IAP15在室内空气质量检测系统中的应用

广东工程职业技术学院人工智能学院 李南安

空气质量一直是人们关注的话题，特别是人们大多数时间所在的室内空气质量。本设计采用STC15系列单片机为核心，配合两个传感器进行气体数据采集，然后将数据显示在LCD显示器上，把空气数据化，还能通过局域网或连接设备进行收发数据，时刻能够关注到空气质量的变化，并有提醒功能；如果检测的空气质量数据超过标准值，显示屏上的数据会变成红色，提醒用户需注意当前空气。经过测试，系统能对TVOC（挥发性有机物）、CO2（二氧化碳）、温度和湿度正常采集，并将检测的数据正常显示在屏幕上。通过网络测试，使用网络调试助手可以让数据正常收发。

近年来，人们对自己的身体健康越来越重视：注意自身的饮食习惯，并加强锻炼身体，保持心理平衡。但即使做到了这些，还有一项重要的因素影响着人们的身体健康，且将长期影响，那就是：空气。了解空气质量，改善生活环境，人们对空气质量检测的需求也越来越大，考虑到人们大多数时间都呆在室内，而且室外空气变化较大，所以从室内空气着手，注重对室内空气的质量检测，包括TVOC（总挥发性有机物）、CO2（二氧化碳）、温度和湿度。根据国家标准GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》提到的室内空气中的各种参数，选取了总挥发性有机物TVOC和二氧化碳CO2作为本设计的空气检测对象，具有一定的参考价值。

1 系统设计方案

根据前面提到的模块，进行系统总架构设计，系统除了ESP8266需要3.3V电源外，其余元器件都是5V供电。液晶数据由单片机输出，没有数据交换；ESP8266需要和单片机数据交换才能完成无线收发功能；DHT11发送数据给单片机；SGP30同样既可读取数据，也可写入数据。设计图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统

本设计单片机IAP15W4K58S4接5V电源。ESP8266使用串口3，所以使用P0.0和P0.1端口，TFT液晶显示屏需要SPI通信，所以MOSI和SCLK分别连接P1.3和P1.5，剩下的引脚接普通I/O口即可。DHT11模块数据引脚没要求，故接普通I/O口。SGP30模块CL和SDA引脚是I2C通信，故使用普通I/O口即可。串口1：P3.0和P3.1用作单片机程序下载口，即USBISP下载，通过带有CH340G的USB转串口数据线可实现程序的下载。由于此单片机内部自带高精度时钟，因此本设计没有使用外部晶振，仅通过ISP编程时选择系统内部始终即可，本次设计使用的系统内部IRC频率为12.000MHz。单片机端口各个端口定义如图2所示。

图1 系统总设计框图

图2 IAP15W4K58S4单片机原理图

2.2 SGP30模块

SGP30模块使用I2C与IAP15W4K58S4单片机进行通信。实物图如图3所示，模块原理图如图4所示。

图3 SGP30实物图

图4 SGP30模块原理图

图5 DHT11模块原理图

图6 ESP8266模块原理图

图7 TFT-1.44液晶原理图

2.3 DHT11温湿度传感器模块

图8 系统程序流程图

图9 液晶显示

此模块采用单线制串行接口，只有一个数据口，接单片机的普通I/O口即可。根据官方提供的Datasheet，接口上建议：当连接线长度短于20m的时候，使用5K上拉电阻，而大于20m的时候则需要根据实际情况使用恰当的上拉电阻。该模块的供电电压为3-5.5V，所以接系统电源5V即可。模块原理图如图5所示。

2.4 ESP8266模块

该模块采用UART通信，即通过串口与单片机进行通信。模块原理图如图6所示。

图10 网络调试助手APP

2.5 TFT液晶模块

本设计使用的液晶为5V供电，所以直接使用系统电源供电即可。该液晶模块使用的是SPI通信，模块原理图如图7所示。

3 系统软件设计

本设计各模块编程采用模块化编程思路。系统程序工作流程如图8所示。

结论：液晶显示如图9所示，手机网络调试助手界面如图10所示。通过颜色变化，警示空气质量情况。