具有图形显示功能的室内空气质量监测仪设计

李金欢，周敏彤，殷吉桥

（苏州大学文正学院 江苏 苏州 215104）

1 引言

工业高速发展和高科技发展的新时代，空气污染对人类的健康危害越来越明显。随着人们生活水平的提高，人类对空气质量的关注度也越来越高。PM2.5和雾霾之类的字词逐渐进人每个人的生活。

本文介绍了一种基于STM32嵌入式平台的室内空气监测仪，系统实时监测PM2.5浓度和甲醛浓度，定期将数据保存于设备自带的SD卡中，并可根据数据绘制PM2.5浓度历史变化曲线，直观反映该区域的空气变化情况。

2 系统总体设计

整个系统由主控模块、数据采集模块、数据存储模块、显示模块和电源模块组成，其系统框图如图1所示。

图1 系统设计框图

空气质量传感器检测PM2.5、PM10的浓度，通过UART串口向单片机发送32bit数据，经过转换，得到与数据对应的实际空气质量数据，显示在OLED屏上，并将其存储到SD卡中。系统采用USB电源供电，同时配有备用纽扣电池，即使电源掉电也能保证系统时钟模块正常工作。系统板除了在OLED显示屏上显示实时测量信息，还可以根据用户设定绘制某一时段的历史数据曲线。

3 硬件设计

3.1 主控模块

系统的主控模块由STM32F103C8T6及外围电路构成。STM32F103系列单片机是一种应用较广的处理器芯片，系统时钟频率最高可达72MHz，具有较快的数据处理速度。同时，该芯片具有拥有多种外设接口，便于设备功能的扩展。

3.2 PM2.5传感器及接口

系统中用于测量空气中可吸入颗粒物的传感器是益杉科技公司的PM2.5、PM10粉尘传感器，该传感器采用日本罗姆工业级激光源，配合益杉公司独有激光防衰减技术和双频数据采集技术保证传感器的精度，与美国TSI公司的TSI8530粉尘仪类比，拟合度达98%。传感器内嵌微处理器，可以直接以串口方式和单片机通信。系统中该传感器的串口和单片机的UART相连。

3.3 甲醛传感器及接口

甲醛传感器选用ZE08-CH20模块，它有三种输出模式，分别是模拟量输出，PWM脉宽输出和UART串口输出。在系统设计中使用传感器模块的模拟输出端接单片机的模拟输入端，0.4V～2V的模拟输入范围满足STM32的AD转换量程要求。该传感器的分辨率可以达到0.001ppm，可以精确分辨空气中的甲醛浓度。

3.4 SD卡及接口

系统采集后的数据存储在单片机的flash和SD卡中。STM32F103C8T6自身的flash容量64K字节，以一次采集并存储的数据为20个字节计算，一天采集50次，去掉程序4K字节，flash可以存放近2个月的数据量。使用SD卡的目的是存放更多的数据，同时对数据进行备份，以便对大量的数据进行分析和保存。

SD卡一般使用专用接口，同时支持SPI协议。由于STM32F103系列没有专用的SDIO接口，所以SD卡的读写采用SPI通信，SD卡和单片机SPI端口的对应关系如图2所示。

图2 SD卡和单片机SPI总线的连接

4 软件设计

4.1 系统主程序设计

上电之后先初始化主控芯片各个模块，对每个传感器进行校准，之后每过半小时记录一次当地空气质量的数据，先将数据存入片内flash，同时将数据保存至SD卡。片内flash可以存储两个月的数据，如果片内flash已满，则清空片内flash，重新存储之后两个月的数据。之后在OLED屏幕上显示当前测量的空气质量情况。

4.2 历史数据图形显示子程序设计

为了能让使用者方便地看出空气质量变化情况，我们将空气质量历史数据以时间曲线方式直接绘制出显示在屏幕上，这样可以不用将数据读出而直观的看出变化规律。设计采用按键外部中断的方式实现。其中断服务程序流程如图3所示。

图3 按键中断服务程序流程图

5 结语

本文给出具有图形显示功能的室内空气质量监测仪的设计和实现方案，该方案可实时检测和显示室内的PM2.5和甲醛浓度，并能根据用户设定的时间范围，绘制在这一时间段内的空气质量变化曲线。通过实际测试结果证明，该系统体积小，检测结果直观，空气质量的历史变化曲线可以方便人们了解该区域的空气质量变化情况，为室内环境是否需要改进给出参考意见。