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2系统硬件设计

2.1 单片机的选择与设计
为了实现课题要求，需要选择一款最适合的单片机来作为主控制器。因为本设计中涉及到温湿度采集模块、甲醛采集模块、显示模块、按键模块、报警模块、加湿及风扇模块。其中，温湿度采集、甲醛采集和按键是输入，显示屏、蜂鸣器、加湿片和风扇是输出，所以需要单片机的I/O口要多，对单片机的处理速度也有一定的要求，且因为需要记录温湿度及甲醛浓度数据并显示，为了方便后期调试，还需要选择可重复烧写程序的单片机，就目前情况，满足条件的单片机有STM32系列单片机和51系列单片机。
首先，传统的51单片机操作简单，具有实行各种功能的指令，但A/D、EEROM等功能需要靠扩展才能运行，使单片机高负荷工作，运行速度缓慢，易高热引发损坏[9]。
对于本次设计，我们选择的是32位微控制器，最高工作频率为72MHz的经济型半导体微控制器STM32F103C8T6单片机，具备性能高、功能消耗低、电路集成等特点，内部自带阻容震荡器、复位电路和时钟模块[10]。此单片机和51系列相比多了很多功能，不但运行速度比51单片机要快很多，自带两个AD转换，使我们在进行甲醛模块设计的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便。STM32还有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。STM32单片机比51单片机多了4个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地[11]。综上，最终选择满足课题要求的STM32F103C8T6单片机作为本次设计的主控制器。

STM32是基于Cortex-M3内核的32位的微控制器。20~64K字节SRAM，功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz[12]。
引脚图如图2.1所示。

图2.1 STM32F103C8T6引脚图
2.5 按键模块设计
由于本系统只有转换命令、数值加、数值减这3个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。如图2.9所示，按键K1的作用是完成进入设置界面，转换设置的参数以及退出设置界面，K1第一次按下时，此时将进入湿度设置界面，如果低于设定值报警时字符闪动（需要结合液晶的控制代码来完成），按下第二次时，进入温度设置界面，按下第三次时，进入甲醛浓度设置界面。再按下K1按键，就跳出参数设置，进入到主界面。按键K2的作用是选中的参数数值上加，按键K3的作用是选中的参数数值下调。
按键连接电路图如图2.7所示。
图2.7 按键连接电路图

K1、K2、K3这3个按键一端接地，另一端分别连在单片机的B12、B13、B14的I/O口，在我们不操控按键的情况下，3个引脚全部出于断开不导通状态，当按键按下去时，此时单片机的引脚和地导通，使得该引脚的电平由高电平变为低电平。因为每个按键实现的操作功能都不同，因此在硬件模块组装时按键和单片机上的功能引脚，一定要按软件C语言编程与之相对应。
2.6 报警模块设计
本设计添加报警模块是为了可以使相关安全管理人员察觉到空气质量的异常，立即采取急救措施，同时防止突然启动加湿片和风扇浪费资源[19]。
报警模块电路图如2.8所示。
图2.8 报警模块电路图

此设计采用STM32单片机，单片机上电后引脚默认是低电平，所以使用8050蜂鸣器，使其高电平导通，就实现了蜂鸣器报警。

2.7 加湿及风扇模块设计
为实现低于湿度设定值立即启用加湿功能，本设计选用电压5V，电流300mA，功率2W，频率108KHz，孔数740，孔径5um的微孔雾化片。微孔雾化片在陶瓷片表面涂有特殊釉层保护层，能耐酸碱且无毒环保。它具有超细喷雾颗粒，大雾化量，电压低功率小、阻抗低效率高的特点。
加湿模块如图2.9所示。
图2.9 加湿模块电路图

3系统软件设计
3.1 总流程方案设计
程序代码是一个单片机控制系统的灵魂，没有程序控制整个系统就不能运行。基于单片机的室内空气质量监控系统将利用Keil软件来编写C语言程序来驱动硬件的运行。本设计需要编写的模块程序包含了温湿度采集程序、参数显示程序、按键控制程序、声音报警程序。
系统软件设计主程序流程如图3.1所示，按下电源开关后，单片机开始工作，首先把温湿度采集模块以及液晶显示等相关模块进行初始化，初始化完成之后就开始进入while(1)循环中一行一行的执行代码。先从温湿度传感器中，可通过按键设置温湿度限值，其中，通过传感器检测到车间内温、湿度的变化，将获取到的参数显示在液晶屏上，利用按键限制数值，高于温度设定值触发报警，低于湿度设定值触发报警并启动雾化片实现加湿功能，当甲醛超出标准值时触发报警同时使风扇转动保持车间内空气流通，减少甲醛浓度。
系统软件主程序流程图如图3.1所示。

图3.1 系统程序主流程图

4系统调试
4.1 硬件调试
本设计利用电路板来焊接实物，根据系统的方案与需求来购买相关材料。根据绘制好的系统原理图来焊接实物。在焊接过程中要及时检测焊接的电路是否存在虚焊，对照电路图检查是否存在焊接错误现象，以保证焊接的实物可以完成设计的全部功能。焊接完成后将Keil软件编译后的HEX文件下载到单片机上，通电后，检查硬件电路是否可以按照程序运行，完成预期功能。

4.2 软件调试
本次设计的空气质量监控系统，利用C语言的程序编写来实现预期功能，将采用模块化的程序编写方式来完成本论文的程序编写。实物焊接成功后将该驱动程序烧写到单片机中，多次修改直至实现本设计的全部功能。由于温湿度下限及实时温使度及甲醛浓度参数需要显示在LCD1602液晶屏上，因此第一步应该调试LCD显示屏，接着再建立LCD1602.C文件，在编写一个显示函数用于测试液晶屏最终显示的代码。最后建立main.c文件，编写该函数时先把之前建立的头文件（.h文件）包含在最前面，然后再编写voidmain()函数，在main()函数中调用显示函数，把数据显示出来，接着编译代码，生成hex文件，下载到开发板中，查看液晶屏是否按照编写代码的功能执行。如果执行成功，这样就可以完成显示模块的测试。接着可以利用LCD1602的显示功能来测试温湿度获取代码及甲醛浓度代码。这些模块都调通之后，就把功能结合起来在LCD1602.c中编写动作函数，在main函数中调用动作函数，这样就可以逐步的完成了整个控制代码的结合调试。通过这种方式就可以完成这个控制的代码的编写，该种代码编写方式各个C文件分工明确，一旦出现错误，查找非常方便。

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