基于STM32的环境监测系统设计

基于stm32的实验室环境监测系统研究与设计

摘要

为了满足实验环境实时监控的需求，设计以stm32f103c8t6微控制器为核心，集成环境传感器、功能按键、OLED显示、LED灯等，实现对温度、湿度和可燃气体的实时检测，从而达到对实验环境的实时监控目的。传感器通电后检测实验室环境数据，经过外部电路转换并由STM32处理后，将显示数据输出至显示屏，并向LED灯和蜂鸣器发出报警提示。显示屏显示环境数据及报警气体源提示，同时开启LED灯和蜂鸣器进行混合报警和多重报警，提醒实验室研究人员。系统采用USB或电池供电，具有便携性，便于随时随地进行监控。

关键词

环境监测；单片机；有毒气体；火灾报警

1 引言

实验室是进行实验测试的场所。实验室是科学的摇篮、科学研究的基地、科技发展的源泉，在科技发展中起着至关重要的作用。在正常的实验室管理过程中，管理人员需对各个实验室的环境进行繁琐的巡查，但这种工作方式耗时且无法全天候运行。当实验设备使用的气体意外泄漏时，若未能及时处理气体且未及时警示人员，将对实验室研究人员的人身安全造成危害。此外，实验室中存在大量会产生热量的设备和仪器，如果日常维护不到位，容易引发火灾并造成损失。

目前，实验室环境监测系统所需的电子传感技术已经非常成熟，其灵敏度、精度和响应速度已远超传统检测仪器。随着材料技术、电子技术、通信技术和计算机技术的快速发展，电子传感技术也得到了进一步推动。

基于上述分析，提出了一种基于stm32的实验室监控系统，以控制核心设计与开发，完成相应的实物制作，实现功能应用以及对受控环境对象的控制与监控。监控实验结果表明，该系统能够有效检测实验室环境信息，分析当前环境安全程度，对实验室环境安全的预防和改进具有重要意义。

2 系统设计

本系统的功能设计如图1所示，包括：环境数据采集、单片机数据分析与处理、功能选择、蜂鸣器声音、闪光报警。

系统以STM32F103C8T6单片机作为控制核心，集成了温湿度传感器、烟雾传感器和火焰传感器四种环境监测因子检测传感器，用于获取环境数据。采用LED灯和蜂鸣器作为报警装置，使用OLED液晶屏对环境信息进行数字和图形化显示，实现了对实验室环境的综合分析和实时监控。

根据设计方案，选用温湿度传感器DHT11和有害气体（氨气、硫化物、苯蒸气）传感器mq‐135构建传感器电路，检测环境中的温湿度及有害气体数据，并将其发送至STM32[5]。传感器DHT11采用数字输出形式，传感器mq‐135采用模拟+数字混合输出模式。STM32将处理后的传感器数据输出至OLED显示屏，同时向蜂鸣器和LED灯输出报警信号。显示部分选用0.96英寸128*64分辨率OLED液晶屏作为系统的显示输出。

3 硬件设计

STM32F103C8T6用作系统的核心控制，是STM32系列的一款中容量增强型微控制器，它基于32位ARM内核，具有64KB存储容量，最高工作频率为72MHz微控制器。它包含USB、CAN、7个定时器、两个12位模数转换器、7通道DMA控制器[7],，最多支持37个I/O端口和9个通信接口，电压为2V‐3.6V，支持SWD和JTAG接口，工作温度为‐40°C至85°C。它不仅可以使用寄存器进行编程，还可以使用官方用于编程的库文件，不仅方便编程，而且更容易移植。

该系统的硬件设计包括：STM32F103C8T6最小系统电路和数据采集电路，其中最小系统电路由微控制器电路、时钟电路和复位电路组成。包括温湿度数据采集电路、有害气体数据采集电路、火焰光源采集电路、OLED液晶显示电路、报警指示电路、功能键电路（阈值设置电路）和电源电路。系统框图如图2所示。

3.1 时钟电路

stm32f103c8t6 微控制器的默认系统CPU时钟为内部8 MHz RC振荡器。时钟电路图如图3所示。

3.2 复位电路

当微动开关K1被按下时，NRST引脚电平被拉低，触发微控制器。当STM32处于复位状态时，所有内部寄存器将被初始化。

3.3 温湿度传感器DHT11

DHT11数字温湿度传感器是一种集成了电阻式湿度传感器和NTC温度测量元件的复合传感器，并与高性能8位单片机相连，实现校准数字信号输出。其专用的数字采集模块和温湿度传感技术使其具有可靠性高、耐用性强、稳定性好、响应速度快、抗干扰能力强、成本低、功耗低、体积小等优点[9]。该传感器具有较宽的感应范围，产品采用3引脚封装，连接方便。

温湿度传感器的电路如图5所示。

3.4 MQ‐135气体传感器

MQ‐135气体传感器采用气敏材料SnO2，可用于检测大气氨、硫化物、苯、烟雾及其他气体。这些气体在实验室中常见但危险且具有高毒性。当传感器所处环境中存在有害气体时，传感器内部的电导率将随着有害气体浓度的增加而上升，对应输出电压或气体浓度的数字信号。温湿度传感器电路如图6所示。

3.5 火焰传感器

以下是火焰传感器的主要参数：（1）可探测火焰的光源波长范围为760nm至1100nm；（2）检测角度约60°；（3）灵敏度可调；（4）火焰检测距离可调节，有效距离约1米以内；（5）工作电压3.3V‐5V；（6）输出形式：模拟电压输出 + 数字高低电平输出。

3.6 显示电路

本设计所使用的OLED屏幕为四针IIC接口类型。与七针OLED屏幕的SPI/IIC接口类型相比，四针OLED屏幕的四针IIC接口相对简单，仅有两条信号线。其四个引脚配置如下：(1) GND电源地；(2) 正VCC电源（3~ 5.5V）；(3) SCL OLEDD0引脚，在IIC通信中为时钟引脚；(4) SDA OLED D1引脚，在IIC通信中为数据引脚。其原理图如图8所示。

3.7 电源电路

电源方案如图9所示。
VCC_5V：VDD_5V引脚为外部传感器（包括温湿度传感器、有害气体传感器、火焰传感器、OLED显示屏）提供电源。
Vcc_3.3v：Vcc_3.3v用于单片机和I/O端口的供电，以及报警电路和低功耗电路。

4 系统软件设计

本系统设计采用C语言程序模块化设计思想，进行软件编程，便于维护，易于实现。该系统的软件设计由以下模块组成：主程序、有害气体浓度检测部分、火灾检测部分、温湿度检测部分、报警响应部分和系统显示部分。系统设计软件编程主流程如图10所示。

4.1 显示模块编程

OLED显示屏在显示之前需要根据相关技术手册进行初始化，即定义引脚、写入工作模式指令，并设置显示模式指令。为了使其正常工作，必须严格按照顺序写入命令或显示数据。
在运行过程中，显示屏应显示温度、湿度、有害气体浓度和火源，并在实验室环境异常时进行异常显示。显示屏的工作过程如下：首先对其进行初始化，包括写入工作模式指令、显示模式指令、清屏指令以及重新定位显示指针；然后将显示数据写入其数据端口，将显示数据转换为字符图形显示。
程序流程图如图11所示。

4.2 温湿度数据采集

温湿度数据采集电路根据传感器的特性，采用串口与单片机进行机器通信。本系统设计的温湿度数据由温湿度传感器DTH11提供。DHT11模块可直接向微控制器输出数字量，因此省去了中间的模数转换器，直接将微控制器的I/O连接，节省了大量的设计时间。

4.3 有害气体浓度数据采集程序设计

使用mq‐135传感器模块检测有害气体浓度，该模块可输出数字电平和模拟电压。其中，数字输出可直接连接至单片机I/O接口；模拟电压接入模数转换器后，经转换得到的有害气体浓度数据可发送至微控制器。

4.4 火源检测程序 模数转换器

火焰传感器模块用于火源检测，与mq‐135类似，可输出模拟电压和数字电平。本设计采用数字电平输出模式，通过检测端口的高低电平状态来判断环境中是否存在火源。

4.5 报警响应程序

报警响应部分采用蜂鸣器响应与LED灯照明相结合的方式，作为单片机的报警响应部分。蜂鸣器电路采用有源蜂鸣器模块，低电平触发，直接连接至单片机的I/O端口。LED灯在串联一个电阻后连接至单片机I/O端口。单片机I/O在正常情况下保持高电平，当外部环境异常时拉低电平，从而实现LED灯的导通。流程图如图12所示。

5 系统调试与仿真

5.1 软件调试

本系统基于Keil uVision5开发单片机控制程序。系统程序编译后，也用于程序的调试仿真。以下内容介绍并说明工作过程。
要完成程序，需要进行编译，检查程序中的语法错误并生成可执行文件。如果程序通过编译且显示0个错误，说明C语言语法正确，编译正常。如果出现错误，则说明程序存在问题，需要根据编译状态栏中的错误信息进行修改，直到没有错误信息为止。在软件中，该方法是点击Project后刷新并显示界面。
用鼠标左键单击所有目标文件。注意状态栏底部的构建信息。如果有错误，按照提示修改程序，直到调试无错误（0个错误（r s））。

5.2 硬件调试

实验室环境检测设备的开发与生产如图13所示。在实验室环境中对设备的所有功能进行验证和测试，包括检测功能、报警功能和显示功能。实验结果表明，该设备能够良好地检测实验室环境，并在发生火灾或有毒气体时自动发出报警。

6 结论

基于STM32单片机的实验室环境监测系统的研究与设计已基本完成。该系统已全面满足预先设定的要求，基本实现了系统功能。上电后可直接运行、检测和显示。与其他监控系统相比，我们的监控系统具有较大的创新性：首先，在考虑成本时，尽可能选用价格较低但功能足够的传感器；其次，在考虑整个系统功耗时，采用了功耗更低、显示效果更好的OLED；更重要的是，在考虑系统灵活性时，采用阈值设置方案，使系统能够适应环境条件更为复杂的多个实验室，而不局限于一两个特定实验室，从而大大增强了系统的适用性。此外，混合报警和多重报警能很好地达到提醒实验室研究人员的目的。系统可通过USB或电池供电，具有便携性，方便随时随地进行监测。