基于STM32的智能噪音监测系统

摘要

在国家逐渐发展壮大的今天，工业发展使我国经济快速增长，但也导致了各种在发展壮大之前没有被发现的问题日益浮现，噪音污染就是其中之一。环境噪音会给环境或周围人造成不良影响，严重的甚至会破坏环境或给人们的身心健康造成很大的影响，因此我们需要一种简易的噪音监测仪器，可以很方便地监测出当前环境的噪音分贝值是否适合人们生活，从而达到监控的目的。
为了对环境噪音进行监测，本次毕业设计选题是对环境噪音监测系统，单片机采用的价格成本低、但功能性强大且稳定的STM32单片机芯片，用以对声音进行信号处理后得出当前环境分贝值。本设计还将增加一个环境粉尘浓度监测功能，用以模拟在工地上使用的扬尘噪声监测设备，将得到的分贝值和环境PM2.5浓度值显示在液晶屏中。最终通过蓝牙技术，将噪音分贝值和PM2.5浓度值发送给安卓手机的应用程序中，可以更加便捷地监测当前环境的情况。
关键词：噪音监测，PM2.5，STM32，蓝牙

1 系统总体设计及硬件实现

1.1 系统总体设计

经过前面系统分析，初步确定系统需要实现噪音和PM2.5监测功能以及PM2.5超值报警功能，系统组成分为硬件和软件部分，构成如下：
1、硬件部分
STM32F103C8T6单片机
分贝采集传感器
GP2Y1010AU0F粉尘传感器
MLT-BT05 4.0 蓝牙模块和串口
2、软件部分
STM32的初始化；
数据的采集、发送、接收；
LCD显示；
客户端APP显示等。
系统总体组成如图3-1所示，其中传感器和STM32通过GPIO口通信并将数据输出到LCD1602中显示出来，从而实现实时监测当前环境中噪音值、环境PM2.5浓度值；也可以通过蓝牙MLT-BT05 4.0 与单片中的串口相接，从而实现与手机蓝牙通信，实现数据实时同步；用户可以手动设置报警阀值，当环境PM2.5浓度值超过阀值时蜂鸣器产生警报。

图3-1 系统总体组成框图

2 系统硬件实现

硬件部份包含功能模块分别是：STM32单片机、LM386分贝测量传感器、GP2Y1010AU0F粉尘传感器、1286LCD显示器、蜂鸣器、无线蓝牙收发器。将各个硬件模块线连成整一个硬件设计部分。

2.1 STM32单片机模块

STM32单片机是由美国意发半导体公司研发的基于ARM Cortex™-M处理器的微控制器芯片，它的功能比传统8位单片机更加完善和稳定，不仅可以使用寄存器进行编程，还可以使用官方提供的库文件进行编程，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作等特性于一身，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。[ 百度百科[z].http://m.elecfans.com/article/585701.html]
本课题的主控芯片使用到的STM32F103C8T6微控制器就是一款典型的STM32单片机，它采用了Cortex-M3内核，使用的RISC精简指令集拥有更高的代码运行效率和更大的Flash，CPU最高速度可达72 MHz，且可兼容市面上所有的ARM工具和软件。
主控模块跟其他模块的接线电路如下所示：

图3-2 主控芯片电路图

2.2 硬件实现效果

经过努力，最终硬件实现效果如下所示：

图3-9 硬件实现效果图

3 软件设计总体思路

以STM32单片机开发板为控制核心，通过函数初始化，包括串口，引脚等的初始化，传感器函数的编写来实现应该呈现的功能，包括模数转换子程序、IIC串口总线子程序、PM检测子程序、噪音检测子程序、LCD显示子程序、警报子程序等。
单片机端：
实现串口收发功能
噪音值经过AD转换由程序输出分贝值功能
PM2.5浓度检测功能
LCD显示屏显示功能
APP端：
接收单片机传送的数据功能
粉尘浓度检测阈值可调功能

4 客户端APP设计

4.1 客户端APP总体设计思路

设计开发工具： （1）android studio开发软件
（2）计算机
（3）安卓手机

按照总体设计思路，客户端APP需要实现一个简单的蓝牙数据接收客户端，蓝牙设备的启用以及其搜索功能均要开启，为软件接受外界信号作一个必要准备。在系统内设计一个简单的数据显示功能，将在单片机上得到的数据，通过蓝牙通信传输数据到手机APP端并显示出来，可设置单片机上PM2.5浓度阈值同步。具体可分为以下几部分：

1.硬件物理访问地址显示
与单片机上蓝牙模块连接的MAC地址。

2.噪音值
显示当前程序发送过来的噪音值数据。

3.PM2.5值
显示当前程序发送过来的PM2.5数据。

4.设置上限值
系统设置上限值为80ug/m3，可手动修改，单片机掉电保存。

4.2 逻辑流程

图4-5 手机端软件逻辑流程图

4.3 系统实现效果

1.打开手机APP，打开蓝牙搜索功能，搜索并且连接上单片机。

图4-6 手机APP连接单片机
2.显示噪音值与PM2.5数据并修改阈值为30ug/m3。

图4-7 手机APP显示测量值

图4-8 修改阈值结果

掉电重启单片机后PM2.5阈值保存上一次设置阈值

图4-9 重启后显示结果

5 总 结

经过几个月的测试，本次的毕业设计题目–基于STM32的智能噪音监测系统总算大概完成。在大二和同学去公园游玩时发现竖立了一块液晶显示屏，上面展示了当前环境中的噪音值，温湿度，和空气PM2.5浓度值等参数，不禁感叹物联网不仅是一门专业更是一种思维能力，让生活中的所见所闻结合、常用物品的各个功能进行结合的一种思维能力。
在完成本次的毕业设计的过程中，融合了大学四年所学的各种关于嵌入式系统设计的课程，如编程所用语言C语言，嵌入式常见知识像GPIO口、定时器、中断、LCD、蜂鸣器等，是对大学四年的学习进行整合复习的综合应用的锻炼。同时，也需要重新对新知识的学习，如对STM32F103系列的单片机编程，使用Keil C和Android Studio软件开发工具，各种传感器如蓝牙、分贝检测、模数转换等编程，这也是对新知识的充分认知学习的必经之路。
不仅如此，本次的设计也是一个不断出错并调试解决的过程，编程到开发实现本身就是一个通过不断的测试完善系统的过程，也吸取了教训，特别是不要忽略开发者写的用户手册每个细节并注重细节。
本设计还存在着很多可以改进的地方，如若加入温湿度传感器那和公园中见到的显示屏将算是一种复现了。总而言之，这次毕业设计给我带来的收获不仅仅在于技术上的知识融合更新，也是在思想的一种创新思维的锻炼，同时是在嵌入式软件开发中学会能发现问题，解决问题的一种能力。这对我将来工作和生活中带来不小的启示！