基于STM32F4大气监测系统微站的软硬件设计

郑 蕊,王晓荣,吴 棋,李明朗,张冬华

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816)

0 引言

为了更好地解决大气污染问题，必须要加强大气环境监测力度。根据实时检测大气中污染物的浓度变化，从而分析大气的质量。传统的大气监测技术主要是靠人工定时定点采样的被动监测技术[1]。随着现代测量、控制以及自动化技术的发展，利用计算机、物联网技术，大气监测技术由被监测转变为自动监测，采样范围变宽，监测项目增多。本文设计一种具有体积小、线性度好、响应时间快、稳定性好以及人机交互友好等优点的仪器。

1 微站的总体设计

根据微站要实现的功能要求以及监测污染物的复杂性，微站的功能采用模块化的设计。微站的工作流程大致是调理电路将传感器采集的数据进行放大处理后传送给主控制器，主控制器进行数据处理后实时将结果显示在液晶显示屏上，实现人机交互，同时支持无线通讯功能。微站的工作流程如图1所示。

图1 微站的工作流程

泵控模块：将大气泵入腔内，加快大气的流动速度，让传感器能更快感知大气中各种参数的变化；

传感器模块：负责采集大气中4种污染物的浓度以及环境的温湿度，并对传感器采集的信号进行处理；

主控制器：负责整个系统硬件的控制和管理工作，是整个系统的控制核心；

人机交互模块：负责显示被监测污染物的实时浓度值、环境的温湿度值，且用户可通过触摸屏查看历史数据功能；

通讯模块：支持无线通讯，便与后期进行数据远距离传输。

2 微站的硬件设计

微站硬件设计的微处理器选择工业级芯片STM32F4，该芯片工作频率高达180 MHz，具有2M的Flash闪存，同时拥有丰富的I2C、SPI、ADC、UART等多个通信接口，能够满足仪器功能设计需求[2-3]。硬件系统结构包括供电模块、主控制器模块、实时时钟模块、传感器信号调理电路模块、液晶显示屏模块、外部存储器模块以及通信模块等。硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

2.1 泵控电路

本设计传感器安装采用内嵌式，增加泵控电路是为了让传感器更快感知大气中污染物的浓度变化。气泵型号为KVP15-KM-1-C-A，具有低能耗、大流量、高压、稳定性好等特点，寿命长达8 000 h，工作温度为0～40 ℃，工作电压为12 V，启动电流为1.2 A，气体流量≥10 L/min。泵控电路采用MJE800G型号的达林顿管来驱动气泵。气体泵控制电路如图3所示。

图3 气体泵控电路

2.2 泵控电路

针对气体电化学传感器输出的μA级电流，经I/V转换成mV级的电压信号后，经滤波器得到一个稳定的电压值，最后调节放大倍数，将电压变化范围限定在0～3.3 V后就可以送到微控制器的AD采集。本文选用噪声小，偏置电流不大于100 pA、较小的1 μV偏置电压，温漂小以及开环增益大的双通道运算放大器AD8629。电路中场效应管J175在短路时能确保参考电极和工作电极保持相同的电位。信号调理电路如图4所示。

图4 信号调理电路

2.3 颗粒物传感器接口电路

颗粒物传感器选用激光粉尘颗粒物传感器SDS018。该传感器采用串口输出方式，能够测出空气中0.3～10 μm的悬浮颗粒物浓度，测量数据稳定可靠，响应速度快，1次/s，寿命长达8 000 h，测量量程为0～1 000 μg/m3。SDS018的接口电路如图5所示。

图5 SDS018的接口电路

2.4 外部存储模块

采用型号为M25P16的Flash芯片，工作电压范围为2.7～3.6 V，容量为16 Mbit，可分为32个扇区，每个扇区分为256页，每页长度为256个字节，支持页编程。M25P16采用四线制SPI通信方式。Flash存储电路如图6所示。

图6 Flash存储电路

2.5 液晶显示接口电路

选用的23.33 cm的彩色液晶显示触摸屏，型号为GL25U070AT8048T，该显示屏使用5 V电压供电，采用SPI通信方式与主芯片实现串行通信，在时钟线和信号线各串联一个33 Ω的小电阻用来减少导线电感的影响，增加阻尼，降低信号过冲。液晶显示接口电路如图7所示。

图7 液晶显示接口电路

2.6 无线通讯接口电路

选用型号为L218的GPRS模块。该模块具有超小的体积，功耗低，支持GPS+北斗双星定位系统，使定位更加精准，支持GSM/GPRS无线通信功能，拥有TCP/UDP/FTP等网络协议，只需通过发送AT指令就可以实现应用开发[4-5]，简化了用户开发工作。L218模块接口电路如图8所示。

图8 L218模块接口电路

3 微站的软件设计

3.1 软件设计流程

微站的软件设计是基于RT-thread实时操作系统。RT-Thread操作系统相对于其他操作系统也具有很大的优势，与 Linux 操作系统相比较，体积小、成本低、功耗低、启动快速，除此以外，RT-Thread 还具有实时性高、占用资源小等特点，非常适用于各种资源受限(如成本、功耗限制等)的场合[6-7]。

软件设计首先在硬件平台上移植RT-Thread操作系统，然后在移植的操作系统上调用API函数编写底层的驱动程序以及各线程的设计。设计流程如图9所示。

图9 软件设计流程

3.2 人机交互模块软件设计

采用emWin进行界面开发。emWin源代码是采用C语言来实现的，可用于大多数平台。本文设计的是多窗口可切换操作界面，通过WM的消息传递机制和回调机制可以实现界面显示、控件操作以及界面更新等多种功能。界面设计如图10所示。

图10 界面设计

4 实验分析

为验证仪器的性能，在实验室搭建的环境下先进行了响应时间实验，随后对仪器进行了准确性实验来分析仪器的性能。

4.1 响应时间实验

响应时间实验首先通入零气，待显示屏数值稳定后，通入各传感器满量程的80%浓度的标准气体，分别记录从界面开始有数值反应到界面显示的数值达标准气体的90%浓度值时所用的时间，即为该传感器的响应时间，记录数据如表1所示。

表1 响应时间实验数据

4.2 准确性实验

通入不同浓度的标准样气进行测试，每种浓度分别记录10次(每隔1 min记录一次)，求平均值后作为测量值。准确性实验结果如表2所示。1 ppm=10-6。

表2 准确性实验结果

数据结果表明，测量的数据误差最大值为1.83%<2%，说明该设备具有很好的准确性。

5 结束语

本文介绍基于STM32F4针对大气监测系统的一个微站的软硬件设计。本文给出了微站主要的软硬件设计方案，并对仪器进行了准确性实验。实验结果表明，该仪器具备很好的准确性，为大气监测系统设计提供参考。