單片機控制的無塵車間檢測系統(tǒng)的硬件電路芯片選擇分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7841單片機控制的無塵車間檢測系統(tǒng)的硬件電路芯片選擇分析案例 1324881.1STM32F103C8T6單片機 1140531.2LCD1602液晶顯示器 268831.3溫濕度傳感器 3183561.5粉塵傳感器GP2Y1051AU0F 52131.6甲醛傳感器SM427N001 61.1STM32F103C8T6單片機STM32F103C8T6擁有72MHzCPU和1MB的Flash內(nèi)存。電機控制周邊設(shè)備和CAN、USB全速接口的設(shè)計。STM32系列ARMCortex-M332位的Flash單片機具有低功耗、低電壓和實時特性。可以在你的嵌入式應(yīng)用程序中使用包裝類型。MCU架構(gòu)采用STM32平臺，易于操作，包含馬達(dá)、PC及游戲；熱風(fēng)空調(diào)及工業(yè)應(yīng)用。本次設(shè)計選擇STM32F103C8T6作為MCU，STM32F103系列的核心設(shè)備，功能十分強大，包括64KBSRAM,512KBFLASH,2個基本定時器，4個通用定時器，2個高級定時器，2個DMA控制器，2個DMA控制器，3個SPI,2個IIC,5個串口，1個USB,1個CAN,3個12位ADC,1個12位DAC,1個SDIO接口，1個FSMC接口，112個通用IO端口。此外，本芯片還包含了用于外擴SRAM、LCD等外置總線（FSMC)，通過FSMC驅(qū)動LCD,LCD的刷屏速度得到了顯著提高。無論從使用成本還是功能上來說，它都非常符合這一設(shè)計。圖1.1為STM32F103C8T6實物圖。圖1.1STM32F103C8T6實物圖STM32特點：1、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2、價的圓柱晶振。3、引腳個數(shù)為48個。4、工作頻率為72MHZ。5、單片機包含了3個普通定時器與1個高級定時器。6、單片機具有2個2位/16通道的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換。7、采用了1.3V穩(wěn)壓芯片，最大輸出300MA電流。8、支持ST-LINK和JTAG調(diào)試下載。9、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正常運行，如果較暗或者閃爍，表示此單片機可能存在故障。10、用戶LED(PC13):這個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，如單片機的運行狀態(tài)等，方便初學(xué)者進(jìn)行更好的測試。11、單片機上采用了跳帽的方式，我們可以對stm32進(jìn)行3種編程方式。如用戶的SARM、閃存和系統(tǒng)的存儲器。12、為單片機的復(fù)位電路。13、8M晶振：主要是用于設(shè)置單片機系統(tǒng)的頻率為72MHZ。14、32.768KHz晶振：可供內(nèi)置RTC使用，避免了需要專門的時鐘芯片進(jìn)行定時器處理等。1.2LCD1602液晶顯示器鑒于本設(shè)計中考慮到要顯示溫度、濕度、甲醛和PM2.5這四個數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，因此，只要顯示一、二行的顯示器就可以了。這次設(shè)計選擇LCD1602顯示屏。它是一種工業(yè)用的液晶，能同時顯示兩行數(shù)據(jù)，每一行都能顯示16個符號，字母和數(shù)字，符合設(shè)計要求。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、顯示效果好等優(yōu)點，是一種很有應(yīng)用價值的LCD顯示器。LCD1602有16個引腳，它的引腳介紹如下：表1.1LCD1602引腳介紹引腳號引腳名稱引腳功能1GND電源接地端2VCC5V電源正極3VL調(diào)節(jié)顯示器對比度4RS寄存器選擇端5RW讀寫信號線6E使能端口7~14D0~D7雙向數(shù)據(jù)端口15BL+背光正極16BL-背光負(fù)極LCD1602工作在1.5V~5V的工作電壓下，它內(nèi)部設(shè)計有復(fù)位電路，設(shè)有光標(biāo)移動、清屏等功能。利用外部的電位儀調(diào)整顯示器的亮度。內(nèi)置的內(nèi)存可以存儲數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可與單片機直接相連，由微處理器編程實現(xiàn)對液晶顯示器的控制。LCD1602包含16個引腳，其中RS、RW的值控制MCU對其的讀?。罕?.2LCD工作狀態(tài)介紹RSRW操作命令00寫入指令寄存器（清清屏等）01讀busy(DB7)，以及讀取位址計數(shù)器（DB0—DB6）的值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字符等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)1.3溫濕度傳感器本課題所使用的DHT11溫度、濕度傳感器是目前市面上應(yīng)用最廣泛的一種。該傳感器占用空間極少，準(zhǔn)確度高，僅為0.2。采用單總線傳輸數(shù)據(jù)。該傳感器具有很好的抗干擾性，常被應(yīng)用在高爐溫度測量、機房檢測、家庭溫度控制等領(lǐng)域，適用于很多空間較窄的應(yīng)用，以及數(shù)碼溫度檢測。這種溫度傳感器轉(zhuǎn)換時間為75ns，比傳統(tǒng)DS1820速度要快很多。檢測的結(jié)果以數(shù)字量方式串行發(fā)送。DHT11溫濕度傳感器是一款包括已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度和濕度復(fù)合傳感器。采用特殊的數(shù)碼模組數(shù)據(jù)采集技術(shù)及溫度、濕度傳感技術(shù)，保證了產(chǎn)品的高可靠性和超長時間的穩(wěn)定性。該傳感器由電阻感濕器和NTC溫度計組成，并與一臺8位高性能微處理器相連。DHT11產(chǎn)品質(zhì)量好，響應(yīng)快，抗干擾能力強，性價比高。每一個DHT11的感應(yīng)器的校準(zhǔn)都是在非常精密的濕度檢定室里進(jìn)行的。在OTP存儲器中存儲了校準(zhǔn)系數(shù)，在對檢測信號進(jìn)行處理時，傳感器內(nèi)部會調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)。采用單線制串行接口，簡化了系統(tǒng)的整合。它的體積極小，功率極低，信號的傳播距離超過20米，是所有應(yīng)用中的理想選擇，即使是在最苛刻的應(yīng)用中。本產(chǎn)品采用四針單行管腳包裝。便于連接，可按客戶要求提供專用包裝。DHT11傳感器實物圖如下圖1.2所示：圖1.2DHT11實物圖（1）引腳介紹：Pin1：(VDD)，電源引腳，供電電壓為3~5.5V。Pin2：（DATA），串行數(shù)據(jù)，單總線。Pin3:（NC），空腳，請懸浮。Pin4（VDD），接地端，電源負(fù)極。（2）接口說明：推薦在小于20m時采用5K上拉電阻，20m以上可按實際條件選用上拉電阻。（3）數(shù)據(jù)幀的描述：DATA主要用于DHT11與微處理器的通信及同步，采用單總線形式，每次通信時間約為4ms，數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分，詳細(xì)格式如下，當(dāng)前小數(shù)部分以后再進(jìn)行擴充，現(xiàn)讀數(shù)為零。使用過程如下:一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸正確時，校驗和數(shù)據(jù)是“8比特的濕度整型數(shù)據(jù)+8比特的濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8比特的溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8比特的溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”的末八位。(4)電氣特性：VDD=5V，T=25℃，除非特別標(biāo)注表3-2DHT11的電氣特性參數(shù)條件Mintypmax單位供電DC355.5V供電電流測量0.52.5mA平均0.21mA待機100150uA采樣周期秒1次注:取樣周期必須在1秒鐘內(nèi)。（5）時序描述：單片機每次發(fā)送開始信號時,DHT11就從低功率模式轉(zhuǎn)換到高功率模式,在開始信號傳輸完成后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,傳輸40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號后開始溫濕度采集，如果沒有檢測到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動開始溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)變到低速模式。通訊過程如下圖1.3所示：圖1.3通訊過程總線處于高電平，主機將總線拉低并且等待DHT11的響應(yīng)，主機將總線拉到18ms以上，以保證DHT11能夠探測到啟動信號。當(dāng)DHT11接收到主機的啟動信號之后，再進(jìn)行80us的低電平響應(yīng)，在主機發(fā)出啟動信號之后，經(jīng)過20-40us的延遲，從DHT11中讀出應(yīng)答信號，在主機發(fā)出啟動信號之后，可以轉(zhuǎn)換為輸入方式，或輸出高電均可，總線由上拉電阻拉高?？偩€為低電平，表示DHT11發(fā)出應(yīng)答信號，DHT11在發(fā)出應(yīng)答信號后，將總線拉至80us，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每1比特數(shù)據(jù)從50us低電平開始，高電平的長度決定了該數(shù)據(jù)比特是0或1。若讀出的應(yīng)答信號是高電平，DHT11無反應(yīng)。在完成最后1比特的傳輸之后，DHT11拉低總線50us，然后利用上拉電阻將總線拉高到空閑狀態(tài)。數(shù)字0和數(shù)字1信號表示方法如下圖1.4所示：圖1.4數(shù)字0和數(shù)字1表示方法1.5粉塵傳感器GP2Y1051AU0F大氣中的顆粒，其空氣動力當(dāng)量為2.5微米以下，即PM2.5。它可以在空中停留很久。大氣污染程度越大，其濃度也就越高。盡管PM2.5在地球大氣層中的比例很小，但對空氣質(zhì)量和能見度都有很大的影響。PM2.5進(jìn)入肺部、血液，如果攜帶了細(xì)菌，就會對人體造成很大的危害，比如呼吸道、心血管，甚至生殖系統(tǒng)。PM2.5粉塵傳感器是基于光的散射原理而設(shè)計的，當(dāng)受到光線照射時，灰塵粒子和分子會產(chǎn)生光的散射，同時也會吸收一定的輻射能量。在實驗粒子場中，一束平行的單色光會受到粒子附近的散射和吸收，從而使光強減弱。由此得到了在被探測濃度場中的入射光的相對衰減率。而相對衰減率的幅值則能很好地反映被測塵土的相對密度。光電轉(zhuǎn)換后的電信號的強度與光強度呈比例關(guān)系，由所檢測到的電信號得到相應(yīng)的衰減速率，從而可以探測到被測區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度。PM2.5感應(yīng)器是用來探測空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部的對角處由紅外線LED和光電晶體管組成，它們的光軸相交，當(dāng)塵埃粒子通過光軸的交叉點時，粉塵會反射紅光，反射的強度與塵埃的密度成比例。光電晶體管能夠偵測到空氣中的微塵反射光，甚至能偵測到很小的煙塵粒子，而紅外線LED發(fā)出的光與塵埃接觸后會反射光，而受感應(yīng)器偵測到反射光強度，再輸出一個訊號，由輸出訊號的光強強度來判定塵埃的濃度，再由兩個不同的脈沖寬度調(diào)制訊號（PWM）識別不同的塵埃粒子濃度。GP2Y1051AU0F粉塵傳感器內(nèi)裝有氣流產(chǎn)生裝置，能夠自動吸收外界的空氣，而內(nèi)置的加熱器則無需加氣泵進(jìn)行自動吸入，這樣就能將慣性較小的PM2.5懸浮在半空中，方便光電探測器的探測，采用類似于微粒計算器的原理，探測到每一顆顆粒的數(shù)量。可調(diào)節(jié)的電阻器可以設(shè)定粉塵的大小。圖1.5為粉塵濃度。1.5粉塵濃度1.6甲醛傳感器SM427N001SM427N001空氣品質(zhì)監(jiān)測模塊是一款具有很高性價比的四級空氣品質(zhì)傳感器組件。該器件采用了先進(jìn)而成熟的旁熱結(jié)構(gòu)，具有廣泛的光譜半導(dǎo)體氣體傳感器。它是在加熱絲上包覆SnO2納米材料，并加入適量的微量元素，對有機揮發(fā)性氣體如甲醛、苯、一氧化碳、氮氣、氫氣、酒精、香煙煙霧等敏感。該模塊經(jīng)過老化、調(diào)試、校準(zhǔn)，具有良好的一致性和高靈敏度，并可確保長