基于STM32的大气粉尘浓度实时检测系统设计

张荣华，邹超华

(四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000)



基于STM32的大气粉尘浓度实时检测系统设计

张荣华，邹超华

(四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000)

为了实时测量大气中粉尘浓度，设计了一套基于光散射原理的检测系统。根据朗伯-比尔定律可知，准确测量透射光强是检测的关键因素。系统采用锂电池供电，以STM32微处理器为核心，测量光束通过被测介质前后的光强变化，转化为电信号，经运放放大后送入ADC处理，实现浓度信息采集，DHT11检测环境中温湿度，实时时钟设置系统的日期和时间，数据经单片机处理后动态显示在LCD5110上，可以通过菜单和AD键盘进行功能设置。实验结果表明，该系统能实现便携实时测量，相对误差小于10%，精度较高，具有功能丰富、超限报警、实用性强、功耗低、操作简单、固件升级容易等特点。

实时测量；粉尘浓度；光散射；STM32微处理器

引言

现代工业的迅速发展引起了越来越多的污染问题，尤其是空气质量下降。除了废气、废水，空气中的微小颗粒物已经成为一个十分突出的问题，已有研究表明，大气中的颗粒物能携带大量的病毒和一些重金属，一旦粉尘被人吸入，会对人体的健康造成极大的伤害。大气中的粉尘浓度是衡量空气质量的一个重要指标，粉尘的检测就变得十分重要。国内外对粉尘浓度检测方法主要有电容法、光学法、摩擦电法等[1-3]。文献[4]在电容测量法的基础上，设计了基于电桥法的测量电路，对工业粉尘浓度进行测量。文献[5]建立了棒状电极与粉尘颗粒间的电荷感应数学模型，电极周围的粉尘浓度与感应所得交变信号的波动性呈正相关关系，具有较好的重复性，克服了粉尘浓度传感器管路易堵塞的问题。电容法的测量原理简单，但测量值对流型分布敏感，电荷法测量易受微粒流速影响，容易引起较大误差[6]。为了便于人们了解空气的污染程度，而光散射法具有快速、简便、灵敏度高的特点，因此设计了一套基于光散射原理的低功耗、低成本、测量快速、操作简单的粉尘浓度检测系统，对空气中的粉尘浓度进行实时在线检测。

1　系统工作原理及总体方案

当光束通过含尘空气时，粉尘对光有吸收和散射作用，使透射光强发生衰减[7-9]。根据朗伯-比尔定律(Lambert-Beer)[10]，吸光度A定义为：

(1)

其中，I和I0分别表示出射光强和入射光强，它们的比值用透射比T表示，c表示粉尘浓度，d为吸收层厚度，k为消光系数。

根据式(1)得：

(2)

由式(2)可知，准确测量透射光强是检测粉尘浓度的关键因素。

粉尘检测系统测量光束通过被测介质前后的光强，并转换为电信号，放大为0～3 V的模拟电压信号，经过STM32内部的12位ADC转换为数字信号，同时检测环境中温湿度，实时时钟设置系统的日期和时间，LCD5110液晶显示和AD键盘作为人机交互接口，如果超过限定值单片机驱动蜂鸣器报警。系统采用3.7 V锂电池供电，实现便携实时测量，结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2　硬件电路设计

系统主要由电源管理、STM32微处理器[11-13]、粉尘检测及信号处理电路、DS1302实时时钟、温湿度传感器、按键输入及LCD5110显示组成。

电源管理主要包含锂电池充电和电源转换部分，使用锂电池供电，有助于实现便携，而系统中大部分芯片是3.3 V，所以还需将锂电池的3.7 V转化为3.3 V输出(图2)。采用单节锂电池充电芯片TP4056，待机电流55 uA，可编程充电电流高达1000 mA，充电精度达±1.5%，当外接电源(交流适配器或USB电源)切断时，TP4056自动进入低电流状态，当连通时，TP4056也可置于停机模式。充电电路如图2(a)所示，R41、R43和D8、D9组成了充电指示，充电时D9红灯亮，D8绿灯亮起时，表示充电结束。

图2　电源管理电路图

采用低压差稳压芯片LP2985转换锂电池的3.7 V电压。LP2985待机电流小于1 uA，是低功耗用电器的首选。图2(b)中的BAT54C为两个肖特基二极管，防止接入USB时电流直接流向电池，电流过大烧毁电脑接口，开关KEY为电路总开关，通过电阻R26和R30进行分压取样，STM32的AD1检测电池电压，当电压过低时自动关机，当单片机进入休眠模式，程序使所有I/O口为高阻态，此时R27上拉到3.3 V使PNP三极管Q4处于截止状态，所有模块停止供电，这时待机电流小于5 uA，当通过VCC_WK唤醒单片机时，程序控制PW输出低电平，三极管导通，系统进入正常工作，点亮发光二极管D7。

光电二极管检测出光强度，光强度越大，二极管导通率越大，输出电压值就越大。但传感器输出电压是毫伏级别，还需经运算放大器放大，单片机ADC才能检测到信号。其电路如图3所示，IRED接微处理器的PC14引脚，控制二极管的亮灭。运算放大器选用OP413，单电源供电范围3 V～36 V，具有低噪声、低漂移特性和数字校正功能，性能精密。

图3　粉尘检测信号处理电路

微控制器选用基于ARM Cortex-M3内核的32位低功耗STM32F103C8T6，CPU频率为72 MHz，有128 K字节的FLASH和20 K字节的SRAM，2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，通信接口丰富，2个I2C、SPI、3个USART、USB和CAN接口各1个，有37个I/O口。丰富的外设配置，使STM32F103C8T6能够应用多种场合，如电机驱动、可编程控制器(PLC)、打印机、空调系统等。微处理器电路如图4所示。

环境温湿度测量采用DHT11集成传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，与高性能8位单片机相连，使用单总线数字信号方式传输数据，测湿范围20～90% RH，精度±5% RH，测温范围0～50oC，精度±2oC，响应快、抗干扰能力强、稳定性好。

LCD显示屏选用诺基亚LCD5110，分辨率84×48，间隔200 ms刷新一次，可显示6行英文或者4行汉字，支持多种串行通信协议，传输速率高达4 Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。采用PNP三极管控制LED背光灯的亮灭，用模拟SPI的方式传输数据。

STM32F103C8T6的PA11和PA12是硬件的USB协议接口，USB和CAN共用一个专用的512字节的SRAM存储器，用于数据的发送和接收，因此不能同时使用。USB设备在枚举前将数据线通过1.5 kΩ电阻上拉到电源，当USB主机检测到信号后才发送设备描述符请求，开始枚举设备，实现USB通信。

图4　微处理器电路图

实时时钟采用美国DALLAS公司的低功耗芯片DS1302，可以对年、月、日、星期、时、分、秒计时，具有闰年补偿功能。内部总共12个寄存器，与日历、时钟相关的有7个，还包含存放临时数据的31字节RAM空间，使用32.768 kHz独立晶振，当系统断电时也能使用自带的纽扣电池精确走时，工作电压为2.5 V～5.5 V，只需3条线就能与CPU通信。其电路如图5所示。

图5　实时时钟电路

常用的按键电路有矩阵键盘和AD键盘。在矩阵键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，需要单片机逐行扫描，占用较多的I/O口，电路和编程相对复杂而且耗时。而AD键盘将输出的模拟电压值进行AD转换，将数字量传给单片机，只需要2根线，系统中使用一根电源线和一个I/O接口实现6个按键，分别为K1“设置”、K2“确定”、K3“向上翻页”、K4“向下翻页”、K5“粉尘浓度上限加10键”、K6“粉尘浓度上限减10键”。

3　软件设计

系统软件主要包含驱动层，任务管理层。在Keil uVision5[14-15]开发环境下，使用C语言编写粉尘检测系统的应用程序，系统初始化主要针对STM32内部ADC、DS1302、DHT11、LCD显示驱动等，软件流程如图6所示。

图6　系统软件流程图

二极管发出的光经过待检测的气体时，出射光强变低，光强与粉尘浓度有相关关系，粉尘检测中需要精确测量光电二极管接收端的电压变化。检测过程要确保严格的时序控制，根据LED驱动周期，设置脉冲周期10 ms、脉冲宽度0.32 ms、取样时间0.28 ms，并计算1 s内100次取样的平均值。检测流程如图7所示，初始化单片机主要是指配置STM32的AD转换接口和转换位数，I/O口的复用功能及相应寄存器。

图7　粉尘检测流程图

4　实验结果与分析

为了测试所设计的检测系统的测量精度和性能，对广州地区[16]一天内不同时刻的空气取样，测得PM2.5的含量，并与当地环保局发布的空气质量数据进行对比，见表1。

表1　粉尘浓度测试数据对比

从表1可以得知，在采样时间段内，所设计的大气粉尘浓度实时检测系统测得粉尘浓度平均值为80.25，环保局发布数值平均值为81，相对误差在±10%以内，具有较高的测量精度。

5　结束语

设计了一套基于光散射原理的大气粉尘监测系统，以STM32为控制核心，单片机内部ADC采集信号，能检测环境温湿度，用LCD液晶屏和键盘作为人机交互界面。系统能实现便携实时测量、超限报警，低功耗，精度较高，具有一定的实用性和市场推广价值，有助于人们及时了解空气质量情况，指导日常行为。

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Design of Real-time Detection System of Dust Concentration in Atmospheric Based on STM32

ZHANG Ronghua, ZOU Chaohua

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering , Zigong 643000, China)

In order to realize real-time measurement of dust concentration in atmosphere, a kind of detection system based on the principle of light scattering is designed. According to the law of the Lambert-Beer, accurate measurement of transmitted light intensity is the key factor of the system. The system uses lithium battery-powered, with STM32 microprocessor as the core; the concentration information is collected by measuring the change of light intensity when light transforming the change into electrical signals through the measured medium, and transmitting the signals to the ADC after amplified; temperature and humidity are detected by DHT11; the date and time are set by real-time clock; the data, processed by the MCU dynamic, is displayed on LCD5110; and function can be set through the menu and AD keyboard. The experimental results show that the system can realize portable and real-time measurement, has a high accuracy with the relative error less than 10%, and possesses the characteristics of abundant functions such as warning over limit, strong practicality, low power dissipation, simple operation, easy firmware upgrading.

real-time measurement; dust concentration; light scattering; STM32 microprocessor

2016-02-28

企业信息化与物联网测控技术四川省高校重点实验室开放基金项目(2015WYY01)

张荣华(1987-),女,四川广元人,助教,硕士,主要从事嵌入式系统方面的研究,(E-mail)zrh3536@163.com

1673-1549(2016)02-0014-05

10.11863/j.suse.2016.02.04

TP277

A