邵文學++張鳳登

摘 要：隨著人們對空氣中PM2.5等污染元素的日益關(guān)注，空氣質(zhì)量的好壞已經(jīng)成為人們生活質(zhì)量的衡量標準。為了滿足用戶對PM2.5檢測的功能需求，提出了一種基于STM32和CAN總線協(xié)議的PM2.5檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各系統(tǒng)中的實時高效傳輸。對整個系統(tǒng)精度進行試驗驗證，將PM2.5測量結(jié)果與現(xiàn)有測量產(chǎn)品進行對比，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定，能快速高效地讓用戶知曉空氣質(zhì)量，可以應(yīng)用于家居和工廠等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：PM2.5；STM32；CAN總線

DOIDOI：10.11907/rjdk.162065

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011011803

0 引言

近幾年，空氣質(zhì)量問題越來越受到人們的關(guān)注?；赟TM32的空氣檢測儀具有高效、便捷、實時檢測等優(yōu)點，能夠?qū)崟r對環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)控并報警PM2.5的值，將CAN總線應(yīng)用于智能家居或者工廠能夠有效地體現(xiàn)出這些優(yōu)勢。

本文設(shè)計了基于STM32和CAN總線的PM2.5檢測系統(tǒng)，通過液晶顯示屏來顯示監(jiān)測到的PM2.5值，可以高效地反映實時空氣質(zhì)量[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)主要由PM2.5濃度測量模塊、液晶顯示模塊、CAN通信模塊組成，其主控電路由STM32F103C8T8和其外圍電路組成。PM2.5測量模塊采用夏普一代PM2.5檢測傳感器，它將采集到的模擬信號傳輸給主控芯片，主控芯片經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換獲得PM2.5的值，再經(jīng)過主控芯片相關(guān)處理后通過CAN通信模塊傳輸至CAN網(wǎng)絡(luò)，與此同時，若未接收來自CAN網(wǎng)絡(luò)的PM2.5信號，則通過液晶顯示模塊顯示接收到的來自CAN網(wǎng)絡(luò)的值，反之，則顯示其自身PM2.5傳感器檢測到的PM2.5值。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

2 硬件設(shè)計

2.1 STM32F103C8T8微處理器

STM32F103C8T8是一個32位的微處理器，采用ARMv7的Cortex-M3內(nèi)核，其時鐘頻率高達72MHz，使用3.3V供電，具有豐富的外設(shè)，內(nèi)置有CAN控制器，本次設(shè)計的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)需要設(shè)計一個CAN節(jié)點，CAN控制器內(nèi)置，只需要外接一個CAN收發(fā)器即可，簡化了系統(tǒng)實現(xiàn)過程[5]。

BxCAN（Basic Extended CAN）是STM32內(nèi)置的CAN控制器，它支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，bxCAN接口，可以自動地接收和發(fā)送CAN報文，支持標準標識符和擴展標識符[1]。具有3個發(fā)送郵箱，發(fā)送報文的優(yōu)先級可以使用軟件配置，可以記錄發(fā)送的時間。有兩個3級深度的接收FIFO，可以使用過濾發(fā)送只接收或不接收某些ID的報文[2]。

2.2 PM2.5傳感器

本系統(tǒng)采用夏普的GP2Y1010AU0F。PM2.5傳感器的原理：PM2.5傳感器中存在一個發(fā)光二極管，當灰塵通過傳感器時二極管射出的光就會折射回來，通過檢測折射的光線來檢測PM2.5的濃度[7]。

GP2Y1010AU0F優(yōu)點是體積較小、功耗低而且可以檢測非常細小的顆粒，同時該傳感器檢測時間較短，塵埃被檢測到只需一個脈沖的時間，且還能區(qū)分煙和塵埃的區(qū)別[4]。

2.3 液晶顯示器

液晶顯示屏選用的是Nokia5110，該屏具有易于使用、功耗低、價格便宜等優(yōu)點。

2.4 CAN外圍收發(fā)器電路

TJA1050是Philips公司推出的總線收發(fā)器，應(yīng)用在通信速率為60kbps～1Mbps的高速自動化系統(tǒng)中。TJA1050是CAN控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN控制器提供不同的發(fā)送/接收功能，輸入電平與3.3V以及5V的器件兼容，至少可以連接110個節(jié)點。它有兩種工作模式，當STB接地時，TJA1050進入高速模式，如果接的是高電平，則進入待機模式，發(fā)送器被關(guān)閉，其電路原理如圖2所示。

其中，TXD端口和 RXD端口與STM32F103C8T8的PA12口和PA11口相連接。CANH 端口與CANH端口與物理總線相連接，之間接一個120Ω的終端電阻，從而組成一個CAN通信模塊。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：初始化、PM2.5值的讀取、PM2.5值的顯示和CAN通信程序。其主體流程如圖3所示。

3.1 系統(tǒng)初始化

對整個系統(tǒng)進行初始化配置，它包括系統(tǒng)時鐘、串口、AD、GP2Y1010AU0F、液晶初始化和CAN等的初始化配置[10]。其中在CAN模式的配置中需要配置工作時的波特率，在設(shè)計中只需配置采樣點的位置即可，Tq=1，TBS1=5，TBS2=3，分頻器BRP=8。在APB1頻率為36MHz的條件下CAN通信的波特率=36 000/[（1+5+3）*8]=500Kbit/s。

3.2 數(shù)據(jù)采集與打包發(fā)送

首先，判斷GP2Y1010AU0F采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的值是否讀取成功，若讀取數(shù)據(jù)成功，則調(diào)用用戶函數(shù)CAN_SetMsg（）將采集到的數(shù)據(jù)打包成報文，再調(diào)用庫函數(shù)CAN_Transmit（）將該報文廣播到CAN網(wǎng)絡(luò)上。

3.3 PM2.5值采集、數(shù)據(jù)處理與實時顯示

PM2.5檢測部分的軟件設(shè)計：除了各部分的初始化外，最重要的就是單片機對于采集后的數(shù)據(jù)進行處理，為了能夠有效并實時地檢測PM2.5的值，單片機必須要能夠?qū)崟r對PM2.5傳感器測得值進行采集、處理、顯示[6]。起初調(diào)試時將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示都放到了程序的主函數(shù)中，雖然在電腦的串口顯示程序中AD所采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r上傳，但是在屏上顯示的數(shù)據(jù)變化太快肉眼無法看清，加上延時函數(shù)后，顯示問題雖然解決，卻影響了數(shù)據(jù)采集，因此將數(shù)據(jù)采集和顯示放在了中斷函數(shù)中，這樣可解決這個問題。

程序采用定時中斷采集的方法，定時時間為10ms左右，根據(jù)調(diào)試時單片機所測得的數(shù)據(jù)，觀察可知10ms定時所采集的數(shù)據(jù)較為合適。

采集的數(shù)據(jù)需要進行處理，發(fā)現(xiàn)PM2.5傳感器輸出的電壓值，在一個周期中有一個最大值，與其余的較大值有很大差值。當有煙霧時，變化巨大的只有那個最大值，所以只有對其最大值進行數(shù)據(jù)分析才能夠準確地知道PM2.5的濃度。在中斷程序設(shè)計中，首先對PM2.5輸出的模擬量進行采集，對采集的電壓值進行大小排序，保存每組40個數(shù)據(jù)中的最大值一共保存5組，對這5組數(shù)據(jù)進行平均濾波，將處理后的數(shù)據(jù)跟無塵時的數(shù)據(jù)進行比較，保存大于無塵時的數(shù)據(jù)，然后再通過液晶顯示。這種數(shù)據(jù)處理方式不僅增加了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且對于空氣質(zhì)量的檢測也較為精準。

顯示時首先判斷是否接收到CAN網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)，采用中斷接收方式。若接收成功，則輪詢標志變量flag變?yōu)?，表示成功接收到了數(shù)據(jù)，液晶實時顯示接收到的數(shù)據(jù)；反之，則液晶實時顯示自身PM2.5傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

4 調(diào)試與仿真

本次設(shè)計使用了Keil μVision4進行軟件調(diào)試，使用Altium Designer畫出系統(tǒng)原理圖的pcb線路板，進行打樣；將元器件焊好，用JTAG將程序燒錄好進行實物調(diào)試[8]，使用Vector公司所生產(chǎn)的CANoe進行節(jié)點調(diào)試，如圖4所示。

測試結(jié)果表明，該節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，最后進行有煙和無煙的實物調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如圖5所示，左邊實現(xiàn)的是無煙時，顯示PM2.5值，右邊實現(xiàn)的是有煙時[9]。

5 結(jié)語

本文進行了基于STM32和CAN總線協(xié)議的PM2.5檢測系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過軟件和硬件調(diào)試，能夠很好地實現(xiàn)設(shè)計要求。實驗表明，該系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定、實時性好，在智能家居或者工廠中具有很好的應(yīng)用前景。

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（責任編輯：孫 娟）