基于STM32的环境监测系统设计与实现
基于STM32的环境监测系统设计与实现
随着环境问题日益受到关注，对环境参数如温度、湿度、光照度和PM2.5的监测变得尤为重要。本文介绍了一种基于STM32单片机的环境监测系统设计，详细阐述了硬件选型、电路连接、软件实现以及调试过程，为相关领域的工程师和技术人员提供了一个实用的参考方案。
研究背景及意义
环境问题已成为当今社会关注的焦点之一。随着人类社会的快速发展，环境质量受到了不同程度的影响，如PM2.5超标导致的大雾天气等。因此，对环境参数（如温度、湿度、光照度、大气压强、PM2.5等）的监测变得尤为重要。通过对这些数据的分析，可以为环境治理提供科学依据，同时这些数据也直接关系到人们的生活质量。
现状分析
目前，我国已建立了中国环境监测总站，并在各行业部门建立了初具规模的环境监测体系。大规模的环境监控系统在我国已经非常成熟，但小规模、智能化的环境监控系统仍有待开发。当前，我国环境监测仪的年产值高达5亿元，但大部分产品仍处于中低档水平，存在技术档次不高、产品质量不稳定、使用寿命短等问题。
主要研究内容
本次环境监测系统以STM32F103为核心，通过温湿度传感器、光敏电阻、PM2.5传感器获取环境参数，经过单片机处理后，将数据实时显示在LCD屏幕上。系统主要包括以下几个模块：
- STM32F103单片机
- TFTLCD液晶显示屏幕
- 光敏电阻
- 温湿度传感器（DHT11）
- PM2.5传感器（GP2Y1010AU）
硬件方案
总体设计
本设计采用STM32F103单片机为核心，通过温湿度传感器、PM2.5传感器、光敏电阻获取环境参数，最后通过LCD屏幕实时显示数据。硬件系统框图如下：
STM32F103芯片
选用STM32F103ZET6作为核心控制器，该芯片具有以下特点：
- 内核：Cortex-M3
- 主频：72MHz
- 存储容量：512KB Flash，64KB SRAM
- 外设：定时器、I2C、ADC、SPI、UART等
TFTLCD液晶显示屏幕
选用2.8寸TFTLCD屏幕，分辨率为320*240，工作电压为3.3V。
光敏电阻
选用GL3528光敏电阻，具有体积小、反应速度快、性能稳定等特点。
温湿度传感器
选用DHT11温湿度传感器，可以直接输出数字信号，具有成本低、抗干扰能力强等特点。
PM2.5传感器
选用GP2Y1010AU传感器，通过检测空气中的灰尘反射光来判断颗粒浓度。
设计原理
整体程序处理
系统启动后，首先进行ADC、定时器等初始化设置，然后初始化LCD屏幕。接下来依次处理温湿度传感器、光敏电阻和PM2.5传感器的数据。通过延时函数实现数据的实时更新。
温湿度传感器取值
DHT11传感器输出40bit数据，包括湿度的整数和小数位、温度的整数和小数位以及校验位。通过校验位可以验证数据的有效性。
光敏电阻取值
通过ADC获取光敏电阻的电压值，然后计算出光敏电阻的阻值，进而得到光照度数值。
PM2.5取值
通过ADC获取PM2.5传感器的模拟信号，转换为电压值后，通过特定公式计算出PM2.5浓度。
硬件调试
硬件线路连接
使用杜邦线连接各传感器和STM32F103开发板，具体连接方式如下：
- LCD屏幕：插入STM32F103开发板
- 光敏电阻：连接到GPIO的PF8
- DHT11温湿度传感器：DATA线连接到GPIO的PG11
- PM2.5传感器：ANALOG连接到GPIO的PA0，DIGITAL连接到GPIO的PB1
温湿度调试
在正常情况下，LCD屏幕显示的温湿度值如下：
对着温湿度传感器哈气后，温湿度值会发生变化：
光照度调试
在正常光照条件下，光照度值如下：
使用手电筒照射光敏电阻后，光照度值显著增加。
PM2.5调试
在正常情况下，PM2.5值如下：
点燃烟雾并让PM2.5传感器靠近后，PM2.5浓度显著增加。
项目整合
为了使显示界面更加美观，可以使用取模软件添加图片等元素。以下是最终的显示效果：
总结
本设计实现了对温度、湿度、光照度和PM2.5的实时监测，具有操作简便、成本低、实时性强等特点。通过延时函数实现数据的实时更新，同时通过硬件调试确保了传感器数据的有效性。未来可以进一步完善报警功能，当环境参数超出设定范围时自动发出警报。