基于STM32室内空气质量检测系统硬件设计

王志强，王 直

（江苏科技大学 电子与信息学院，江苏 镇江 212003）

基于STM32室内空气质量检测系统硬件设计

王志强，王 直

（江苏科技大学 电子与信息学院，江苏 镇江 212003）

本室内空气质量检测系统，采用Cortex-M3为内核的STM32C8T6作为微处理器，主控板搭载SHT20温湿度传感器、PM2.5激光传感器，能够快速、准确地将室内温湿度值、PM2.5含量检测出来，并通过段式LCD液晶屏显示，同时根据检测出的PM2.5数值，利用CC2541蓝牙模块串口透传功能，发送自定义指令，让子模块执行相应功能。

温湿度；PM2.5；段式LCD；CC2541蓝牙模块；STM32

随着大气污染的日益加剧，受大气污染影响且污染更严重的室内空气污染成为全球性广泛关注重点[1]，在诸多气象因素中，对人体健康影响最大的是气温和湿度，当室内温度过高时，会影响到人的体温调节功能，脉搏和呼吸减慢，温度过低时，又会使人新陈代谢功能下降，同样，室内湿度过大时，抑制人体蒸发散热，使人体感到不舒适，而湿度过低时，会感到口干舌燥。人体的生理结构决定了对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，PM2.5的危害随着经济发展带来的空气污染，逐步暴露出其恐怖的一面。本设计是某型空气净化器控制枢纽，采用Corex-M3[2]为内核的STM32C8T6微处理器，搭载温湿度传感器、PM2.5激光传感器，利用蓝牙CC2541模块，段式LCD，将内室空气质量情况检测、显示、传输和控制方案集成一体[3]，能够帮助人们了解身体周边空气质量情况。

1 硬件电路设计

1.1 STM32外围电路设计

主控芯片STM32C8T6具有20 kB SRAM、64 kB FLASH、1个高级定时器、3个通用定时器、2个SPI、2个IIC、3个串口、1个USB、1个CAN、1个12ADC以及36个通用IO口，外围资源丰富，性能稳定是STM32广泛运用的重要因素之一[4]。

该部分电路主要包括复位电路、晶振电路、系统启动模式电路、SWD下载代码电路。 其中STM32C8T6为低电平复位，因此设计的电路也是低电平复位，这里的R3和C1构成了上电复位电路。外接8 M高速外部晶振，通过PLL锁相环倍频输出，可达到72 MHZ，相比传统的C51单片机，具有很大优势[5]。STM32启动模式可分为FLASH启动、系统存储器启动、SRAM启动。本电路通过硬件配置BOOT0、BOOT1为0，因此系统默认从FLASH启动。STM32下载电路大体有3种方式，第一种是串口下载，此种方式最大问题是只能下载代码，并不能实时跟踪调试。另外两种下载方式为JTAG、SWD，二者均通过JLINK仿真器，它们的差别在于，JTAG需要占用比SWD模式多很多的IO口，而主控板上这些IO口可能被用于其他外设，造成部分外设无法使用，而SWD只需要2个IO口（JTCK、JTMS）即可实现代码下载及在线仿真调试，本电路设计也是采用SWD代码下载方式。

图1 STM32外围电路设计

1.2 电源电路设计

外接12 V电源，电路中需要用到5 V、3.3 V电压，因此选用了 XL1509-5.0、LM1117-3.3V两款DC-DC转换芯片。XL1509系列芯片是一个150 KHz固定频率脉宽调制（降压型）DC/DC转换器。具有2A负载驱动能力并且效率高，低文波和极好的线性，负载能力好，仅需最少外部元件，较宽的电压输入范围4.5～40 V，输出可调范围1.23～37 V，这里我们直接选用该系列的XL1509-5.0型号，可直接输出5 V电压。芯片VIN为电压输入管脚，OUTPUT为功率开关输出引脚，FEEDBACK为反馈引脚，ON/OFF引脚为使能引脚，引脚为低时，开启设备。

图2 电源电路设计

LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2 V输出，负载电流为800 mA时为1.2 V。这里选择该系列固定电压输出型号LM1117-3.3 V，可以将5 V转换成需要的3.3 V电压。

1.3 SHT20温湿度传感器外围电路设计

SHT20，新一代Sensirion温湿度传感器在尺寸和智能方面形成了行业标准，它嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚DFN封装，地面3X3 mm，高度1.1 mm[6]。传感器输出经过标定的数字信号，标准I2C格式。该传感器湿度分辨率8/12 bit、温度分辨率12/ 14 bit可通过输入命令进行改变，湿度正常测量范围0-80%RH、温度为-40～+125摄氏度[7]。

图3 SHT20温湿度传感器外围电路

SHT20的工作电压范围是2.1～3.6 V，这里我们选择3.3 V供电，它与STM32C8T6通信采用标准I2C协议，由数据线SDA和时钟SCL构成串行总线，可发送和接受数据。图3中，R6和R7均为10 k上拉电阻，C11为滤波电容，VSS接地，VDD接3.3 V电压。

1.4 PM2.5传感器外围电路设计

该传感器选用的是北京海克智动科技开发有限公司型号为HK-PM01激光式PM2.5传感器。HKPM01是一款数字式通用颗粒物浓度传感器，可以用于获得单位体积内空气中0.3～10微米悬浮颗粒物个数，即颗粒浓度，并以数字接口形式输出，同时也可以输出每种粒子的质量数据。

图4 PM2.5传感器外围电路

PM2.5传感器供电电压为 5 V，SET引脚接STM32C8T6普通IO口即可，当SET=1时，模块工作在连续采样方式下，模块在每一次采样结束后主动上传采样数据，采样响应时间为1 s。当SET=0时，模块进入低功耗待机模式。RXD、TXD分别与STM32C8T6串口3的TX、RX相接。

1.5 CC2541蓝牙2.4 G模块设计

该模块选用的是深圳市蓝嵌科技有限公司的CC2541[8]蓝牙模块，该模块内置256 K字节可插除存储器，可提供PIO、UART、SPI、USB输出接口，工作频段2.402～2.480 GHz，接受灵敏度达到-88 dB（典型），最大可达-94 dB，板载天线情况下，通信距离有100米。

图5 CC2541蓝牙2.4G模块设计

模块3.3 V供电，模块nRST引脚为复位输入引脚，这里直接通过上拉电阻R9进行拉高。C13、C14为电源滤波电容，R12、R11电阻是为了阻抗匹配，防止反射。由于用到的是蓝牙串口透传功能，因此将蓝牙模块的RX、TX引脚接到STM32C8T6的串口1的TX、RX引脚。D5为发光二极管，作为蓝牙状态指示灯，当指示灯有规律的一闪一灭，说明该蓝牙主模块与其他蓝牙从模块未建立连接；当指示灯出现急促亮灭，说明与其他蓝牙模块已建立连接。另外需要说明的是，蓝牙模块的主从模式，可以通过PC串口将蓝牙模块进入AT模式进行修改。

1.6 段式LCD液晶屏驱动电路设计

段式LCD液晶屏主要用来显示数字，也可以根据项目实际需求定制图案，广泛应用于仪器、仪表、办公设备、银行系统、工控设备等[9]。与LED相比，LCD主要的特点是功耗极地，适合电池供电设备中使用，段式LCD有一个明显特点就是需要交流电压驱动，若用直流电压驱动会损坏段式液晶屏[10]，这就决定了STM32驱动段式LCD方法与驱动LED数码管方法不同，LCD数码管每个数码管几个相同的段连接在一起作为公共电极，单个数码管不在同一个公共极上的几个段连接在一起引出。为了更好的驱动段式LCD液晶屏，这里我们选择HT1622芯片，该芯片是台湾HOLTEK专门驱动段式液晶屏而研发的一种芯片，一个32X8LCD驱动器，内嵌32X8位显示RAM内存，1/4偏压和1/8的占空比，四线串行接口，具有数据、命令、数据命令3种数据访问模式，提供VLCD管教用于调整LCD操作电压。

CS为片选引脚，接上拉电阻，当CS为高电平时，读写HT1622的数据和命令无效，串行接口电路复位，当CS为低电平和作为输入时，读写HT1622的数据和命令有效；RD为读脉冲输入，接上拉电阻，在 RD信号的下降沿，HT1622内存数据被读到DATA线上，主控制器可以在下一个上升沿时锁存这些数据；WR为写脉冲输入，接上拉电阻，在WR信号的上升沿，DATA线上数据写到HT1622。DATA外接上拉电阻，该引脚作为串行数据输入/输出引脚。上述4个引脚与STM32通用IO口连接即可。R34为15 KΩ电位器，用于调节段式LCD液晶屏驱动电压。芯片COM0～COM7接液晶屏8个公共极，SEG0～SEG13分别接液晶屏14个段极。

图6 段式LCD液晶屏驱动电路

1.7 触摸感应按键电路设计

触摸感应检测按键是近年来迅速发展起来的一种新型按键，它可以穿透绝缘材料外壳（玻璃、塑料等等），通过检测人体手指带来的电荷移动，而判断出人体手指触摸动作，从而实现按键操作[11]。电容式触摸按键不需要传统按键的机械触点，也不再使用传统金属触摸的人体直接接触金属片而带来的安全隐患以及应用局限。FTC334B是专业的触摸按键处理芯片，采用最新高精度数字电容测量技术，能够做到防辐射以及电源干扰、防面板水珠影响[12]。其最大能支持到8个触摸按键功能。输出4位二进制码，带灵敏度选项脚，以及按键指示口。

图7 触摸感应按键电路

此部分电路中，C23、C24两个电容用于共同调节触摸灵敏度，二者电容之和越小，触摸灵敏度越高；电容之和越大触摸灵敏度越低。与此同时，芯片S1管脚也作为灵敏度调节输入选项口，内部有上拉电阻。悬空灵敏度高，接地灵敏度低，在调节C23、C24电容无法达到预期灵敏度时，使用S1选项脚辅助调节。K1～K8为8个触摸盘电容信号输入口，一般使用时串联470～1 kΩ电阻，能有效防止RF干扰和提升抗ESD静电能力。这里我们用了7个按键，K8未用到，接地处理。D0～D3为4个二进制码输出端，接STM32C8T6通用IO口即可。

2 测试及问题解决方案

测试过程中，发现蓝牙的通信距离大概只有20多米的距离，信号衰减比较厉害。原因是蓝牙信号容易被金属屏蔽，因此蓝牙模块周围尤其是天线部分，应该尽量远离金属部分[13]，在电路板PCB布局中，模块天线部分应靠载板PCB四围放置，不允许放置于板中，且天线下方载板铣空，与天线平行方向，不允许铺铜或走线[14]。把天线部分直接露出载板也是个比较好的选择。

按键会出现反应迟钝，或者出现连击的现象，这都是触摸芯片FTC334B外围电容设置不合理造成的原理，经过测试发现，一般电容值在0.1～1 uF之间能适应大部分应用场合。

运行时，偶尔会出现屏幕跳动，屏幕有鬼影现象。主要原因是电源滤波没有处理好，还有就是跟PCB布线也有较大关系，原则上输入输出端的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈耦合[15]。

3 结束语

设计了一款基于STM32C8T6室内空气质量检测模块，能够检测温度、湿度、PM2.5，通过段式LCD液晶屏显示出数值，同时根据检测出的PM2.5数值，利用2.4 GHz蓝牙CC2541无线串口透传功能发送自定义指令，让子模块执行相应功能。通过整机调试，一定程度上解决了蓝牙信号衰减、触摸按键灵敏度、段式LCD屏幕跳动及鬼影问题。

图8 整机测试效果图

[1]杨乾.基于AVR的多功能室内空气净化器设计[D].合肥：合肥工业大学，2015.

[2]Joseph Yiu.ARM Cortex-M3权威指南[M].姚文祥，译.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[3]李成祥.智能型室内空气质量检测与控制系统[D].北京：北京交通大学，2011.

[4]孙书鹰.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010，31（12）：2-4.

[5]刘火良.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[6]鲍爱达.基于FPGA和SHT21传感器的温湿度测量系统的设计[J].计算机测量与控制，2012，20（11）: 1-3.

[7]Sensirion公司.SH15数据手册[M]，2011.

[8]陈银溢.基于CC2541和LIS3DSH的计步器设计[J].机械工程与自动化，2014，6（187）:1-3.

[9]王月.基于单片机直接驱动段式LCD的驱动模块设计[J].研究与设计，2012，28（4）:2-4.

[10]林凡强.笔段式LCD驱动设计[J].液晶与显示，2012，27（4）:2-3.

[11]管瑞.电容触摸按键校准方法的研究与实现[D].武汉：武汉工业学院，2012.

[12]何燕冬，杨龙.电容式触摸感应技术中的电容物理学[J].电子产品世界，2009，16（8）:17-18.

[13]蔡祖欣.电容式触摸感应器和电路的研制[D].上海：上海交通大学，2008.

[14]陈蕾.几款小型蓝牙天线的设计与应用[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[15]孙标.基于ARM和吸光度法的糖化血红蛋白分析仪的设计[D].镇江：江苏科技大学，2015.

The hardware design of indoor air quality testing system based on STM32

WANG Zhi-qiang，WANG Zhi
（school of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

This indoor air quality testing system adopts Cortex-M3 as the core microprocessor STM32C8T6 as the core CPU embedded controller.The master plat carries SHT20 temperature and humidity sensor，PM2.5 laser sensor，able to quickly and accurately detect values，the sections of LCD can display that，at the same time，according to the detected PM2.5 values，the CC2541 bluetooth module with its serial transfer function to send custom commands to the child module performs，that will do the corresponding function.

temperature and humidity；PM2.5；Sections of LCD；CC2541 bluetooth module；STM32

TN99

A

1674-6236（2017）09-0108-05

2016-04-09稿件编号：201604089

王志强（1991—），男，江西赣州人，硕士研究生。研究方向：智能控制。