基于CAN总线的PM2.5检测系统

2016-12-22邵文学张凤登

软件导刊 2016年11期

邵文学++张凤登

摘要：随着人们对空气中PM2.5等污染元素的日益关注，空气质量的好坏已经成为人们生活质量的衡量标准。为了满足用户对PM2.5检测的功能需求，提出了一种基于STM32和CAN总线协议的PM2.5检测系统，该系统通过CAN总线实现数据在各系统中的实时高效传输。对整个系统精度进行试验验证，将PM2.5测量结果与现有测量产品进行对比，实验结果表明，该系统精度高、性能稳定，能快速高效地让用户知晓空气质量，可以应用于家居和工厂等领域。

关键词关键词：PM2.5；STM32；CAN总线

DOIDOI：10.11907/rjdk.162065

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011011803

0 引言

近几年，空气质量问题越来越受到人们的关注。基于STM32的空气检测仪具有高效、便捷、实时检测等优点，能够实时对环境质量进行监控并报警PM2.5的值，将CAN总线应用于智能家居或者工厂能够有效地体现出这些优势。

本文设计了基于STM32和CAN总线的PM2.5检测系统，通过液晶显示屏来显示监测到的PM2.5值，可以高效地反映实时空气质量[3]。

1 系统总体设计

PM2.5监测系统主要由PM2.5浓度测量模块、液晶显示模块、CAN通信模块组成，其主控电路由STM32F103C8T8和其外围电路组成。PM2.5测量模块采用夏普一代PM2.5检测传感器，它将采集到的模拟信号传输给主控芯片，主控芯片经过AD转换获得PM2.5的值，再经过主控芯片相关处理后通过CAN通信模块传输至CAN网络，与此同时，若未接收来自CAN网络的PM2.5信号，则通过液晶显示模块显示接收到的来自CAN网络的值，反之，则显示其自身PM2.5传感器检测到的PM2.5值。系统整体结构如图1所示[5]。

2 硬件设计

2.1 STM32F103C8T8微处理器

STM32F103C8T8是一个32位的微处理器，采用ARMv7的Cortex-M3内核，其时钟频率高达72MHz，使用3.3V供电，具有丰富的外设，内置有CAN控制器，本次设计的PM2.5监测系统需要设计一个CAN节点，CAN控制器内置，只需要外接一个CAN收发器即可，简化了系统实现过程[5]。

BxCAN（Basic Extended CAN）是STM32内置的CAN控制器，它支持CAN协议2.0A和2.0B，bxCAN接口，可以自动地接收和发送CAN报文，支持标准标识符和扩展标识符[1]。具有3个发送邮箱，发送报文的优先级可以使用软件配置，可以记录发送的时间。有两个3级深度的接收FIFO，可以使用过滤发送只接收或不接收某些ID的报文[2]。

2.2 PM2.5传感器

本系统采用夏普的GP2Y1010AU0F。PM2.5传感器的原理：PM2.5传感器中存在一个发光二极管，当灰尘通过传感器时二极管射出的光就会折射回来，通过检测折射的光线来检测PM2.5的浓度[7]。

GP2Y1010AU0F优点是体积较小、功耗低而且可以检测非常细小的颗粒，同时该传感器检测时间较短，尘埃被检测到只需一个脉冲的时间，且还能区分烟和尘埃的区别[4]。

2.3 液晶显示器

液晶显示屏选用的是Nokia5110，该屏具有易于使用、功耗低、价格便宜等优点。

2.4 CAN外围收发器电路

TJA1050是Philips公司推出的总线收发器，应用在通信速率为60kbps～1Mbps的高速自动化系统中。TJA1050是CAN控制器和物理总线之间的接口，可以为CAN控制器提供不同的发送/接收功能，输入电平与3.3V以及5V的器件兼容，至少可以连接110个节点。它有两种工作模式，当STB接地时，TJA1050进入高速模式，如果接的是高电平，则进入待机模式，发送器被关闭，其电路原理如图2所示。

其中，TXD端口和 RXD端口与STM32F103C8T8的PA12口和PA11口相连接。CANH 端口与CANH端口与物理总线相连接，之间接一个120Ω的终端电阻，从而组成一个CAN通信模块。

3 软件设计

系统软件设计主要包括：初始化、PM2.5值的读取、PM2.5值的显示和CAN通信程序。其主体流程如图3所示。

3.1 系统初始化

对整个系统进行初始化配置，它包括系统时钟、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时的波特率，在设计中只需配置采样点的位置即可，Tq=1，TBS1=5，TBS2=3，分频器BRP=8。在APB1频率为36MHz的条件下CAN通信的波特率=36 000/[（1+5+3）*8]=500Kbit/s。

3.2 数据采集与打包发送

首先，判断GP2Y1010AU0F采集数据后经过AD转换后的值是否读取成功，若读取数据成功，则调用用户函数CAN_SetMsg（）将采集到的数据打包成报文，再调用库函数CAN_Transmit（）将该报文广播到CAN网络上。

3.3 PM2.5值采集、数据处理与实时显示

PM2.5检测部分的软件设计：除了各部分的初始化外，最重要的就是单片机对于采集后的数据进行处理，为了能够有效并实时地检测PM2.5的值，单片机必须要能够实时对PM2.5传感器测得值进行采集、处理、显示[6]。起初调试时将数据处理和数据显示都放到了程序的主函数中，虽然在电脑的串口显示程序中AD所采集的数据能够实时上传，但是在屏上显示的数据变化太快肉眼无法看清，加上延时函数后，显示问题虽然解决，却影响了数据采集，因此将数据采集和显示放在了中断函数中，这样可解决这个问题。

程序采用定时中断采集的方法，定时时间为10ms左右，根据调试时单片机所测得的数据，观察可知10ms定时所采集的数据较为合适。

采集的数据需要进行处理，发现PM2.5传感器输出的电压值，在一个周期中有一个最大值，与其余的较大值有很大差值。当有烟雾时，变化巨大的只有那个最大值，所以只有对其最大值进行数据分析才能够准确地知道PM2.5的浓度。在中断程序设计中，首先对PM2.5输出的模拟量进行采集，对采集的电压值进行大小排序，保存每组40个数据中的最大值一共保存5组，对这5组数据进行平均滤波，将处理后的数据跟无尘时的数据进行比较，保存大于无尘时的数据，然后再通过液晶显示。这种数据处理方式不仅增加了整个系统的稳定性，而且对于空气质量的检测也较为精准。

显示时首先判断是否接收到CAN网络里的数据，采用中断接收方式。若接收成功，则轮询标志变量flag变为0，表示成功接收到了数据，液晶实时显示接收到的数据；反之，则液晶实时显示自身PM2.5传感器采集到的数据。

4 调试与仿真

本次设计使用了Keil μVision4进行软件调试，使用Altium Designer画出系统原理图的pcb线路板，进行打样；将元器件焊好，用JTAG将程序烧录好进行实物调试[8]，使用Vector公司所生产的CANoe进行节点调试，如图4所示。

测试结果表明，该节点能够实现数据的接收和发送，最后进行有烟和无烟的实物调试，其调试结果如图5所示，左边实现的是无烟时，显示PM2.5值，右边实现的是有烟时[9]。

5 结语

本文进行了基于STM32和CAN总线协议的PM2.5检测系统设计，经过软件和硬件调试，能够很好地实现设计要求。实验表明，该系统精度高、性能稳定、实时性好，在智能家居或者工厂中具有很好的应用前景。

参考文献：

[1] 饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2] 初秀荣.基于CAN现场总线测控网络系统研究[D].青岛：青岛大学，2007.

[3] 王寅，王卉.PM2.5现状及其检测技术[J].资源节约与环保，2014（12）：138139.

[4] 王昊，孔令荣.PM2.5浓度无线检测系统设计[J].电子科技，2015，28（7）：133136.

[5] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京：北京航空航天出版社， 2005：2532.