智能家用P M2.5环境检测仪设计

安阳工学院电子信息与电气工程学院 李志瑞 申庆超

智能家用P M2.5环境检测仪设计

安阳工学院电子信息与电气工程学院 李志瑞 申庆超

作为雾霾的主要成分，PM2.5越来越受到人们的重视，但传统的PM2.5环境检测仪造价昂贵，使用不方便，难以在家庭中应用。基于此，基于传感器技术和STM32设计了一款智能家用PM2.5环境检测仪。使用夏普GP2Y1010传感器完成对粉尘颗粒物的采集，温湿度传感器DHT11完成室内温湿度的采集，AD转换转换之后送入STM32单片机进行控制处理，并在OLED显示屏上进行显示，同时可以设置超限报警值，当PM2.5浓度超过设定值之后，进行声光报警和GSM模块发送短信提醒。

PM2.5；传感器技术；STM32；SM模块

1 引言

随着经济社会发展，人民群众的生活水平不断提高，环境污染问题越来越严重，引起人们的广泛关注，特别是每到冬季华北地区的雾霾问题。而作为雾霾主要成分PM2.5的检测也成为环保部门空气质量报告的主角，我国目前对PM2.5的检测技术已经相当成熟，空气质量报告也实时更新，但是对家庭内部的PM2.5的检测关注较少。传统的PM2.5的环境检测仪造价昂贵，使用不方便，难以在家庭中应用。因此，本设计基于传感器技术和STM32设计了一款智能家用PM2.5环境检测仪，从而实现对PM2.5的实时检测。使用夏普GP2Y1010传感器完成对粉尘颗粒物的采集，温湿度传感器DHT11完成室内温湿度的采集，AD转换转换之后送入STM32单片机进行控制处理，并在OLED显示屏上进行显示，同时可以设置超限报警值，当PM2.5浓度超过设定值之后，进行声光报警和GSM模块发送短信提醒。

本设计具有体积小、便于携带、价格便宜、使用方便灵活等特点，且检测效果良好，适用于家居环境的PM2.5和温湿度的检测特性。

2 系统硬件设计

从整体设计的角度来看，采用模块化的设计理念，本设计主要组成部分：由PM2.5粉尘传感器、温湿度传感器构成的传感器模块，STM32控制模块，OLED液晶显示模块，GSM模块，电源模块等。系统总体设计框图如图1所示。

传感器模块主要有两部分组成：PM2.5粉尘传感器采用夏普GP2Yl010AU0F粉尘传感器采集空气中的粉尘颗粒，温湿度传感器采用DHT11采集室内的温湿度环境参数。

夏普GP2Yl010AU0F粉尘传感器的主要构成部分是红外发光管和光电晶体管，检测原理是红外发光管一直发射LED光，发射出来的光线会因为空气中灰尘的存在而产生折射，检测折射过后的光线就可以判断出灰尘的含量。传感器输出电压与灰尘浓度关系在0～0.5mg/m3范围内成线性关系。计算灰尘浓度关系的公式为：

其中ADout为模拟量输出，通过公式(1)和(2)即可计算出当前PM2.5的浓度值。

图1 系统总体设计框图

图2 STM32F103微控制器的管脚示意图

DHT11是一款目前广泛应用的已校准数字信号输出的温湿度传感器。温度量程0～50℃，精度±2℃；湿度量程在20-90%RH，精度±5%RH。输出采用单总线结构简单、方便，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，可满足家居环境对温湿度的要求。

控制模块采用嵌入式STM32F103微控制器，采用先进的哈佛结构能够快速处理数据；具有内部功能丰富、集成度高的特点；出色的外设接口，与总线相连可以达到很高的运行速度。为使STM32F103微控制器正常工作，需要外接晶振电路、复位电路、输入/输出接口等。STM32F103微控制器的管脚示意图如图2所示。

OLED12864是128×64行点阵显示模块。其驱动IC为SSD1306，具有内部升压功能。通过SDA数据总线输入数据，点亮显示数据RAM中对应地址的数据，就可以在显示屏上显示信息。粉尘传感器进行数据采集后，经过STM32运算处理，在液晶OLED上面显示出计算测量到的PM2.5浓度值。OLED的工作电压范围是3～5.5V，本设计中采用5V供电。

GSM模块是由GPRS A6芯片构成，该模块以GPRS数据传输为核心，在数据传输方面功能强大。STM32与GSM模块进行连接，当检测到的PM2.5超过设定的超限报警值时，GSM模块和PA9、PA10接口连接，启动报警数据传输，进而实现报警。

3 系统软件设计

本设计使用STM32作为整个系统的控制核心，系统软件设计主要分为系统初始化模块、PM2.5浓度和温湿度检测、数据存储显示和报警电路控制等模块，每个模块都不能缺少，并且在系统中发挥着各自的功能，使整个系统得以正常工作。系统上电后首先进行初始化操作，主要是系统时钟初始化、GPIO端口配置及参数配置等，接着检测是否调整设定的报警值，温湿度、PM2.5的浓度值等数据采集并进行显示，如果检测到的PM2.5的浓度值超过设定的报警值则触发GSM短信报警和声光报警。系统软件设计的流程图如图3所示。

图3 系统软件设计流程图

将系统各模块电路连接，STM32中应用嵌入式C语言在软件Keil uVision烧录程序之后，对其电路进行测试与验证结果符合设计预期，检测效果明显，PM2.5检测界面图如图4所示。

图4 PM2.5检测界面图

4 结束语

本文结合传感器技术和STM32设计了一款智能家用PM2.5环境检测仪，主要介绍了其硬件电路的各模块构成与软件实现并进行了设计验证。经过测试结果表明所设计的PM2.5环境检测仪，简单方便、造价低廉，应用前景广阔。

[1]王雪瑞,李艳玮,李拴保.分布式矿井粉尘浓度在线监控系统[J].计算机测量与控制,2014,22(7):2084-2086.

[2]曹龙.基于STM32的室内PM2.5检测系统的设计[J].电子世界,2016(17):108-108.

[3]梅祥.基于STM32的PM2.5检测系统设计[J].工业控制计算机,2016,29(9):159-160.

[4]葛年明,殷彩萍,邵文学.基于STM32的室内有害气体检测系统设计[J].微型机与应用,2015,34(23):20-22.

[5]孙慧芳,莫淳栋.基于STM32智能家居系统的设计与实现[J].电子设计工程,2014,19:82-85.

[6]王啸东.一种新型 PM2.5检测仪的设计[J].电气时代,201(4):82－84

[7]彭煜.基于STM32的便携式室内空气质量监测器的研究[D].广州:暨南大学,2013.

The Design of Intelligent Home PM2.5 Environment Detector

LI Zhi-rui，SHEN Qing-chao
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Anyang Institute of Technology，Henan Anyang,455000，China）

As the main component of fog and haze，PM2.5 has been paid more and more attention ，but the traditional PM2.5 environment detector is expensive and inconvenient and diff i cult to use in the home. Based on this，a intelligent home PM2.5 environment detector has designed based on sensor technology and STM32. Using the SHARP GP2Y1010 sensor of dust particles collection，temperature and humidity sensor DHT11 to complete the indoor temperature and humidity acquisition，after AD conversion into STM32 MCU control processing，and displayed on the OLED screen，and can set the alarm value，when the PM2.5 concentration exceeds the set value，the acousto-optic alarm and GSM module SMS alerts.

PM2.5；sensor technology；STM32；GSM module

李志瑞（1985—），男，河南许昌人，硕士，安阳工学院电子信息与电气工程学院讲师，研究方向：无线传感器网络、信息检测技术。

安阳工学院青年科研基金“无线低频振动检测系统的研制与应用研究”（项目编号：QJJ2015016）。