【《环境检测终端的硬件设计和软件设计案例》3600字】

环境检测终端的硬件设计和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u70291.1环境检测终端设计方案 1132281.2环境检测终端硬件设计与实现 1125621.2.1环境检测终端电路介绍 251621.2.2环境检测终端 942761.3环境检测终端软件设计 9170421.4小结 101.1环境检测终端设计方案该系统环境检测终端设计需要实现数据采集、建立通讯、数据无线传输等功能。主要包括采集室内环境多种环境参数ADDINNE.Ref.{4A57516B-70ED-4B35-BA51-6F29F26DA090}[41]如温度、湿度、甲醛、PM2.5、PM10和氨气；建立TCP协议客户端与服务器端实现无线双向通讯和数据传输功能；环境检测终端工作状态及检测数据实时显示等。环境检测终端设计框图如图3-1所示。图3-1环境检测终端设计框图针对以上需求，环境检测终端以单片机STM32F103ZET6最小系统为核心ADDINNE.Ref.{E5941468-0AA6-4D99-A8D0-7C2D52943FB2}[42]，外围搭建传感器电路、显示电路和数据传输模块。传感器电路包括SHT20温湿度传感器、ZE08甲醛传感器、SDS011PM2.5/10传感器和MQ137氨气传感器，传感器电路采集各污染因子的检测值并通过UART或ADC的方式发送至单片机核心系统；数据传输模块采用Wi-Fi通信模块，将最小系统获得的传感器检测值通过串口发送至Wi-Fi通信模块，等待Wi-Fi模块通过TCP协议发送至服务器端；OLED显示电路用于显示当前检测终端的连接状态及连接成功后各污染因子的实时检测值。1.2环境检测终端硬件设计与实现1.2.1环境检测终端电路介绍环境检测终端电路主要从STM32最小系统、电源电路、OLED显示电路、传感器电路和无线Wi-Fi传输电路五个方面进行介绍。1）STM32最小系统环境检测终端采用STM32F103ZET6作为终端的核心芯片，该芯片配置强大，拥有4个通用定时器、3个USART串口、IIC接口、3个12位ADC等丰富的资源。本系统中主要使用3个串口、1个SPI接口、3个ADC通道与其他模块进行数据通信。本系统使用的STM32核心电路原理图如图3-2所示，主要包括STM32时钟电路、低电平复位电路和串口电路。当按键按下芯片的RESET引脚信号接GND信号，系统完成复位。图3-2STM32核心电路原理图上图中BOOT部分用于设置STM32的启动模式，主要有三种启动模式，如表3-1所示。表3-1BOOT启动模式说明BOOT0BOOT1启动模式说明0X用户闪存存储器启动FLASH，正常的工作模式10系统存储器用于串口下载11SRAM启动用于在SRAM中调式代码由表3-1可知，当BOOT0配置为低电平，BOOT1配置为任意状态（即0或1均可）时，STM32启动芯片内置的FLASH，属于正常工作模式，即按下复位键STM32就可以运行程序。当BOOT0配置为高电平，BOOT1配置为低电平时，STM32可以使用串口下载程序。本系统默认将BOOT0和BOO1均配置为低电平，保证系统开机即可正常运行，当需要下载程序时只需要使用跳线帽改变BOOT0的连接状态就可以切换启动模式。系统采用USB接口实现程序下载与系统供电两个功能。使用CH340G芯片实现USB转串口，终端通过USB接口连接电脑即可以使用串口下载程序，又可以通过USB接口为终端供电。图3-3USB转串口电路原理图2）电源电路电源电路为环境检测终端的各部分提供电压。电源电路可以为环境检测终端提供1.3V和5V两个工作电压，其中5V电压用于给甲醛传感器、PM2.5/PM10传感器、烟雾传感器电路供电，1.3V电压用于给温湿度传感器电路、OLED显示电路和无线Wi-Fi通信电路供电。使用USB接口为环境检测终端供电，使用稳压器（型号为AMS1117-1.3，输出为1.3V，正向低压降稳压器）将5V降为1.3V电压供电，电源电路如图3-4所示。图3-4电源电路3）OLED显示电路本系统中OLED显示电路主要用于显示环境检测终端检测的实时数据和工作状态，工作状态主要包括系统初始化、正在连接Wi-Fi、成功连接Wi-Fi、正在连接TCP服务端和已连接TCP服务端等。本系统使用IIC接口与0.96存OLED显示屏连接，该显示屏的分辨率为128*64。具有低功耗、使用寿命长、分辨率高的优点。图3-5OLED实物图及接口电路图4）传感器电路传感器电路主要有四个传感器分别对温湿度、甲醛、PM2.5/10和氨气六个指标进行检测。下面对各传感器从选型、通信方式和传感器特性进行分析，如表3-2所示。表3-2各传感器选型名称型号通信方式特点实物图温湿度传感器SHT30ADC1.3V供电、体积小、精度高、数据准确甲醛传感器ZE08-CH2OUART5V供电、高分辨率、低功耗、抗干扰氨气传感器MQ-137ADC5V供电、高灵敏度、较快的响应速度、高耐用性PM2.5/10传感器SDS011UART5V供电、数据准确、响应快、分辨率高a）SHT30温湿度传感器SHT30温湿度传感器具有高精度、数据准确、分辨率高等优点，符合本系统设计需求。检测温度的分辨率为0.015℃，精度为±0.3℃，量程为-40~125℃，检测湿度的分辨率为0.01%RH，精度为±3%RH，量程为0-100%RH。SHT30传感器采用ADC通信，根据温湿度与电压值的关系可以推出电压与温湿度的转换公式，如公式3-1、3-2所示。其中VDD为检测终端ADC的基准电压值，VT为当前温度对应的电压值，VRH为当前相对湿度对应的电压值，T为转换后的温度值，单位为℃，RH为转换后的相对湿度值，单位为%。温度传感器接口电路图如图3-9(a)所示。(3-1) (3-2)b）甲醛传感器甲醛传感器型号为ZE08-CH2O，该型号传感器可以进行温度补偿，选择性和稳定性较好，具有多种输出方式，如UART、模拟电压信号和PWM波形等，本系统中采用UART输出。该传感器工作电压为1.7~5.5V。量程问0ppm~5ppm，分辨率小于等于0.01ppm，使用寿命为2年。本系统中采用主动上传式进行数据通信，传感器每1s通过UART向MCU发送一次数据。甲醛模块发送的数据格式如表（3-3）所示。甲醛传感器接口电路图如图3-9(b)所示。表3-3甲醛模块发送数据帧格式（主动上传式）Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6Byte7Byte8起始位气体名称CH2O单位ppb小数位数无气体浓度高位气体浓度低位满量程高位满量程低位校验值0XFF0x170x040x000x000x250x130x880x25甲醛气体浓度值=气体浓度高位*256+气体浓度低位，读取的气体浓度单位为ppb,因为国家标准中甲醛气体超标值单位为mg/m3，因此按照公式3-3将读取的气体浓度值单位转换为mg/m3。公式中ppm为读取到的气体浓度值，1ppm=1000ppb，M为甲醛分子量，取值为30.03，T为当前温度，Ba为压力，取Ba为958百帕。 (3-3)c）氨气传感器氨气传感器采用MQ-137气敏传感器，传感器采用二氧化锡，通过气体浓度与传感器电导率的关系检测环境中的氨气浓度。该传感器对氨气具有良好的灵敏度、成本低、驱动简单、检测范围广，可检测5~500ppm的氨气，根据传感器手册中气体浓度与电导率之间的灵敏度特性曲线及测试电路，将传感器输出的电压值转换为氨气浓度值。传感器测试电路如图3-6所示，传感器气体浓度与电导率关系如图3-7所示。图3-6氨气传感器测试电路图图3-7传感器灵敏度特性曲线ADDINNE.Ref.{B2949171-976B-4F7F-99C4-867E1DA37EA2}[43]根据传感器灵敏度特性曲线中氨气气体浓度变化与电导率之间的关系，从图3-7传感器灵敏度特性曲线中选取20个点以幂函数为原型进行曲线拟合，获得氨气浓度与电导率之间的函数关系，为下一步获得氨气浓度与电压值之间的关系做铺垫，拟合的幂函数关系曲线如图3-8所示，拟合的函数关系如公式（3-4）所示，其中Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值，R0表示在洁净空气下的电阻值。图3-8气体浓度与电导率幂函数曲线图 (3-4) (3-5)根据公式(3-4)、公式(3-5),可以推算出电压值与气体浓度之间的转换关系，如公式(3-6)所示，根据图3-7测试电路，经测试得出Vc为5V，RL为1KΩ，R0为21.8756KΩ，Vrl为传感器读取电压值。氨气传感器接口电路如图3-9(c)所示。 (3-6) (3-7)d）PM2.5/10传感器SDS001传感器使用激光散射原理采集空气中PM2.5和PM10的浓度，具有数据准确、响应速度快、分辨率高的特点，可分辨颗粒最小直径达0.3微米，使用串口读取数据，每1秒读取一次数据，数据帧格式如表3-4所示。SDS001传感器接口电路如图3-9(d)所示。表3-4SDS011发送数据帧格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6Byte7Byte8Byte9报文头AA指令号C0PM2.5低字节PM2.5高字节PM10低字节PM10高字节保留ID保留ID校验和报文尾ABPM2.5和PM10数据读取方式如下：PM2.5（mg/m3）=（（PM2.5高字节*256）+PM2.5低字节）/10000PM10（mg/m3）=（（PM10高字节*256）+PM10低字节）/10000(a)(b)(c)(d)图3-9各传感器模块接口电路图((a)为温湿度传感器接口图，(b)为甲醛传感器接口图，(c)为氨气传感器接口图，(d)为PM2.5/10传感器接口图)5）无线Wi-Fi传输电路根据系统需求分析以及不同传输方式的优缺点，本系统通信模块采用正点原子的ATK-ESP8266模块。该模块可以通过串口读取环境检测终端采集的各传感器数据，并使用TCP协议通过无线网络（WIFI）进行数据传输。实物图与连接电路图如图3-10所示。图3-10ATK-ESP8266模块实物与连接电路图该模块通过UART与MCU通信，通过TCP协议与服务器端实现无线通信，使用AT指令进行模块配置，主要AT指令如表3-5所示。本系统中Wi-Fi模块应用模式为Station模式，数据传输模式为透传模式，连接方式为单连接，配置TCP服务端地址为“22j83589a2.iok.la:29357”。表3-5配置Wi-Fi模块主要AT指令指令功能正确返回值AT+RST重启模块OKAT+CWMODE=<mode>(mode:1Station模式;2AP模式;3AP+Station模式)设置Wi-Fi应用模式OKAT+CIPSTART=”TCP”,”192.168.10.2”,80建立TCP连接OK/ALREDYCONNECTAT+CIPSEND发送数据OK/SENDOKAT+CIPCLOSE关闭TCP/UDPOKAT+CIFSR=？获取本地IPOKAT+CIPMUX=<mode>(mode:0单路连接模式;1多路连接模式)启动多连接OK/LinkisbuildAT+CIPMODE=<mode>(mode:0非透传模式;1透传模式)设置模块传输模式OK/Linkisbuild1.2.2环境检测终端根据环境检测终端设计方案，使用AltiumDesign17设计环境检测终端的原理图，并绘制PCB版图，通过开板、焊接、调试等操作之后，环境检测终端实物图如图3-11所示，a)为环境检测终端正面图，b)为环境检测终端背面图，c)为环境检测终端工作图。环境检测终端主要由STM32最小系统、OLED显示电路、无线Wi-Fi模块和传感器电路组成，传感器电路主要采集六种室内环境参数，包括温度、湿度、甲醛、PM2.5、PM10和氨气，其中PM2.5/10传感器位于环境检测终端背面，其余模块均在环境检测终端正面。环境检测终端采用USB接口进行供电，供电电压为5V。a)终端正面b)终端背面c)终端工作中图3-11环境检测终端实物图1.3环境检测终端软件设计根据环境检测终端设计方案和硬件电路组成设计检测终端软件程序，完成相应的检测功能。软件程序设计在μvision4平台，使用C语言实现，设计程序实现系统初始化、开启终端检测、连接WiFi和TCP服务器端、读取并显示检测数据、数据发送TCP服务器端和