室内环境参数监测微型系统研究与实现

王骏西 路晓波 陶杰

摘   要：随着生活水平的提高，人们更加重视室内环境质量。本文着重研究了STM32F0系列单片机内部模数转换模块、异步串行通信模块及模拟IIC的时序工作原理，设计了基于该单片机的室内环境参数监测微型低功耗系统。通过该系统实现了对室内温度、湿度、空气悬浮颗粒指数等参数的实时监测和显示功能。此外，本系统还预留了TTL电平的串行通信接口，为系统后续升级改造提供便利。

关键词：STM32F0单片机  微型监测系统  室内环境参数

中图分类号：TU831                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0137-02

人们生活水平日益提高，对生活环境的要求也越来越高，更加注重室内环境诸如温度、湿度、空气中可吸入微型颗粒物数量以及空气中有害气体含量等环境质量。因此，身处的室内环境参数可视化也成为人们追求的目标之一，可视化使得环境指数更加透明，增加人们对周身环境的可信度及安全感。同时，实现对周围环境可视化检测也有利于人们通过一些方法和手段及时调整环境状态，以适应自身需求。

1  系統总体设计

以室内环境参数可视化为出发点，结合室内环境参数监控的地点移动性和随机性等因素，以STM32F0系列单片机为系统控制核心，将检测到的数据处理，发送至OLED液晶显示器显示，方便人们了解自身所处环境的各参数指标，便携且可移动性良好。同时，该系统还预留了一个TTL电平的异步串行通信接口[1]（即UART），为后续系统通信扩展提供接口。

在整个系统中NTC-B3950为高精度温敏电阻，STM32F030为意法半导体32位单片机，Si7021为温湿度传感器模块，TGS2600为空气悬浮颗粒成分传感器，UART为串行异步通信接口。本系统采用精巧化结构设计，将所有器件和一块3V纽扣供电电池集成于一块PCB电路板上，整个系统集成后预计约2cm见方。

2  系统硬件设计

本系统基于STM32F0系列单片机实现，由3V纽扣电池作为电源，外部电路包含了高精度温敏电阻传感器、温湿度传感器、空气悬浮颗粒物传感器和OLED液晶显示部分分别通过模数转换模块、普通IO模块、模拟IIC接口与STM32F030单片机相连。硬件设计如图1所示。

在图1所示系统主要硬件设计原理图中，外部温度传感器（P7接口）采用1%精度的NTC-B3950温敏电阻，由PA0作为ADC的通道0读取该处的电压值，经过计算得到温敏电阻值及环境温度值。还可以采用Si7021型温湿度传感器模块（P4接口）采集环境温度和湿度，同时将温敏电阻采集的温度和温湿度传感器采集的温度进行温度补偿计算，可以使该系统采集环境温度更准确。系统采用TGS2600（P9接口）作为空气成分传感器，通过ADC采集传感器输出电压值，在通过标定的方式将电压值对应成空气质量参数，进而计算出空气质量参数[2]。

系统将上述参数采集过程得到的环境参数进行计算后通过IIC接口送至OLED显示屏进行逐行显示，系统完成一个周期的数据采集和显示。

3  系统软件设计

系统软件开发使用的是意法半导体官方推荐的Keil 5编译环境中完成。结合总体设计和硬件电路设计原理。

在软件设计中，根据流程初始化单片机A/D转换外设的转换方式、速率以及位数设置;I/O外设的输入输出方式设置;串行通信接口外设的引脚指定、传输数率、数据位数和数据接收方式设置;OLED的字库初始化等。

完成单片机外设资源初始化后，按照A/D采集到的电压值对应成电阻值，根据电阻值标定的温度值、空气质量参数值计算出当前温度和空气质量参数;读取TGS2600温湿度值。根据获取的温度值、温湿度值、空气质量参数值送至OLED显示器。系统完成一次显示后，程序会自动跳转至AD采集温度处，并按照软件工作流程执行，每显示一次就是系统传感器数据就更新以此。嵌入式系统程序是不断循环执行的，只要系统供电不中断，就会一直工作下去，采集各个传感器上的数据并显示。

4  系统实现结果

根据系统设计结构思想，将硬件设计原理通过Altium Designer设计出PCB图，再经过制版、焊接，通过Keil编程实现软件流程中各个功能单元模块，调试稳定后，本系统运行结果如图2所示。本系统集成度高，界面显示简洁，可将“环境湿度”、“环境温度”和“空气质量”的数值内容显示内容具体详实。

5  结语

该系统的实现，体现了STM32F0系列单片机功能强大、运行稳定、成本较低及性价高等优点。系统在设计之初预留了异步串行口，可以为后续无线通信设计提供端口支撑，该端口可以连接具有TTL电平异步串行接口的蓝牙通信模块、433M无线数传模块、WiFi通信模块等。增加了系统的可扩展性和应用广泛性。整个系统具有实现简单、体积小、功能多等优点，可以为其他室内环境监控检测小型化系统提供参考，具有实际应用价值。

参考文献

[1] 孙占鹏，李佳，欧文.多传感器室内环境监测系统[J].传感器与微系统，2017，36（1）：87-90.

[2] 陈阳.室内微环境智能监测系统分析与设计[J].科技经济市场，2016（3）：99-100.

[3] 徐玲.一种基于物联网的室内环境监测系统研究[J].物联网技术，2016，6（10）：32-34.