基于STM32单片机的室内空气质量监控系统设计

2022-09-21王波

电子测试 2022年17期

王波

（阿坝师范学院电子信息与自动化学院，四川汶川，623000）

0 引言

空气污染已经成为一个不可低估的问题，由于其对日益频繁的灾难性事件的影响，我们却无能为力。近年来，各国政府不仅试图限制全球排放，还试图限制我们居住的建筑物中可能的污染源。虽然人们每天的大部分时间都在室内，但是我们缺很少关注家里的空气质量。研究表明，我们一天中大部分时间吸入的室内空气的污染程度是室外空气的3到4倍。这是指对我们的生活有害的二氧化碳（CO2）和总挥发性有机化合物（TVOC）[1]。

随着空气质量监测系统在市场上迅速普及，尤其是那些集成到通风系统中的系统。其中许多仅限于测量单个房间和通风系统附近的室内空气质量（IAQ）。为了更好的评估室内环境的健康状况，设计了一款基于STM32单片机的空气质量监控系统，该系统通过蓝牙技术与安卓手机上的APP通信，实时显示室内环境中污染源的数值；同时，信息会在OLED屏同步显示。

1 硬件设计

本设计选用STM32F103C8T6作为系统处理器，其工作的最高频率为72MHz，芯片具有高达128k字节的片内FLASH，20k字节的SRAM。可工作在睡眠、待机、停机模式，因此功耗较低。由于内置了2个12位模数转换器，具有双采样和保持功能。同时STM32良好的通信和控制功能，两个硬件IIC接口，3个串行通信口。芯片资源比较丰富，能很好的满足系统的设计要求[2]。电源部分可采用手机充电器输出5V的电压，经过π型滤波电路，AMS1117-3.3V稳压为单片机、温湿度传感器模块、二氧化碳传感器模块以及OLED提供3.3V电压。系统总体框图如图1所示。系统使用STM32F103C8T6单片机作为控制器，外围电路主要由CCS811二氧化碳模块电路、HTU21D温湿度模块电路、HC-06蓝牙模块电路、OLED液晶显示电路、蜂鸣器电路、按键控制电路等构成。

图1 室内空气质量监控系统总体设计框图

1.1 单片机最小系统电路

图2所示为STM32F103C8T6单片机最小系统电路。最小系统电路包括SWD下载电路，晶振电路、按键复位电路、电源电路，RTC电路等。其中，STM32单片机通过IIC接口与HTU21D温湿度传感器模块以及CCS811二氧化碳模块通信，实时获取当前的温湿度数据、TVOC数据、ECO2数据，HC-06蓝牙模块与STM32单片机的串口1连接，单片机将采集到的温湿度数据、TVOC数据和ECO2数据通过蓝牙模块发送到安卓手机上。

图2 STM32最小系统电路图

1.2 CCS811二氧化碳模块电路

室内空气质量会受到各种污染物的影响，目前还没有标准的测量方法。最有希望的方法之一是监测挥发性有机化合物（TVOC）和二氧化碳（CO2）的水平。挥发性有机化合物是一种化合物，其毒性取决于它们在我们呼吸的空气中的浓度[3]。

CCS811是一种超低功耗的数字式气体传感器，通过IIC接口与MCU通信。CCS811将金属氧化物气体传感器和微控制器子系统集成在一起,从而使得智能手机、可穿戴设备和联网家用设备能够实现室内空气质量（Indoor Air Quality,IAQ）监测,并简化了设计,延长了电池续航时间,缩减了系统成本。图3是CCS811二氧化碳模块电路图。

图3 CCS811二氧化碳模块电路图

CCS811芯片可以工作在查询模式和中断模式，这里设置为查询模式，且每秒钟测量一次。主机周期性地从传感器读取数据，读取ALG_RESULT_data寄存器中的4个字节，首先读出的两个字节是ECO2的高字节和低字节，接下来读数的数据是TVOC的高字节和低字节。CCS811支持对相对湿度和环境温度进行补偿，因此，为了获得更高的精度，在每次读取传感器读数之前，可以使用HTU21D的温度和湿度值更新ENV_DATA寄存器以补偿传感器的读数。在设计中，由于将NWAKE管脚始终接地，芯片始终不会进入睡眠模式，ADDR引脚接地，芯片的读写地址分别为0xB4与0xB5。注意在准确读数前CCS811传感器有20分钟的状态周期。此外，为了使性能更加稳定，需要将CCS811至少运行24小时[4]。

该模块测量总有机挥发物(TVOC)范围是0-1187ppb，但是测量二氧化碳的浓度并不是空气中二氧化碳的直接浓度，而是CO2的估算值，即ECO2，输出范围是400-8192ppm。表格1是室内空气CO2浓度和通风需求的关系，为了使室内空气健康，CO2的浓度不得超过1000ppm。

表1 室内空气中CO2浓度和通风需求的关系

1.3 HTU21D温湿度模块电路

HTU21D是一个高度精确的温度和相对湿度传感器，它与CCS811一样，都是通过IIC接口与STM32单片机相连，器件的读写地址为0x80和0x81，芯片默认分辨率为12位相对湿度和14位温度读数，测量数据以两字节数据包的形式传输，高位在前，低位在后。测量值需要按照下列公(1)、(2)公式进行转换可转换为以摄氏度为单位的温度值和以%RH为单位的相对湿度值。图4是HTU21D温湿度模块电路。式中STemp和SRH为HTU21D的温度和相对湿度的采样值[5]。

图4 温湿度模块电路

1.4 HC-06蓝牙模块电路

HC-06蓝牙串口通信模块,是基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4GHzISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4dBm,接收灵敏度-85dBm,板载PCB天线,可以实现10米距离通信。模块采用CSR的BC417芯片，支持AT指令，用户可根据需要更改角色（主、从模）以及串口波特率、设备名称等参数，使用灵活。模块上电后，默认是从模式，波特率9600N81，蓝牙名为HC-06，配对密码1234，不需要更改[6]。图5是HC-06蓝牙模块接口电路图。

图5 HC-06蓝牙模块接口电路

2 软件设计

开发环境采用KEIL公司的MDK5对系统进行开发，当系统上电后，初始化相应IO口、串口1、配置定时器、中断，随后初始化OLED液晶显示器、温湿度传感器和二氧化碳传感器，显示开机LOGO。单片机主循环中一旦检测到1s定时时间到，就获取ECO2浓度、TVOC浓度、温湿度数值，送OLED显示并发送到手机APP上，当室内的ECO2浓度超过1000ppm或者TVOC浓度超过50ppb时，启动蜂鸣器报警功能，以告知人们室内空气污染物超标，不适宜久待。图6是室内空气质量监控系统流程图。