基于 STM32 单片机的室内环境监测系统的研究

        孙飞 刘通 张栋
        黑龙江科技大学电气与控制工程学院,黑龙江 哈尔滨 150027

        摘要：STM32单片机与传统检测手段相比，其布线更加简洁、结构也更加简答，在实际应用中对室内环境监测的效果更好，目前应用比较广泛，在很大程度上促进了室内环境监测系统的优化与升级。本文就以STM32单片机为例，对室内环境环境监测系统进行几点研究。
        关键词：STM32单片机；传感器；无线通讯
        引言
随着科技的发展和进步，室内环境监测系统也在不断完善，基于STM32单片机的室内环境监测系统，不仅具有良好的检测效果，而且操作便捷，结构简单，适用范围更加广泛，为室内环境环境监测提供巨大助力，对其系统设计与应用的深入研究也显得十分必要。
        1硬件设计
1. 1 STM32F103C8T6 最小系统
按照单片机的组装要求，最小系统的构造需要包括STM32 单片机、电源电路、下载电路、复位电路和时钟电路。对单片机的构成原理分析发现，其内部结构遵循集成电路芯片的构成模式，能够实现数据输入和输出的指令需求，同时利用中央处理器CPU以及相关存储系统对多种数据进行指定输入、存储、输出，从而实现微型计算机系统的构建。随着人们对控制领域的深入研究，这类控制类的元件能够被高效利用。
1. 2 温湿度模块
利用温度传感器和数字模块采集技术组合而成的DHT11 温湿度传感器，能够准确对系统运行过程中的温湿度进行测量，并可以控制测量精度。按照不同工作电压的状况，当工作电压为3.0v-5.5v时，响应时间如果<5s，则该温湿度传感器会处于低功率运行状态，并且保持完整的信号输出和接收，此时在信号发出以后，由于接收指令的输入，DHT11 温湿度传感器会切换到高速模式，待指令输入完成后由回应单片机进行信号接收和分析。不同的数据传输有一定的数据量限制，信号读取速度直接决定DHT11 温湿度传感器的反应速度，当完成信号接收以及转化的全部过程后，温湿度传感器则会重新回到原始工作状态，退出低速模式。
1. 3 甲醛模块
利用通用型模组组合成电化学甲醛模块。通过对空气中的甲醛分子进行测量，接收空气中的化学信号，在电化学系统下进行分析，配合NPC温度传感器，完成温度的补充。之所以能够实现信号的完整输入和转换，是由于在不断改良的电路设计中，能够精准测量电化学信号，并且各接收端口可以获得实时数据，在经过编辑和计算以后将指令下发给单片机和微机系统，进而实现模块化的设计和应用。
1. 4 PM2. 5 模块
在激光散射原理的基础上对空气中的颗粒物进行检测，配合颗粒物传感器实现数字化信息采集，最终测得单位体积内空气中悬浮颗粒物的数量以及分布密度，通过传感器信号的变化输出测量结果。按照不同位置空气中悬浮颗粒物的浓度，相关仪器、仪表会精准的显示数量，确保以最快速度完成特定范围内的浓度数据采集。
        2软件设计
构建完整的室内环境监测系统，应用STM32单片机，完成单总线系统的编辑。单总线系统对各操作指令的数据要求更高，所以在按要求进行系统软件的编写过程中，要配合使用C语言和相关语言程序，利用编写键盘进行相关程序的驱动。对已经完成编辑的数据进行存储，对各串口通讯程序进行串联，最终经过分析后在LED显示程序上显示数据信息。在该系统中，不同位置的压力传感器以及电信号传感器要第一时间获取相关数据，并且利用系统算法进行信号转换，进而精准的对室内空气的质量、温度、湿度进行测量。利用数据存储和显示设备，配合彩色液晶屏，可以让数字显示结果更加清晰。经过一段时间的研发和升级，该系统能够对单位面积内的空气进行更高效率的检测，同时在系统运行的过程中各监控软件可以配合软件平台推出相关应用，只需要在特定平台上进行下载就可以完成实时监控。

利用数据串行通信以及相关存储功能，进一步展现MAX232接口芯片的应用价值，并保证数据获取的精度。
        3监测系统的设计
随着人们环保意识的不断提高，以及对自身健康的高度重视，室内环境监测系统逐渐得到了广泛的应用。利用该系统能够对室内环境中的各项参数进行准确的监测。将STM32单片机应用在室内环境监测系统当中，能够实现室内环境监测与调节的自动化，更为有效地保持良好的室内环境。
对于室内环境监测系统的完善，要利用STM32单片机微控制器进行数据回收和使用。考虑内核处理器的高效能运转需求，各零部件的频率要满足75MHz的工作速率要求。还有，安装定位器、定时器、通信接口在该系统中，可以对特定单元的数据进行采集和回收，从而实现特定区域的环境监控。某些区域需要对温湿度进行测量，同时了解二氧化碳浓度，再加入相关传感器完成信号接收和转换以后，配合系统显示屏进行数字显示，最终将重要的数字信号在屏幕上进行读取。不同的数据在单总线系统中被处理以后，能够准确的被各芯片识别，确保各类信息可以被高速处理，进而体现使用价值。按照目前科技发展的速度，信号最远传输距离能达到600米左右，传输速度也能达到每秒110?k?b。将计算机系统与STM32单片机控制系统进行连接，能够实现远距离的数据监控，有利于进行相关位置数据的调控。按照不同区域的数据变化规律，提前对特定位置进行确定，结合已经收集并处理的数据内容，经过存储以后在LED显示屏上显示相关时间信息，从而提高数据的使用价值。还有，有些数据会随着环境或时间的推移产生变化，室内环境监测系统同时具备了信息存储和查询的功能，可以按照需求找寻历史信息，从而更好的进行比对和分析。
        4传感器电路的设计
4.1反馈电路
进行室内环境监控主要包括二氧化碳、温度、湿度等数据参数内容，STM单片机利用光电耦合器可以精准隔离输出信号，在确保通过继电器对空调、加湿器等设备进行完整指令操作以前，输出信号系统处于关闭状态，直到接收最终确定信号以后才会对室内的空气质量和环境参数进行调整。随着室内空气参数逐步达到标准值，继电器也会根据需求完成自动切断，使STM32单片机停止工作，直到下一个信号指令输入后才能重启系统。
4.2温度传感器
利用热固聚酯电容式传感头完成温度的接收，提高温度传感器的灵敏度，配合内部信号处理系统构成完整的功能回路。温度传感器对周边环境进行测量时，能够以最短的速度得到高精度的结果，并且保证温度测量的稳定性。温度传感器本身使用耐腐性较强的材料，在进行实时温度测量时可以按照需求进行相关补偿，还有，单总线电压和湿度测量的系统配合开关，实现功能转换。重要的温度信息会存储在传感器内部，以便进行控制器信号的输入。
4.3空气质量传感器
室内环境监测系统中，必须包含空气质量传感器。根据人类居住环境需求，利用空气质量传感器对室内的二氧化碳、烟雾、甲醛、甲苯等物质的浓度进行测量，并应用高效的灵敏反应速度获得实时数据。该系统在运行过程中能耗较低，并且按照室内环境监测系统的需求可以做出相应的调整，及时判断室内有害气体的含量。当某一有害气体浓度迅速增加时，传感器会在电信号的辅助下作出相关报警提示，从而保证居住者的生命安全。
        结束语
本文主要介绍了其在系统、传感器、软件等方面的设计和应用，从而分析了其发挥作用的过程，通过系统各个方面的共同运作，实现了高精度、高效率的室内环境监测。同时利用网络扩展，还能够实现远程监控的功能，因而在实验室、住宅楼、办公楼等室内环境中，都具有较强的适用性。
        参考文献
[1]陈东杰,许中石.单片机的室内环境监测系统设计探讨[J].信息技术与信息化,2017(05):131-133.
[2]李智岩,刘玥,柳娟,唐莹玮,吕佳蓉,吴宝春.基于单片机的室内环境监测系统设计[J].信息技术与信息化,2016(12):60-62.
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[4]仰浩浩.试论STM32单片机在室内环境监测系统中的运用[J].数字技术与应用,2015(11):6.

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