摘 要： 隨著人們對空氣污染的日益關注，空氣質(zhì)量檢測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檢測傳感器和MS1100VOC傳感器，有效檢測空氣中PM2.5和甲醛的濃度值，并通過自帶的WiFi模塊，可實現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量的遠程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測等功能。
關鍵詞： STM32；空氣質(zhì)量檢測；PM2.5；甲醛；WiFi
0 引言
近幾年，空氣污染問題受到人們越來越多的關注，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屬PM2.5和甲醛。
目前市場上已有很多空氣質(zhì)量檢測儀，這些空氣檢測儀功能大多比較單一，只能實現(xiàn)實時檢測、實時查看數(shù)據(jù)的功能，很難實現(xiàn)智能化和遠程監(jiān)測[1]。本課題所做的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)具有高效、便捷、實時檢測功能，同時又具有智能化和遠程監(jiān)測等優(yōu)點，能夠實時有效地對空氣質(zhì)量進行監(jiān)控及預警。
1 系統(tǒng)總體設計概述
1.1 硬件組成電路框圖
空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設計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)送入單片機進行處理，單片機將處理過后的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送給智能手機終端，用戶可以根據(jù)手機上面的數(shù)據(jù)實時觀察家居空氣質(zhì)量的情況；另一方面，用戶可以通過智能手機終端向WiFi模塊發(fā)送指令，WiFi模塊再將控制指令發(fā)送給單片機，單片機再做出相應的操作，實現(xiàn)用戶的遠程監(jiān)控功能。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 微處理器控制單元
本系統(tǒng)采用的是STM32單片機作為處理器，STM32價格便宜，性價比高，擁有一流的外設，具有低功耗、最大集成度、簡單結構、處理數(shù)據(jù)速度快、市場應用廣等優(yōu)點[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的通孔，空氣的流動帶動粉塵、煙霧等粒子的運動，在PM2.5傳感器中帶有發(fā)光二極管，檢測的主要原理就是通過發(fā)光二極管散發(fā)出的光，經(jīng)過灰塵的折射，根據(jù)接受管所接受到的光量來判斷灰塵的濃度，然后再將濃度值轉換成電壓值由單片機檢測[3]。
PM2.5傳感器采用的GP2Y1010AU0F粉塵類傳感器，相對于其他PM2.5檢測傳感器，它的封裝體積較小，而且可以檢測非常細小的顆粒，該傳感器檢測時間較短，塵埃只要一個脈沖的時間即可被檢測到，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是MS1100-P111VOC，該型號傳感器品質(zhì)好，精準度高，且靈敏度較好，能夠測量0.1 ppm濃度的氣體，是進口的半導體式傳感器，可以檢測多種不同的氣體[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是DHT11，該型號傳感器應用電路簡單，具有卓越的長期性和穩(wěn)定性，且功耗很小，它的相對濕度和溫度測量皆有露點，能做到自動休眠。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，該屏性價比高，可以顯示15個漢字，30個字符，接口較為簡單方便，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，是低功耗設備。具體電路如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)采用模塊化和層次化的設計方法，采用C語言編程使程序更加可靠，方便開發(fā)人員的調(diào)試和維護。軟件設計主要分為兩種：空氣中的可入肺顆粒物（PM2.5）檢測部分和空氣中甲醛含量的檢測。系統(tǒng)主程序如圖7所示。
PM2.5檢測部分軟件設計：除了各個部分的初始化之外，最重要的就是單片機對于采集后的數(shù)據(jù)進行處理。為了能夠有效并且實時地檢測PM2.5的值，單片機必須能夠實時對PM2.5傳感器測得值進行采集、處理、顯示。
甲醛、溫濕度檢測部分軟件設計：在讀取溫濕度的值時先跟其進行握手連接，如果握手成功則對其數(shù)據(jù)進行讀取，DHT11的傳輸數(shù)據(jù)包括整數(shù)和小數(shù)，對DHT11按時序進行數(shù)據(jù)讀取，然后在屏幕上顯示即可。
4 系統(tǒng)測試與分析
4.1 驅動條件
根據(jù)傳感器GP2Y1010的數(shù)據(jù)手冊，單片機的驅動條件就是在3腳輸入的PWM波的周期。按規(guī)格書上所說：占空比3.2%，周期10 ms的脈沖波，在此條件下無塵電壓固定，若有變動，無塵電壓將隨之變動。在設計程序中，如果沒有特定的條件，請在推薦范圍內(nèi)操作規(guī)范。
此外，根據(jù)電源電壓，輸出電壓也會改變。
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、4兩個腳，傳感器的第三腳是脈沖輸入端，單片機送入周期為10 ms的脈沖，5腳為單片機A/D采樣點。
需要注意的是：在單片機輸入PWM時，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)分別為無塵時傳感器所測得的峰峰電壓值和有灰塵時傳感器所測得的電壓峰峰值，此處也是傳感器數(shù)據(jù)處理的一個難點，借助Excel表格分別對所取得的數(shù)據(jù)進行平均濾波處理。具體如圖8、圖9所示。
由圖8、9可知，傳感器所測得的數(shù)據(jù)，在無塵和有塵時唯一的變化是在一個周期內(nèi)輸出的波形的峰峰值，所以在進行數(shù)據(jù)采集和處理時必須針對其峰峰值。
5 結束語
本文將嵌入式系統(tǒng)、Android應用、WiFi無線網(wǎng)絡等技術應用到有害氣體檢測設計中，實現(xiàn)PM2.5與甲醛檢測于一體的有害氣體檢測系統(tǒng)。測試結果證明，所有功能基本能夠實現(xiàn)，測量精準，可靠性高，功耗低。
參考文獻
[1] 矯曉敏，尚麗平．應用TDLAS探測氣體的誤差分析與補償研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（3）：70-72，76．
[2] 蔡屹.基于雙相鎖相放大器的微弱信號矢量測量[J].微計算機信息，2007，23（25）：111-112．
[3] 柏興洪.基于ARM9的嵌入式氣體檢測系統(tǒng)硬件平臺的設計及研究[D].重慶：重慶大學，2011．
[4] 王杰．基于STM32F103礦用高壓隔爆開關綜合保護系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津：河北工業(yè)大學，2010．
[5] 黎長云.基于ZigBee的低功耗無線油井傳感變送器的研究與設計[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2011．