基于STM32F429气体PM2.5浓度监测系统设计
摘要：本文研究和设计一种基于SMT32微控制器的气体浓度检测系统。该系统主要以STM32F429MCU微控制器为核心，利用气体传感器采集气体浓度信息实现气体浓度检测的功能。系统所采集到的气体浓度数据还可通过MCU处理后将数据显示在LCD液晶显示屏上，利用按键个设置气体浓度报警阈值，并通过蜂鸣器实现报警功能。
关键词：MCU; 气体检测; 传感器
Design of Gas Density Monitoring System
Abstract: This paper studies and designs a gas concentration detection system based on SMT32 microcontroller. The system mainly uses STM32MCU microcontroller as the core, and uses gas sensor to collect gas concentration information to realize gas concentration detection. The gas concentration data collected by the system can also be displayed on the LCD liquid crystal display after being processed by the MCU, and the gas concentration alarm threshold is set by using the button, and the alarm function is realized by the buzzer.
Keywords: MCU; gas detection; sensor
目录
第一章 绪论 3
1.2.1国外研究现状 4
1.2.2国内研究现状 4
第二章 总体方案设计 7
2.1 设计思路 7
2.2 方案选择 7
第三章 系统硬件模块设计 9
3.1 主控制器 9
3.2 PM2.5粉尘监测模块 10
3.3 一氧化碳监测模块 11
3.4 LCD12864液晶显示屏 12
3.5 蜂鸣器模块 13
3.6 按键控制模块 14
3.7 LED报警模块 16
第四章 系统软件模块设计 17
4.1主程序流程图 17
4.2气体传感器子程序流程图 18
4.3 气体数据处理子程序流程图 18
4.4 LCD显示屏子程序流程图 19
4.5 按键检测子程序流程图 20
4.6 蜂鸣器报警子程序流程图 22
第五章 系统仿真与调试 23
5.1单片机操作环境 23
5.2 程序调试 23
第六章 总结与展望 24
参考文献 25
致谢 26
附录: 电路原理图 27
第一章 绪论
1.1空气浓度监测系统课题的背景及意义
这几年来,雾霾现状严峻引起了每个人的注意，甚至影响了人们的生活。 人们的的担忧不再是还不起的房贷，也加入了越来越恶劣的天气。由于空气质量的恶化，雾霾天气带来的危害逐渐增加。在中国的许多城市中，雾霾天气被纳入雾中。一旦出现雾霾，便是恶劣天气的到来。所以把它称之称之雾霾天气。雾霾主要由PM2.5，PM10，PM0.1和铬铅等重金属及颗粒物组成。有许多重大故件都是雾霾造成的，而且这种恶劣现象还在不断的进行。例如，1952年的伦敦雾霾事件，伦敦的雾气在四天内造成4000多人丧生; 2013年初在北京发生的雾霾事件令人轰动。因此，PM2.5浓度的测量变得越来越重要。
21世纪的今天，科学在高速发展。如今，我们随处可见高科技。而科技的进步，也促进了测量技术的发展。控制设备比以前得到了很大的提高。是是在性能和结构上。发生了质的转变。如今的我们处在快速发展的信息时代。它的主流则是测量技术测量技术被广泛地应用到工程的各个小领域，而软件技术的快速发展导致智能气体浓度检测仪器朝着数字化，自动化和小型化的方向发展，由此带来的便利是微处理器和单片机在内的大规模集成电路的成本和价格一直在下降，而它的功能和整集程度不断提高。让许多监测仪器，比如说单片机、微处理器、微型计算机，它们的功能，更加的智能化，他们的结构也更加的简单，而它们的体积也在不断的减少。
随着监测PM2.5和硬件的原理明显改善，软件的简化能力也有大大的提高，，本次课题的背景将在专业的精细的检测仪基础上，设计便携式PM2.5检测仪，具有携带方便的特点。目前我们所具备的仪器为粉尘传感器，单片机，LCD 液晶，及蜂鸣报警器，将设计时产生的模拟信号转化为数字信号，再由数据采集电路采集空气中PM2.5的浓度，数据由控制器处理和分析。最后，它的结果可以由对应的显示器去显示。由于装备十分的小巧，但是它的功能是十分齐全的。比如说，对于微机原理的电流监测和接口技术，以及显示屏的装置技术，信号的转换和放大技术。随着调理电路器件的发明和调理电路的原理的误差的精确，而目前的单片机的仿真软件的出现进一步的改善了现在的设计程度。
1.2空气浓度监测国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
在国外许多的发达国家已经开始了环境监测等系统的研究发展工作并且了了十分显著的。研究成果。而许多的技术也已经运用到实际的生活当中，为他们带来了大量的专利费。他们为环境监测提供了一份保障。比如美国70年代就已经利用了空气远程质量监测的技术，来开展对空气的监测。而在几十年发展历程当中，他们已经拥有了一套较为完善的质量监测体系，其中涉及的国家和地区十分的广泛。拥有了一套可以持证质量的质的监测体系。来保障各项数据的有效性，及时性。而且得到的数据有保障和准确。
尽管国外对此方面的研究起步很早。也建立了来说比较的的空气远程监测系系。但是仍然存在着许多问题，比如说站点设置的不合理。而且不能实现数据的共享所以在很大程度上带来了一定的不方便。而且个个站点之间不能好好的相连接。就给监测带来了很大的不便。随着科技的发展，尤其是通讯技术的发展未为处理监测环境数据带来了很大的便利。还有空气质量预测分析和动态化显示功能，尽管如此，这项技术仍然有很大的发展空间。
1.2.2国内研究现状
近来，我国对空气质量越来越重视。因此不断地加快空气质量远程环境监测体系，尽管开始的时间晚，技术不够先进，而且是以城市为基础区间里的所以我国在温湿度变化、二氧化硫、二氧化碳、PM2.5投入了大量的精力。 从2000年开始，为了加大空气质量的监测和整治力度国家重点投入了对与此相关的科研力度，截止到2006年底，我国各大城市相继建立了有效且完整的空气质量远程监测体系，并且各省之间的连接也达到了理想的效果，虽然如此，技术意识的不够任然造成了许多环节的漏洞，因此需要进一步的培养科技水平和相关工作人员的水平。
1.3空气浓度监测系统技术特点
本次关于空气PM2.5浓度监测系统的设计实现了对空气质量的实时PM2.5浓度采集。经过转换，并由单片机计算和LCD显示，并具有电路简单易懂、物美价廉的特点，它的测量精度较高，几乎达到1ug/m，且实用性极强，便携轻巧易携带。
可以在云端实现自主校对的功能，自动修正传感器产生的问题及环境带来的影响，现场不需要人工来检查。采用百叶堆设计，可以应用于各种天气环境，保证空气流通的顺畅，内外没有温度的差别。
在检测气体参数的同时也可以监测可吸入颗粒的浓度，同时检测员可以在数据平台上第一时间看到监测数据，具备可手动拆卸和便于移动维修方便等特点。
材料都是高级进口的，具有超强的灵敏性，而且它的反应时间短，可辨别度高以及现行功能强的特点，检测下线也是十分的惊人。
将单片机技术和网络通讯技术相结合，将数据处存起来，方便易行还能将USB接口带来的数据储存之电脑上，然后用相应的电脑软件系统自动计算出日平均值、污染指数和月平均值，并将数据生成图形标自动打印，十分方便。
机器的内部采用了锂电池而外部则由太阳能发电，这两项发电技术的结合，可以带来高精度的数据，而且性能稳定，不易破坏，操作不复杂，维修起来十分方便，因此收到了高度重视。
1.4空气浓度监测系统课题研究的内容
本课题的研究思路从整体到局部，从抽象到具体的方法进行了研究。先设计出系统整体结构流程图，在按流程图逐级往下完善相关子部件以实现相应的功能。在这个过程中，通过查阅书籍网上翻阅资料等手段，学习掌握 AVR微控制器的编程方法，通过查阅芯片相关手册，熟悉 AVR微控制器相关寄存器使得能良好掌握中断、 I2 C、 UART等多种服用功能，后根据相关书籍学习使用 Arduino IDE平台对 AVR微控制器进行程序开发和移植以实现相关功能。在学习编写程序的同时学习 Altium Designer软件，然后利用去询问导师或者去图书馆寻找相关资料的方式学会 Altium Designer软件的使用，学习使用 Altium Designer软件绘制相关的包库，以便原理图的各个组件可以自己绘制包;在学习相关电气知识，使得能利用Altium Designer软件根据原理图绘制出所需要的PCB版。课题的最后完成离不开Arduino IDE软件和Altium Designer软件和仿真软件的使用。先掌握选题目的的最终需求，学习通过Altium Designer等软件绘制电路图并制作出相应的PCB板。根据选题需求，选择相应的器件原材料并查阅相关的原理图将封装制作出来。根据选题要求，设计出相应的充放电管理电路和单片机控制程序的编写。电路部分通过查阅相关资料学习搭建。先设计出全局的原理图，再根据原理图逐步完善局部，由整体到局部，由抽象到具体的解决问题。本文章首先介绍总体方案，再逐步深入介绍各部分的组成部分。
本文所研究的是一种利用STM32F429微控制为核心的气体监控系统，该系统以意法半导体公司的微控制器F429芯片核心部件，将气体传感器模块采集的信息通过放大滤波后通过AD转换电路转化为数字信号，微控制器对数字信号进行处理后传输至LCD12864液晶显示屏上实现数据可视化，并可通过按键查看每个节点的详细信息或设置浓度报警阈值。当检测到气体的浓度超过设置气体浓度阈值时触发危险报警程序，蜂鸣器鸣响和LED闪烁以达到报警的目的。
本文章首先接收系统整体构成，再由构成的整体部件逐个介绍其作用，使得各部件的连接方式和功能能够清晰的呈现从出来，硬件介绍和说明后在对其电路进行讲解，最后对整个程序所使用程序进行描述。
参考文献
[1]张阿梅. 传感器技术在农业领域中的应用[A]. 西安外事学院: 2018.
[2]威世美国世铨LPS-100KG称重传感器价格
[3]张维军. 现场总线技术在汽车检测线上的应用分析. 兰州石化职业技术学院汽车工程学院: 2018.
[4]黄剑. 物联网关键技术与应用分析[A]. 广西交通运输学校: 2019.
[5]张昌露 杜君花 燕伟《室内气体环境监控系统设计
[6]莫洪.室内有害气体监测系统设计研究[J].中国新技术新产品,2016(23):127-128.
[7]赵士彬.烟气SO_2和NO气体浓度监测技术研究[J].环境与发展,2018,30(10):138+140.
[8]朱亮,邹兵,李明骏,张贺.气体无线监测系统在现场安全监护中的应用[J].安全、健康和环境,2017,17(10):9-12.
[9]王珊. 基于ZigBee的甲烷监测系统设计[D].哈尔滨理工大学,2017.
[10]李欣. 高性能可燃气体监测系统的研制[A]. 中国自动化学会过程控制专业委员会.第27届中国过程控制会议（CPCC2016）摘要集[C].中国自动化学会过程控制专业委员会:中国自动化学会过程控制专业委员会,2016:1.
[11]雷志强,田军委,苏宇,乔路,张吉.环境监测数据采集系统设计[J].计算机系统应用,2018,27(07):103-107.
