基于STM32的家用甲醛检测仪的设计

方 帆

（巢湖学院教务处，安徽巢湖238024）

随着人们生活水平的日益提高，环境污染对人类健康的危害开始引起人们的广泛关注。据统计，人类有80%～90%的时间在室内度过[1]，而由于过度装修以及空气不流通等原因，室内某些污染物比室外还要高，这严重影响人类健康。室内空气中的主要污染物有可吸入颗粒、细小颗粒物（PM2.5）、甲醛、一氧化碳等。为了使人们能够及时了解室内的甲醛含量，本文提出基于STM32微控制器设计一款适合家用的甲醛检测仪的具体方案。

1 甲醛检测系统硬件设计

1.1 STM32处理器

STM32是意法半导体公司基于Cortex-M3内核设计的32位微控制器，具有高性能、低成本和低功耗的优点，内嵌大容量存储器，具有丰富的外设和多种类型的通信接口，时钟频率可达72 MHz，同时支持多种低功耗工作模式。STM32微控制器具有多个型号，可根据系统设计需要选择。本设计采用STM32F103RCT6微控制器，具有48 KB的SRAM，可对检测的数据进行存储分析，获取检测数据的变化趋势，包含8个定时器，3个12位的ADC，5个USART接口，可同时检测多个传感器数据，供电电压为（2.0～3.6）V，一系列的省电模式保证低功耗的应用要求，完全满足系统设计需要[2-3]。

1.2 数据采集模块

数据采集模块包含两个传感器：数字化温湿度传感器（DHT11）和甲醛检测传感器（ZE08-CH20），配合STM32F103RCT6微控制器完成数据采集。为保证系统检测的精度和准确性，要求选择的传感器具有较高的精度和稳定度[3]，同时考虑传感器检测信号的传输模式便于主控芯片检测。所选传感器型号及传输方式如表1所示。

表1 传感器选型

甲醛检测采用电化学式传感器ZE08-CH20，该模块采用电化学原理对空气中的甲醛进行检测。当空气中含有甲醛时，空气的流动会使甲醛扩散到传感器的电极上发生氧化还原反应，并生成感应电流，感应电流与空气中的甲醛浓度成正比，通过检测电流的大小就可以确定甲醛的浓度。该传感器具有体积小、灵敏度高、分辨率高、功耗低等优点[4]，被广泛应用于室内的甲醛检测。该传感器输出信号有两种模式：（0.4～2）V的模拟电压和UART方式输出检测数据。由于ZE08-CH20模块内部的ADC精度低于STM32微控制器自带的ADC精度，因此选择输出模拟电压，输入STM32微控制器经A/D转换后进行显示。甲醛模块和STM32微控制的接口电路如图1所示。

图1 甲醛模块电路

图2 温湿度传感器电路

温湿度检测采用的是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11，其电路如图2所示，是一款具有较高可靠性和稳定性的数字化传感器，性价比高，可以满足大部分场合温湿度的测量要求[5]。该传感器包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，温湿度分辨率为16 bit，湿度测量精度可达±5%RH，温度测量精度为±2℃。DHT11的工作电压范围为（3.3～5.5）V，由于STM32微控制器采用的是3.3 V电压供电，因此DHT11采用相同的供电电压。它与STM32F103RCT6采用单总线通信。

1.3 显示模块

系统采用2.4 ch TFT液晶显示器，对检测结果进行实时显示。显示屏使用ILI9325作为驱动，分辨率为240×320，可显示图片、数字和文字。LCD液晶屏支持两种驱动方式[6]：SPI串行传输方式和16 bit并行传输方式。并行传输方式的驱动速度快，因此系统采用并行驱动方式。液晶屏可同时显示甲醛浓度、温度和湿度，当甲醛浓度超过警戒值时，相应指示灯点亮，蜂鸣器报警。

1.4 无线通信模块

蓝牙通信模块适用于短距离的无线通信，可将系统输出的串口信号转化为无线信号，传输给智能终端。系统选用HC-08蓝牙串口通信模块[7]，实现和手机的无线通信，以便手机端实时获取系统检测到的数据。该模块采用串口与主控芯片进行通信，采用Bluetooth Specification4.0 BLE蓝牙协议，可实现极低功耗，睡眠模式时电流仅0.4μA，通信距离最高可达80 m，适合家用。无线蓝牙通信模块与STM32微控制器的连接方式如图3所示。

图3 蓝牙模块接口图

2 甲醛检测系统软件设计

主机工作流程设计。工作电源开启后，需对各模块进行初始化[8]，初始化外部中断源、定时器和各传感器，设定各自的工作模式，同时检测无线蓝牙模块与主控芯片连接是否正常。系统初始化完成后，传感器开始采集信息，并将检测到的数据传输给STM32微控制器。MCU将检测到的数据进行处理、修正和补偿，转化为待测物理量数值实时显示，当检测到的甲醛浓度超过警戒值时，触发声光报警。主机工作流程如图4所示。

图4 系统主程序流程图

无线传输模块。人机交互模块的程序包括按键控制程序、液晶显示程序和无线通信程序[9]。系统的无线数据传输采用中断方式实现，当用户按下按键K1，产生一个中断，在中断服务程序中启动蓝牙模块进行数据传输，数据发送成功后，屏幕显示OK，程序流程如图5所示。

图5 数据发送流程图

检测结果。为检测系统整体性能，将检测仪放于封闭的室内进行测试，固定时间间隔，记录甲醛浓度，一天的甲醛浓度检测如图6所示。通过检测结果可及时了解室内甲醛浓度和温湿度，以便采取开窗通风等有效措施。

图6 甲醛浓度检测

3 结论

本文设计了一款基于STM32F103RCT6微控制器的家用甲醛检测仪，应用低功耗的STM32微控制器以及性价比较高的传感器实现了室内温度、湿度和甲醛浓度的检测，通过TFT液晶屏显示测量结果，同时利用按键控制甲醛浓度数据的无线发送。经测试，该检测仪具有操作简单，监测实时和功耗低的特点，适用于室内空气质量的检测。