基于SM32的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

VI1緒論研究背景及意義隨著中國(guó)人民生活水平的提升，中國(guó)人民也更加關(guān)心環(huán)境污染問(wèn)題。中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展給人類帶來(lái)了很多物質(zhì)享受，但同時(shí)也為人類造成了巨大的空氣污染。以往英歐在對(duì)工業(yè)進(jìn)行革新時(shí)產(chǎn)生的污染情況和美國(guó)在發(fā)展過(guò)程中環(huán)境空氣污染形式嚴(yán)峻的經(jīng)驗(yàn)，為當(dāng)今科學(xué)文化蓬勃發(fā)展的我國(guó)帶來(lái)了重要的借鑒，在過(guò)去的二十多年里，隨著中國(guó)金融經(jīng)濟(jì)的繁榮變化和鄉(xiāng)村現(xiàn)代化速度的不斷進(jìn)步，而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的農(nóng)村區(qū)域也開(kāi)始發(fā)生了區(qū)域空氣污染問(wèn)題。在發(fā)展中，我國(guó)也深切意識(shí)到“金山銀山”不是靠“犧牲綠水青山”才能做到，而是要給人民一種安穩(wěn)、平和、美麗的自然環(huán)境。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的空氣污染已從單一城市的燃煤污染轉(zhuǎn)變?yōu)槠囄矚馕廴静⒋娴膮^(qū)域性復(fù)雜污染。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目集中在城市地區(qū)，主要基于現(xiàn)有的空氣污染物。城市地區(qū)空氣污染現(xiàn)象主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是輕、重工業(yè)企業(yè)隨意排放污水、廢氣和污染原料。我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要集中在第二和第三產(chǎn)業(yè)，即工業(yè)和服務(wù)業(yè)，這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)都需要大量的物質(zhì)生產(chǎn)。科學(xué)技術(shù)的局限和人們的認(rèn)知薄弱，對(duì)環(huán)境和空氣污染不重視，造成環(huán)境和空氣污染，生態(tài)平衡被打亂。此外，能源的生產(chǎn)和使用，特別是冬季燃煤，會(huì)排放大量有毒有害氣體，污染大氣環(huán)境。其次，城市化是造成周邊空氣污染的另一大原因。比如城市汽車保有量明顯增加，尾氣排放超標(biāo)，使用空調(diào)產(chǎn)生大量二氧化碳排放，溫室效應(yīng)不斷加大，異常氣候也越來(lái)越多。污染的性質(zhì)大致集中在這樣一些方面:一是區(qū)域逐漸增加。此前，中國(guó)的重工業(yè)基地主要設(shè)在北方地區(qū)，北方冬天實(shí)行集中供熱，燃煤會(huì)形成煙塵，使得污染越來(lái)越強(qiáng)烈。如今，中國(guó)包括南方在內(nèi)的不少地區(qū)，都發(fā)生了如霧霾般的重大氣候變化，城市周圍空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，大規(guī)模的污染也使得處理困難度增大。二是污染源性質(zhì)和成分都非常復(fù)雜。大氣污染源，包括了帶有二氧化氮、二氧化硫等成分的工業(yè)廢氣，以及汽車尾氣、空調(diào)排放等，都嚴(yán)重危害人的正常呼吸，問(wèn)題解決起來(lái)也非常麻煩。污染有二種主要原因。一種是人為污染物，如工業(yè)污染源、汽車尾氣等人類活動(dòng)污染物。據(jù)中國(guó)國(guó)內(nèi)的空氣污染研究分析，多由新建房屋所造成。因?yàn)檫@種房子內(nèi)會(huì)揮發(fā)大量的有機(jī)化學(xué)污染物，所以能夠在室內(nèi)長(zhǎng)期漂浮。一些污染物的含量很低，但由于設(shè)備無(wú)法監(jiān)測(cè)到它，卻很容易從人的鼻孔里聽(tīng)到味道，從而嚴(yán)重威脅到了人類的健康。這種室內(nèi)空氣污染中大多含有揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)，如甲醛、一氧化碳和二氧化碳。而其中眾所周知的甲醛大多來(lái)自于裝修材料，有著強(qiáng)烈的揮發(fā)性和劇毒，會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生巨大的影響。如今，甲醛已經(jīng)被美國(guó)認(rèn)證為能夠?qū)е掳┌Y的物質(zhì)。眾所周知，二氧化碳和一氧化碳都是無(wú)色且沒(méi)有味道的氣體，如果濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致頭暈和胸痛等癥狀。二是環(huán)境本身的因素，主要包括顆粒物（PM2.5、PM10）和粉塵以及室內(nèi)微生物釋放的細(xì)菌和真菌污染。也就是說(shuō)，氣流、溫度、濕度、干旱、沙塵等各種惡劣天氣對(duì)此都有很大的影響。而今，中國(guó)的智能空氣質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但還是難登大雅之堂。盡管現(xiàn)在市場(chǎng)上面有很多各種各樣的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，但是大部分檢測(cè)儀都只能給對(duì)一種氣體進(jìn)行檢測(cè)。為了能夠全面多樣地對(duì)污染氣體進(jìn)行檢測(cè)，需要設(shè)計(jì)穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)、精度高、界面簡(jiǎn)潔、價(jià)格相對(duì)公道的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)不只能夠?qū)彝ナ覂?nèi)的空氣進(jìn)行檢查，也能夠?qū)σ恍┓秶^小的場(chǎng)所如車內(nèi)、辦公室等地方進(jìn)行空氣質(zhì)量檢查，這具有很好的適用性和價(jià)值。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在研究室內(nèi)空氣質(zhì)量。然而，在環(huán)境遭到破壞的今天，室內(nèi)空氣質(zhì)量研究已引起全世界的關(guān)注，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。在國(guó)外，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，美國(guó)和日本一直處于領(lǐng)先地位。GE生產(chǎn)出第一臺(tái)揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測(cè)儀，這表明室內(nèi)品質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)已進(jìn)行了理論研究并發(fā)展為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序。GE生產(chǎn)的氣體品質(zhì)感應(yīng)器能夠監(jiān)測(cè)室內(nèi)中的氣溫、濕度和二氧化碳等諸多因素，現(xiàn)已發(fā)展成一款室內(nèi)品質(zhì)傳感器裝置。但是，準(zhǔn)確檢測(cè)甲基乙烯、甲苯和可揮發(fā)性氣體等危險(xiǎn)氣體的裝置卻十分昂貴。例如，英國(guó)PPM企業(yè)PPM-400約需二萬(wàn)元，而且檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，必須定時(shí)復(fù)位，而且無(wú)法控制溫度和持續(xù)的工作。國(guó)內(nèi)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究也在陸續(xù)展開(kāi)。如微諾時(shí)代技術(shù)公司制的AIDISCOVERY多功能甲醛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及上海懷新環(huán)境技術(shù)公司制造的HX-A1系統(tǒng)等，已經(jīng)完成了對(duì)有害氣體的監(jiān)測(cè)功能，主要應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)和專業(yè)監(jiān)測(cè)組織[9]。同時(shí)，其他公司也有自己的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備。他們生產(chǎn)的測(cè)試設(shè)備精度高、功能完善，但由于設(shè)備成本高、操作難度大，在實(shí)際使用中并不引人注目。國(guó)內(nèi)和國(guó)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同大部分都是體現(xiàn)在選擇傳感器方面和使用的芯片方面。操作上，國(guó)外設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在用戶界面上有更好的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)的功能也多種多樣?？蓳]發(fā)性氣體和甲醛檢測(cè)現(xiàn)狀可揮發(fā)性氣體是一種指標(biāo)，它是專門用來(lái)對(duì)空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物的污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。其表示是常溫下沸點(diǎn)為68.74℃～286.79℃、飽和蒸氣壓在一百三十三帕以上的揮發(fā)性有機(jī)化合物。將標(biāo)準(zhǔn)工作曲線換算為橫軸為峰面積，縱軸為各揮發(fā)性有機(jī)污染物濃度，并將未知VOCs的峰換算為甲苯的響應(yīng)系數(shù)，計(jì)算出可揮發(fā)性氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的濃度時(shí)，這些污染物濃度的總和就是可揮發(fā)性氣體濃度。甲醛的化學(xué)式是HCHO，化學(xué)計(jì)量比是30.03。這是無(wú)色氣體，有刺鼻的味道，易溶于水和乙醇[3]，水溶液的濃度約為36%，俗稱“Homelin”。甲醛目前用于紡織行業(yè)、木材工業(yè)和防腐蝕解決方案。在我們?nèi)粘Ｉ罘矫娴膽?yīng)用中，它是塑料的原料——合成樹(shù)脂。不僅如此，它還能和不同的材料組合成為油漆以及人造纖維，是膠粘劑的主要。在我們對(duì)這些產(chǎn)品的使用過(guò)程中，其中沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)以及沒(méi)有消耗掉的甲醛會(huì)緩慢散發(fā)到周圍，這些甲醛能持續(xù)釋放到很長(zhǎng)的一段時(shí)間。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，它的持續(xù)時(shí)間能夠到達(dá)十年，甚至更久。例如，膠粘劑中產(chǎn)生的甲醛遇水易分解形成玻璃甲醛，不斷遷移到板面并在板面積聚，然后離開(kāi)板面揮發(fā)到空氣中。作為VOCs的指示污染物，可揮發(fā)性氣體會(huì)根據(jù)暴露量的不同對(duì)人體健康造成不同程度的損害。表1-1顯示了可揮發(fā)性氣體暴露與其對(duì)人體健康影響之間的數(shù)量關(guān)系。表1-1可揮發(fā)性氣體濃度對(duì)人體的影響從表中可以看出，如果可揮發(fā)性氣體暴露濃度小于0.2mg/m3，對(duì)人體沒(méi)有危害。當(dāng)可揮發(fā)性氣體暴露濃度為3mg/m3或更高時(shí)，人體感到嚴(yán)重不適。隨著濃度持續(xù)增加，會(huì)發(fā)生中毒和其他反應(yīng)。目前，大多數(shù)可揮發(fā)性氣體檢測(cè)方法都是采用氣相色譜-熱解吸法。檢測(cè)過(guò)程如下：激活TENAX采樣管連接大氣采樣器，采樣高度為0.5m至1.5m，采樣1至10L氣體。TENAX采樣管在CMA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣相色譜分析以獲得可揮發(fā)性氣體指標(biāo)。比較輕便的方法是使用光電離PID直讀式可揮發(fā)性氣體便攜式檢測(cè)儀（如圖1-1）進(jìn)行檢測(cè)，但測(cè)得的可揮發(fā)性氣體所含化合物并不符合室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18883-2002）的要求，而且這種檢測(cè)儀的價(jià)格比較高昂，想知道實(shí)際的可揮發(fā)性氣體，只能在CMA實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜法檢測(cè)。如果所在地區(qū)沒(méi)有CMA實(shí)驗(yàn)室，還要選擇寄送樣品進(jìn)行測(cè)試。圖1-1光離子化PID直讀式可揮發(fā)性氣體檢測(cè)儀甲醛對(duì)人體系統(tǒng)有副作用，對(duì)于人體來(lái)說(shuō)，它會(huì)造成一些皮膚過(guò)敏性的反應(yīng)和一些呼吸系統(tǒng)的疾病，還會(huì)對(duì)免疫系統(tǒng)造成影響。根據(jù)一些機(jī)構(gòu)研究表明，人體的健康會(huì)根據(jù)接觸甲醛濃度的大小而產(chǎn)生不同的人體反應(yīng)，如果甲醛在空氣中的含量在0.05ppm以下，對(duì)人的身體不會(huì)造成影響，但如果甲醛在空氣中的含量在高于100ppm，人的身體會(huì)出現(xiàn)肺部感染、肺部充氣脹痛、昏迷等癥狀，導(dǎo)致死亡。在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)接觸甲醛，會(huì)導(dǎo)致人體的呼吸狀態(tài)發(fā)生改變，并導(dǎo)致氣管水腫和疼痛。當(dāng)前檢測(cè)甲醛的標(biāo)準(zhǔn)方法有:(1)分光光度法。這個(gè)方法的原理是：在甲醛與酚二烯酸的影響下生成有機(jī)雜環(huán)化合物（嗪），然后用酸性液體氧化以生成藍(lán)綠化合物，這種化合物的光譜亮度取決于顏色的深淺，以總量來(lái)量化。(2)酰丙酮分光光度法。含有甲醛的氣體在和水相融后，在水溫達(dá)到飽和溫度的條件下，將其放在酸堿度值為6的醋酸銨溶液中與三釕反應(yīng)，立即得到穩(wěn)定的黃色物質(zhì)，于波長(zhǎng)四百一十三納米處檢測(cè)。(3)氣相色譜與液相色譜法。這種方法一般是通過(guò)便攜式甲醛分析儀來(lái)進(jìn)行。使用便攜式甲醛分析儀的原理通常是靜電電位電解。以固定電位分解氣體，可以利用氣體檢測(cè)產(chǎn)生的電量來(lái)測(cè)定測(cè)量對(duì)象氣體的濃度。這些測(cè)量手段的主要優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)便、快捷、使用簡(jiǎn)易，但受環(huán)境空氣中的各種元素如水分、一氧化碳、甲醛、乙醛等的影響，用便攜式甲醛測(cè)定儀精確量化有一些困難，但可用于確定環(huán)境空氣中甲醛含量的一定范圍，在必要時(shí)也要用實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試手段作為仲裁，加以精確量化。圖1-2為市面上使用的便攜式甲醛檢測(cè)儀。圖1-2甲醛檢測(cè)儀課題主要研究?jī)?nèi)容本系統(tǒng)的目標(biāo)設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)嵌入式系統(tǒng)，可以檢測(cè)小場(chǎng)所如汽車空氣和一些封閉的室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上，同時(shí)還可以通過(guò)聲光警報(bào)發(fā)出警示，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)降低對(duì)人類生命有害的物質(zhì)的質(zhì)量，對(duì)于提升生活品質(zhì)，保證身體強(qiáng)壯有著十分重要的意義。嵌入式系統(tǒng)具有運(yùn)行時(shí)穩(wěn)固安定，測(cè)量時(shí)精密準(zhǔn)確，操作時(shí)隨意方便，成本較低，移植能力較好等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)硬件核心采用嵌入式處理器，以STM32F103C6T6為主要進(jìn)行控制的單片機(jī)，通過(guò)安裝在電路板上的傳感器檢測(cè)溫度、濕度、PM2.5、可揮發(fā)性氣體、二氧化碳。根據(jù)本課題的主要研究?jī)?nèi)容，論文各章的主要安排如下：第一章，緒論。這一章的主要內(nèi)容是對(duì)研究背景進(jìn)行闡述，對(duì)國(guó)內(nèi)和國(guó)外的空氣質(zhì)量檢測(cè)研究分別進(jìn)行介紹，最后介紹研究的內(nèi)容和各章的安排。第二章，空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)功能需求分析。本文主要介紹了空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求分析和可行性分析。第三章，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。這章的主題是對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行描述，并將準(zhǔn)備使用的傳感器型號(hào)進(jìn)行介紹。第四章，系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本章章主要是介紹系統(tǒng)環(huán)境搭建過(guò)程中用到的軟件，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容，如使用的器件的選型、模塊的電路設(shè)計(jì)以及程序設(shè)計(jì)等，并且還列出了系統(tǒng)中一些比較小的電路的設(shè)計(jì)。第五章，系統(tǒng)測(cè)試與分析。主要介紹可揮發(fā)性氣體檢測(cè)結(jié)果分析、二氧化碳檢測(cè)結(jié)果分析、溫度/濕度檢測(cè)結(jié)果分析、PM2.5檢測(cè)結(jié)果分析。第六章：結(jié)論和展望。在這一章的主要工作是對(duì)這次設(shè)計(jì)中的過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)設(shè)計(jì)取得的成果進(jìn)行闡述。同時(shí)還對(duì)本設(shè)計(jì)指出了一些繼續(xù)改進(jìn)的方向以繼續(xù)完善本設(shè)計(jì)。2系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)功能需求分析為了能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，本文基于STM32F103C6T6單片機(jī)設(shè)計(jì)了空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)模塊：主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊。STM32F103C6T6作為系統(tǒng)的核心處理器，將二氧化碳、可揮發(fā)性氣體、可吸入顆粒(PM2.5)以及溫濕度共3個(gè)傳感器采集的污染物濃度信息輸送至STM32F103C6T6，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理器處理之后實(shí)現(xiàn)：TFT液晶模塊現(xiàn)場(chǎng)顯示，按鍵可以對(duì)報(bào)警值進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器模塊中的溫濕度傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行溫濕度檢測(cè)。如果檢測(cè)出來(lái)的溫度數(shù)據(jù)超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行提示；如果檢測(cè)出來(lái)的濕度數(shù)據(jù)超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行提示。經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器模塊中的PM2.5傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境中的粉塵進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)出來(lái)的PM2.5數(shù)據(jù)超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行提示。經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器模塊中的二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境中的二氧化碳和可揮發(fā)性氣體進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)出來(lái)的二氧化碳數(shù)據(jù)超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行提示；如果檢測(cè)出來(lái)的可揮發(fā)性氣體數(shù)據(jù)超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行提示。2.2系統(tǒng)可行性分析滿足檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)的主要考慮因素有：各種類型的檢測(cè)數(shù)據(jù)需要測(cè)量；設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須要有優(yōu)秀的測(cè)量精準(zhǔn)度；該設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能否迅速檢測(cè)到物質(zhì)；檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果是否穩(wěn)定；能源消耗是否符合標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50355-2010。表2-1是土木工程建筑的空氣污染物檢查標(biāo)準(zhǔn)。表2-1室內(nèi)空氣污染物檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)從表2-1中，我們了解到對(duì)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是是否含有以下物質(zhì)：甲醛、苯、氨水、TVOC等有毒物質(zhì)。在室內(nèi)，如果人體吸入這些有毒物質(zhì)過(guò)多，會(huì)對(duì)人體造成極大的危害。因此，若空氣中的甲醛數(shù)量過(guò)多，會(huì)影響身體肌膚和黏膜，而且甲醛還會(huì)和人體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)（氨基酸）結(jié)合，導(dǎo)致頭疼和頭暈。所以，為了使人類生存在健康的自然環(huán)境中，人們就應(yīng)該在日常中嚴(yán)格控制室內(nèi)環(huán)境中有害氣體的含量。本文提出了空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)研究的具體功能要求，并根據(jù)國(guó)家定義的傳感標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)指標(biāo)。同表2-2。表2-2空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)2.3本章小結(jié)這一章的主要內(nèi)容是介紹設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求，并對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)一些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一些指標(biāo)。3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)該系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)室內(nèi)環(huán)境的舒適性進(jìn)行分析，并通過(guò)設(shè)計(jì)一款適用于小場(chǎng)所的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行溫度、濕度、二氧化碳濃度和PM2.5、揮發(fā)性氣體等室內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)分析。在分析室內(nèi)環(huán)境的舒適度之前，還必須使用某些傳感器檢測(cè)一些室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值，目前所用的傳感器主要分為空氣溫濕度傳感器、二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器，以及PM2.5傳感器。而利用上述傳感器和TFT液晶屏等先進(jìn)硬件，可以研發(fā)一種空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)使用開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并把所收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞到液晶屏。該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是：利用硬件裝置實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)。(2)使用所學(xué)的編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)空氣質(zhì)量檢測(cè)軟件。(3)開(kāi)發(fā)便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感系統(tǒng)。3.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析后，為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加具體，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)將其分為4個(gè)模塊，分別是主控模塊（處理由傳感器模塊傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將處理好的數(shù)據(jù)傳到顯示模塊）、傳感器模塊（通過(guò)各個(gè)傳感器檢測(cè)室內(nèi)的空氣，并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳給主控模塊進(jìn)行處理）、顯示模塊（將主控模塊處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，并和報(bào)警模塊聯(lián)系以隨時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示）和報(bào)警模塊（當(dāng)空氣數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定好的警告值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示）。如圖3-1所示為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)決定使用STM32F103C6T6作為主控芯片，并且STM32單片機(jī)具有基于ARM系列Cortex-M3內(nèi)核，具有運(yùn)行比較穩(wěn)定、耗能少的特點(diǎn)。MCU接收到傳感器檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以TFT彩屏界面的形式顯示處理的結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有害物質(zhì)濃度超標(biāo)時(shí)，LED指示燈閃爍并啟動(dòng)報(bào)警。傳感器模塊設(shè)計(jì)包括一個(gè)SGP30氣體傳感器、一個(gè)GP2Y1014AU粉塵傳感器和一個(gè)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SGP30氣體傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中的可揮發(fā)性氣體和二氧化碳?xì)怏w；GP2Y1014AU粉塵傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中的PM2.5；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度。設(shè)計(jì)的各個(gè)傳感器的應(yīng)用電路，滿足室內(nèi)可揮發(fā)性氣體氣體、溫濕度、微塵等精準(zhǔn)檢測(cè)的要求，最終完成空氣質(zhì)量測(cè)量。圖3-2為系統(tǒng)電路圖。圖3-2系統(tǒng)電路圖3.3本章小結(jié)本章對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行了介紹，同時(shí)給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向以及接下來(lái)的工作有了一些認(rèn)識(shí)。4系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境搭建目前國(guó)內(nèi)主要用來(lái)進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的軟件主要有AltiumDesigner、Cadenceallegrro、PADS、PROTEL99se。本系統(tǒng)使用的軟件是采用AltiumDesigner，AltiumDesigner作為備受推崇的Protel系列的延續(xù)，受到國(guó)內(nèi)學(xué)校和企業(yè)電子電路開(kāi)發(fā)商的高度評(píng)價(jià)，這個(gè)軟件的可用性和耐用性受到電子設(shè)計(jì)師的高度評(píng)價(jià)。2001年，PROTL被改稱為Altium。之后發(fā)售了AltiumDesign。并且，作為一款板設(shè)計(jì)軟件，它與Windows平臺(tái)的兼容性很好。除此之外，基于Windows平臺(tái)，Altium推出了ProtelDXP平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)擁有一個(gè)兼容性的環(huán)境，能夠兼容多數(shù)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和編譯。AltiumDesigner承載了以前Protel的大部分優(yōu)秀特性，增加了許多優(yōu)秀的改進(jìn)，對(duì)于一些新出現(xiàn)的板級(jí)接口進(jìn)行了添加，同時(shí)它還承載了現(xiàn)場(chǎng)可編輯邏輯門陣列和可編程片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，能夠幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。到目前為止，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)中，涌現(xiàn)出了很多設(shè)計(jì)產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都只擁有一項(xiàng)或兩項(xiàng)功能，如在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)、集成PCB設(shè)計(jì)或者以某一款處理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是AltiumDesigner，是第一款能夠結(jié)合多項(xiàng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，也正因?yàn)槿绱耍軌蛴?jì)劃將一項(xiàng)產(chǎn)品從虛無(wú)縹緲的概念進(jìn)而設(shè)計(jì)成為成品。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了AltiumDesigner軟件來(lái)對(duì)電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)和描繪PCB圖。本次設(shè)計(jì)的PCB原理圖如圖4-1所示。圖4-1PCB原理圖4.2主控模塊設(shè)計(jì)4.2.1主控芯片選型隨著計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)的不斷進(jìn)步，目前，在市面上出現(xiàn)的微處理器類型比較多，根據(jù)這些處理器的性能范疇能夠劃分為8位、16位、32位和64位的處理器。第一種處理器相比于其他幾種的特點(diǎn)是運(yùn)行的速度遲緩，接口少，抗干擾能力很差，價(jià)格相對(duì)低廉，開(kāi)發(fā)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，這類傳感器的典型代表就是AT89C51；而16位處理器，運(yùn)行速度相對(duì)8位稍微快一些，接口相對(duì)多一點(diǎn)，抗干擾能力較強(qiáng)，價(jià)格較低，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，典型代表是MSP430；與前面的處理器相比，32位處理器的運(yùn)行速度快，接口多，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格區(qū)間較廣，開(kāi)發(fā)難度就相對(duì)較大，典型的代表就是STM32系列處理器。綜上所述，對(duì)于8位微處理器和16位微處理器來(lái)說(shuō)，32位微處理器在運(yùn)行速率和防止干預(yù)能力方面具有明顯的亮點(diǎn)，并且可以提供很多來(lái)自外部的接觸插口資源來(lái)滿足本設(shè)計(jì)的要求。綜上所述，本次設(shè)計(jì)使用的中心芯片是意法半導(dǎo)體的STM32F103C6T6微處理器。該芯片有64K字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器和512k字節(jié)的閃存，具有三個(gè)內(nèi)部ADC[13]，轉(zhuǎn)換時(shí)間短至1us，支持ADC、DAC、IC、USART、定時(shí)器等多種外設(shè)，還支持串行總線調(diào)試（SWD）和JTAG調(diào)試；同時(shí)具有功耗低、指令執(zhí)行速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可廣泛用于測(cè)控系統(tǒng)、無(wú)線技術(shù)等電子產(chǎn)品的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。STM32F103C6T6芯片的引腳圖如圖4-2所示。圖4-2STM32F103C6T6的引腳圖4.2.2主控芯片電路設(shè)計(jì)ARM核心處理器必須完成諸如采集、處理、顯示、傳輸?shù)仁覂?nèi)空氣質(zhì)量功能，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮ARM處理器芯片上的每個(gè)對(duì)應(yīng)引腳的功能和執(zhí)行功能。在設(shè)計(jì)ARM圖時(shí)，預(yù)先留有對(duì)應(yīng)于各個(gè)模塊的接口引腳。如圖4-3所示，ARM芯片上的每個(gè)管腳都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽。引腳7-23為TFT液晶顯示器的連接管腳，引腳13是PM2.5傳感器的連接點(diǎn)，15-16是二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器的連接引腳，引腳21連接的是溫濕度傳感器引腳，引腳35-33連接的是按鍵電路，36連接的是警報(bào)LED燈，引腳37連接的是蜂鳴器，18、19、20、38、39、40為芯片的電源管腳引腳。圖4-3STM32F103C6T6引腳圖4.2.3主控模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要采用模塊化進(jìn)行編程，將各個(gè)功能劃分為自己的小模塊。首先，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的外部命令使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)入初始化狀態(tài)后，執(zhí)行各種數(shù)據(jù)指標(biāo)檢測(cè)過(guò)程:二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器SGP30檢測(cè)到相應(yīng)氣體后輸出二氧化碳含量以及可揮發(fā)性氣體含量數(shù)據(jù)；PM2.5傳感器GP2Y1014AU檢測(cè)到粉塵后輸出粉塵含量數(shù)據(jù)；DHT11溫濕度傳感器會(huì)將檢測(cè)到的溫度和濕度傳輸?shù)街骺匦酒?。這些數(shù)據(jù)會(huì)直接通過(guò)TFT液晶顯示屏顯示出來(lái)，并且如果四個(gè)指標(biāo)中的任意一個(gè)超過(guò)了警戒值值，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并閃爍LED燈以作為提醒。圖4-4為程序運(yùn)行流程圖。圖4-4程序運(yùn)行流程圖4.3傳感器模塊設(shè)計(jì)4.3.1傳感器選型（1）溫濕度傳感器選型溫濕度是判斷一個(gè)環(huán)境是否舒適最基礎(chǔ)的因素。市面上有很多關(guān)于溫度測(cè)量和濕度測(cè)量的傳感器，但是只擁有一項(xiàng)功能的傳感器并不能滿足本設(shè)計(jì)的需求。所以，在選擇傳感器的過(guò)程中，對(duì)于能夠集成溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)與一體的傳感器尤為注意。這一類傳感器往往配置有熱敏感元件和濕敏感元件，能夠同時(shí)對(duì)一個(gè)環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，其普遍運(yùn)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，體積合適，功能穩(wěn)固安定。在這一類傳感器中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和配置的不同，又被分為三種類型的溫濕度傳感器：模擬量輸入溫濕度傳感器、輸出信號(hào)類型為RS485的溫濕度傳感器、能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏貪穸葌鞲衅?。在?duì)市面上使用的溫濕度傳感器進(jìn)行調(diào)查后，決定使用DHT11溫濕度傳感器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種傳感器集成了溫度測(cè)量和濕度測(cè)量，在輸出時(shí)，會(huì)進(jìn)行校對(duì)，其獨(dú)特的數(shù)據(jù)采集模塊能夠穩(wěn)定且安全的傳輸數(shù)字信號(hào)。通過(guò)獨(dú)特的數(shù)據(jù)模塊測(cè)量技術(shù)和溫濕度測(cè)量技術(shù)，產(chǎn)品保障性和耐用性都相當(dāng)好，

其測(cè)量的數(shù)據(jù)范圍如下：精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度5~95%RH，溫度-20~+60℃。其外觀如圖4-5所示。圖4-5DHT11溫濕度傳感器該傳感器由一個(gè)內(nèi)部包含特殊電阻的濕度測(cè)量元件和一個(gè)熱敏電阻溫度測(cè)量元件組成，同時(shí)它能夠和各種類型的單片機(jī)聯(lián)系起來(lái)。除此之外，這種傳感器的內(nèi)部設(shè)置有一種獨(dú)有的標(biāo)準(zhǔn)，并將這種標(biāo)準(zhǔn)放在一次性編程存儲(chǔ)器中，傳感器在運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)用。并且，由于DHT11的接口類型，對(duì)于設(shè)計(jì)具有非常優(yōu)秀的簡(jiǎn)便性。綜上所述，DHT11溫濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)如下：性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好、反應(yīng)能力卓越、價(jià)格合理等，超緊湊的尺寸以及非常低的功率也使其成為了某些條件較嚴(yán)苛的應(yīng)用的完美選項(xiàng)，并且該產(chǎn)品還能夠在4針1線排針?lè)庋b中輕松連接。其引腳圖如圖4-6所示。圖4-6DHT11引腳圖及功能PM2.5傳感器選型PM2.5也稱為灰塵傳感器，可用于檢測(cè)環(huán)境空氣中的顆粒物（PM2.5）的濃度的傳感器。工作原理是基于光散射原理發(fā)展的。當(dāng)光線照射時(shí)，粒子和分子散射光并吸收幾個(gè)光能。由于粒子周圍的散射和吸收效應(yīng)，當(dāng)平行單色光束進(jìn)入被測(cè)粒子場(chǎng)時(shí)，由于粒子周圍的散射和吸收效應(yīng)，光強(qiáng)會(huì)降低。本系統(tǒng)采用GP2Y1014AU粉塵傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣粉塵（PM2.5）。GP2Y1014AU粉塵傳感器是夏普研發(fā)的一款光學(xué)粉塵監(jiān)測(cè)傳感器模塊。屬性值為：電源電壓為5至7V。工作溫度-10-65℃，最小監(jiān)測(cè)直徑0.8um，靈敏度為0.5VI（0.1mg/m3）。粉塵濃度每變化0.1mg/m3，輸出電壓變化0.5V。中心有一個(gè)大孔，空氣可以通過(guò)這個(gè)孔進(jìn)行流動(dòng)，紅外光學(xué)二極管和光學(xué)晶體管位于相鄰的位置。紅外LED將紅外線朝著固定的方向發(fā)射。如果這時(shí)空氣中有物質(zhì)阻擋了紅外線的發(fā)射，此時(shí)發(fā)射出來(lái)的紅外線就會(huì)產(chǎn)生一種散射現(xiàn)象，光學(xué)晶體管通過(guò)接收散射出來(lái)的紅外線，來(lái)對(duì)準(zhǔn)備向外輸出的電壓進(jìn)行改變而導(dǎo)致其發(fā)生變化。其元件外觀如圖4-7所示，引腳圖如圖4-8所示。圖4-7GP2Y1014AU粉塵傳感器圖4-8GP2Y1014AU粉塵傳感器引腳圖GP2Y1014AU粉塵傳感器的引腳功能如表4-1所示。（3）二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器選型對(duì)于一個(gè)氣體檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，氣體傳感器往往是它工作的核心，而這個(gè)核心一般是安裝在這個(gè)系統(tǒng)的探針上。氣體傳感器運(yùn)行的原理是：氣體傳感器將檢測(cè)到的氣體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電信號(hào)。同時(shí)，在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于準(zhǔn)備用到的氣體樣品還會(huì)通過(guò)傳感器本身進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)檢測(cè)過(guò)程一般是包括清除用不到或雜質(zhì)過(guò)多的氣體、將氣體樣品進(jìn)行冷卻和去濕、通過(guò)化學(xué)方法對(duì)樣品進(jìn)行處理，通過(guò)這個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)縮短檢測(cè)時(shí)間，加快檢測(cè)效率。綜上所述，使用的氣體傳感器具有這些特性：檢測(cè)穩(wěn)定、敏感度高、耐腐蝕。但是，氣體傳感器的特性可以根據(jù)不同的制作材料而出現(xiàn)不同的特性基于本設(shè)計(jì)的需求，決定采用SGP30傳感器作為本系統(tǒng)的氣體傳感器。SGP30是第一款在芯片上組合多個(gè)傳感元件，可以提供空氣信息（如二氧化碳和可揮發(fā)性氣體等氣體含量），基于金屬氧化物的氣體傳感器。在工作時(shí)，它會(huì)對(duì)空氣進(jìn)行檢測(cè)，并輸出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)全面校準(zhǔn)，主要用于空氣質(zhì)量檢測(cè)。由于可揮發(fā)性氣體是一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般可以用來(lái)反映甲醛濃度，所以SGP30主要用于甲醛檢測(cè)，同時(shí)它也能對(duì)二氧化碳進(jìn)行檢測(cè)。二氧化碳濃度含量會(huì)影響人的身體狀態(tài)，具體影響如表4-2所示。表4-2二氧化碳含量與人體生理反應(yīng)SGP30的引腳圖如圖4-9所示圖4-9SGP30引腳圖引腳功能如表4-3所示表4-3引腳功能4.3.2傳感器電路設(shè)計(jì)（1）溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)圖4-10溫濕度傳感器電路圖（2）PM2.5傳感器電路設(shè)計(jì)圖4-11PM2.5傳感器電路圖（3）二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器電路設(shè)計(jì)圖4-12二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器電路圖4.3.3傳感器程序設(shè)計(jì)（1）溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)DHT11是可以在線檢測(cè)空氣中的溫濕度，達(dá)到實(shí)時(shí)反映空氣情況的目的，能夠滿足家庭小巧、輕便和高效的需求的傳感器。在實(shí)驗(yàn)中，DHT11在室內(nèi)運(yùn)行并檢測(cè)通過(guò)房間的空氣狀況，來(lái)確定空氣中的溫濕度情況，在顯示屏上可以給結(jié)果設(shè)置警戒值。當(dāng)空氣中的溫度和濕度超過(guò)警戒值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)并閃爍LED燈。DHT11傳感器運(yùn)行流程圖如圖4-13所示。圖4-13溫濕度傳感器運(yùn)行流程圖（2）PM2.5傳感器程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是一套可以在線檢測(cè)空氣中的含塵量，達(dá)到實(shí)時(shí)反映空氣質(zhì)量的目的，滿足家庭小型化、自動(dòng)化、高效化需求的系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，首先要選擇合適的光源，根據(jù)光源進(jìn)行檢測(cè)。該系統(tǒng)在室內(nèi)運(yùn)行并檢測(cè)通過(guò)房間的空氣，在含塵量不同的條件下，標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)測(cè)試目標(biāo)氣體的吸收程度不同。因此，可以獲得不同的投射光強(qiáng)度來(lái)確定空氣中的灰塵含量。為檢測(cè)結(jié)果設(shè)置警戒值，當(dāng)空氣中的粉塵濃度超過(guò)警戒值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)提示用戶。傳感器運(yùn)行流程圖如圖4-13所示。圖4-14粉塵傳感器運(yùn)行流程圖（3）二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器程序設(shè)計(jì)對(duì)于含量極低的有害氣體，該傳感器也能夠進(jìn)行檢測(cè)。它的主要特點(diǎn)是小巧、運(yùn)行速度快、性能優(yōu)越等。這類傳感器的運(yùn)行原理是：通過(guò)和氣體進(jìn)行接觸，并觸發(fā)一個(gè)模擬電壓，這個(gè)電壓和氣體的含量有一定的聯(lián)系，隨后這個(gè)電壓在芯片上被處理后得到一個(gè)關(guān)于氣體的濃度數(shù)據(jù)。SGP30傳感器運(yùn)行流程圖如圖4-15所示。圖4-15二氧化碳和可揮發(fā)性氣體傳感器運(yùn)行流程圖4.4顯示模塊設(shè)計(jì)4.4.1顯示模塊選型LCD顯示器也叫液晶顯示器，是一種由薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)的有源矩陣液晶顯示器。它主要是通過(guò)電源產(chǎn)生的電流將液晶分子啟動(dòng)，在背光管中產(chǎn)生點(diǎn)、線、面，形成圖像。IPS、TFT和SLCD都是LCD的子類。它的運(yùn)行原理是通電后，液晶分子陳列的方位會(huì)產(chǎn)生改變，同時(shí)來(lái)自于外部光線透過(guò)的程度會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)就會(huì)發(fā)生由電子轉(zhuǎn)換為光線的變化，然后激發(fā)三基色信號(hào)。通過(guò)三基色類型的能夠選取所需輻射波段的光學(xué)器件，對(duì)圖像空間和時(shí)域的色彩進(jìn)行還原。市面上的顯示器類型有很多，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的斟酌后，在設(shè)計(jì)時(shí)決定使用TFT顯示器。TFT的中文名字是薄膜晶體管，具體是在LCD玻璃表面上隊(duì)列的晶體管,在這種界面上所有的像素都可以有一種屬于它的位置。其中,像素可以利用特殊的電沖擊來(lái)對(duì)基板上的液晶進(jìn)行調(diào)控。綜上所述,TFT顯示器能夠有計(jì)劃地控制像素。在市面上的主流顯示設(shè)備中，TFT顯示器一直作為很多筆記本電腦以及臺(tái)式機(jī)的首選。在這些類型的顯示器中，TFT顯示器主要是將液晶像素進(jìn)行組合并通過(guò)薄膜晶體管對(duì)這些像素進(jìn)行啟動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高速、高亮度、高對(duì)比度的顯示信號(hào)。因此，TFT顯示器也是一種活動(dòng)矩陣液晶顯示裝置。對(duì)于現(xiàn)在市面上的液晶彩色顯示裝置來(lái)說(shuō)，TFT顯示器可以說(shuō)是獨(dú)占鰲頭。通過(guò)上面的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)TFT顯示器具有反應(yīng)迅速、亮度比較好和色彩明艷的優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)CRT式屏幕的效果非常接近，并且由于TFT式顯示屏的色域范圍較廣，因此廣泛用作中低價(jià)數(shù)位彩屏手機(jī)。市面上常見(jiàn)的TFT液晶顯示屏如圖4-16所示。圖4-16TFT液晶顯示屏4.4.2顯示模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選擇TFT液晶顯示電路進(jìn)行展示空氣質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)果，TFT顯示屏可以用比較低的電壓驅(qū)動(dòng)，3.3V電壓即可驅(qū)動(dòng)。引腳7、8為TFT液晶顯示屏的電源，引腳6為SPI時(shí)鐘輸入接口，引腳5為讀取選擇和寫選擇，引腳4為接受數(shù)據(jù)的端口，引腳3為讀寫數(shù)據(jù)/寫命令的選擇引腳，引腳2是SPI片選輸入的端口，引腳1為背光控制的引腳。其引腳圖為圖4-17所示。圖4-17TFT液晶顯示屏引腳圖TFT液晶顯示屏引腳功能如表4-4所示。表4-4TFT液晶顯示屏引腳功能表TFT液晶顯示屏的電路圖如圖4-18所示。圖4-18TFT液晶顯示電路圖4.4.3顯示模塊程序設(shè)計(jì)首先，第一步操作是將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，變更TFT顯示器的CR和AR，同時(shí)對(duì)一些相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）的位置和大小等，接著就是將屏幕進(jìn)行初始化。最后，通過(guò)從主控芯片送到顯示器的信號(hào)來(lái)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的功能，因此將想要顯示的畫面展現(xiàn)出來(lái)。而對(duì)于TFT顯示器的初始化來(lái)說(shuō)，最重要的是對(duì)控制器的各項(xiàng)參數(shù)如頻率、buffer地址等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)打開(kāi)后，因?yàn)榇嬖谟诰彌_區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生變化，所以不能正常顯示畫面。因此，在操作之前，必須將緩沖存儲(chǔ)器原有的數(shù)據(jù)刪除，或者將一些設(shè)定好的數(shù)據(jù)發(fā)送到緩沖存儲(chǔ)器，然后填充畫面。在初始化之后，系統(tǒng)就能夠處理所收集到的信號(hào)，并通過(guò)文字和圖畫的方式顯示出來(lái)。運(yùn)行流程圖如圖4-20所示。圖4-20顯示模塊運(yùn)行流程圖4.5報(bào)警模塊設(shè)計(jì)4.5.1報(bào)警模塊選型蜂鳴器是一種集成的電子發(fā)聲器，由直流電壓驅(qū)動(dòng)，通常作為計(jì)算機(jī)、報(bào)警器、玩具、定時(shí)器等電子設(shè)備的聲音輸出裝置?，F(xiàn)在大部分用到的蜂鳴器有以下兩種：由于電壓的影響導(dǎo)致蜂鳴片產(chǎn)生變形而發(fā)聲的壓電蜂鳴器；通過(guò)線圈進(jìn)行電磁感應(yīng)對(duì)蜂鳴片產(chǎn)生作用而發(fā)聲的電磁蜂鳴器兩種。蜂鳴器發(fā)聲的原理是在通過(guò)蜂鳴器內(nèi)的振動(dòng)裝置和諧振裝置作用在蜂鳴片上來(lái)使蜂鳴器發(fā)出聲音，蜂鳴器分為無(wú)源型和有源型。無(wú)源型的工作原理如下：來(lái)自外部的方形波動(dòng)信號(hào)被輸入到振動(dòng)裝置中，然后轉(zhuǎn)化成為聲音信號(hào)進(jìn)行輸出。其工作原理圖如圖4-21所示。圖4-21無(wú)源型蜂鳴器工作發(fā)聲原理有源型蜂鳴器的工作發(fā)聲原理是：經(jīng)過(guò)振蕩系統(tǒng)后，直流電被放大并進(jìn)行取樣反饋，最后在振動(dòng)系統(tǒng)的作用下轉(zhuǎn)化成為聲音信號(hào)輸出。其工作原理如圖4-22所示。圖4-22有源型蜂鳴器工作發(fā)聲原理通過(guò)對(duì)這次設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行考慮分析，決定使用的是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器使用的電源是恒定電流，這是它和另一類型蜂鳴器差異最大的地方。它的工作方式為：電流在經(jīng)過(guò)蜂鳴器的振蕩裝置后，振蕩裝置會(huì)使電流的大小和方向都發(fā)生周期性的變化，從而轉(zhuǎn)變成為振蕩電流，形成一種電壓信號(hào)，然后發(fā)送到磁場(chǎng)內(nèi)使磁場(chǎng)發(fā)生交變，導(dǎo)致蜂鳴片產(chǎn)生波動(dòng)而發(fā)出聲音。一般有源蜂鳴器的外觀如圖4-23所示。圖4-23有源蜂鳴器在設(shè)計(jì)中還采用了普通的LED燈作為報(bào)警燈，與蜂鳴器組合作為一個(gè)報(bào)警模塊。4.5.2報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)報(bào)警電路主要是由蜂鳴器和LED燈組成。由于報(bào)警電路并不復(fù)雜，可以用蜂鳴器呼叫和閃爍燈間斷地閃爍就能實(shí)現(xiàn)[6]。其電路設(shè)計(jì)如圖4-24和圖4-25所示。圖4-24蜂鳴器電路圖圖4-25LED燈電路圖4.6系統(tǒng)其他電路設(shè)計(jì)此系統(tǒng)其它的外圍電路還應(yīng)包括按鍵控制電路。按鍵控制電路并不復(fù)雜，其功能主要是調(diào)節(jié)警戒值的大小，其電路圖如圖4-26所示。圖4-26按鍵控制電路4.7本章小結(jié)本章主要是對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，對(duì)于其中的模塊進(jìn)行解釋和分析，詳細(xì)講述了程序的設(shè)計(jì)流程并提出了程序運(yùn)行的流程圖，介紹了程序的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)處理。5系統(tǒng)測(cè)試與分析5.1功能測(cè)試5.1.1溫濕度傳感器功能測(cè)試為了測(cè)試DHT11溫濕度傳感器的功能能否正常使用，將溫濕度傳感器與STM32F103C6T6連接起來(lái)，并鏈接電源測(cè)試溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)的功能。將設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)上電后放置在室內(nèi)，觀察其在通電后能否測(cè)量到室內(nèi)的溫濕度狀況。如圖5-1所示。圖5-1溫濕度傳感器功能測(cè)試5.1.2PM2.5傳感器功能測(cè)試為了測(cè)試PM2.5傳感器GP2Y1014AU及其模塊的性能，將粉塵傳感器的引腳與系統(tǒng)主板連接起來(lái)如圖5-2所示，并準(zhǔn)備通電測(cè)試其粉塵測(cè)量功能。將設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)上電后放置在室內(nèi)，觀察其在通電后能否測(cè)量到室內(nèi)的粉塵狀況。圖5-2PM2.5傳感器功能測(cè)試5.1.3二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器功能測(cè)試為了測(cè)試二氧化碳/可揮發(fā)性氣體傳感器SGP30及其模塊的性能，將SGP30的引腳與系統(tǒng)主板連接起來(lái)如圖5-3所示，并準(zhǔn)備通電測(cè)試其二氧化碳/可揮發(fā)性氣體測(cè)量功能。將設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)上電后放置在室內(nèi)，觀察其在通電后能否測(cè)量到室內(nèi)的二氧化碳和可揮發(fā)性氣體狀況。圖5-3二氧化碳/TVOC傳感器功能測(cè)試5.2測(cè)試結(jié)果分析5.2.1溫濕度測(cè)試結(jié)果分析通過(guò)前面的介紹，我們可以知道DHT11傳感器能夠同時(shí)進(jìn)行溫度和濕度的檢測(cè)。所以，對(duì)于溫濕度的性能測(cè)試要將溫度測(cè)試和濕度測(cè)試分開(kāi)，通過(guò)控制變量來(lái)進(jìn)行。開(kāi)始時(shí)，我們要做的是將變量濕度設(shè)置為60%并保持不變，分別設(shè)置變量溫度為10℃、15℃、25℃，隨即將測(cè)試出來(lái)的結(jié)果記錄下來(lái)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-1所示。在測(cè)試中，測(cè)量了18次數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)得的實(shí)際值進(jìn)行比較。表5-1溫濕度傳感器溫度測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際值對(duì)比為了直觀表示，通過(guò)折線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示。通過(guò)折線圖的數(shù)據(jù)展示可以明顯發(fā)現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)在溫度上的誤差范圍在5%以內(nèi)，能夠符合現(xiàn)在空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。折線圖如圖5-4所示。圖5-4單一條件下的溫度變化情況繼續(xù)上述的實(shí)驗(yàn)，這次我們要做的是將變量溫度設(shè)置為20℃并保持不變，分別設(shè)置變量濕度為45%RH、55%RH、65%RH，隨即將測(cè)試出來(lái)的結(jié)果記錄下來(lái)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-2所示。表5-2溫濕度傳感器濕度測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際值對(duì)比表5-2中的數(shù)據(jù)同樣是通過(guò)18次測(cè)量結(jié)果出來(lái)的。通過(guò)折線圖的數(shù)據(jù)展示可以明顯發(fā)現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)在濕度上的誤差范圍在6%以內(nèi)，能夠符合現(xiàn)在空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。圖5-5單一條件下的濕度變化情況5.2.2PM2.5測(cè)試結(jié)果分析傳感器GP2Y1014AU主要是用來(lái)檢測(cè)空氣中的粉塵（PM2.5），測(cè)試的主要場(chǎng)所是在室內(nèi)，所以這次實(shí)驗(yàn)先通過(guò)一般標(biāo)準(zhǔn)的粉塵傳感器進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)本系統(tǒng)的GP2Y1014AU傳感器對(duì)室內(nèi)粉塵的測(cè)試，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)這種方式來(lái)找出誤差值的情況并測(cè)試GP2Y1014AU傳感器是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-3所示。表5-3GP2Y1014AU測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)際值的對(duì)比表5-3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了4次測(cè)量，通過(guò)調(diào)整檢測(cè)PM2.5含量的時(shí)間，然后經(jīng)過(guò)GP2Y1014AU傳感器獲取數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)的粉塵傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照。通過(guò)簇狀柱形圖5-6的直觀展示，本系統(tǒng)測(cè)量到的粉塵濃度和真實(shí)值的誤差較小，誤差范圍1%-3%之間，滿足空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。圖5-6GP2Y1014AU所測(cè)粉塵含量與實(shí)際值對(duì)比5.2.3二氧化碳/可揮發(fā)性氣體測(cè)試結(jié)果分析傳感器SGP30主要檢測(cè)的氣體為二氧化碳和TVOC氣體，因?yàn)镾GP30的優(yōu)異性能，因此這次測(cè)試分為二氧化碳部分和TVOC氣體部分。本次測(cè)試主要進(jìn)行的場(chǎng)所是在室內(nèi)，所以這次實(shí)驗(yàn)先通過(guò)一般標(biāo)準(zhǔn)的CO2傳感器進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)本系統(tǒng)的SGP30傳感器對(duì)室內(nèi)空氣的測(cè)試，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)這種方式來(lái)找出誤差值的情況并測(cè)試SGP30傳感器是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-4所示。表5-4SGP30所測(cè)二氧化碳數(shù)據(jù)與實(shí)際值對(duì)比表5-4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了4次測(cè)量，通過(guò)調(diào)整檢測(cè)CO2的濃度的時(shí)間，然后通過(guò)SGP30傳感器獲取數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)的CO2傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照。通過(guò)簇狀柱形圖5-7的直觀展示，本系統(tǒng)測(cè)量到的CO2濃度和真實(shí)值的誤差較小，誤差范圍1%-3%之間，滿足空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。圖5-7SGP30所測(cè)二氧化碳數(shù)據(jù)與實(shí)際值對(duì)比和二氧化碳的檢測(cè)一樣，TVOC氣體部分的測(cè)試也在室內(nèi)進(jìn)行，同樣是通過(guò)一般標(biāo)準(zhǔn)的TVOC傳感器進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)本系統(tǒng)的SGP30傳感器對(duì)室內(nèi)空氣的測(cè)試，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)這種方式來(lái)找出誤差值的情況并測(cè)試SGP30傳感器是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-5所示。表5-5SGP30所測(cè)TVOC數(shù)據(jù)與實(shí)際值對(duì)比表5-5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了5次測(cè)量，通過(guò)調(diào)整檢測(cè)TVOC濃度的時(shí)間，然后通過(guò)SGP30傳感器獲取數(shù)