基于STM32的室內空氣檢測系統的設計

摘 ?要：為保證居民生活環境的安全性，應該對室內空氣質量參數進行檢測，使人們能夠及時了解室內的空氣質量，排除險情，該設計通過STM32單片機結合藍牙通信和溫濕度、空氣質量傳感器來實現，利用傳感器采集空氣數據，了解居住環境的空氣質量，將傳感器采集到的數據通過主控單元進行模數轉換，并輸入到OLED顯示器中顯示，將處理后的數據通過藍牙模塊發送到手機APP，用戶可以對數據進行實時檢測。當檢測到的數據超出設置范圍時，蜂鳴器報警，排風扇啟動，并通過藍牙模塊進行數據的傳輸，完成對室內空氣質量的檢測和改善。

關鍵詞：STM32，藍牙通信，智能報警通風，傳感器技術

1 系統總體設計

1.1系統總體框圖

該設計通過STM32單片機結合藍牙通信和溫濕度、空氣質量檢測傳感器來實現，通過藍牙模塊和手機APP的連接，能讓用戶更方便的查看室內空氣質量參數，當檢測到的數據出現異常時，蜂鳴器報警，風扇啟動，實現對室內進行自動通風。系統總體框圖如圖1-1所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1-1 系統總體框圖

1.2 系統功能實現

1.室內空氣檢測功能，通過空氣質量檢測模塊，實現氣體檢測傳感器對室內空氣的檢測功。

2.自動報警通風功能，通過設置閾值，當超過閾值時，實現蜂鳴器報警，自動通風功能。

3.顯示功能，通過OLED顯示屏顯示當前空氣質量參數以及溫濕度信息。

4.藍牙通信功能，通過藍牙模塊和手機APP的連接，實現數據的傳輸。

2硬件電路設計與實現

2.1單片機主控單元電路設計

本系統以STM32單片機作為主控單元，STM32F0系列單片機內核采用Cortex-M0，芯片內集成了定時器、ADC 模數轉換器、FLASH為64KB，SRAM為8KB，最大CPU頻率為48MHZ，工作電壓在2.0 V 到 3.6 V之間，具有低功耗、低成本、高性能的優勢，利用溫濕度傳感器模塊、空氣質量傳感器模塊采集數據、藍牙模塊用于數據的傳輸，利用各個模塊之間的聯系結合主控單元，以及按鍵模塊的控制，實現單片機主控單元電路的設計。圖2-1為主控單元引腳圖。

?圖2-1 主控單元引腳圖

2.2空氣質量檢測模塊

空氣質量傳感器電路由MQ135傳感器和MQ-2傳感器電路共同組成，用于對室內有害氣體的檢測，MQ-2對煙霧、甲烷、酒精、液化氣的靈敏度很高，MQ135也可以檢測到很多有害氣體，兩者具有低成本，壽命長的優點。MQ135空氣質量傳感器具有兩個輸出端口，DO為數字信號的輸出，映射著單片機的高低電平，就是超過設置的空氣質量參數閾值時，單片機輸出高電平，就能控制風扇的啟停，AO為模擬信號的輸出，兩者的參考電壓都為5V，本次設計用到的單片機的ADC為12位，因此電壓的分辨率很高，在對空氣質量數據采集時，采集到的數據對應的模擬電壓量，數據濃度越高對應的模擬電壓越高，再對模擬電壓進行數字化，同理MQ-2傳感器也具有類似的功能，利用STM32內部的ADC轉換對采集到數據進行處理，這就是空氣質量傳感器電路的原理與設計。

2.3 溫濕度傳感器模塊

本系統所用到的溫濕度檢測模塊為DHT11傳感器，有4個引腳，具有體積小低功耗的特點，供電電壓3~5V，有一條傳輸數據的總線與單片機相連，可以通過這一條總線讀取溫濕度，發命令，一個引腳懸空，另外 兩個引腳分別接VCC、GND，溫濕度傳感器電路還具有一個上拉電阻，目的是調節高低電平，如圖2-3所示。

DHT11數字溫濕度傳感器利用數字模塊采集技術進行數字信號的傳輸，采集的數據在傳感器內部要進行數字信號處理，以及校驗，并且具有嚴格的控制時序，這也是單總線協議的特點，數據采集及傳輸的過程中，在傳感器的內部進行了AD轉換，輸出的是數字信號，單片機上電后，主控單元發送一次開始信號后，DHT11將進入高速模式，并發送一次響應信號，將40bit的溫濕度數據發送給單片機，格式為8bit濕度整數數據+00000000+8bit溫度整數+00000000+校驗位，溫濕度小數部分默認為0，將前四字節相加得到的結果與校驗位進行比較，相等就代表正常接收數據，否則就表示接受數據失敗，完成一次數據采集后，DHT11進入低速模式。

?圖2-3 溫濕度傳感器電路

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2.4 光強檢測電路設計

光強檢測框圖如圖2-4所示，對光照強度的檢測需要進行模數轉換。

圖2-4?光強檢測框圖

光強檢測電路由一個光敏電阻組成，電路構造簡單，與單片機的PB2端口連接，通過主控單元去檢測光強檢測電路的電壓變換，再將檢測到的模擬量利用ADC轉換，轉化為數字量輸出，光強檢測電路如圖3-8所示。

?圖2-5 光強檢測電路設計

2.5藍牙通信模塊

藍牙模塊與STM32單片機、手機APP可以進行數據傳輸，用戶可以通過手機APP連接藍牙模塊查看空氣質量數據，這里的手機APP是藍牙串口助手，如圖2-6所示。

?圖2-6?藍牙通信模塊設計

本設計所用到的通信模塊為JDY-31藍牙，一般用到的引腳有4個，只需連接VCC、GND、TXD、RXD就能實現藍牙通信功能，TXD為串口輸出引腳，RXD為串口輸入引腳，供電電壓為3.6~6V，如圖2-7所示。

藍牙無線通訊技術適用于短距離通信，主要優勢為低功耗、低成本，JDY-31藍牙工作頻段為2.4GHZ，通信接口為UART，支持通用傳輸協議SPP協議，藍牙模塊上有一個指示燈，未連接時一直閃爍，當連接配對成功時指示燈常亮，在進行藍牙數據傳輸時，必須有兩個角色，一個主角色，一個從角色，兩者剛開始進行通訊時，主機發現藍牙設備后，由主機查找配對，建立連接，匹配成功后，由空氣質量傳感器檢測到的數據，通過單片機的數據處理，再經過藍牙模塊進行數據的傳輸，就能實時顯示到手機APP上，用戶就能很方便的查看數據。

2-7藍牙模塊引腳圖

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3 系統軟件設計

?圖3-1 主程序流程圖

本系統軟件程序實現流程如圖3-1所示，系統初始化，對系統時鐘和一些外設進行初始化，以及一些參數的配置，然后各模塊開始工作，空氣質量傳感器（MQ-2、MQ135）、溫濕度傳感器、光敏檢測電路采集數據，通過主控單元數據處理，數據超出閾值，蜂鳴器報警，風扇開啟，并顯示到OLED顯示屏，配置藍牙模塊與手機APP建立連接，將由主控單元處理好的空氣質量參數、溫濕度、光照強度數據通過藍牙模塊傳輸到手機APP。

4 系統測試結果

在不同環境內，空氣質量傳感器(MQ-2,MQ135)、溫濕度傳感器、光強檢測模塊采集到的數據經主控單元處理，顯示到OLED屏，空氣質量測試結果，這里的測試結果應在0-4095之間，每個不同的空氣質量檢測環境的檢測時間大于5S,如表4-1所示。

5-2 空氣質量檢測結果

????閾值2000 檢測環境	正常環境	煙霧測試	液化氣測試
空氣質量檢測(測試次數>10)	60-600	2037-4095	2156-4095
是否超過空氣質量閾值	否	是	是
蜂鳴器是否報警	否	是	是
風扇是否轉動	否	是	是

藍牙與手機APP(藍牙串口)配對連接時,OLED顯示屏顯示的數據與藍牙模塊和手機APP(藍牙串口助手)傳輸的數據一致，檢測環境分別為正常室環境和、液化氣測試環境，正常室內檢測結果和手機APP接收到的數據如圖5-8所示，檢測到的空氣質量數據正常，蜂鳴器和風扇不工作。

圖5-8 正常檢測結果與數據傳輸

液化氣測試結果如圖5-9所示，檢測到的空氣質量數據超出閾值，蜂鳴器報警，風扇開啟。

圖5-9 異常檢測結果與數據傳輸

5 總結

本文以STM32F030C8T6為主控單元，結合藍牙通信和溫濕度、空氣質量檢測傳感器來實現，當檢測到的數據出現異常時，蜂鳴器自動報警，風扇自動開啟進行自動通風，通過藍牙模塊和手機APP的連接，能讓用戶更方便的查看室內空氣質量參數，實現了智能化的需求。

這里面用到的手機APP是藍牙串口助手，軟件方面主要通過串口服務函數去控制單片機，就是用手機發送數據，單片機通過藍牙接收數據，之后會執行相應的操作，下圖為控制單片機的手機APP制作，比如手機上發送的命令為1，當單片機通過藍牙模塊接收到數字1，就會把相應的端口置為高電平或者執行控制外圍設備的函數，風扇就會打開。

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總結

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