基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22664基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例 1241331.1系統(tǒng)硬件原理圖 1100971.2STM32F103概述 2316671.3按鍵控制電路 4293841.4電源電路 4267301.5報(bào)警電路 550141.6LCD1602液晶顯示電路 6224771.7ESP8266模塊電路 6153981.8氨氣傳感器模塊 7137091.9一氧化碳傳感器模塊 9270601.10甲醛傳感器模塊 1235001.11煙霧傳感器模塊 13318661.11.1煙霧傳感器選型 13198391.11.2煙霧傳感器的信號(hào)處理電路 151.1系統(tǒng)硬件原理圖 本次設(shè)計(jì)采用LED1602液晶顯示器顯示采集到的有害氣體濃度和煙霧，單片機(jī)型號(hào)為STM32F103，三種電化學(xué)傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境的被監(jiān)測氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，煙霧傳感器檢測室內(nèi)環(huán)境煙霧濃度。按鍵用來設(shè)定被監(jiān)測氣體濃度報(bào)警上限值和煙霧濃度報(bào)警上限值，通過stm32內(nèi)部引腳數(shù)模轉(zhuǎn)換將采集到的煙霧值模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。ESP8266無線模塊用于單片機(jī)和手機(jī)之間的通信，將采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到手機(jī)端進(jìn)行展示。圖中包含3個(gè)按鍵，用來設(shè)置報(bào)警上限值。蜂鳴器用于報(bào)警，當(dāng)檢測到的有害氣體濃度或者煙霧濃度值大于設(shè)置的上限時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)三極管控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。本次單片機(jī)系統(tǒng)采用5V直流電源進(jìn)行供電，圖3.1是其硬件電路原理圖：圖1.1系統(tǒng)硬件原理圖1.2STM32F103概述STM32F103單片機(jī)是一款低功耗、高性能的微控制器，是STC公司早期生產(chǎn)用于工業(yè)控制的單片機(jī)。其作用是控制各種傳感器和外設(shè)，自行計(jì)算處理得到的數(shù)據(jù)和信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，在工業(yè)生產(chǎn)中起到大腦的作用。相比于日常生活中使用的電腦，單片機(jī)只能稱得上微小電路集成系統(tǒng)，能起到的作用非常有限，只能處理一些簡單的控制工作。單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，絕大部分電器都是采用單片機(jī)進(jìn)行控制，家里的大家電，比如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電視機(jī)，小到遙控器、鼠標(biāo)、鍵盤、鬧鐘。其里面都包含一個(gè)或者多個(gè)單片機(jī)。當(dāng)前社會(huì)智能化的發(fā)展也非常依賴單片機(jī)，多樣化的傳感器對(duì)單片機(jī)也提出了一定的要求，故此越來越多的高級(jí)的單片機(jī)成出現(xiàn)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，我們選擇的單片機(jī)是STM32F103C8T6單片機(jī)。此單片機(jī)和51系列相比多了很多功能，它的速度相比于51單片機(jī)快了很多，自帶2個(gè)AD轉(zhuǎn)換，方便我們?cè)谠O(shè)計(jì)煙霧和CO的時(shí)候免去了需要加外部ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，非常方便；STM32有著很強(qiáng)大的通信功能和控制功能。這一點(diǎn)是51單片機(jī)無法比擬的。因?yàn)?1單片機(jī)只有1個(gè)串口進(jìn)行通信，而32單片機(jī)具有5個(gè)串口進(jìn)行通信，所以對(duì)一些要求用串口進(jìn)行通信的模塊而且就不需要通過CD4052等雙串口模塊來轉(zhuǎn)換，所以這一點(diǎn)被市場上廣泛的運(yùn)用，32單片機(jī)因?yàn)楸旧砜梢赃M(jìn)行多種不同的時(shí)鐘模數(shù)來進(jìn)行工作，所以在功耗要求比較嚴(yán)格的產(chǎn)品中占有一席之地。STM32特點(diǎn)：STM32C8T6系列的起振晶部分采用了RTC，低負(fù)載的方式，而沒有像傳統(tǒng)的比較廉價(jià)的圓柱晶振。引腳個(gè)數(shù)為48個(gè)。工作頻率為72MHZ。單片機(jī)具有3個(gè)普通定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)定時(shí)器。單片機(jī)具有2個(gè)2位/16通道的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換。使用了3.3V穩(wěn)壓芯片，可以保證最大輸出300MA電流。支持ST-LINK和JTAG調(diào)試下載。存儲(chǔ)資源為64kbbyteFLASH和20byteSram。STM32實(shí)物圖如圖4-2所示：4-2STM32F103C8T6實(shí)物圖1、電源指示燈LED(PWR通常為紅色):如果電源指示燈亮亮說明單片機(jī)正常運(yùn)行，如果較暗或者閃爍，表示此單片機(jī)可能存在故障。2、用戶LED(PC13):這個(gè)功能的使用大大的方便了我們進(jìn)行一些比較簡單的功能測試，如單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等，方便初學(xué)者進(jìn)行更好的測試。3、單片機(jī)上采用了跳帽的方式，我們可以對(duì)stm32進(jìn)行3種編程方式。如用戶的SARM、閃存和系統(tǒng)的存儲(chǔ)器。4、為單片機(jī)的復(fù)位電路。5、8M晶振：主要是用于設(shè)置單片機(jī)系統(tǒng)的頻率為72MHZ。6、32.768KHz晶振：可供內(nèi)置RTC使用，避免了需要專門的時(shí)鐘芯片進(jìn)行定時(shí)器處理等。1.3按鍵控制電路單片機(jī)的按鍵控制電路是由3個(gè)微動(dòng)開關(guān)并聯(lián)組成的電路，按鍵的一段連接單片機(jī)的雙向I/O口，另一端接地。當(dāng)按鍵開關(guān)處于張開狀態(tài)時(shí)，I/O引腳和地?cái)嚅_，此時(shí)該I/O引腳處于高電平狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)被按下時(shí)，I/O口與地相接當(dāng)按下按鍵時(shí)，電平由高電平變?yōu)榈碗娖?。按鍵開關(guān)的檢測其原理就是高低電平的檢測。按鍵開關(guān)由于其撥動(dòng)時(shí)間，難免產(chǎn)生誤差，所以在編寫按鍵函數(shù)時(shí)，要額外寫一個(gè)去抖函數(shù)，提高精確性。通過按鍵設(shè)置煙霧和被檢測氣體濃度報(bào)警的值可以使監(jiān)測儀的使用更加靈活，滿足更多場合的。按鍵1代表增，按鍵2代表減，按鍵3確定設(shè)定的值。圖1.3為按鍵控制電路原理圖：圖1.3按鍵控制電路1.4電源電路本項(xiàng)目的單片機(jī)采用5V電池供電。電源座子的2口引腳接地，3口引腳僅僅起到固定的作用，沒有特殊的用處，1口引腳連接到電源開關(guān)的3口引腳，電源開關(guān)的1、3口引腳和4、6口引腳的作用相同，用于電源的正極輸出。電源開關(guān)的2、5口引腳作為單片機(jī)的接地引腳，在使用時(shí)采取相對(duì)的選擇，即選擇1、3口引腳作為輸出，那么就要選擇5口引腳作為接地引腳，選擇4、6引腳作為輸出端口，2口引腳則作為接地引腳。本次單片機(jī)的傳感器和無線傳輸芯片的電壓都在5V內(nèi)，所以5V的電壓足夠滿足。若有12V或者其他電壓的傳感器，則可以采取升壓模塊將5V提升到更高的電壓，進(jìn)行供電。本次設(shè)計(jì)的電源電路如圖1.4所示：圖1.4電源電路1.5報(bào)警電路此項(xiàng)目的報(bào)警模塊采用的蜂鳴器，當(dāng)傳感器檢測到的被監(jiān)測氣體濃度超過按鍵模塊設(shè)定的、報(bào)警上限值時(shí)，STM32F103單片機(jī)控制三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行蜂鳴，起到報(bào)警的作用。蜂鳴器電路如圖1.5所示，蜂鳴器一端接地，另一端連接三極管的引腳。三極管主要功能是放大電流和電平特性，因?yàn)閱纹瑱C(jī)電路的電路非常小，無法提供蜂鳴器所需的電流，電流經(jīng)過三極管放大后放大了250倍，然后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。三極管上接了一個(gè)上拉電阻，此電阻的作用主要是限流，防止蜂鳴器被過大的電流所擊穿。圖1.5蜂鳴器報(bào)警電路1.6LCD1602液晶顯示電路本設(shè)計(jì)采用LCD16液晶顯示器作為外銷板顯示，LCD166液晶顯示器是一個(gè)貝殼水晶公司的域名，從它的名字我們可以知道屏幕有兩行，16行，每16行，每16行。通過改變電源，32個(gè)字符可以同時(shí)顯示，從而獲得控制區(qū)域的視覺效果，最終顯示圖像或電子號(hào)碼。LCD12不僅可以顯示LCD162，還可以顯示它的簽名和3D形狀的簽名。7是LCD162的一張圖。金的頂2。金的電源鍵和電是一個(gè)以端為端的端。kim4-RS用于選擇符號(hào)，高電平用作數(shù)據(jù)，低電平用作命令設(shè)備，訂書機(jī)5用作讀寫信號(hào)，用于數(shù)據(jù)。Kim6-en是啟用端，讀取高層信息并執(zhí)行下層指令的引腳7-14、兩位窗口，訂書釘15和16是MCU燈泡的電源。本設(shè)計(jì)采用中間帶上拉電阻的LCD16-2O-2O-LCD顯示發(fā)熱、發(fā)熱和腹瀉的溫情，并顯示較大的極限溫度。其引腳連接圖如圖1.6所示：圖1.6LCD1602液晶顯示電路圖1.7ESP8266模塊電路本次設(shè)計(jì)無線通信部分采用ESP8266無線串口模塊作為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。該串口模塊通信距離很遠(yuǎn)，價(jià)格低，體積小，功能也十分全面并且使用的功能異常強(qiáng)大LWIP協(xié)議，其他設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以非常方便的嵌入此模塊，支持AP,STA,AP+STA三種模式，簡潔高效的AT指令。ESP8266無線模塊正常工作電壓是3.4V，單片機(jī)5V電壓滿足其工作電壓要求，而且體積很小，價(jià)格非常便宜。在本次設(shè)計(jì)中用于單片機(jī)和手機(jī)之間的無線通信，通過WIFI模塊，單片機(jī)將被監(jiān)測氣體濃度和煙霧濃度值發(fā)送給手機(jī)端，最后顯示在APP上。圖1.7是ESP8266模塊電路圖，從圖中可以看出，2號(hào)、4號(hào)和8號(hào)引腳接地，1號(hào)引腳直接通過導(dǎo)線連接單片機(jī)的A10引腳，5號(hào)引腳直接連接單片機(jī)的A9引腳。圖1.7sim800模塊電路1.8氨氣傳感器模塊1.8.1NH3傳感器選型 (1)氨氣傳感器的技術(shù)和指標(biāo)由于本課題選用的電化學(xué)氨傳感器和本課題選用的甲醛傳感器與電化學(xué)傳感器相同，其工作原理和結(jié)構(gòu)與甲醛傳感器相同，所以就不詳細(xì)介紹了。物理示意圖如圖1.8所示圖1.8氨氣傳感器示意圖選用的是由煒盛公司的生產(chǎn)的ME4-NH3傳感器，此傳感器的平均壽命為2年，電流輸出為0.12±0.03

ua/PPM，分辨率為0.12ppm。技術(shù)參數(shù)如表1.1所示項(xiàng)目參數(shù)檢測氣體氨氣量程0-50ppm最大測量限200ppm靈敏度0.12±0.03uA/ppm分辨率0.1ppm響應(yīng)時(shí)間90s負(fù)載電阻10重復(fù)性10%輸出值輸出線性度線性零點(diǎn)漂移-3~10ppm溫度范圍-20C~50C適度范圍15%~90%RH無凝結(jié)壓力范圍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓±10%檢測壽命2年（空氣中）表1.1氨氣傳感器技術(shù)參數(shù)1.8.2氨氣傳感器的信號(hào)處理電路首先，通過信號(hào)放大處理電路收集電化學(xué)氨傳感器的輸出信號(hào)，然后通過OPA333運(yùn)算放大器將傳感器的mV電平的輸出信號(hào)放大到V電平。電路中使用了J177開關(guān)，以減少傳感器的加熱時(shí)間；可以使傳感器在不工作時(shí)內(nèi)部短路，減小功耗，延長傳感器的使用壽命。電化學(xué)氨傳感器由三個(gè)電極組成，是一種恒電位電解傳感器。氨傳感器的信號(hào)處理電路由恒電位電路和傳感器的工作電路組成。此項(xiàng)目的電化學(xué)傳感器具有三個(gè)電極，這三個(gè)電極為對(duì)電極、工作電極和參比電極。傳感器工作時(shí)由于外置鉗位電壓使工作電極具有恒定的電位。如圖1.9所示：圖1.9氨氣傳感器硬件原理圖在圖3-15所示為氨氣傳感器的原理圖中，R9、C9、Q1、R10和運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)恒電位電路。此項(xiàng)目的芯片選擇的是AD8572。該芯片的運(yùn)放器具有低漂移、超低偏置、偏置電流和漂移等特性。AD8572是一個(gè)雙通道運(yùn)算放大器，具有軌對(duì)軌輸入和輸出擺動(dòng)能力。因?yàn)锳D8572的偏置電壓只有1μV、偏移電壓漂移僅為0.005μV/C，非常適合這個(gè)項(xiàng)目，不允許有錯(cuò)誤源。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，AD8572的性能十分穩(wěn)定，在溫度范圍內(nèi)基本沒有飄逸。因此本項(xiàng)目采用AD8572芯片用于精密電流檢測。工作電路啟動(dòng)后，JMOSFET管處于高增益狀態(tài)，使運(yùn)算放大器的電壓與參考電極相同。在所有情況下，為了避免影響傳感器性能，R12上的電壓降應(yīng)限制在10毫伏以下。AD8572運(yùn)算放大器用于電流-電壓轉(zhuǎn)換。電極在有甲醛氣體時(shí)傳感器輸出電流與電路輸出電壓的關(guān)系；U=I×(R14＋R15//RT2)(3-7)R14、R15的電阻值為2000歐。經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后，傳感器輸出電流信號(hào)由微安級(jí)變?yōu)榉丶?jí)。1.9一氧化碳傳感器模塊1.9.1一氧化碳傳感器選型有兩種CO傳感器提供選擇：電化學(xué)型和可變電阻型。在空氣中變阻傳感器的氣敏材料直接地，所以必須先通過檢測儀器使CO濃度轉(zhuǎn)化為電阻的電導(dǎo)率，然后將測得的電導(dǎo)率進(jìn)行輸出。因此這種傳感器適用于高低溫循環(huán)和高溫清洗。CO傳感器的技術(shù)指標(biāo)綜上所述，選擇偉盛公司的ME2-CO傳感器，量程在800ppm以上。當(dāng)室內(nèi)一氧化碳?xì)怏w的濃度超過200ppm時(shí)，表示一氧化碳泄漏，監(jiān)測儀發(fā)出警報(bào)。圖1.10為實(shí)物圖，技術(shù)參數(shù)如表1.2所示。圖1.10CO氣體傳感器實(shí)物圖項(xiàng)目參數(shù)檢測氣體一氧化碳量程0-1000ppm最大測量限2000ppm靈敏度0.023±0.008uA/ppm分辨率0.5ppm響應(yīng)時(shí)間50s負(fù)載電阻200重復(fù)性3%輸出值輸出線性度線性零點(diǎn)漂移10ppm溫度范圍-20C~50C適度范圍15%~90%RH無凝結(jié)壓力范圍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓±10%檢測壽命5年（空氣中）表1.2CO傳感器技術(shù)參數(shù)CO傳感器的結(jié)構(gòu)電化學(xué)氣體傳感器包括發(fā)生氧化反應(yīng)的正極、負(fù)電極和用于監(jiān)測電極電位的參比電極。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w在負(fù)極發(fā)生反應(yīng)時(shí)。有兩個(gè)電離子由于電解質(zhì)中的氫離子和負(fù)極周圍的電子而形成。外部電路由正負(fù)電極組合而成，電子從中流動(dòng)。在電解質(zhì)中，氫離子由于電離作用而在正極接收電子。然后，根據(jù)能量守恒定理，電化學(xué)氣體傳感器產(chǎn)生的內(nèi)能以電能的形式直接釋放出來監(jiān)測氣體。反應(yīng)狀態(tài)如圖1.11所示。圖1.11CO傳感器反應(yīng)狀態(tài)圖電極反應(yīng)如下：氧化反應(yīng)：CO+H2O→CO2+2H++2e-(3-4)還原反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O(3-5)總反應(yīng)：2CO+2O2→2CO2(3-6)1.9.2CO傳感器的信號(hào)處理電路一氧化碳的信號(hào)處理電路如圖3-18所示。輸入部分與傳感器集成，防止精度由于干擾下降。RT1用于溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)，R1、R2和RT1用于放大信號(hào)，R3和C3用于濾波。輸出電路如圖1.12所示。輸入和輸出的關(guān)系如下；U=I(R1+R2//RT1)圖1.12CO傳感器輸出電路1.10甲醛傳感器模塊1.10.1甲醛傳感器選型測量空氣中甲醛濃度的有很多，但是都比較麻煩且成本較高，時(shí)間長。雖然這些方法準(zhǔn)確可靠，但由于測量周期長，測量操作非常繁瑣，不適合現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測。而電化學(xué)傳感器測量速度迅速，使用方便。因此，本課題選擇電化學(xué)型傳感器作為檢測器甲醛傳感器的技術(shù)指標(biāo)本課題選擇電化學(xué)傳感器檢測甲醛。該電化學(xué)傳感器在檢測甲醛氣體方面具有較高的準(zhǔn)確性。進(jìn)行綜合對(duì)比后，此課題選擇ZE08-CH2O電化學(xué)傳感器來檢測甲醛濃度。此傳感器體積小、功耗低、精度高。已成為制造空氣質(zhì)量監(jiān)測儀和空氣凈化器的首選設(shè)備設(shè)備。與同類傳感器相比，ZE08-CH2O具有以下特點(diǎn)：(1)分辨率和靈敏度高(2)功耗低、使用壽命長(3)UART、模擬電壓信號(hào)、PWM等多方式輸出(4)具有優(yōu)秀的抗干擾性、穩(wěn)定性高(5)內(nèi)置溫度補(bǔ)償單元，線性輸出ZE08-CH2O甲醛傳感器的實(shí)物圖如下圖所示圖1.13電化學(xué)型甲醛傳感器實(shí)物圖該傳感器的7個(gè)引腳名稱以及功能如下表所示。引腳編號(hào)名稱功能1HD校零，暫不使用2DAC0.4-2V（對(duì)應(yīng)零到滿量程）3GND接地4Vin電壓輸入（3.7-9V）5UART(RXD)0-3.3V數(shù)據(jù)輸入6UART(TXD)0-3.3V數(shù)據(jù)輸出7PWM調(diào)節(jié)占空比表1.3甲醛傳感器的引腳說明圖ZE08-CH2O甲醛傳感器技術(shù)見下表檢測目標(biāo)甲醛濃度工作電壓3.7V-9V測量范圍0?5ppm分辨率<0.01ppm輸出數(shù)據(jù)DAC（0.4V-2V標(biāo)準(zhǔn)電壓）工作溫度0-80°C工作濕度5%~90%RH響應(yīng)時(shí)間<30秒使用壽命22年輸出線性度良好的線性表1.4ZE08-CH2O甲醛傳感器技術(shù)指標(biāo)1.10.2甲醛傳感器的信號(hào)處理電路由前文對(duì)甲醛和CO傳感器的描述可知，它們都是屬于電化學(xué)氣體傳感器，因此還可以使用相同的信號(hào)處理電路，并根據(jù)精度適當(dāng)調(diào)整放大倍數(shù)。傳感器的輸出電路如圖1.14所示圖1.14甲醛傳感器輸出電路1.11煙霧傳感器模塊1.11.1煙霧傳感器選型對(duì)比各個(gè)傳感器后決定采用夏普公司的GP2Yl010AUOF傳感器檢測