电平。2.4.2 气压传感器模块

大气压强也是一个重要的环境参数，采用Bk<

Sensortec生产的气压传感器腿P180数字芯片[8]，该

芯片内置压阻传感器、ADC和[PROM，采用3. 3 V供 电，SCL 和 SDA 引脚过 I2C 接口与 STM32 F103RCT6 的PB6和PB7引脚连接，外接4. 7 k!上拉电阻，总线 闲置时为局电平。2.4.3 TVOC传感器模块

TVOC模块采用先进的片式厚膜半导体气敏元

件，VOC检测的气体包括甲醛、苯、二氧化碳、氨气、氢 气、酒精、香烟烟雾、香精等有机挥发性气体，主要用于 室内空气质量检测，采用5 V电压供电，数据发送端与

STM32的PA3相连，通串口 2的RX2进行接收。

2.4.4激光传感器模块

采用DSL-03数字式激光传感器，该传感器内置激 光器和光电接收组件，采用光散射原理，LED发出的 光照射在激光传感器模块上，激光在颗粒物上产生散 射光，散射光强被光电转换器件接收，转换成电信 号[9]。对PM2.5和PM10进行测量，供电电压为5 V， 其中PM2. 5量程为1000 \"g/m3，PM10量程为1000 \"g/m3，分辨率为1 \"g/m3，可灵敏检测直径1 \"m以上 的灰尘颗粒物，内部通过特定算法得到PM2. 5和

PM10质量浓度。

3软件设计

STM32上电后进行系统的初始化，主要包括RTC

和串口初始化。开启激光传感器读取PM2. 5和PM10

《测控技术》2018年第37卷第6期

数据，然后进行数据校验，STM32验证接收到的数据 是否有效，无效则丢弃，有效后继续读取TVOC、

BMP180和AM2302的数据，将各传感器数据通串行

口发送到HMI液晶屏显示[10]。主程序流程图如图5 所示。

图5

主程序流程图

3.1 AQI计算

AQI 是指 SO2、NO2、O3、CO、PM2.5 和 PM10 共 6

种污染物的空气质量浓度分指数（IAQI)的最大值。

相比较而言，PM2. 5和PM10对空气质量的影响比其 他四项污染物的影响大得多，为了简化起见，空气质量 检测仪只对PM2. 5和PM10浓度进行测量，分别计算 得到对应污染物的空气质量分指数。严格来说，IAQI 值应该指的是24 D平均的PM2.5和PM10值，但为了 方便计算可以用实时的PM2. 5和PM10值来取代24 D 浓度平均值，将两项污染物中IAQI的较大值确定为 AQI，然后根据AQI分级标准，确定空气等级、类别和 颜色。

3.2各传感器模块数据通信

以上4种传感器虽然都是采用的数字信号传输， 但不同类型的传感器数据采集和处理方式也有所不 同，下面针对4种传感器的数据通信方式进行说明。 3.2. 1 BMP180数据通信

BMP180采用I2C总线协议进行数据采集。首先

芯片进行初始化，从BMP180的E2PROM内部读取11 个字（176位）的校正数据，STM32处理器发送时钟序 列采集压力和温度数据，转换时间结束后，未校准过的

压力或温度数据通过I2C接口读出，然后通过校正算 法获得真实的压力和温度值。

得到压力数据后可以获得海拔高度！，计算公式为！

a h44330 (1 -( 1\" r#5)

⑴

式中，\"为海平面的标准大气压;P为当前压力值，单 位为DPa。根据式⑴得到海拔高度，单位为m。

基于STM32的环境综合参数检测仪的设计3.2.2 AM2302数据通信

AM2302采用单总线方式采集温度和湿度数据，

控制和数据交换均通过

一

根数据线完成，因此STM32

访问AM2302需要保证严格的时序，数据格式为40位 数据，包括#6位湿度数据、16位温度数据和8位校验 和，局位在前，-一传送完毕。3.2.3 激光传感器数据通信

激光传感器采用异步串行通信方式（UART)，以 帧为单位进行通信，通信波特率9600 bit/s。帧格式如 表2所示，每

一

帧共9个字节，包含帧头、帧命令、数

据、校验和帧尾，其中数据包括PM10(高低字节）和

PM2. 5 (高低字节$。校验和=帧头+帧命令+数据+

帧尾。当STM32向传感器发送接收数据命令时，激光 传感器会按照表2的通信格式向STM32送出对应的 帧信息。

表2

通信巾贞格式

字节1字节2字节3 ~字节6

字节7、字节8

字节9帧头(0xAA)

帧命令

数据

校验和

帧尾(0'B)

3.2.4 VOC传感器数据通信

VOC模块采用串口通信，数据格式如表3所示。

表3

通信巾贞格式

字节1字节2字节3字节4地址码

高8位

低8位

校验和

其中地址码为0'9，校验和=地址码+数据高8 位+数据低8位。采用1位起始位，8位数据位，1位 停止位，波特率为9600 bit/s。

为了保持传感器的灵敏度和减少温漂的误差，模 块会根据算法自动更新洁净空气基准值，保存在内部

ROM，实时修正输出的数据。3.3串口屏HMI软件设计

采用USART HMI软件进行串口屏软件设计[11]。 该软件支持多种组态控件，对设计工程中的画面、图片 和控件分配唯一的5号，能够对当前各个控件所在的 画面位置和功能属性进行设置，设置完毕后，STM32 能够对5号进行解析，从而发送不同控件的控制指令 去控制界面显示[12]。

软件设计中主要包括文本控件、数字控件和图片 控件3种控件类型。其中文本控件数据共21个，显示

float型数据，先将数字转化为字符，然后使用文本控件

显示。数字控件2个，对PM2. 5和PM10的整型值进 行设置。图片控件6个，用来指示当前空气质量等级。 将文本和数字控件的属性>a设置为切图，使界面整 体看起来更和谐。

• 63 *

4结束语

经过测试后的HMI界面如图6所示，可以看出显

示界面简洁大方，参数设置丰富，数据准确，空气质量 等级颜色标识一目了然。

该检测仪具有测量精度高、成本低和多功能一体

化的特点，为空气环境质量等级评价提供了重要依据。

在完善功能的基础上，可以进-一提高它的实际应用 和市场推广价值。参考文献：

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