河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 iii2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求基于工地降塵需求，系統(tǒng)需具備以下核心功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉塵濃度可對(duì)PM2.5等顆粒物在環(huán)境中存在量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，工地?fù)P塵狀況的直觀數(shù)據(jù)可由這功能提供，當(dāng)檢測(cè)到粉塵濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值，閾值報(bào)警功能就發(fā)出聲光報(bào)警使管理人員能夠得到提醒，系統(tǒng)存在自動(dòng)/手動(dòng)模式切換功能，它在自動(dòng)模式下依據(jù)粉塵濃度自主啟停加濕器降塵，手動(dòng)模式時(shí)加濕器狀態(tài)由操作者控制。數(shù)據(jù)通信功能借助RS485通信完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并接收控制指令，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本地顯示功能通過(guò)OLED屏幕直觀地顯示當(dāng)前粉塵濃度、設(shè)置閾值、工作模式等信息，參數(shù)設(shè)置功能允許用戶調(diào)整粉塵閾值等關(guān)鍵參數(shù)，適應(yīng)不同工況需求。遠(yuǎn)程控制功能借助通信接口完成加濕器的遠(yuǎn)程啟停，提升了系統(tǒng)管理的便捷性。系統(tǒng)要求存在一定的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性，復(fù)雜工地環(huán)境中可靠工作離不開(kāi)這些。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基于功能需求分析，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為中控、輸入和輸出三部分，如圖2.1所示中控部分核心采用STM32F103C8T6微控制器，數(shù)據(jù)采集、處理和控制決策功能都通過(guò)它完成，輸入部分包含GP2Y10粉塵傳感器模塊、四個(gè)獨(dú)立按鍵和供電電路，粉塵傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的PM2.5濃度，采集結(jié)果通過(guò)ADC接口輸入單片機(jī)；獨(dú)立按鍵分別完成模式切換、閾值調(diào)整和加濕器控制功能；供電電路穩(wěn)定提供系統(tǒng)運(yùn)行的電壓，為正常運(yùn)行提供保證。OLED顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警電路、RS485通信接口和加濕器控制電路包含在輸出部分中。PM2.5濃度、工作模式、閾值設(shè)置等信息在OLED顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示；粉塵超標(biāo)時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)；上位機(jī)與RS485通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；加濕器控制電路依據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)加濕器工作。粉塵傳感器對(duì)環(huán)境粉塵濃度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，單片機(jī)處理相關(guān)數(shù)據(jù)后在OLED屏幕上顯示，用戶借助按鍵設(shè)置粉塵閾值與工作模式。在自動(dòng)模式時(shí)，粉塵濃度超過(guò)閾值后加濕器啟動(dòng)降塵且蜂鳴器報(bào)警，濃度降低后停止加濕器工作，手動(dòng)模式中，用戶使用按鍵或上位機(jī)指令控制加濕器，系統(tǒng)借助RS485接口上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并接收控制指令。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對(duì)比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC89C52單片機(jī)的架構(gòu)形式是8051，為8位單片機(jī)，開(kāi)發(fā)環(huán)境相對(duì)成熟的，且資料支持相當(dāng)豐富的，該方案成本較低，進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)難度較小，功耗也相對(duì)較低，這令它較適合電池供電的場(chǎng)景?？蒘TC89C52處理速度不快，主頻通常為11.0592MHz，復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)計(jì)算就難以滿足需求，內(nèi)部資源受限，僅有4KB的Flash與256字節(jié)RAM，這使存儲(chǔ)和處理較多粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都顯得為難。外設(shè)接口較少，為實(shí)現(xiàn)ADC功能需要額外芯片，系統(tǒng)復(fù)雜度就增加，I/O口數(shù)量有限，多個(gè)模塊連接時(shí)會(huì)較難應(yīng)對(duì)，擴(kuò)展性存在受限現(xiàn)象。方案二：STM32F103C8T6單片機(jī)基于ARMCortex-M3內(nèi)核，是32位微控制器，主頻達(dá)到72MHz，處理能力遠(yuǎn)在STC89C52之上，該芯片外設(shè)資源相當(dāng)多，多路12位ADC、I2C等通信接口、定時(shí)器都包含在內(nèi)，不額外增加芯片就可實(shí)現(xiàn)多種需求。它擁有64KBFlash與20KBRAM，存儲(chǔ)空間相當(dāng)充足，功耗可以靈活控制，工作模式可切換，這優(yōu)化了電源管理，完善的開(kāi)發(fā)工具鏈和庫(kù)函數(shù)支持加速開(kāi)發(fā)。STM32與STC89C52對(duì)比，成本略高且開(kāi)發(fā)難度增加。但性能需求與擴(kuò)展性的要求使STM32F103C8T6最終作為控制核心在本系統(tǒng)的使用中。2.3.2通信接口的選型方案一：RS232通信接口是一種傳統(tǒng)串行通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍廣泛且易于實(shí)現(xiàn)，該方案包含接口電路簡(jiǎn)單、協(xié)議易于調(diào)試、兼容性較好等特征。具體為：僅需MAX232等芯片即可完成電平轉(zhuǎn)換；大多數(shù)計(jì)算機(jī)歷史上配備COM口；協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)明，但缺陷同樣無(wú)法避免：通常傳輸距離限制在15米以內(nèi)，難以滿足工地大范圍需求；工地環(huán)境中電磁干擾強(qiáng)，容易產(chǎn)生通信錯(cuò)誤；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的限制存在，難以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控；最高傳輸速率一般不超過(guò)115200bps，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)速率的明顯要求。方案二：RS485通信接口采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力相當(dāng)強(qiáng)，這使它特別適合在工業(yè)環(huán)境中使用，傳輸距離理論上可達(dá)到1200米，能夠覆蓋大型工地的各個(gè)部分；支持多點(diǎn)通信功能，最多可連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。信號(hào)以差分形式進(jìn)行傳輸，抗共模干擾能力較高，在嘈雜電氣環(huán)境中仍能保持可靠通信，短距離下傳輸速率可達(dá)10Mbps，實(shí)現(xiàn)RS485需要借助專用收發(fā)器芯片，例如MAX3485，這增加了部分成本和電路復(fù)雜度，但考慮到工地環(huán)境特點(diǎn)與系統(tǒng)功能需求，選擇RS485作為通信接口，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的擴(kuò)展性，最終為方案的構(gòu)建和功能的實(shí)現(xiàn)助力。2.3.3顯示模塊的選型方案一：LCD1602顯示模塊是一種基于液晶技術(shù)的字符顯示模塊，能顯示2行每行16個(gè)字符，成本低廉，對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字和字符顯示就足夠了；驅(qū)動(dòng)方法成熟，有豐富的庫(kù)函數(shù)支持；接口簡(jiǎn)單，通常采用并行或I2C方式與單片機(jī)連接，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，該方案缺點(diǎn)明顯：顯示內(nèi)容受限，僅可顯示字符和簡(jiǎn)單符號(hào)，無(wú)法展示圖形或中文；顯示效果一般，對(duì)比度受視角和環(huán)境光影響較大；功耗相對(duì)較高，弱光環(huán)境下需要背光才能清晰顯示；采用并行接口時(shí)占用I/O口較多。方案二：OLED顯示模塊具有自發(fā)光特性，這與LCD顯示模塊存在背光源的特征存在對(duì)比，該方案展示效果具有高對(duì)比度、寬視角的特征，在各種光線條件下可清晰可見(jiàn)，且支持圖形、中文字符和自定義圖形顯示；功耗在深色背景內(nèi)容下優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，通過(guò)I2C或SPI接口進(jìn)行連接時(shí)，占用的I/O口少，且體積小的特征使它便于集成到緊湊型設(shè)備中。OLED顯示模塊價(jià)格高于LCD1602且壽命相對(duì)較短，但系統(tǒng)需要顯示粉塵濃度數(shù)值、狀態(tài)圖標(biāo)、中文提示等多樣化內(nèi)容，工地環(huán)境光線條件復(fù)雜，選擇OLED顯示模塊可提供用戶更好的使用與信息展示效果。5系統(tǒng)的測(cè)試3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103C8T6單片機(jī)STM32F103C8T6在系統(tǒng)中作為主控制單元，數(shù)據(jù)采集、處理和控制邏輯的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)它，該芯片基于ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻達(dá)到72MHz，具備高性能與低功耗的特性。芯片集成了64KBFlash和20KBSRAM，存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)完全滿足系統(tǒng)需求，選擇該芯片的依據(jù)是豐富的外設(shè)資源：它內(nèi)置兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器，提供16個(gè)通道的12位ADC功能，粉塵傳感器模擬信號(hào)的采集可以借助它完成；通用I/O口多達(dá)37個(gè)，多種設(shè)備的連接支持；芯片包含7個(gè)定時(shí)器，PWM信號(hào)生成和系統(tǒng)定時(shí)都可實(shí)現(xiàn)；同時(shí)USART、I2C和SPI等通信接口為與OLED顯示屏和RS485通信模塊的連接需求提供支持。STM32F103的最小系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)中包含電源、復(fù)位和時(shí)鐘三部分，電源部分使用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，多個(gè)去耦電容對(duì)電源噪聲進(jìn)行濾除，使芯片工作保持穩(wěn)定。復(fù)位電路由RC網(wǎng)絡(luò)和復(fù)位按鍵組成，可提供上電自動(dòng)復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位功能，時(shí)鐘電路采用8MHz晶振，內(nèi)部鎖相環(huán)配合晶振將頻率倍頻至72MHz工作頻率。GPIO配置中，PA0-PA3連接四個(gè)功能按鍵，這些按鍵用于模式切換和參數(shù)設(shè)置；PA4連接ADC通道用作采集粉塵傳感器輸出信號(hào)；PB6與PB7設(shè)置為I2C接口，用于連接OLED顯示屏；PA9和PA10配置為UART接口，借助MAX3485轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)，其余GPIO引腳分別用于控制LED指示燈、蜂鳴器和加濕器驅(qū)動(dòng)電路，引腳分配與功能規(guī)劃完成，STM32資源的使用達(dá)到充分利用，功能需求在系統(tǒng)的具體需求中實(shí)現(xiàn)。圖3.1STM32F103C8T6單片機(jī)接線情況3.2GP2Y10粉塵傳感器GP2Y10為夏普公司的一款光學(xué)粉塵傳感器，內(nèi)部采用紅外LED與光敏二極管完成空氣中顆粒物檢測(cè)，傳感器基于光散射效應(yīng)工作：紅外LED發(fā)出的脈沖光在采樣腔中經(jīng)過(guò)時(shí)，空氣中顆?？蓪?duì)光線進(jìn)行散射，光敏二極管接收散射光后會(huì)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓值和顆粒濃度存在正比關(guān)系，該傳感器可識(shí)別0.5μm以上顆粒物，范圍覆蓋PM2.5與PM10，適合工地?fù)P塵監(jiān)測(cè)相關(guān)需求。傳感器接口設(shè)計(jì)使用專用連接器，包含電源、信號(hào)與控制三類引腳，VCC(5V)與GND為工作電源提供通道；LED控制端與STM32的GPIO口連接，內(nèi)部紅外LED閃爍頻率通過(guò)PWM信號(hào)控制；VO輸出端連接STM32的ADC通道，輸出0-3.3V模擬電壓信號(hào)代表粉塵濃度，電路中加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)，高頻噪聲可借助它進(jìn)行濾除，測(cè)量精度也因?yàn)檫@提升。GP2Y10傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中包含精確的采樣時(shí)序控制：測(cè)量前先拉低LED控制端0.32ms，激活紅外LED后，延時(shí)0.28ms等待光敏二極管響應(yīng)，最后完成ADC值讀取，獲取粉塵濃度，隨機(jī)誤差通過(guò)連續(xù)多次采樣并取平均值的方法進(jìn)行消除，測(cè)量穩(wěn)定性也實(shí)現(xiàn)了提高，原始ADC數(shù)據(jù)借助查表或公式處理后，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)PM2.5濃度值(μg/m3)，用戶可依據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行理解和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。圖3.2GP2Y10粉塵傳感器3.3OLED顯示模塊系統(tǒng)采用0.96英寸的OLED顯示模塊，分辨率為128×64像素，采用SSD1306控制芯片，有機(jī)發(fā)光材料使OLED顯示屏具有每個(gè)像素點(diǎn)自發(fā)光的特性，背光源無(wú)需存在，超高對(duì)比度與寬視角特性并存，強(qiáng)光下清晰度依然保持，這些都適合工地戶外環(huán)境使用，顯示模塊借助I2C接口和STM32單片機(jī)連接，僅通過(guò)SCL(時(shí)鐘線)與SDA(數(shù)據(jù)線)兩根信號(hào)線完成電路連接簡(jiǎn)化。在電路設(shè)計(jì)中，SCL和SDA分別與STM32的PB6和PB7引腳連接，配置為I2C模式，上拉電阻R7和R8均為10kΩ，信號(hào)質(zhì)量得以保證，通信錯(cuò)誤也避免了干擾的干擾。VCC與3.3V電源連接，這與STM32工作電壓匹配，完全不借助電平轉(zhuǎn)換，電源紋波對(duì)顯示效果存在干擾，為防止此類現(xiàn)象，在VCC與GND之間增加了0.1μF的去耦電容。實(shí)現(xiàn)I2C通信協(xié)議的底層操作包含起始、停止、發(fā)送與應(yīng)答等基本內(nèi)容；中層部分提供OLED初始化、坐標(biāo)設(shè)定和顯示控制等功能；上層封裝了點(diǎn)、線、字符、中文和數(shù)字的顯示函數(shù)，為應(yīng)用程序調(diào)用提供方便。顯示內(nèi)容的布局經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，第一行顯示當(dāng)前PM2.5濃度值，超過(guò)閾值時(shí)箭頭向上警示；第二行顯示粉塵設(shè)定的閾值；第三行同時(shí)顯示工作模式(自動(dòng)/手動(dòng))與加濕器狀態(tài)(開(kāi)/關(guān))，緊湊清晰的排布使操作者可迅速掌握系統(tǒng)狀態(tài)。圖3.3OLED顯示模塊3.4MAX3485芯片MAX3485在系統(tǒng)RS485通信接口中是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的核心，使用半雙工差分方式完成串行數(shù)據(jù)和總線信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)，芯片工作電壓范圍為3.0V至5.5V，可以與STM32單片機(jī)的3.3V電平實(shí)現(xiàn)兼容。傳輸速率最高可達(dá)到2.5Mbps，滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求，內(nèi)置了ESD保護(hù)電路后，系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的可靠性也增強(qiáng)。電路設(shè)計(jì)包含信號(hào)轉(zhuǎn)換與保護(hù)兩部分，信號(hào)轉(zhuǎn)換中，MAX3485的RO引腳與DI引腳分別與STM32的UART_RX和UART_TX連接，RE與DE引腳接至STM32的GPIO口，軟件控制切換收發(fā)狀態(tài)，A與B輸出端通過(guò)接線端子連接RS485總線，保護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要，總線端增加TVS二極管D1和D2抑制瞬態(tài)高壓，串聯(lián)保險(xiǎn)絲F1與F2防止過(guò)流損壞芯片，共模電感和去耦電容濾除傳導(dǎo)干擾，終端電阻120Ω減少信號(hào)反射并提高傳輸質(zhì)量。軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了基于ModbusRTU協(xié)議的通信框架，接收模塊采用中斷方式捕獲總線數(shù)據(jù)，確保實(shí)時(shí)性；發(fā)送模塊對(duì)RE/DE引腳進(jìn)行狀態(tài)切換，使半雙工模式正常工作；超時(shí)檢測(cè)機(jī)制的設(shè)置避免了通信阻塞，同時(shí)CRC校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)完整性。系統(tǒng)中定義了標(biāo)準(zhǔn)Modbus寄存器映射，輸入寄存器存儲(chǔ)粉塵濃度和報(bào)警狀態(tài)，保持寄存器管理閾值與工作模式，支持使用標(biāo)準(zhǔn)功能碼完成數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和控制命令的執(zhí)行任務(wù)。圖3.4MAX3485芯片3.5供電電路工地電氣環(huán)境復(fù)雜，供電電路設(shè)計(jì)采取全面保護(hù)與穩(wěn)壓措施，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠。電源輸入包含兩種形式，USBType-C接口可供電，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和移動(dòng)電源的使用；外部DC接口連接工地現(xiàn)有電源系統(tǒng)，使用靈活性增強(qiáng)。主電源部分使用降壓穩(wěn)壓方案，輸入電源在5-12V時(shí)，通過(guò)反向保護(hù)二極管D3避免接反，濾波電容C1為22μF對(duì)輸入紋波進(jìn)行抑制，LM7805穩(wěn)壓芯片輸出5V穩(wěn)定電源，為加濕器控制電路與部分傳感器供電，核心電路供電為3.3V，借助AMS1117-3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器把5V轉(zhuǎn)換為3.3V，為STM32單片機(jī)和外設(shè)提供穩(wěn)定電源，輸出端多個(gè)電容C2、C3、C16組成多級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)，有效抑制紋波與噪聲，保證電源質(zhì)量。獨(dú)立的電源濾波網(wǎng)絡(luò)為敏感的模擬電路，例如ADC參考電壓部分，減少數(shù)字電路中噪聲的干擾；數(shù)字電路部分使用星型分布結(jié)構(gòu)，降低公共阻抗耦合現(xiàn)象；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)通過(guò)增加去耦電容抑制高頻噪聲。LED1低功耗指示燈通過(guò)R2限流電阻連接，直觀地顯示電源狀態(tài)，完成電源指示任務(wù)。電路板采用四層設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)抗干擾能力，內(nèi)部電源和地平面電磁屏蔽和低阻抗回路的提供也離不開(kāi)它；電源入口共模電感和Y電容的增加可抑制傳導(dǎo)與輻射干擾；關(guān)鍵信號(hào)線借助磁珠隔離避免了高頻噪聲傳播。工地高噪聲環(huán)境中系統(tǒng)穩(wěn)定工作與整體可靠性提高都和這些舉措相關(guān)。圖3.5MQ-135有害氣體傳感器3.6加濕器控制電路加濕器控制電路在實(shí)現(xiàn)智能降塵功能中作為執(zhí)行部分，采用低壓設(shè)計(jì)為安全性和可靠性提供前提。N溝道功率MOSFET(Q3/2N7002)是電路核心元件，具有導(dǎo)通電阻小、驅(qū)動(dòng)功率低和開(kāi)關(guān)速度快等特征，使啟停控制保持可靠性，同時(shí)導(dǎo)通與開(kāi)關(guān)的反應(yīng)也能夠達(dá)到使用設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中安全性和抗干擾能力的考量具體包含：Q3的柵極借助R16(22Ω)電阻與STM32的GPIO連接，浪涌電流的限制可保護(hù)單片機(jī)I/O口；柵源間并聯(lián)的R17(10kΩ)下拉電阻，使系統(tǒng)上電和復(fù)位時(shí)加濕器默認(rèn)關(guān)閉狀態(tài)；源極接地之后，漏極通過(guò)J3接口連接加濕器負(fù)極，正極接5V電源的加濕器就接在電路中；D4二極管避免了感性負(fù)載產(chǎn)生的反向電壓對(duì)MOSFET的損壞。為提高電路可靠性，設(shè)計(jì)中采取了各種保護(hù)措施，加濕器電源與數(shù)字電路分離，這可減少干擾傳導(dǎo)現(xiàn)象。電源入口增加電容C12(22μF)提供浪涌電流，加濕器啟動(dòng)瞬間的電流需求就可滿足，MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)熱損耗減少，信號(hào)線采用短布線時(shí)，干擾耦合也減少。軟件控制邏輯包含多種工作模式，在自動(dòng)模式下，粉塵濃度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟加濕器降塵，濃度降低到閾值以下后關(guān)閉加濕器。手動(dòng)模式中，按鍵或上位機(jī)指令使用戶直接控制加濕器狀態(tài)，保護(hù)機(jī)制的集成為設(shè)備壽命延長(zhǎng)與降塵效率提高避免了頻繁開(kāi)關(guān)現(xiàn)象，硬件設(shè)計(jì)合理，與智能控制算法結(jié)合后實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)采集粉塵濃度與噴霧強(qiáng)度。圖3.6加濕器控制電路3.7蜂鳴器控制電路蜂鳴器控制電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)，為粉塵濃度超標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，使用晶體管驅(qū)動(dòng)方案可強(qiáng)化驅(qū)動(dòng)能力。以NPN型三極管Q2(SS8050)為核心，完成小信號(hào)對(duì)大電流的轉(zhuǎn)換控制，R15(1kΩ)限流電阻連接到STM32的PWM輸出引腳，為Q2的基極輸入信號(hào)，集電極通過(guò)蜂鳴器與電源正極連接，發(fā)射極接地，電路結(jié)構(gòu)為開(kāi)關(guān)形式。電磁式有源蜂鳴器的選用，工作電壓為5V，內(nèi)置震蕩電路，僅需直流電源驅(qū)動(dòng)即可發(fā)聲。設(shè)計(jì)中為保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和抑制干擾增加了多項(xiàng)措施：二極管D3并聯(lián)在蜂鳴器兩端，吸收反電動(dòng)勢(shì)避免三極管損壞；C12電容濾除電源紋波使蜂鳴器工作穩(wěn)定；信號(hào)線采用短布線降低EMI輻射。軟件控制可以實(shí)現(xiàn)多種蜂鳴模式，短促蜂鳴(BEEP_SHORT)在按鍵反饋中使用，用戶操作體驗(yàn)可增強(qiáng)。持續(xù)蜂鳴(BEEP_CONTINUOUS)在粉塵超標(biāo)報(bào)警時(shí)使用，工作人員可及時(shí)處理，關(guān)閉狀態(tài)(BEEP_OFF)用于正常監(jiān)測(cè)階段，工作環(huán)境的干擾減少，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)采用PWM方式，頻率和占空比可調(diào)節(jié)，不同音調(diào)和音量效果實(shí)現(xiàn)，報(bào)警識(shí)別度與針對(duì)性增強(qiáng)。圖?3.7蜂鳴器控制電路3.8按鍵模塊按鍵模塊在人機(jī)交互中是一個(gè)相當(dāng)重的結(jié)構(gòu)部分，提供了本地控制功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含四個(gè)獨(dú)立功能的按鍵(S1-S4)，這些按鍵分別用于模式切換、閾值調(diào)整和加濕器的控制，每個(gè)按鍵的電路結(jié)構(gòu)相同，但具體功能存在差異。單個(gè)按鍵電路采用下拉電阻設(shè)計(jì)，具體為按鍵一端與VCC(3.3V)連接，另一端借助10kΩ的下拉電阻R9至R12和地連接，同時(shí)連接至STM32的GPIO輸入端，按鍵未按下時(shí)GPIO讀取低電平，按下后讀取高電平，邏輯層次清晰，按鍵信號(hào)線存在機(jī)械彈跳干擾，為消除影響并提高電平讀取穩(wěn)定性，每個(gè)信號(hào)線都增加了0.1μF的去耦電容，高頻干擾通過(guò)電容濾除，電平變化速率減緩后穩(wěn)定性提高。軟件設(shè)計(jì)包含先進(jìn)的按鍵檢測(cè)算法，定時(shí)輪詢檢測(cè)按鍵狀態(tài)，避免頻繁觸發(fā)中斷增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，按鍵消抖處理采用連續(xù)多次采樣確認(rèn)狀態(tài)變化的模式，僅在有效采樣結(jié)果下才視為操作完成，抗干擾能力相應(yīng)提高。支持短按與長(zhǎng)按功能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同意圖的區(qū)分，鍵值處理邏輯依據(jù)當(dāng)前工作模式與按鍵類型執(zhí)行具體動(dòng)作，S1(Key0)切換自動(dòng)與手動(dòng)模式，S2/S3(Key1/Key2)用于濃度閾值的調(diào)節(jié)且支持長(zhǎng)按快速變化，S4(Key3)手動(dòng)控制加濕器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。按鍵模塊與系統(tǒng)其他部分的集成設(shè)計(jì)中，OLED屏幕上可即時(shí)顯示按鍵操作結(jié)果，為用戶提供直觀反饋，蜂鳴器在關(guān)鍵操作時(shí)的短促響應(yīng)也提升了交互性，本地操作參數(shù)通過(guò)RS485接口同步到上位機(jī)，系統(tǒng)狀態(tài)一致性在設(shè)計(jì)中保持了關(guān)鍵角色，這種處理滿足了現(xiàn)場(chǎng)操作需求，遠(yuǎn)程控制能力同時(shí)保留，系統(tǒng)的適用性在靈活性的增強(qiáng)中也達(dá)到要求。圖3.8按鍵模塊

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹本項(xiàng)目在軟件開(kāi)發(fā)中使用Keil5集成環(huán)境，該平臺(tái)為ARM架構(gòu)微控制器提供從代碼編輯到調(diào)試的完整支持，KeilMDK(MicrocontrollerDevelopmentKit)在嵌入式開(kāi)發(fā)工具中保持業(yè)界領(lǐng)先的地，特別在ARMCortex-M處理器相關(guān)開(kāi)發(fā)中顯示了特別的適合性，Keil5平臺(tái)包含編輯器、編譯器、調(diào)試器和仿真器等工具鏈，使開(kāi)發(fā)任務(wù)從編寫(xiě)階段過(guò)渡到程序調(diào)試階段。軟件開(kāi)發(fā)中模塊化設(shè)計(jì)思想，把系統(tǒng)功能分解為多個(gè)獨(dú)立且明確的模塊，代碼的可讀性與可維護(hù)性都進(jìn)行提高，各模塊借助明確的接口進(jìn)行交互模式，耦合度降低后代碼的重用性也提升，程序設(shè)計(jì)遵循HAL庫(kù)的開(kāi)發(fā)模式，硬件抽象層封裝底層硬件操作之后，代碼的移植性也提高。硬件抽象層(HAL)提供標(biāo)準(zhǔn)接口的底層外設(shè)驅(qū)動(dòng)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)層對(duì)各功能模塊的操作接口進(jìn)行封裝，如OLED顯示、粉塵傳感器、蜂鳴器控制等驅(qū)動(dòng)；功能邏輯層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能算法，粉塵濃度計(jì)算、閾值控制、按鍵處理等；應(yīng)用層協(xié)調(diào)各模塊工作，完成人機(jī)交互與系統(tǒng)控制。程序主循環(huán)通過(guò)輪詢處理任務(wù)，狀態(tài)機(jī)管理流程，響應(yīng)及時(shí)且運(yùn)行穩(wěn)定。自動(dòng)控制算法依據(jù)粉塵濃度智能調(diào)控加濕器工作狀態(tài)，達(dá)到精準(zhǔn)降塵；粉塵濃度計(jì)算算法完成ADC采樣值與標(biāo)準(zhǔn)濃度單位的轉(zhuǎn)換；按鍵消抖和長(zhǎng)按檢測(cè)算法確保人機(jī)交互可靠性；RS485通信協(xié)議支持ModbusRTU標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)交互準(zhǔn)確性進(jìn)行確保?？茖W(xué)合理的軟件設(shè)計(jì)將硬件性能充分發(fā)揮，智能控制功能在整套設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，在main.c中,先寫(xiě)入其他.c的頭文件，接著是定義用到的全局變量和用到的函數(shù)，然后就進(jìn)入到主函數(shù)中。在主函數(shù)中，先進(jìn)行初始化，然后按順序循環(huán)while中的邏輯處理。在該函數(shù)中,首先先讀取粉塵的濃度值，然后進(jìn)行按鍵邏輯的處理，在按鍵設(shè)置上：主要實(shí)現(xiàn)了切換模式、設(shè)置粉塵閾值和控制加濕器開(kāi)關(guān)等。然后對(duì)OLED、報(bào)警、LED以及加濕器的邏輯處理。最后是對(duì)RS485通信處理。4.2.2按鍵子程序流程圖圖4.3按鍵子程序流程圖按鍵功能圖如圖4.3所示，按鍵設(shè)置函數(shù)首先獲取按鍵按下的相關(guān)信息，若按鍵1被按下，切換模式；若按鍵2被按下，設(shè)置粉塵濃度加；若按鍵3被按下，設(shè)置粉塵濃度減；若按鍵4被按下，開(kāi)關(guān)加濕器。4.2.3顯示子程序介紹圖4.4顯示子程序流程圖根據(jù)不同的顯示模式標(biāo)志位，顯示不同；界面0，突發(fā)情況異常報(bào)警信息；界面1，顯示設(shè)置管道距離；界面2，顯示設(shè)置空氣質(zhì)量閾值；界面3，顯示光照強(qiáng)度閾值。5系統(tǒng)的測(cè)試5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試采用由簡(jiǎn)到繁、分步驗(yàn)證策略使每個(gè)功能模塊在集成前都正常工作，硬件調(diào)試從電源電路開(kāi)始，萬(wàn)用表測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)電壓，穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定保持5V和3.3V；示波器檢查時(shí)鐘信號(hào)，晶振產(chǎn)生的8MHz信號(hào)穩(wěn)定，內(nèi)部PLL倍頻也正常工作。單片機(jī)最小系統(tǒng)通過(guò)串口打印信息驗(yàn)證后，外設(shè)接口測(cè)試依次進(jìn)行：GPIO控制LED指示燈驗(yàn)證I/O功能；ADC讀取測(cè)試確認(rèn)模數(shù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性；I2C通信驗(yàn)證OLED顯示功能；UART通信確認(rèn)與MAX3485的連接正常，各部分測(cè)試內(nèi)容避免同時(shí)列舉，完成邏輯層次跳躍。OLED顯示模塊的測(cè)試內(nèi)容包含字符與圖形的顯示功能，同時(shí)確認(rèn)刷新率和顯示效果；粉塵傳感器模塊通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)比，測(cè)試采樣準(zhǔn)確性并校準(zhǔn)傳感器參數(shù)；按鍵模塊對(duì)消抖效果和長(zhǎng)按功能進(jìn)行測(cè)試；蜂鳴器驗(yàn)證不同報(bào)警模式的實(shí)現(xiàn)效果；RS485通信模塊測(cè)試Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性并驗(yàn)證數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能；加濕器控制模塊測(cè)試啟動(dòng)與停止的響應(yīng)時(shí)間。軟件調(diào)試中關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)為重，借助串口打印中間計(jì)算結(jié)果，粉塵濃度計(jì)算精度的驗(yàn)證也包含在內(nèi)，自動(dòng)控制算法的判斷準(zhǔn)確與響應(yīng)速度測(cè)試，模擬不同工作狀態(tài)完成。注入異常數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)容錯(cuò)能力，系統(tǒng)穩(wěn)定工作在各種條件下也與這相關(guān)，集成測(cè)試階段組合所有模塊構(gòu)建完整流程，系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下的性能與可靠性在驗(yàn)證工作內(nèi)。在軟硬件調(diào)試的嚴(yán)格過(guò)程下，多個(gè)潛在問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與處理完成，傳感器采樣時(shí)序的調(diào)整提升了測(cè)量穩(wěn)定性，按鍵檢測(cè)算法的優(yōu)化使誤觸發(fā)現(xiàn)象減少，RS485通信超時(shí)處理機(jī)制的改進(jìn)增強(qiáng)通信可靠性，電源保護(hù)電路的完善提高系統(tǒng)抗干擾能力，整體性能與可靠性通過(guò)這些改進(jìn)措施有效提高。5.2實(shí)物展示在模擬工地環(huán)境中進(jìn)行的系統(tǒng)測(cè)試顯示，各功能模塊的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，粉塵濃度測(cè)量精度保持在±10%范圍內(nèi)，和專業(yè)檢測(cè)儀器對(duì)比，誤差在可接受范圍內(nèi)。RS485通信距離在100米內(nèi)穩(wěn)定可靠，可滿足工地需求，響應(yīng)時(shí)間方面，從檢測(cè)到粉塵超標(biāo)到加濕器啟動(dòng)不超過(guò)2秒，反應(yīng)迅速。降塵效果方面，加濕器啟動(dòng)后10分鐘內(nèi)周邊區(qū)域粉塵濃度平均降低65%，系統(tǒng)連續(xù)工作72小時(shí)無(wú)故障，表明了設(shè)計(jì)可靠性，智能降塵裝置的有效性也驗(yàn)證了它為工地?fù)P塵治理提供了可行的技術(shù)解決方案。實(shí)物如圖5.1所示：圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖結(jié)論結(jié)論結(jié)論本研究完成了一套工地智能降塵裝置，該裝置基于粉塵傳感器與RS485通信設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)降塵方式效率低且覆蓋不均等缺陷可以借助它有效處理。STM32F103單片機(jī)為系統(tǒng)控制器，集成GP2Y10粉塵傳感器、OLED顯示模塊、RS485通信接口和加濕器控制電路，揚(yáng)塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和智能噴霧控制功能可借助它實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，環(huán)境粉塵濃度能通過(guò)系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測(cè)，加濕器根據(jù)預(yù)設(shè)閾值自動(dòng)工作，局部區(qū)域揚(yáng)塵污染降低，數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程控制通過(guò)RS485遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)，為工地?fù)P塵管理提供了技術(shù)支持。該設(shè)計(jì)具有成本合理、功能全面且操作簡(jiǎn)便的特征，提升了降塵效率并減少了水資源浪費(fèi)，為智慧工地建設(shè)提供了可操作的技術(shù)方案。在之后研究中，傳感器精度的優(yōu)化、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)功能的擴(kuò)展，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析對(duì)系統(tǒng)智能化水平的提高，都將進(jìn)一步助力建筑工地?fù)P塵治理，提供更全面的技術(shù)應(yīng)對(duì)方案。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]劉生玉,趙彤宇.井下粉塵自動(dòng)監(jiān)測(cè)和高效治理技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤礦安全,2009,40(8):2.[2]陳江波,曹愛(ài)霞,曾實(shí)現(xiàn),等.基于負(fù)壓二次降塵裝置的自動(dòng)降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭工程,2018,50(3):4.[3]秦曉程.礦用自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué),2016.[4]張強(qiáng),顏鴿來(lái),王迪,等.一種用于煤礦巷道的無(wú)線噴霧降塵裝置:CN202222913334.0[P].CN218324943U[2025-04-13].[5]李海培、吳思文、劉超龍.基于粉塵傳感器的自動(dòng)吸附除塵方法簡(jiǎn)介[J].安徽建筑,2020,27(11):2.[6]汪海華.煤礦井下自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中州煤炭,2012(010):000.[7]蔣澤.粉塵在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)噴霧除塵裝置[J].工礦自動(dòng)化,2013(3):1.[8]吳寧寧,張振峰,王明波.煤礦智能化灑水降塵裝置研究和應(yīng)用[J].工程技術(shù)(文摘版)[2025-04-13].[9]沈曉晨,高靖,董雪飛,等.智能化噴霧降塵技術(shù)研究[J].機(jī)械,2011,38(4):3.[10]汪海華.煤礦井下自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中州煤炭,2012(10):3.[11]陶德保,姚均,馮育棟.礦用粉塵濃度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2013(9):3.[12]劉渠,李臣華,張振國(guó),等.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的掘進(jìn)工作面智能降塵系統(tǒng)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2024,40(8):11-14.[13]沈杰.礦井智能降塵裝置[J].科技風(fēng),2013(15):1.DOI:10.3969/j.issn.1671-7341.2013.15.020.[14]王義猛.智能化粉塵濃度超限噴霧降塵技術(shù)的研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2019(4):16-20,26.[15]費(fèi)勤天.一種便攜式粉塵監(jiān)測(cè)與預(yù)警裝置的設(shè)計(jì)[J].東華大學(xué),2016.[16]李平安.礦用自動(dòng)灑水降塵裝置在高突礦井中的技術(shù)研究與應(yīng)用[J].科技視界,2014.DOI:CNKI:SUN:KJSJ.0.2014-25-233.[17]曹維.基于CAN總線的恒壓降塵系統(tǒng)的研制[D].西安科技大學(xué)[2025-04-13].[18]李俊威.煤礦井下帶式輸送機(jī)噴霧降塵裝置研究[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2022,37(10):210-211.[19]寧建東.煤礦井下自動(dòng)降塵噴霧的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].當(dāng)代化工研究,2024(2):98-100.[20]張艷軍,王秋冬,葉家根.馬脊梁礦回風(fēng)巷道云噴霧降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2023,39(5):98-100.附錄B附錄A原理圖：附錄B部分源程序：#include"main.h"#include"adc.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./User/Driver/oled/oled_new.h"#include"./User/Driver/gp2y10/gp2y10.h"#include"./User/Driver/beep/beep.h"#incl