基于SM32的空气质量检测系统设计与实现

VI1绪论研究背景及意义随着中国人民生活水平的提升，中国人民也更加关心环境污染问题。中国经济社会的快速发展给人类带来了很多物质享受，但同时也为人类造成了巨大的空气污染。以往英欧在对工业进行革新时产生的污染情况和美国在发展过程中环境空气污染形式严峻的经验，为当今科学文化蓬勃发展的我国带来了重要的借鉴，在过去的二十多年里，随着中国金融经济的繁荣变化和乡村现代化速度的不断进步，而实现农业经济发达的农村区域也开始发生了区域空气污染问题。在发展中，我国也深切意识到“金山银山”不是靠“牺牲绿水青山”才能做到，而是要给人民一种安稳、平和、美丽的自然环境。目前，我国经济发达地区的空气污染已从单一城市的燃煤污染转变为汽车尾气污染并存的区域性复杂污染。监测项目集中在城市地区，主要基于现有的空气污染物。城市地区空气污染现象主要表现在两个方面。一是轻、重工业企业随意排放污水、废气和污染原料。我国的经济发展主要集中在第二和第三产业，即工业和服务业，这两个产业都需要大量的物质生产。科学技术的局限和人们的认知薄弱，对环境和空气污染不重视，造成环境和空气污染，生态平衡被打乱。此外，能源的生产和使用，特别是冬季燃煤，会排放大量有毒有害气体，污染大气环境。其次，城市化是造成周边空气污染的另一大原因。比如城市汽车保有量明显增加，尾气排放超标，使用空调产生大量二氧化碳排放，温室效应不断加大，异常气候也越来越多。污染的性质大致集中在这样一些方面:一是区域逐渐增加。此前，中国的重工业基地主要设在北方地区，北方冬天实行集中供热，燃煤会形成烟尘，使得污染越来越强烈。如今，中国包括南方在内的不少地区，都发生了如雾霾般的重大气候变化，城市周围空气质量严重下降，大规模的污染也使得处理困难度增大。二是污染源性质和成分都非常复杂。大气污染源，包括了带有二氧化氮、二氧化硫等成分的工业废气，以及汽车尾气、空调排放等，都严重危害人的正常呼吸，问题解决起来也非常麻烦。污染有二种主要原因。一种是人为污染物，如工业污染源、汽车尾气等人类活动污染物。据中国国内的空气污染研究分析，多由新建房屋所造成。因为这种房子内会挥发大量的有机化学污染物，所以能够在室内长期漂浮。一些污染物的含量很低，但由于设备无法监测到它，却很容易从人的鼻孔里听到味道，从而严重威胁到了人类的健康。这种室内空气污染中大多含有挥发性有机物质，如甲醛、一氧化碳和二氧化碳。而其中众所周知的甲醛大多来自于装修材料，有着强烈的挥发性和剧毒，会对人类健康产生巨大的影响。如今，甲醛已经被美国认证为能够导致癌症的物质。众所周知，二氧化碳和一氧化碳都是无色且没有味道的气体，如果浓度过高会导致头晕和胸痛等症状。二是环境本身的因素，主要包括颗粒物（PM2.5、PM10）和粉尘以及室内微生物释放的细菌和真菌污染。也就是说，气流、温度、湿度、干旱、沙尘等各种恶劣天气对此都有很大的影响。而今，中国的智能空气质量检测技术虽然发展迅速，但还是难登大雅之堂。尽管现在市场上面有很多各种各样的空气质量检测仪，但是大部分检测仪都只能给对一种气体进行检测。为了能够全面多样地对污染气体进行检测，需要设计稳定性高、功能强、精度高、界面简洁、价格相对公道的空气质量检测系统。这个系统不只能够对家庭室内的空气进行检查，也能够对一些范围较小的场所如车内、办公室等地方进行空气质量检查，这具有很好的适用性和价值。国内外研究现状长期以来，人们一直在研究室内空气质量。然而，在环境遭到破坏的今天，室内空气质量研究已引起全世界的关注，成为近年来的研究热点。在国外，室内空气质量检测技术发展迅速，美国和日本一直处于领先地位。GE生产出第一台挥发性有机化合物检测仪，这表明室内品质监测技术已进行了理论研究并发展为现实应用程序。GE生产的气体品质感应器能够监测室内中的气温、湿度和二氧化碳等诸多因素，现已发展成一款室内品质传感器装置。但是，准确检测甲基乙烯、甲苯和可挥发性气体等危险气体的装置却十分昂贵。例如，英国PPM企业PPM-400约需二万元，而且检测时间过长，必须定时复位，而且无法控制温度和持续的工作。国内对室内空气质量的研究也在陆续展开。如微诺时代技术公司制的AIDISCOVERY多功能甲醛监测系统，以及上海怀新环境技术公司制造的HX-A1系统等，已经完成了对有害气体的监测功能，主要应用于科研机构和专业监测组织[9]。同时，其他公司也有自己的室内空气质量检测设备。他们生产的测试设备精度高、功能完善，但由于设备成本高、操作难度大，在实际使用中并不引人注目。国内和国外产品设计的不同大部分都是体现在选择传感器方面和使用的芯片方面。操作上，国外设计的产品在用户界面上有更好的使用体验，实现的功能也多种多样。可挥发性气体和甲醛检测现状可挥发性气体是一种指标，它是专门用来对空气中的挥发性有机化合物的污染情况进行评价。其表示是常温下沸点为68.74℃～286.79℃、饱和蒸气压在一百三十三帕以上的挥发性有机化合物。将标准工作曲线换算为横轴为峰面积，纵轴为各挥发性有机污染物浓度，并将未知VOCs的峰换算为甲苯的响应系数，计算出可挥发性气体。当转换为标准条件下的浓度时，这些污染物浓度的总和就是可挥发性气体浓度。甲醛的化学式是HCHO，化学计量比是30.03。这是无色气体，有刺鼻的味道，易溶于水和乙醇[3]，水溶液的浓度约为36%，俗称“Homelin”。甲醛目前用于纺织行业、木材工业和防腐蚀解决方案。在我们日常生活方面的应用中，它是塑料的原料——合成树脂。不仅如此，它还能和不同的材料组合成为油漆以及人造纤维，是胶粘剂的主要。在我们对这些产品的使用过程中，其中没有发生反应以及没有消耗掉的甲醛会缓慢散发到周围，这些甲醛能持续释放到很长的一段时间。据相关机构研究发现，它的持续时间能够到达十年，甚至更久。例如，胶粘剂中产生的甲醛遇水易分解形成玻璃甲醛，不断迁移到板面并在板面积聚，然后离开板面挥发到空气中。作为VOCs的指示污染物，可挥发性气体会根据暴露量的不同对人体健康造成不同程度的损害。表1-1显示了可挥发性气体暴露与其对人体健康影响之间的数量关系。表1-1可挥发性气体浓度对人体的影响从表中可以看出，如果可挥发性气体暴露浓度小于0.2mg/m³，对人体没有危害。当可挥发性气体暴露浓度为3mg/m³或更高时，人体感到严重不适。随着浓度持续增加，会发生中毒和其他反应。目前，大多数可挥发性气体检测方法都是采用气相色谱-热解吸法。检测过程如下：激活TENAX采样管连接大气采样器，采样高度为0.5m至1.5m，采样1至10L气体。TENAX采样管在CMA实验室进行气相色谱分析以获得可挥发性气体指标。比较轻便的方法是使用光电离PID直读式可挥发性气体便携式检测仪（如图1-1）进行检测，但测得的可挥发性气体所含化合物并不符合室内空气质量标准（GB/T18883-2002）的要求，而且这种检测仪的价格比较高昂，想知道实际的可挥发性气体，只能在CMA实验室用气相色谱法检测。如果所在地区没有CMA实验室，还要选择寄送样品进行测试。图1-1光离子化PID直读式可挥发性气体检测仪甲醛对人体系统有副作用，对于人体来说，它会造成一些皮肤过敏性的反应和一些呼吸系统的疾病，还会对免疫系统造成影响。根据一些机构研究表明，人体的健康会根据接触甲醛浓度的大小而产生不同的人体反应，如果甲醛在空气中的含量在0.05ppm以下，对人的身体不会造成影响，但如果甲醛在空气中的含量在高于100ppm，人的身体会出现肺部感染、肺部充气胀痛、昏迷等症状，导致死亡。在一段较长时间内接触甲醛，会导致人体的呼吸状态发生改变，并导致气管水肿和疼痛。当前检测甲醛的标准方法有:(1)分光光度法。这个方法的原理是：在甲醛与酚二烯酸的影响下生成有机杂环化合物（嗪），然后用酸性液体氧化以生成蓝绿化合物，这种化合物的光谱亮度取决于颜色的深浅，以总量来量化。(2)酰丙酮分光光度法。含有甲醛的气体在和水相融后，在水温达到饱和温度的条件下，将其放在酸碱度值为6的醋酸铵溶液中与三钌反应，立即得到稳定的黄色物质，于波长四百一十三纳米处检测。(3)气相色谱与液相色谱法。这种方法一般是通过便携式甲醛分析仪来进行。使用便携式甲醛分析仪的原理通常是静电电位电解。以固定电位分解气体，可以利用气体检测产生的电量来测定测量对象气体的浓度。这些测量手段的主要优势是简便、快捷、使用简易，但受环境空气中的各种元素如水分、一氧化碳、甲醛、乙醛等的影响，用便携式甲醛测定仪精确量化有一些困难，但可用于确定环境空气中甲醛含量的一定范围，在必要时也要用实验室的测试手段作为仲裁，加以精确量化。图1-2为市面上使用的便携式甲醛检测仪。图1-2甲醛检测仪课题主要研究内容本系统的目标设计是开发一个实时检测嵌入式系统，可以检测小场所如汽车空气和一些封闭的室内环境的空气质量。该系统采集数据，并将处理后的数据实时显示在LCD屏幕上，同时还可以通过声光警报发出警示，通过这个系统降低对人类生命有害的物质的质量，对于提升生活品质，保证身体强壮有着十分重要的意义。嵌入式系统具有运行时稳固安定，测量时精密准确，操作时随意方便，成本较低，移植能力较好等优点，系统硬件核心采用嵌入式处理器，以STM32F103C6T6为主要进行控制的单片机，通过安装在电路板上的传感器检测温度、湿度、PM2.5、可挥发性气体、二氧化碳。根据本课题的主要研究内容，论文各章的主要安排如下：第一章，绪论。这一章的主要内容是对研究背景进行阐述，对国内和国外的空气质量检测研究分别进行介绍，最后介绍研究的内容和各章的安排。第二章，空气质量检测系统功能需求分析。本文主要介绍了空气质量检测系统的功能需求分析和可行性分析。第三章，系统总体设计。这章的主题是对本系统的设计目标和系统整体的设计方案进行描述，并将准备使用的传感器型号进行介绍。第四章，系统详细设计与实现。本章章主要是介绍系统环境搭建过程中用到的软件，每个模块的设计内容，如使用的器件的选型、模块的电路设计以及程序设计等，并且还列出了系统中一些比较小的电路的设计。第五章，系统测试与分析。主要介绍可挥发性气体检测结果分析、二氧化碳检测结果分析、温度/湿度检测结果分析、PM2.5检测结果分析。第六章：结论和展望。在这一章的主要工作是对这次设计中的过程进行总结，并对设计取得的成果进行阐述。同时还对本设计指出了一些继续改进的方向以继续完善本设计。2系统需求分析系统功能需求分析为了能够实时、准确的检测室内空气质量，本文基于STM32F103C6T6单片机设计了空气质量检测系统。将整个系统分为四个模块：主控模块、传感器模块、显示模块、报警模块。STM32F103C6T6作为系统的核心处理器，将二氧化碳、可挥发性气体、可吸入颗粒(PM2.5)以及温湿度共3个传感器采集的污染物浓度信息输送至STM32F103C6T6，数据经过处理器处理之后实现：TFT液晶模块现场显示，按键可以对报警值进行调整。经过本系统设计的传感器模块中的温湿度传感器对当前环境进行温湿度检测。如果检测出来的温度数据超过了设定的报警值时，启动报警模块进行提示；如果检测出来的湿度数据超过了设定的报警值时，启动报警模块进行提示。经过本系统设计的传感器模块中的PM2.5传感器对当前环境中的粉尘进行检测。如果检测出来的PM2.5数据超过了设定的报警值时，启动报警模块进行提示。经过本系统设计的传感器模块中的二氧化碳/可挥发性气体传感器对当前环境中的二氧化碳和可挥发性气体进行检测。如果检测出来的二氧化碳数据超过了设定的报警值时，启动报警模块进行提示；如果检测出来的可挥发性气体数据超过了设定的报警值时，启动报警模块进行提示。2.2系统可行性分析满足检测系统检测目标的主要考虑因素有：各种类型的检测数据需要测量；设计的系统必须要有优秀的测量精准度；该设计的检测系统能否迅速检测到物质；检测过程及结果是否稳定；能源消耗是否符合标准。本系统的测量标准为国家标准GB/T50355-2010。表2-1是土木工程建筑的空气污染物检查标准。表2-1室内空气污染物检测标准从表2-1中，我们了解到对于室内空气质量的检测标准是是否含有以下物质：甲醛、苯、氨水、TVOC等有毒物质。在室内，如果人体吸入这些有毒物质过多，会对人体造成极大的危害。因此，若空气中的甲醛数量过多，会影响身体肌肤和黏膜，而且甲醛还会和人体内的化学物质（氨基酸）结合，导致头疼和头晕。所以，为了使人类生存在健康的自然环境中，人们就应该在日常中严格控制室内环境中有害气体的含量。本文提出了空气质量检测系统研究的具体功能要求，并根据国家定义的传感标准设计系统指标。同表2-2。表2-2空气质量检测系统的指标2.3本章小结这一章的主要内容是介绍设计系统的需求，并对这个系统的可行性进行分析，同时根据一些标准对本系统设计提出一些指标。3系统总体设计系统设计目标该系统的主要研究内容是对室内环境的舒适性进行分析，并通过设计一款适用于小场所的空气质量检测系统来进行温度、湿度、二氧化碳浓度和PM2.5、挥发性气体等室内气体进行检测分析。在分析室内环境的舒适度之前，还必须使用某些传感器检测一些室内环境参数值，目前所用的传感器主要分为空气温湿度传感器、二氧化碳/可挥发性气体传感器，以及PM2.5传感器。而利用上述传感器和TFT液晶屏等先进硬件，可以研发一种空气质量监测系统，同时使用开发的软件系统收集环境数据，并把所收集到的环境数据传递到液晶屏。该系统的主要设计目标是：利用硬件装置实现了空气质量检测系统的硬件开发。(2)使用所学的编程语言开发空气质量检测软件。(3)开发便携式室内空气质量传感系统。3.2系统整体设计方案经过对本系统的需求进行分析后，为了使系统设计更加具体，在设计本系统时将其分为4个模块，分别是主控模块（处理由传感器模块传过来的数据，并将处理好的数据传到显示模块）、传感器模块（通过各个传感器检测室内的空气，并转化为数据传给主控模块进行处理）、显示模块（将主控模块处理好的数据进行展示，并和报警模块联系以随时进行报警提示）和报警模块（当空气数据超过设定好的警告值时，进行报警提示）。如图3-1所示为本系统设计整体框图。图3-1系统结构框图本次设计的系统决定使用STM32F103C6T6作为主控芯片，并且STM32单片机具有基于ARM系列Cortex-M3内核，具有运行比较稳定、耗能少的特点。MCU接收到传感器检测输出数据后，对数据进行处理，并以TFT彩屏界面的形式显示处理的结果。当系统检测到有害物质浓度超标时，LED指示灯闪烁并启动报警。传感器模块设计包括一个SGP30气体传感器、一个GP2Y1014AU粉尘传感器和一个DHT11数字温湿度传感器。SGP30气体传感器用于检测室内环境中的可挥发性气体和二氧化碳气体；GP2Y1014AU粉尘传感器用于检测室内环境中的PM2.5；DHT11数字温湿度传感器用于检测室内环境的温湿度。设计的各个传感器的应用电路，满足室内可挥发性气体气体、温湿度、微尘等精准检测的要求，最终完成空气质量测量。图3-2为系统电路图。图3-2系统电路图3.3本章小结本章对系统的设计目标进行了介绍，同时给出了系统的整体设计方案，对于系统的设计方向以及接下来的工作有了一些认识。4系统详细设计与实现4.1系统设计环境搭建目前国内主要用来进行PCB设计的软件主要有AltiumDesigner、Cadenceallegrro、PADS、PROTEL99se。本系统使用的软件是采用AltiumDesigner，AltiumDesigner作为备受推崇的Protel系列的延续，受到国内学校和企业电子电路开发商的高度评价，这个软件的可用性和耐用性受到电子设计师的高度评价。2001年，PROTL被改称为Altium。之后发售了AltiumDesign。并且，作为一款板设计软件，它与Windows平台的兼容性很好。除此之外，基于Windows平台，Altium推出了ProtelDXP平台，这个平台拥有一个兼容性的环境，能够兼容多数工具进行设计和编译。AltiumDesigner承载了以前Protel的大部分优秀特性，增加了许多优秀的改进，对于一些新出现的板级接口进行了添加，同时它还承载了现场可编辑逻辑门阵列和可编程片上系统的设计理念，能够帮助设计人员进行嵌入式开发设计。到目前为止，在产品设计开发产业中，涌现出了很多设计产品，但大部分产品都只拥有一项或两项功能，如在设计过程中能够进行软件开发、集成PCB设计或者以某一款处理器为核心进行设计。但是AltiumDesigner，是第一款能够结合多项功能进行设计的产品，也正因为如此，它能够计划将一项产品从虚无缥缈的概念进而设计成为成品。本系统设计过程中使用了AltiumDesigner软件来对电路板进行设计和描绘PCB图。本次设计的PCB原理图如图4-1所示。图4-1PCB原理图4.2主控模块设计4.2.1主控芯片选型随着计算机和电子工业的不断进步，目前，在市面上出现的微处理器类型比较多，根据这些处理器的性能范畴能够划分为8位、16位、32位和64位的处理器。第一种处理器相比于其他几种的特点是运行的速度迟缓，接口少，抗干扰能力很差，价格相对低廉，开发起来比较简单，这类传感器的典型代表就是AT89C51；而16位处理器，运行速度相对8位稍微快一些，接口相对多一点，抗干扰能力较强，价格较低，开发简单，典型代表是MSP430；与前面的处理器相比，32位处理器的运行速度快，接口多，抗干扰能力强，价格区间较广，开发难度就相对较大，典型的代表就是STM32系列处理器。综上所述，对于8位微处理器和16位微处理器来说，32位微处理器在运行速率和防止干预能力方面具有明显的亮点，并且可以提供很多来自外部的接触插口资源来满足本设计的要求。综上所述，本次设计使用的中心芯片是意法半导体的STM32F103C6T6微处理器。该芯片有64K字节的SRAM存储器和512k字节的闪存，具有三个内部ADC[13]，转换时间短至1us，支持ADC、DAC、IC、USART、定时器等多种外设，还支持串行总线调试（SWD）和JTAG调试；同时具有功耗低、指令执行速度快、性能稳定等特点，可广泛用于测控系统、无线技术等电子产品的项目开发。STM32F103C6T6芯片的引脚图如图4-2所示。图4-2STM32F103C6T6的引脚图4.2.2主控芯片电路设计ARM核心处理器必须完成诸如采集、处理、显示、传输等室内空气质量功能，因此在设计中必须考虑ARM处理器芯片上的每个对应引脚的功能和执行功能。在设计ARM图时，预先留有对应于各个模块的接口引脚。如图4-3所示，ARM芯片上的每个管脚都有对应的标签。引脚7-23为TFT液晶显示器的连接管脚，引脚13是PM2.5传感器的连接点，15-16是二氧化碳/可挥发性气体传感器的连接引脚，引脚21连接的是温湿度传感器引脚，引脚35-33连接的是按键电路，36连接的是警报LED灯，引脚37连接的是蜂鸣器，18、19、20、38、39、40为芯片的电源管脚引脚。图4-3STM32F103C6T6引脚图4.2.3主控模块程序设计系统主要采用模块化进行编程，将各个功能划分为自己的小模块。首先，通过对系统的外部命令使整个系统运行，进入初始化状态后，执行各种数据指标检测过程:二氧化碳/可挥发性气体传感器SGP30检测到相应气体后输出二氧化碳含量以及可挥发性气体含量数据；PM2.5传感器GP2Y1014AU检测到粉尘后输出粉尘含量数据；DHT11温湿度传感器会将检测到的温度和湿度传输到主控芯片上。这些数据会直接通过TFT液晶显示屏显示出来，并且如果四个指标中的任意一个超过了警戒值值，会产生报警并闪烁LED灯以作为提醒。图4-4为程序运行流程图。图4-4程序运行流程图4.3传感器模块设计4.3.1传感器选型（1）温湿度传感器选型温湿度是判断一个环境是否舒适最基础的因素。市面上有很多关于温度测量和湿度测量的传感器，但是只拥有一项功能的传感器并不能满足本设计的需求。所以，在选择传感器的过程中，对于能够集成温度检测和湿度检测与一体的传感器尤为注意。这一类传感器往往配置有热敏感元件和湿敏感元件，能够同时对一个环境中的温湿度进行检测，其普遍运用于生产的各个领域，体积合适，功能稳固安定。在这一类传感器中，因为设计和配置的不同，又被分为三种类型的温湿度传感器：模拟量输入温湿度传感器、输出信号类型为RS485的温湿度传感器、能够通过网络进行数据采集和传输的温湿度传感器。在对市面上使用的温湿度传感器进行调查后，决定使用DHT11温湿度传感器来进行设计。这种传感器集成了温度测量和湿度测量，在输出时，会进行校对，其独特的数据采集模块能够稳定且安全的传输数字信号。通过独特的数据模块测量技术和温湿度测量技术，产品保障性和耐用性都相当好，

其测量的数据范围如下：精度湿度±5%RH，温度±2℃，量程湿度5~95%RH，温度-20~+60℃。其外观如图4-5所示。图4-5DHT11温湿度传感器该传感器由一个内部包含特殊电阻的湿度测量元件和一个热敏电阻温度测量元件组成，同时它能够和各种类型的单片机联系起来。除此之外，这种传感器的内部设置有一种独有的标准，并将这种标准放在一次性编程存储器中，传感器在运行时会对这个标准进行调用。并且，由于DHT11的接口类型，对于设计具有非常优秀的简便性。综上所述，DHT11温湿度传感器的优点如下：性能优越、稳定性好、反应能力卓越、价格合理等，超紧凑的尺寸以及非常低的功率也使其成为了某些条件较严苛的应用的完美选项，并且该产品还能够在4针1线排针封装中轻松连接。其引脚图如图4-6所示。图4-6DHT11引脚图及功能PM2.5传感器选型PM2.5也称为灰尘传感器，可用于检测环境空气中的颗粒物（PM2.5）的浓度的传感器。工作原理是基于光散射原理发展的。当光线照射时，粒子和分子散射光并吸收几个光能。由于粒子周围的散射和吸收效应，当平行单色光束进入被测粒子场时，由于粒子周围的散射和吸收效应，光强会降低。本系统采用GP2Y1014AU粉尘传感器检测室内空气粉尘（PM2.5）。GP2Y1014AU粉尘传感器是夏普研发的一款光学粉尘监测传感器模块。属性值为：电源电压为5至7V。工作温度-10-65℃，最小监测直径0.8um，灵敏度为0.5VI（0.1mg/m3）。粉尘浓度每变化0.1mg/m3，输出电压变化0.5V。中心有一个大孔，空气可以通过这个孔进行流动，红外光学二极管和光学晶体管位于相邻的位置。红外LED将红外线朝着固定的方向发射。如果这时空气中有物质阻挡了红外线的发射，此时发射出来的红外线就会产生一种散射现象，光学晶体管通过接收散射出来的红外线，来对准备向外输出的电压进行改变而导致其发生变化。其元件外观如图4-7所示，引脚图如图4-8所示。图4-7GP2Y1014AU粉尘传感器图4-8GP2Y1014AU粉尘传感器引脚图GP2Y1014AU粉尘传感器的引脚功能如表4-1所示。（3）二氧化碳/可挥发性气体传感器选型对于一个气体检测系统来说，气体传感器往往是它工作的核心，而这个核心一般是安装在这个系统的探针上。气体传感器运行的原理是：气体传感器将检测到的气体的数据转变为对应的电信号。同时，在检测过程中，对于准备用到的气体样品还会通过传感器本身进行调整。这个检测过程一般是包括清除用不到或杂质过多的气体、将气体样品进行冷却和去湿、通过化学方法对样品进行处理，通过这个过程可以实现缩短检测时间，加快检测效率。综上所述，使用的气体传感器具有这些特性：检测稳定、敏感度高、耐腐蚀。但是，气体传感器的特性可以根据不同的制作材料而出现不同的特性基于本设计的需求，决定采用SGP30传感器作为本系统的气体传感器。SGP30是第一款在芯片上组合多个传感元件，可以提供空气信息（如二氧化碳和可挥发性气体等气体含量），基于金属氧化物的气体传感器。在工作时，它会对空气进行检测，并输出信号，该信号经过全面校准，主要用于空气质量检测。由于可挥发性气体是一项重要指标，一般可以用来反映甲醛浓度，所以SGP30主要用于甲醛检测，同时它也能对二氧化碳进行检测。二氧化碳浓度含量会影响人的身体状态，具体影响如表4-2所示。表4-2二氧化碳含量与人体生理反应SGP30的引脚图如图4-9所示图4-9SGP30引脚图引脚功能如表4-3所示表4-3引脚功能4.3.2传感器电路设计（1）温湿度传感器电路设计图4-10温湿度传感器电路图（2）PM2.5传感器电路设计图4-11PM2.5传感器电路图（3）二氧化碳/可挥发性气体传感器电路设计图4-12二氧化碳/可挥发性气体传感器电路图4.3.3传感器程序设计（1）温湿度传感器程序设计DHT11是可以在线检测空气中的温湿度，达到实时反映空气情况的目的，能够满足家庭小巧、轻便和高效的需求的传感器。在实验中，DHT11在室内运行并检测通过房间的空气状况，来确定空气中的温湿度情况，在显示屏上可以给结果设置警戒值。当空气中的温度和湿度超过警戒值时，系统会立即发出警报并闪烁LED灯。DHT11传感器运行流程图如图4-13所示。图4-13温湿度传感器运行流程图（2）PM2.5传感器程序设计本设计是一套可以在线检测空气中的含尘量，达到实时反映空气质量的目的，满足家庭小型化、自动化、高效化需求的系统。在实验系统中，首先要选择合适的光源，根据光源进行检测。该系统在室内运行并检测通过房间的空气，在含尘量不同的条件下，标准光源对测试目标气体的吸收程度不同。因此，可以获得不同的投射光强度来确定空气中的灰尘含量。为检测结果设置警戒值，当空气中的粉尘浓度超过警戒值时，系统会立即发出警报提示用户。传感器运行流程图如图4-13所示。图4-14粉尘传感器运行流程图（3）二氧化碳/可挥发性气体传感器程序设计对于含量极低的有害气体，该传感器也能够进行检测。它的主要特点是小巧、运行速度快、性能优越等。这类传感器的运行原理是：通过和气体进行接触，并触发一个模拟电压，这个电压和气体的含量有一定的联系，随后这个电压在芯片上被处理后得到一个关于气体的浓度数据。SGP30传感器运行流程图如图4-15所示。图4-15二氧化碳和可挥发性气体传感器运行流程图4.4显示模块设计4.4.1显示模块选型LCD显示器也叫液晶显示器，是一种由薄膜晶体管驱动的有源矩阵液晶显示器。它主要是通过电源产生的电流将液晶分子启动，在背光管中产生点、线、面，形成图像。IPS、TFT和SLCD都是LCD的子类。它的运行原理是通电后，液晶分子陈列的方位会产生改变，同时来自于外部光线透过的程度会发生变化，此时就会发生由电子转换为光线的变化，然后激发三基色信号。通过三基色类型的能够选取所需辐射波段的光学器件，对图像空间和时域的色彩进行还原。市面上的显示器类型有很多，经过仔细的斟酌后，在设计时决定使用TFT显示器。TFT的中文名字是薄膜晶体管，具体是在LCD玻璃表面上队列的晶体管,在这种界面上所有的像素都可以有一种属于它的位置。其中,像素可以利用特殊的电冲击来对基板上的液晶进行调控。综上所述,TFT显示器能够有计划地控制像素。在市面上的主流显示设备中，TFT显示器一直作为很多笔记本电脑以及台式机的首选。在这些类型的显示器中，TFT显示器主要是将液晶像素进行组合并通过薄膜晶体管对这些像素进行启动，以此来实现高速、高亮度、高对比度的显示信号。因此，TFT显示器也是一种活动矩阵液晶显示装置。对于现在市面上的液晶彩色显示装置来说，TFT显示器可以说是独占鳌头。通过上面的介绍，我们可以发现TFT显示器具有反应迅速、亮度比较好和色彩明艳的优点。和传统CRT式屏幕的效果非常接近，并且由于TFT式显示屏的色域范围较广，因此广泛用作中低价数位彩屏手机。市面上常见的TFT液晶显示屏如图4-16所示。图4-16TFT液晶显示屏4.4.2显示模块电路设计本系统选择TFT液晶显示电路进行展示空气质量检测的结果，TFT显示屏可以用比较低的电压驱动，3.3V电压即可驱动。引脚7、8为TFT液晶显示屏的电源，引脚6为SPI时钟输入接口，引脚5为读取选择和写选择，引脚4为接受数据的端口，引脚3为读写数据/写命令的选择引脚，引脚2是SPI片选输入的端口，引脚1为背光控制的引脚。其引脚图为图4-17所示。图4-17TFT液晶显示屏引脚图TFT液晶显示屏引脚功能如表4-4所示。表4-4TFT液晶显示屏引脚功能表TFT液晶显示屏的电路图如图4-18所示。图4-18TFT液晶显示电路图4.4.3显示模块程序设计首先，第一步操作是将系统进行初始化，变更TFT显示器的CR和AR，同时对一些相应的参数进行设置，设置Cache（高速缓冲存储器）的位置和大小等，接着就是将屏幕进行初始化。最后，通过从主控芯片送到显示器的信号来启动对应的功能，因此将想要显示的画面展现出来。而对于TFT显示器的初始化来说，最重要的是对控制器的各项参数如频率、buffer地址等进行设置。系统打开后，因为存在于缓冲区内的数据没有发生变化，所以不能正常显示画面。因此，在操作之前，必须将缓冲存储器原有的数据删除，或者将一些设定好的数据发送到缓冲存储器，然后填充画面。在初始化之后，系统就能够处理所收集到的信号，并通过文字和图画的方式显示出来。运行流程图如图4-20所示。图4-20显示模块运行流程图4.5报警模块设计4.5.1报警模块选型蜂鸣器是一种集成的电子发声器，由直流电压驱动，通常作为计算机、报警器、玩具、定时器等电子设备的声音输出装置。现在大部分用到的蜂鸣器有以下两种：由于电压的影响导致蜂鸣片产生变形而发声的压电蜂鸣器；通过线圈进行电磁感应对蜂鸣片产生作用而发声的电磁蜂鸣器两种。蜂鸣器发声的原理是在通过蜂鸣器内的振动装置和谐振装置作用在蜂鸣片上来使蜂鸣器发出声音，蜂鸣器分为无源型和有源型。无源型的工作原理如下：来自外部的方形波动信号被输入到振动装置中，然后转化成为声音信号进行输出。其工作原理图如图4-21所示。图4-21无源型蜂鸣器工作发声原理有源型蜂鸣器的工作发声原理是：经过振荡系统后，直流电被放大并进行取样反馈，最后在振动系统的作用下转化成为声音信号输出。其工作原理如图4-22所示。图4-22有源型蜂鸣器工作发声原理通过对这次设计的需求进行考虑分析，决定使用的是有源蜂鸣器。有源蜂鸣器使用的电源是恒定电流，这是它和另一类型蜂鸣器差异最大的地方。它的工作方式为：电流在经过蜂鸣器的振荡装置后，振荡装置会使电流的大小和方向都发生周期性的变化，从而转变成为振荡电流，形成一种电压信号，然后发送到磁场内使磁场发生交变，导致蜂鸣片产生波动而发出声音。一般有源蜂鸣器的外观如图4-23所示。图4-23有源蜂鸣器在设计中还采用了普通的LED灯作为报警灯，与蜂鸣器组合作为一个报警模块。4.5.2报警模块电路设计本系统报警电路主要是由蜂鸣器和LED灯组成。由于报警电路并不复杂，可以用蜂鸣器呼叫和闪烁灯间断地闪烁就能实现[6]。其电路设计如图4-24和图4-25所示。图4-24蜂鸣器电路图图4-25LED灯电路图4.6系统其他电路设计此系统其它的外围电路还应包括按键控制电路。按键控制电路并不复杂，其功能主要是调节警戒值的大小，其电路图如图4-26所示。图4-26按键控制电路4.7本章小结本章主要是对系统的设计进行详细的阐述，对于其中的模块进行解释和分析，详细讲述了程序的设计流程并提出了程序运行的流程图，介绍了程序的数据传送、数据显示以及数据处理。5系统测试与分析5.1功能测试5.1.1温湿度传感器功能测试为了测试DHT11温湿度传感器的功能能否正常使用，将温湿度传感器与STM32F103C6T6连接起来，并链接电源测试温度检测和湿度检测的功能。将设计的空气质量检测系统上电后放置在室内，观察其在通电后能否测量到室内的温湿度状况。如图5-1所示。图5-1温湿度传感器功能测试5.1.2PM2.5传感器功能测试为了测试PM2.5传感器GP2Y1014AU及其模块的性能，将粉尘传感器的引脚与系统主板连接起来如图5-2所示，并准备通电测试其粉尘测量功能。将设计的空气质量检测系统上电后放置在室内，观察其在通电后能否测量到室内的粉尘状况。图5-2PM2.5传感器功能测试5.1.3二氧化碳/可挥发性气体传感器功能测试为了测试二氧化碳/可挥发性气体传感器SGP30及其模块的性能，将SGP30的引脚与系统主板连接起来如图5-3所示，并准备通电测试其二氧化碳/可挥发性气体测量功能。将设计的空气质量检测系统上电后放置在室内，观察其在通电后能否测量到室内的二氧化碳和可挥发性气体状况。图5-3二氧化碳/TVOC传感器功能测试5.2测试结果分析5.2.1温湿度测试结果分析通过前面的介绍，我们可以知道DHT11传感器能够同时进行温度和湿度的检测。所以，对于温湿度的性能测试要将温度测试和湿度测试分开，通过控制变量来进行。开始时，我们要做的是将变量湿度设置为60%并保持不变，分别设置变量温度为10℃、15℃、25℃，随即将测试出来的结果记录下来。测试数据如表5-1所示。在测试中，测量了18次数据并与标准设备测得的实际值进行比较。表5-1温湿度传感器温度测试数据与实际值对比为了直观表示，通过折线图进行数据的展示。通过折线图的数据展示可以明显发现，我们设计的系统在温度上的误差范围在5%以内，能够符合现在空气质量检测仪的质量标准。折线图如图5-4所示。图5-4单一条件下的温度变化情况继续上述的实验，这次我们要做的是将变量温度设置为20℃并保持不变，分别设置变量湿度为45%RH、55%RH、65%RH，随即将测试出来的结果记录下来。测试数据如表5-2所示。表5-2温湿度传感器湿度测试数据与实际值对比表5-2中的数据同样是通过18次测量结果出来的。通过折线图的数据展示可以明显发现，我们设计的系统在湿度上的误差范围在6%以内，能够符合现在空气质量检测仪的质量标准。图5-5单一条件下的湿度变化情况5.2.2PM2.5测试结果分析传感器GP2Y1014AU主要是用来检测空气中的粉尘（PM2.5），测试的主要场所是在室内，所以这次实验先通过一般标准的粉尘传感器进行测量，再通过本系统的GP2Y1014AU传感器对室内粉尘的测试，将得到的数据进行对比，通过这种方式来找出误差值的情况并测试GP2Y1014AU传感器是否符合标准。测试数据如表5-3所示。表5-3GP2Y1014AU测量数据和实际值的对比表5-3中的数据进行了4次测量，通过调整检测PM2.5含量的时间，然后经过GP2Y1014AU传感器获取数据，与标准的粉尘传感器测量到的数据进行对照。通过簇状柱形图5-6的直观展示，本系统测量到的粉尘浓度和真实值的误差较小，误差范围1%-3%之间，满足空气质量检测系统的指标要求。图5-6GP2Y1014AU所测粉尘含量与实际值对比5.2.3二氧化碳/可挥发性气体测试结果分析传感器SGP30主要检测的气体为二氧化碳和TVOC气体，因为SGP30的优异性能，因此这次测试分为二氧化碳部分和TVOC气体部分。本次测试主要进行的场所是在室内，所以这次实验先通过一般标准的CO2传感器进行测量，再通过本系统的SGP30传感器对室内空气的测试，将得到的数据进行对比，通过这种方式来找出误差值的情况并测试SGP30传感器是否符合标准。测试数据如表5-4所示。表5-4SGP30所测二氧化碳数据与实际值对比表5-4中的数据进行了4次测量，通过调整检测CO2的浓度的时间，然后通过SGP30传感器获取数据，与标准的CO2传感器测量到的数据进行对照。通过簇状柱形图5-7的直观展示，本系统测量到的CO2浓度和真实值的误差较小，误差范围1%-3%之间，满足空气质量检测系统的指标要求。图5-7SGP30所测二氧化碳数据与实际值对比和二氧化碳的检测一样，TVOC气体部分的测试也在室内进行，同样是通过一般标准的TVOC传感器进行测量，再通过本系统的SGP30传感器对室内空气的测试，将得到的数据进行对比，通过这种方式来找出误差值的情况并测试SGP30传感器是否符合标准。测试数据如表5-5所示。表5-5SGP30所测TVOC数据与实际值对比表5-5中的数据进行了5次测量，通过调整检测TVOC浓度的时间，然后通过SGP30传感器获取数