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1、内容摘要家居生活是每个人生活的重要组成部分。近几年来，电子科技迅速发展，智能化的蓬勃发展颠覆了人们对传统的生活认知。我国正处于工业发展的高速阶段，纵观历史，工业高速发展必然伴随着环境质量的下降。但牺牲环境去发展工业显然也是不可取的，因而越来越多的环境检测器应运而生。本文基于市场需求，意在让生活在工业区附近的人能对自己周边的生活环境是否健康能有一个初步的了解，设计了基于嵌入式开发平台STM32的蓝牙模块进行通讯的家居智能环境检测器，结合物联网的新型概念，实现了用户对环境参数的检测。该系统能够让用户对想要掌握的参数进行实时的掌握以及控制。通过各种传感器去获取家庭内部各样的环境参数，还可以预先设置阈
2、值，当超过阈值的时候还可以通过蜂鸣器进行报警。还能在电脑的后台上生成文本文件记录数据。关键词：STM32；环境检测；智能控制；传感器AbstractHome life is an important part of everyones life. In recent years, electronic technology has developed rapidly, and the vigorous development of intelligence has subverted peoples cognition of traditional life. China is at a hi
3、gh-speed stage of industrial development. Throughout history, high-speed industrial development will inevitably be accompanied by a decline in environmental quality. But sacrificing the environment to develop industry is obviously undesirable, so more and more environmental detectors have emerged. B
4、ased on market demand, this article is intended to allow people living near the industrial zone to have a preliminary understanding of whether the surrounding living environment is healthy. A home intelligent environment detector based on the embedded development platform STM32 Bluetooth module for
5、communication is designed. , Combined with the new concept of the Internet of Things, to achieve the users detection of environmental parameters. The system allows users to master and control the parameters they want to master in real time. Various sensors are used to obtain various environmental pa
6、rameters in the home, and a threshold can also be set in advance. When the threshold is exceeded, a buzzer can also be used to alarm. It can also generate text files to record data on the background of the computer.Key words：STM32; Environmental detection; intelligent control; sensors目录第1章 引言61.1 本课
7、题的研究意义61.2 国内外的研究现状61.3 未来的发展趋势7第2章 系统的概述与设计82.1 系统的概述82.2 系统的设计方案8第3章 系统硬件部分的设计103.1 主控芯片的选择103.2 硬件架构的设计113.3 温湿度传感模块123.4一氧化碳传感模块133.5甲醛传感模块143.6PM2.5传感模块153.7蓝牙通信模块17第4章 系统的软件设计194.1 总体程序的流程图194.2 温度传感器程序204.3 一氧化碳传感器程序224.3.1 AD采集所选的滤波方式234.3.2有效电压对一氧化碳浓度的转换234.4 甲醛传感器程序264.5 PM2.5传感器程序27第5章 系统
8、测试305.1硬件模块的数据采集测试305.2系统与上位机的通讯测试31第6章 总结与展望32参考文献33致谢34第1章 引言在我国工业的迅速发展的背景下，环境问题已经不容乐观。我们的国家的方针是不可以也不应该牺牲环境去发展经济。因此，环境检测这一步就显得尤为重要，把环境污染从根源上扼杀，最大程度的减少生态环境被破坏。对于我们个人来说，家居环境也同样值得重视。一个人每天至少有三分之一的时间是在家里度过，若家里的环境卫生不达标，那便会引起一系列的健康问题，尤其是住在旧城区或者工业区附近的住宅。正所谓预防胜于治疗，保护环境的重心应该放在对污染排放点的检测而不是事后的补救处理。而数据检测必定要传输回
9、到某个服务器上，但监测点的地理位置各不相同，若采用有线传输的方式想取折中点往往过于困难，成本也高，因此需要新的传输数据方式。所以综合考虑，最适于环境检测系统的通信方式是无线通信。无线通信的优点在于其功耗低，通信延时短，不受限于地理位置，数据传输速率也比较客观。通信时还可以加入编码，提高数据传输的安全性。1.1 本课题的研究意义随着电子技术的蓬勃发展，现代人所居住的环境变得错综复杂，人民对环境的要求也是不断提高。环境对生活的影响在民生话题上也是不断升温。但市面上大多数的环境检测装置都是单一化的某一项参数的检测，但环境检测显然是需要综合多种参数的。加之以智能家居为代表的物联网信息技术高速发展，逐渐
10、迈向新的信息化时代。为此结合时下科技热点，设计出基于物联网技术，传感器技术和电子信息技术相辅相成的简易环境检测系统。帮助人们准确的把握自身家居环境，从根本上提高生活质量。1.2 国内外的研究现状国外的环境检测的发展比较早，截至目前国外的环境检测早已经完成普及，在各个领域都发挥出了不错的成绩并且逐渐成熟与完善。比方说在日本，运用计算机技术写出一个算法，将各种各样的植物不同生长阶段所需的环境因素都规范化并可以控制和实现。能够对环境的某一因素的变化做出整体的改变，通过计算机去适当的调节和修正，令植被始终在一个相对稳定的环境生长。而在荷兰，则致力于用计算机系统对温度进行精确到小数点后两位的精确控制。英
11、国的伦敦大学农学院则结合遥控技术，成功的实现了远程的控制与监控，并成功的监测并遥控60km以外的一个温室的二氧化碳、光照强度、温度与湿度等影响植物生长的重要因素。在中东内陆的犹太人国家以色列走在的世界的前列，成功研发出一体化的温室智能控制系统，令有限的土地资源得到最充分的发挥。国内的环境检测则起步于20世纪70年代。当时的环境检测的主流还停在传统的人工检测，而作为检测的终端却缺乏实时通信功能。产品的适用环境有限，检测手段也较为单一，无法进行无线监控。但随着人们对环境保护的认知不断加深，环保工作不断被重视才慢慢开始好转。近年来，国内的物联网技术的崛起，将物联网技术与电子信息技术有机结合在一起的趋
12、势已经浮现。不少国内的企业研究院已经着手开发实现综合功能的系统，智能环境检测系统乃是大势所趋。1.3 未来的发展趋势环境检测这个行业本身还有不少的问题需要解决。但在现在科学高速发展的大环境下，这些问题也会慢慢的缓解甚至解决。在未来，环境检测的发展趋势主要体现在以下方面： 1.降低成本。环境检测的普及面对的主要难题是成本。若是想要检测出相对准确的数据，选用先进的传感器必不可少。短时间内让其降低成本也许不太现实，但毕竟电子器件是不断更新、不断改进、不断推陈出新的，故未来的低成本产品是可以期待的； 2.标准化。这是每一个新兴产业都必须面临的问题。现在还没有统一的业内标准，生产与推广肯定会有所阻碍，也
13、不利于新产品在旧产品的基础上改进，拖慢创新的速度。 3.简易化。要想有良好的用户体验，首当其冲的便是这个产品的操作不能过于复杂，入门门槛不能过高。不然你再好的产品在用户手里却发挥不出百分百的水准也是白搭。也没有用户喜欢在试用产品之前先读上十多页的说明书，认真读完了说明书却一头雾水用不明白，这样的体验我相信每一个消费者都不想有。环境检测的初衷是提高人们的生活水平，另一方面也是人们对美好环境的憧憬。这种憧憬会促使环境检测往更加便利、更加低成本的方向发展。相信未来的环境检测能够融入到家居生活、农业生产、环境污染预防等方方面面，携手共创没有污染的生活环境。第2章 系统的概述与设计2.1 系统的概述本设
14、计包括主控芯片、蓝牙传输模块、温度湿度传感模块、一氧化碳传感模块、甲醛传感模块、PM2.5传感模块。整个系统采用5V供电，主控芯片通过串口协议与蓝牙模块进行信息交互，并通过串口的发送指令将其发送到上位机与上位机通信。主控芯片采集各个传感器模块检测到的数据并通过蓝牙模块发送到电脑里，并在电脑里以文木文档的形式记录下检测的数据。在算法里面设定参数阈值，当某一个数据或多个数据超出阈值时，主控芯片控制蜂鸣器发出相对应的警报。智能环境检测系统具备以下功能：1、 能够正常的检测温湿度参数；因为一个人一天里面有大半的时间都是在室内里面度过的，所以一个适宜的室内温度尤为重要。研究表明，人体最舒适的温度约在20
15、摄氏度至26摄氏度之间，温度过低或过高都会有较为明显的体感不适。而人体最适合的湿度则是40%-70%，70%以上就会容易滋生各种细菌、真菌。2、 一氧化碳的浓度检测；室内的防火问题都已经是老生常谈了，也侧面证明的室内防火问题是多么值得重视。每年依旧是有不少因疏忽大意而引起的室内火灾，但如果能在火灾发生的初期就能有所提醒，那就可以把损失降到最低。所以本系统将会对一氧化碳进行直接的检测，并且在浓度超过阈值时发出报警以便及时处理。3、 在上位机里可以记录到检测的参数；能够在电脑找回历史数据，以便进行系统的数据分析。4、 主控芯片通过串口通信发送指令，控制一氧化碳传感器，PM2.5传感器，甲醛传感器，
16、温湿度传感器，从而获取到具体的数值，并显示在OLED屏幕上；2.2 系统的设计方案按照上文所列出的需求，本文采用STM32芯片作为该系统的控制芯片，并结合蓝牙传输技术、传感器技术来开发了一套比较完整的，面向家庭的环境检测系统。该系统能够实时实地的对家居环境进行稳定的检测，并可以对危险情况作出及时有效的反馈。在设计上应用了模块化的设计，主要分为三个模块，分别是室内检测模块，无线传输模块和上位机部分。系统的总体框架图如图2.1所示。图 2.1 系统总体框架室内检测模块：本模块的主要功能是对环境的具体参数有一个整体的把握，实现了采集参数与无线传输。该部分选用STM32作为处理器核心，配合一氧化碳传感
17、器、甲醛传感器、温湿度传感器以及用作数据传输的蓝牙模块组成了这个模块。通过STM32的指令控制各个传感器，并灵活的运用中断功能来实现对数据的有序处理，将处理后的数据输出到OLED 屏幕上。无线传输模块：该模块使用的蓝牙是基于蓝牙3.0的SPP设计，工作频段为2.4GHz，调制方式为GFSK。STM32将处理好的数据通过串口传输到蓝牙模块，并调用蓝牙模块的AT指令向上位机发送连接请求，上位机响应后自动连接，此时调用AT指令验证上位机的MAC地址。验证成功后便可开始数据传输。最大可支持30米内的数据发送。第3章 系统硬件部分的设计3.1 主控芯片的选择自1946年2月14日第一台通用计算机的诞生，
18、半导体技术跟电子技术不断发展壮大，始终朝着集成化与微型化的大体方向前进。在此背景下，与20世纪70年代后半，首个单片机出现了。将CPU、RAM与ROM以及其他各种必须的I/O接口用集成技术组合起来就是单片机的最小系统。第一个单片机只有4位，毕竟是新兴的技术。但在电子行业与计算机的小体积化的大趋势下，单片机技术不断推陈出新，逐渐出现了8位的，不久后有出现了16位的以及20世纪末出现的32位单片机。虽然32位的单片机在性能上远比8位与16位强，但同样的，8位与16位在价格上有这与32位不可比拟的优势，因此考虑不同芯片的性价比是开发系统之后很关键的一步。1990年，美国电子电气工程师学会IEEE首次
19、定义的了嵌入式系统，其目的就是为了提高系统的开发效率，增强系统的兼容性。所谓的嵌入式系统，其实就是在单片机的最小系统上加上其他的操作模块，嵌入式系统对芯片的要求比较高，开发的过程也比较繁琐复杂，但与个人电脑相比，嵌入式系统又显得十分的精简，更小巧便携也更具实用性。目前，最主流的芯片是ARM系列。主控芯片是整个系统的核心，就好比CPU在电脑中的作用。本系统需要实现无线通讯、数据并发处理、传感器检测，因而对芯片的运算的能力有一定的要求，而且需要实现无线通讯，需要的接口数也不能过少。8位与16位因出现的时间较早，接口数远不及近代的32位，而32位不论是在计算能力上还是抗干扰能力都有绝对的优势，但32
20、位的价格之间浮动很大，需要我们进一步筛选。经过筛选，我选择了STM32作为主控芯片。首先作为32位的处理器，价格几乎与16位无异，但却是铁打的32位处理器的运算水准，真正意义上的性价比首选。STM32的是采用ARM Cortex-M3作为内核，基于ARMv7-M结构的RISC处理器，有着不错的代码效率，在64K字节的存储器上发挥出ARM内核的高性能。拥有51个I/O端口，都支持外部中断，大多数也支持5V电源信号进行输入。3个12位模数转换器，一个12通道的DMA控制器。3.2 硬件架构的设计该系统的硬件部分按功能主要分为环境数据采集模块以及数据传输模块。数据的采集是本系统的重中之重，也是该系统
21、的一切功能的起点，无法采集到数据后面的一切都无从谈起。数据采集模块又可细分为各传感器，分别采集不同的数据，有条有序。采集的数据包括温湿度、PM2.5浓度、甲醛浓度以及煤气的主要成分一氧化碳的浓度。数据传输模块则是将各传感器采集到的数据经过主控芯片的处理转换成具体数值再传输到上位机里去。在硬件设计里还包含了OLED 屏幕用作显示实时数据，还有用作报警的蜂鸣器。一氧化碳传感器与蜂鸣器可组成火灾预报警系统，甲醛传感器和PM2.5传感器与蜂鸣器则能组成空气质量报警系统。智能环境检测器的硬件结构图如图3.1所示。图 3.1 智能环境检测器硬件结构图3.3 温湿度传感模块本系统采用的温度传感器是DHT11
22、数字温湿度传感器。该传感器是一款能够对数字信号的输出进行校准的复合传感器。通过应用专门的数字模块采集技术与温湿度传感技术，确保采集的数据具有一个很高水准的可靠性，同时也能保证一定的稳定性。DHT11的硬件组成其实是一个电阻式的感湿元件用于检测环境中的湿度变化，然后加上一个NTC测温元件。两个测温元件再与一个8位的高性能单片机相连接。也正是因为这种硬件设计，使得该产品的响应速度快于市面上的其他同类型产品，抗干扰能力强。但价格却没有明显的提升，是性价比的首选。所有的DHT11在出厂之前都在严谨且精密的温湿度校验室中进行过校验，在OTP的内存中存储着以程序为形式的校准系数，在校准的过程中需要频繁的调
23、用该系数。为了达到用最小的体积，最低的功耗去达到信号传输距离20米以上，采用了单线制的串行接口，令系统变得十分的简洁。得益于DHT11的小体积高度集成，使得它能广泛应用于汽车、气象站、家电、医疗、除湿器、暖通空调、湿度调节器等领域。本系统的应用环境多数在家居环境，该温湿度传感模块支持的20米内通信足以满足日常的家居环境了。该模块的具体电路图如图3.2所示。图3.2 DHT11硬件电路结构图数据用于STM32主控芯片与DHT11之间的通讯和同步，以单总线数据格式，一次通讯的时间约在4ms上下，数据分为两个部分进行通讯，一个是小数部分，另一个则是整数部分。一个完整的数据传输为40bit，高位先出。
24、8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit的校验和。引脚说明：1） VDD：供电，3到5.5V，直流电2） DATA：串行数据，单总线3） NC：空脚，请悬空4） GND：接地，电源负极3.4 一氧化碳传感模块一氧化碳传感器采用的是MQ系列的MQ-7。MQ-7与同系列的烟雾传感器MQ-2、氢气传感器MQ-8一样，采用的都是电压模拟信号的传感器，三者的电路设计比较相近。MQ-7的结构图如图3.3.1所示。图3.3.1 MQ-7的结构示意图从图中可以看到共有6个针状管脚，为圆形均匀分布，按逆时针顺序分别标号为1、2、3、4、5、6。其中1与3内
25、部相连通，4与6内部相连通2与5是加热用的电极。1、3和4、6分别是传感器内部的敏感材料的两头。当空气中的一氧化碳浓度开始变化时，该敏感材料的电阻值会发生明显的变化。能够检测的浓度在10 550 ppm之间。MQ-7的工作原理是使用二氧化锡作为气敏材料，因为该材料在清洁的空气中电导率较低，通过高低温循环检测的方式检测一氧化碳，二氧化锡的电导率会随着空气中一氧化碳的浓度不断升高而变大。通过简单的电路便可以讲电导率的变化以电信号的方式输出，进而计算出空气中一氧化碳的浓度。基于MQ-7的便携性，广泛应用于家庭用一氧化碳气体泄漏报警器、工业用一氧化碳气体报警器以及便携式一氧化碳气体检测器。具体的原理图
26、如图3.3.2所示。图3.3.2 MQ-7原理图标准工作条件如下：工作电压：5.0V0.1V，交流直流均可加热时间：601秒，高温；901秒，低温加热电阻：293，室温加热功耗：900毫瓦检测浓度：10500ppm 一氧化碳输出电压：2.5V4.3V （150ppm一氧化碳）3.5 甲醛传感模块本系统甲醛传感器采用的是MS1100，专门用于检测空气中的苯、甲醛、甲苯等易挥发的有机有害气体的传感器。MS1100的检测精度十分之高，能够检测到大气中0.1ppm以上的挥发性有毒气体，并且从检测到响应之间的速度快，使得数据更为准确。其响应快，体积小，准确性高令其广泛应用于家庭空气质量检测、环境空气的检
27、测、家用抽油烟机的换气扇等。可检测范围是01000ppm。MS1100的模拟信号与输出信号是同一电平，模拟信号的可输出范围是05V，可以通过直连到AD采集。但数字信号的输出的有效值仅为低电平，可以直接连接微控制器的I/O端口。该传感器的灵敏度也是可以手动调节，手动设置的。当可调电阻的输出电压小于模拟输出量时，数字输出高电平，同时LED灯亮；当可调电阻输出的电压大于模拟输出量时，数字输出低电平，LED灯灭。因为使用的气敏材料是热电阻材料，所以在使用时需要给模块进行35分钟的预热，预热之后再进行测量数值才准确。标准工作条件如下：工作电压：5V工作电流：100mA响应时间：5s（预热35分钟）响应时
28、间：10s组件功耗：430mW清洁空气中电压：1V工作温度：-10摄氏度60摄氏度工作湿度：90%RH。具体结构图如图3.4所示。图3.4 MS1100电路结构图3.6 PM2.5传感模块本系统采用ZPH02作为PM2.5传感器。以粒子计数的原理对大气中的微小漂浮物进行检测，其检测精度度可以达到1m。该传感器在出厂之前都经过了严谨的调试、校准、老化，使其灵敏度与一致性有所保障。EH2.54-5P的端子插座使其有丰富的输出方式。ZPH02因其长期稳定性好，易安装、维护，灵敏度高，一致性好等特点，广泛应用于空气净化器、空气清新机、烟雾报警器、空调系统、新风系统等。具体的工作原理其实是通过发光管与光
29、敏接收管之前联动组成。在发光管与光敏接收管之间架设一个功率电阻，通电使其发热，空气受热膨胀，产生热分子运动，带动空气中的漂浮物做扩散运动。并通过光敏接收管的接受率来反映大气中的漂浮物浓度。具体示意图如图3.5.1和图3.5.2所示。图3.5.1 原理示意1图3.5.2 原理示意2标准工作条件如下：工作电压范围：50.2V输出信号电压：50.2V预热时间：1分钟工作电流：90mA储存温度：零下30摄氏度至50摄氏度工作温度：0摄氏度至50摄氏度储存湿度：95%RH工作湿度：95%RH3.7 蓝牙通信模块本系统的无线通信方式采用了蓝牙通信的模式。蓝牙作为一种小范围的无线通信技术，能实现设备间的灵活
30、安全、低功耗、低成本、延迟小的数据通信或者语音通信。目前是短距离通信技术的主流之一。作为尖端的开放式无线通信，逐渐取代了红外线技术。蓝牙技术在无线通信上的优势，非常适合在小范围多设备，数据处理速度快，延迟小而且在嵌入式平台上的资源也十分丰富，能更方便我们的设计。JDY-31蓝牙模块采用蓝牙3.0SPP设计，支持Windows、Linux、Android三个平台的数据透传，2.4GHz的工作频段，GFSK的调制方式。最大发射功率可达8db，最远发射距离可达30米，允许用户以AT命令的方式修改设备名称，波特率等，使用户的使用灵活快捷。通信接口为UART，接受灵敏度可达-97dbm，SPP最大吞吐量
31、高达16KB每秒，相比上一代的JDY-30的8KB每秒，足足提升了一倍。JDY-31支持9600、19200、38400、57600、115200、128000的波特率。JDY-31作为经典的蓝牙协议，能与支持蓝牙的电脑、手机通信，广泛应用于智能家居的控制、汽车的ODB检测、蓝牙玩具、共享体重秤、共享移动电源、医疗仪器等。具体结构图如图3.6所示。图3.6 JDY-31结构图引脚说明：1) TXD：串口输出引脚，TTL电平2) RXD：串口输入引脚，TTL电平3) RST：复位，仅低电平有效4) VCC：电源，1.83.6V5) ALED：广播状态引脚，未连接闪，连接后输出高电平6) STAT
32、：连接状态引脚，未连接输出低电平，连接后输出高电平 JDY-31还拥有功能齐全的AT指令，但必须注意的是在使用串口工具发送AT指令的时候必须加上rn，否则便无法识别。其AT指令集如图3.7所示。图3.7 JDY-31的串口AT指令集第4章 系统的软件设计4.1 总体程序的流程图本系统主要通过STM32主控芯片控制DMA去采集多个通道的ADC读数，而一氧化碳传感模块、甲醛传感模块是与STM32的ADC模块直接连接的，DMA采集到传感器的模拟量后，通过特定的算法去计算出该模拟量所对应的具体环境参数数值，进而得出大气中一氧化碳的浓度和甲醛的浓度。通过单总线通信和DHT11计算出温湿度的数值，然后将上
33、述采集到的数据在OLED的屏幕上输出显示。调用串口与JDY-31蓝牙模块进行通信，将串口的波特率配置成与蓝牙模块相同，然后通过AT指令与蓝牙模块进行配对，令STM32能将数据输入到蓝牙模块里面。再通过AT指令配置好蓝牙的广播名字，以及设置好配对密码，然后就可以在支持蓝牙的手提电脑上打开蓝牙进行配对，最终实现STM32将数据通过蓝牙模块这一中转站，把检测到的环境参数发送到上位机上，实现在Windows平台上，电脑对环境数据的检测。最后通过在STM32的底层代码上设置报警阈值，当数值超过阈值时，控制蜂鸣器进行报警。具体的工作流程为：1、初始化系统设置，包括初始化系统时钟，初始化各个传感模块，设置中
34、断优先级，设置串口的波特率，初始化定时器；2、等待传感器预热；3、将采集到的数据输出到OLED 屏幕上；4、如果成功与电脑配对连接成功，将STM32平台采集到的数据每秒发送给电脑，并以文本文档的形式记录保存下来，每秒实时更新。具体的工作流程图如图4.1所示。图4.1 总体程序流程图4.2 温度传感器程序DHT11是一款含有已校准数字信号的温湿度复合传感器。采用单总线通讯的方式，与STM32进行同步通讯。单总线即是只用一根数据线进行数据交换，通过一个漏极开路或者三态端口与该数据线相连，这样能够允许设备在不发送数据的时候不会占用总线，它与主控芯片是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能够进行应答，
35、因而主机访问器件都会严格遵循单总线序列，以此保证不会混乱出错。如果序列出现混乱，器件将无法响应主机。STM32与DHT11一次通讯的时间大约为4ms，传输一次完整的数据大小为40位，顺序为先高后低。数据格式为：高8位湿度数据、低8位湿度数据、高8位温度数据、低8位温度数据、8位校验和。数据传输正确时，校验和的数据等于高8位湿度数据与低8位湿度数据与高8位温度数据与低8位温度数据所得的和的末尾8位。该传感器的完整工作流程如下：初始化I/O口，主控芯片发送请求信号后，DHT11会切换工作模式，由空闲的低功耗模式转为工作中的高速模式，请求信号结束后发送响应信号，进行一次信号采集，输出40位的数据。等
36、待主机选择读取数据。从机模式下，DHT11接收到请求信号后进行一次温湿度采集，若没有接收到主机的开始信号，则不会进行温湿度采集，采集数据之后回到空闲状态，自动切换模式。通讯过程如图所示。总线空闲状态经上拉电阻将电平拉高，主机将总线拉低并发送起始信号，等待DHT11响应，总线的拉低时间必须大于18毫秒，否则DHT11无法检测从而无法响应。接收信号之后，发送80微秒的低电平信号，而主机接收到信号后延时等待2040微秒后开始读取DHT11的响应信号，然后DHT11开始传输数据。该过程的示意图如下图所示。当总线处于低电平时代表DHT11发送响应信号，信号发出后拉高总线80微秒作为数据输出的起始标志，每
37、一位数据都是以50微秒作为位与位之间的间隔，并通过高电平的长短来判断数据是0还是1，我们定义，当高电平时间在26微秒到28微秒之前则表示为0，而高电平时间在70微秒则表示为1。最后一位数据被传输后，DHT11拉低总线50微秒，随后由上拉电阻拉高电平回复空闲状态。数字信号0的表示方法如下图。数字信号1的表示方法如下图。4.3 一氧化碳传感器程序本系统的一氧化碳传感器选择的是MQ-7，MQ系列的传感器输出都是模拟电压信号，因此我们需要用到STM32内部的模数转换模块ADC。模数转换器ADC，全称为Analog to Digital Converter，是能够将一段连续的模拟信号转换为数字信号，是S
38、TM32里面非常重要的部件。而模拟信号是一种泛指，他可以是图像、声音等等，但我们都知道模拟信号的抗干扰能力差，因此为了方便我们传输，需要将其转换成抗干扰能力强的数字信号。所以数模转换器其实在生活中是很常见的，许多各种各样的产品都能找到它存在的痕迹。4.3.1 AD采集所选的滤波方式在像嵌入式这种集成化电路平台上，我们在数模转换的过程中还无法忽视的一个问题就是脉冲干扰，如果我们不对其做处理，转换后的信号往往会失真严重，因此我们需要进行滤波。本系统采用的是算术平均滤波法。该方法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这种信号的特点是会有一个平均值，信号在某个数值的范围内上下波动，缺点就是比较浪费R
39、AM。其余的常见滤波方法还有中位值滤波法，递推平均滤波法，限幅平均滤波法，中位值平均滤波法等。中位值滤波的优点在于可以有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对液位、温度等变化缓慢的被测参数滤波效果良好，不足的是对单位流量、速度等变化快的参数不适合；递推平均滤波的好处是对周期性干扰抑制作用好，很平滑，通常用于高频振荡的系统，不足的是灵敏度不高，对偶然的脉冲干扰抑制作用差，不适用与脉冲干扰很强的地方，也很浪费RAM；限幅平均滤波的优点是能够消除脉冲干扰引起的采样值偏差，缺点是比较浪费RAM；中位值平均滤波的好处是融合了中位值滤波跟平均值滤波的优点，对于偶然出现的脉冲干扰，能够消除脉冲干扰引起的采样值偏
40、差，缺点则是测量的速度偏慢，以及很浪费RAM。4.3.2有效电压对一氧化碳浓度的转换MQ-7的工作原理为传感器表面的电阻RS是通过串联一个负载电阻RL上的有效输出电压VRL获得的的。具体的公式为：RSRL= VC-VRLVRL把传感器由清洁的空气中转至一氧化碳的环境中时，负载电阻的电压RL的变化情况如下图，由图可知输出信号是在一个完整的加热周期或者两个完整加热周期内测出。传感器在不同浓度的一氧化碳中所对应的输出电压如下图所示。所用的负载电阻的阻值是4700。下图中的纵坐标表示传感器的电阻比，即RS与R0的比值。其中RS表示传感器在不同浓度的气体中的电阻值，R0表示传感器在正常空气中的电阻值。根
41、据敏感度曲线图我们能够列出部分RSR0与ppm的对应值，如下表：RSR01.60.60.390.21ppm502004001000将这些进行数据拟合得到下图：由数据拟合的图通过用Excel推算出RSR0与ppm的计算公式：ppm=98.322fpowRSR0，-1.458f但我们还需要算出RSR0的值，我们知道STM32的数模转换器ADC是12位的，能够读到的值是0到4095，也就是4096个数，因此可以用4096表示输入电压，通过简单的推导，我们可以得到RS与R0的表达式：R0=47004096x-4700RS=47004096p-4700所以，RSR0=4096-px4096-xp4.4
42、甲醛传感器程序本系统采用了MS-1100传感器用作采集空气中的甲醛浓度，MS-1100采用多层厚膜制造的工艺，在微型的氧化铝陶瓷基片的两面分别制作加热器和金属氧化物半导体气敏层，严密封装在金属壳内。当环境空气中的被测气体浓度大幅升高时，传感器的电导率会发生变化，浓度越高，电导率越高。而在电路中通过将电导率的变化转换为与该被测气体的浓度相对应的电压信号进行输出，并调用STM32的模数转换器进行采集。在进行AD采集的时候的滤波方式选择了平均值滤波，采集过程中的脉冲干扰主要都是以随机干扰为主，因此选用了对随机脉冲干扰效果最好的算术平均值滤波法。为了计算出在某一时刻MS-1100输出的电压信号代表了被
43、测气体的浓度的多少，我们需要先知道它的敏感度曲线。MS-1100的敏感度曲线如下图。其中，纵坐标表示的是传感器的电阻比，横坐标表示的是气体浓度ppm，Formaldehyde是甲醛的敏感度曲线，Benzene是苯的敏感度曲线，Toluene是甲苯的敏感度曲线，这里我们只需要关注甲醛即可。根据上述的曲线图，我们列出部分电阻比与气体浓度的数据，如下表：RSR00.520.340.2250.16ppm1.21260120将这些数据进行拟合，并绘制成图表，如下：通过图表我们能够初步推导出转换公式是一个底数大于零的对数函数，用Excel转换得出公式：logppm=-1.095+0.627VOUTlogp
44、pm=-2.631+1.528VOUT+-0.125VOUT4.5 PM2.5传感器程序本系统采用ZPH02用作PM2.5浓度的测定器，采用粒子计数的原理对环境中的PM2.5进行检测，能够检测到的最小粒子为1微米，具有PWM模式跟UART模式两种输出方式，两种输出模式的管脚定义略微有所不同，需要注意的是在UART模式下，元件的5号脚只能作为信号的输入控制脚，无法承担模块的供电GND功能，否则会引起电源故障导致不可修复的损坏。具体的工作流程是通电后，功率电阻做功发热，加热空气使其中的微小分子的热运动更加剧烈，然后通过电阻上方的发光二极管照明，另一侧则通过透镜和光敏接收管的组合来进行接收，因光敏材
45、料的特性，接收到的光越大，电导率越高，反之接收到的光越小，电导率越低，而光敏电阻的电导率会受加热空气中的微小粒子热运动所影响。通过电导率的变化来观测大气中的PM2.5浓度。在电信号的输出上，我们使用低脉冲率去表示电导率的变化，其输出的波形如下图所示。如上图所示，输出的周期为1秒，用一个周期中低电平所占的比例来定义低脉冲率的多少，低电平时间为100毫秒，占了一个周期中的10%，故低脉冲率为10%，低电平时间是300毫秒的情况下，占了一个输出周期中的30%，故低脉冲率为30%，以此类推。厂家给出了输出的低脉冲率与大气中的灰尘颗粒物浓度的对照表，如下图所示：在PM2.5实际浓度的换算上，我们将读到的
46、低脉冲率去乘以比例系数就是我们测得的PM2.5浓度。ZPH02模块会每秒发送一次所测浓度值，只发送不接受，具体命令行格式为：第一位为起始位，值是0xFF；第二位是检测类型的名称编码0x18，第三位代表单位0x00，第四位是低脉冲率的整数部分，范围是0x000x63,第五位代表低脉冲率的小数部分，范围是0x000x63，第六，第七和第八位都是预留位，值都是0x00。第四位和第五位读取到的数据便是完整的低脉冲率，也就是传感器输出的占空比，将比例常数k与其相乘便是环境的PM2.5浓度，按照经验，比例常数k取1000。第5章 系统测试在完成上述四个章节的各个模块设计后，我们需要系统进行一个整体的测试，
47、主要分为三个部分：第一部分，硬件各个模块的环境数据采集；第二部分，测试系统与上位机的通讯并查看是否成功在上位机读取到文本数据。5.1 硬件模块的数据采集测试在该部分测试中，我们需要先把STM32最小系统开发板上的各个传感器都正确连接，所有的传感器连接接口如下：一氧化碳传感器MQ-7接在ADC12_IN0，电源为5V；甲醛传感器MS1100接在ADC12_IN1，电源为5V；PM2.5传感器ZPH02接在GPIOA_3引脚，电源也是5V；温湿度传感器DHT11接在GPIOA_11引脚，电源接5V；蜂鸣器接在GPIOA_4引脚上，电源接5V；蓝牙模块JDY-31的RX端接在GPIOA_9引脚上，TX端接在GPIOA_10引脚上，电源接3.3V；OLED显示模块接在STM32的集成端口上。所有模块连接完毕后检查是否都匹配正确、电源是否反接，确认无误后接通电源。然后将硬件的所有程序都烧录进主控芯片STM32，烧录成功后，OLED 屏幕上会显示出各模块采集到的参数，并实时更新。智能环境检测器实物图如图所示。在测试的过程中，我对环境中某一参数进行了单