代码收藏家 基于STM32的环境质量监测课程设计详解
STM32为主控平台：本系统以STM32微控制器为核心，能够实时检测环境温度、湿度和PM2.5粉尘浓度。
定时与人工设置显示功能：系统支持定时自动显示监测数据，并且允许用户通过人工设置显示内容。
超标报警功能：当监测的环境指标超出预设的安全阈值时，系统能够自动触发报警机制。整个系统分为三大部分：检测、显示和报警。检测部分采用SHT20温湿度传感器实时监测环境的温度和湿度，同时使用PM2.5传感器检测空气中的粉尘颗粒浓度。显示部分则通过STM32将传感器采集到的数据进行处理后，通过LCD1602液晶屏显示当前的温度、湿度和PM2.5浓度。此外，系统还通过按键实现人机交互，用户可设置PM2.5浓度的上限，超过该上限时，单片机会控制三极管驱动蜂鸣器发出报警音。
数据存储功能：系统能够记录并存储一定时间范围内的监测数据，便于后续查阅与分析。
2.1硬件系统组成架构
本设计使用单片机作为控制核心，采用单个温湿度传感器（DHT11）对温度和湿度进行监测，GP2Y10传感器则负责检测空气中的PM2.5浓度,以液晶显示屏(OLED)显示检测温度，当PM2.5浓度超过设定阈值时，系统会通过蜂鸣器发出声音报警，系统总体控制框图如图2.1所示：
该系统软件功能有环境温湿度获取，环境PM2.5浓度获取，环境质量（温湿度及PM2.5浓度）展示，PM2.5浓度报警。下面图2是软件系统框图：
3.1 STM32F103C8T6最小系统板
STM32F103C8T6 最小系统板主要包括以下几个关键部分：
微控制器 型号：STM32F103C8T6
电源供应 输入电压：3.3V 去耦电容：0.1μF 电容 10μF 电容
复位电路 复位引脚：NRST 上拉电阻：10kΩ 复位按钮：连接到 NRST 引脚
晶振电路 主晶振：8MHz 实时时钟晶振：32.768kHz
调试接口 SWD接口：SWDIO引脚 SWCLK引脚 上拉电阻：每个10kΩ
3.2 DHT11温湿度传感器
DHT11 是一种常用的温湿度传感器，它集成了温度和湿度的测量功能，广泛应用于各种环境监测系统中。DHT11 的工作原理基于电阻式湿度传感原理和数字温度传感技术。以下是 DHT11 温湿度传感器的工作原理：
1.湿度测量原理（电阻式）
DHT11 内部的湿度传感器部分采用的是电阻式测量原理。其核心是一个吸湿性的电阻材料（通常是聚合物），该材料的电阻随着空气中湿度的变化而变化：
湿度增加时，吸湿材料会吸收水分，导致其电阻值减小。
湿度降低时，吸湿材料中的水分减少，电阻值增大。
DHT11 内置一个传感器电路，实时监测电阻值的变化，并通过内部的模数转换（ADC）将电阻值转化为数字信号。这个数字信号被用来表示环境湿度的值，并传输给主控单元（如 STM32 等微控制器）。
2.温度测量原理
DHT11 的温度测量是通过内置的数字温度传感器来实现的，通常这种传感器是基于热敏电阻（NTC 或 PTC）原理。NTC热敏电阻的电阻值随温度变化而变化，在 DHT11 中，传感器通过内部的处理电路将温度的变化转换为对应的数字信号。
温度升高时，NTC 电阻的电阻值减小。
温度降低时，NTC 电阻的电阻值增大。
DHT11 将温度变化转化为数字信号，经过处理后，输出对应的温度值。
3.3 GP2Y10烟雾传感器
GP2Y10烟雾传感器的工作原理：
GP2Y10是一款光学传感器，使用了红外LED和光电二极管来探测烟雾颗粒。其基本原理可以分为以下几个步骤：
红外光源（LED）发射：GP2Y10 内部有一个红外LED，它会发射红外光。这种光在传感器内部被照射到空气中。
光散射：当空气中有颗粒物（如烟雾、灰尘）存在时，这些颗粒物会散射红外光。散射的光的强度与颗粒物的浓度成正比。
烟雾中的微小颗粒物比大气中的其他颗粒物更加有效地散射红外光，因此当空气中烟雾浓度较高时，散射光会增强。
光电二极管接收散射光：在传感器内部，配有一个 光电二极管，用于接收被颗粒物散射回来的红外光。光电二极管将接收到的光转换为电信号。
电信号处理：传感器的内部电路会处理光电二极管产生的电信号，输出一个与空气中颗粒物浓度成正比的电压信号。这个信号可以被外部微控制器（如 STM32）读取，进而根据电压值推测出空气中的烟雾浓度。
输出信号：GP2Y10 提供的是一个模拟信号，通常是一个与烟雾浓度相关的 模拟电压输出。该信号可以用来判断烟雾的浓度，或者进一步进行报警、显示等操作。
3.4 OLED显示屏
OLED（有机发光二极管）显示屏通过电流激励有机材料自发光来显示图像。其基本结构包括基板、透明阳极、发光层、阴极等。电流通过阴极注入电子，阳极注入空穴，电子和空穴在发光层中结合形成激子，并释放能量以光的形式发射出来。不同颜色的发光材料（红、绿、蓝）生成不同波长的光，结合成全色显示。由于每个像素都是自发光的，OLED 显示屏具有高对比度和宽视角，能实现真正的黑色和鲜艳的色彩。相比LCD，OLED 不需要背光源，薄且轻，功耗低。主要应用于智能手机、电视等领域，但也存在蓝光寿命较短和屏幕烧录问题。
3.5有源蜂鸣器
有源蜂鸣器是一种能够自发产生声音的电子元件，通常由压电陶瓷、振荡电路和电源组成。其工作原理基于压电效应，即材料在电场作用下会发生形变，从而产生机械振动并发出声音。具体来说，当电压施加到蜂鸣器的压电陶瓷元件时，压电材料会根据电场的变化发生形变。这种形变产生的振动会使蜂鸣器的外壳（通常是金属材料）产生振动，进而发出声音。蜂鸣器内部通常有一个内置的振荡电路，这个电路在接收到电源后，会自动产生一定频率的信号，控制蜂鸣器的振动频率，产生一定的音调。与无源蜂鸣器不同，有源蜂鸣器不需要外部的信号驱动。它自带振荡电路，连接电源后即可产生声音。常见的工作频率为2kHz至4kHz，适用于各种警报、提示音等场合。当电源电压施加到蜂鸣器时，它会产生一个稳定的声音信号，直到电压去除。有源蜂鸣器的优点是易于使用，无需额外的驱动电路，适合简单的报警系统。它的缺点是音调通常不如无源蜂鸣器可调，且声音较为单一。
4.1主函数：
这段代码主要是实现了一个基于STM32的环境监测系统，集成了PM2.5传感器（GP2Y10）、温湿度传感器（DHT11）、OLED显示屏和蜂鸣器功能。代码的主要功能包括实时显示环境数据、调节PM2.5警告值、触发警报并通过OLED显示屏展示信息。以下是详细功能分解：
4.1.1. 初始化操作：
`OLED_Init()`：初始化OLED显示屏，用于显示信息。
`EXIT_Init()`：初始化外部中断，设置按键（PB5和PB6）用于调节警告值。
`Adc_Init()`：初始化ADC模块（虽然在代码中没有进一步使用，为了读取模拟传感器数据）。
`Beep_Init()`：初始化蜂鸣器，连接到GPIOA的Pin4，用于报警。
4.1.2 OLED显示：
在OLED屏幕上显示环境数据，如PM2.5浓度、温度和湿度以及当前的警告阈值。用于在特定位置显示字符串，用于显示数字。
4.1.3警告阈值的调整：
初始警告阈值`warn_num`为10。
通过按键PB5（增加警告阈值）和PB6（减少警告阈值）来调节`warn_num`值。按下PB5时，`warn_num`增加5，按下PB6时，`warn_num`减少5，且在0到1000之间限制。`Warning_Num()`会在OLED上实时显示当前的警告阈值。
4.1.4PM2.5监测和报警：
`Show_PM()`通过`GetGP2Y()`获取PM2.5传感器的值，并在OLED上显示。如果PM2.5值超过设定的`warn_num`阈值，蜂鸣器会触发报警（通过控制GPIOA的Pin4状态，蜂鸣器发出声音）。
4.1.5温湿度显示：
`Show_T_And_Wet()`通过`DHT11_REC_Data()`获取温湿度数据，并在OLED屏幕上显示。温度和湿度数据从`rec_data`数组中提取，并以特定格式显示在屏幕上。
4.1.6外部中断处理：
`EXIT_Init()`配置了外部中断，当按下PB5或PB6时会触发相应的中断，调整警告阈值。`EXTI9_5_IRQHandler()`是外部中断服务程序，用于处理PB5和PB6的按键输入。按键按下时，检查引脚电平，增加或减少`warn_num`值，并更新OLED显示。
工作流程：
系统启动时，初始化OLED显示、蜂鸣器、传感器等硬件，并在OLED上显示"PM2.5"、"T"（温度）、"Wet"（湿度）等信息。
`Show_PM()`函数不断读取PM2.5值，并判断是否超过警告阈值，若超过，则触发蜂鸣器报警。
`Show_T_And_Wet()`定时获取温湿度数据并显示在OLED上。
通过按下PB5（增加）和PB6（减少）来调整`warn_num`值，系统会实时更新警告阈值。每次按键事件会触发中断，调整`warn_num`的值，并通过OLED更新显示。
这段代码的核心功能是读取环境传感器数据（PM2.5、温湿度），并在OLED屏幕上显示。通过按钮输入，可以调节PM2.5报警阈值，并在值超过设定阈值时触发蜂鸣器报警。系统通过外部中断响应按键输入，实现用户交互。
4.2OLED模块：
这段代码是用于控制基于 I2C 协议的 OLED 显示屏，通过 STM32 微控制器进行通信。代码主要功能包括初始化 OLED 显示屏、发送命令、显示字符、数字等内容。具体来说，这段代码的主要功能可以分为以下几个部分：
4.2.1 引脚配置与初始化:
OLED_W_SCL(x)和OLED_W_SDA(x)宏定义用于设置 OLED 显示屏的 I2C 时钟 (SCL) 和数据 (SDA) 引脚。这些引脚是通过 STM32 的 GPIOB 端口控制的。
`OLED_I2C_Init()` 函数初始化 GPIOB 的 8 号和 9 号引脚为开漏输出模式，并使能时钟。
4.2.2 I2C 通信相关函数:
OLED_I2C_Start()和OLED_I2C_Stop(): 用于控制 I2C 总线的启动和停止。I2C 的启动信号是通过拉低数据线和时钟线产生的，停止信号则是将数据线拉高。OLED_I2C_SendByte(uint8_t Byte): 用于通过 I2C 发送一个字节的数据。该函数逐位发送数据，每发送一个 bit 会产生一个时钟信号。
4.2.3 OLED 命令与数据发送:
OLED_WriteCommand(uint8_t Command): 发送 OLED 显示屏命令。OLED 显示屏通常在接收到命令后执行初始化或其他设置操作。OLED_WriteData(uint8_t Data): 发送显示数据。数据通常是用于控制显示内容，例如显示字符或图形。
4.2.4 OLED 显示相关函数:
OLED_SetCursor(uint8_t Y, uint8_t X): 设置 OLED 显示屏的光标位置。OLED 屏幕通常有多个行列，通过设置光标来指定要显示内容的位置。
OLED_Clear(): 清空 OLED 显示屏，即将所有显示内容设置为 0（黑色显示）。
OLED_ShowChar(uint8_t Line, uint8_t Column, char Char): 显示一个字符。字符通过调用 `OLED_F8x16` 字体数组来显示，其中该数组包含了每个字符的字形数据。
OLED_ShowString(uint8_t Line, uint8_t Column, char *String): 显示一个字符串，通过调用 `OLED_ShowChar` 来依次显示每个字符。
4.2.5 显示数字与进制转换相关函数:
OLED_Pow(uint32_t X, uint32_t Y): 计算 X 的 Y 次方，供后续的数字显示使用。
OLED_ShowNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length): 显示一个正数（十进制），根据提供的长度显示该数字。
OLED_ShowSignedNum(uint8_t Line, uint8_t Column, int32_t Number, uint8_t Length): 显示一个带符号的数字（十进制）。
OLED_ShowHexNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length): 显示一个十六进制数字。
OLED_ShowBinNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length): 显示一个二进制数字。
4.2.6 OLED 初始化:
OLED_Init(): 初始化 OLED 显示屏，进行一系列配置操作，设置显示模式、对比度、时钟频率等。它通过一系列的命令来配置显示屏的硬件设置，如复用率、偏移、显示方向、对比度等。
在初始化过程中，首先关闭显示，然后设置显示参数，最后开启显示并清屏。
这段代码实现了与 OLED 显示屏进行通信并控制显示内容的功能，包含了：初始化显示屏的硬件设置；支持字符、字符串、数字、进制转换等显示功；通过 I2C 协议发送命令和数据到 OLED 显示屏，控制屏幕的显示内容。
4.3 DHT11 温湿度传感器：
这段代码实现了与 DHT11 温湿度传感器的通信，目的是通过 STM32 微控制器获取环境的温度和湿度数据。代码分为几个主要部分，下面是每个部分的功能概括：
4.3.1 GPIO 初始化:
DH11_GPIO_Init_OUT()**: 初始化 STM32 的 GPIO 引脚为推挽输出模式，设置 DHT11 数据引脚为输出，用于发送信号到 DHT11。
DH11_GPIO_Init_IN()**: 初始化 STM32 的 GPIO 引脚为浮空输入模式，设置 DHT11 数据引脚为输入，用于接收 DHT11 返回的数据。
4.3.2主机发送开始信号:
DHT11_Start()； 通过控制 GPIO 引脚，向 DHT11 发送启动信号。DHT11 在接收到启动信号后会开始发送温湿度数据。信号的发送过程包括：拉高数据线，并保持一定时间。拉低数据线至少 18 毫秒，准备开始通信。拉高数据线，并等待 DHT11 设备响应。
4.3.3接收 DHT11 数据:
DHT11_Rec_Byte(): 该函数用于接收 DHT11 传输的一个字节数据。数据是按位传输的，函数通过检测数据线的电平变化来解析每一位。
DHT11 通过低电平开始信号，接着将每一位的数据按时序传输，每一位数据的时长区分为 0 或 1。
该函数使用一个循环接收 8 位数据，拼接成一个字节并返回。
DHT11_REC_Data(): 获取 DHT11 温湿度数据的主函数。该函数会按照 DHT11 的协议发送启动信号，并接收返回的数据。
启动信号发送后，DHT11 会返回 5 个字节的数据：湿度高字节（R_H）、湿度低字节（R_L）、温度高字节（T_H）、温度低字节（T_L）和校验字节（CHECK）。
如果接收到的数据的和与校验字节相符，则认为数据接收成功，存储湿度和温度数据。
4.3.4数据校验:
在接收到湿度和温度数据后，通过校验和验证接收到的数据是否正确。校验方式是：湿度高字节 + 湿度低字节 + 温度高字节 + 温度低字节 应该等于校验字节（CHECK）。
如果校验成功，则将温湿度数据存储到 `rec_data[]` 数组中，其中：
`rec_data[0]` 存储湿度高字节（RH）。
`rec_data[1]` 存储湿度低字节（RL）。
`rec_data[2]` 存储温度高字节（TH）。
`rec_data[3]` 存储温度低字节（TL）。
这段代码的主要功能是通过 STM32 与 DHT11 温湿度传感器进行通信，并获取温湿度数据。具体流程包括：初始化 GPIO 引脚为输出（发送信号）和输入（接收数据）。向 DHT11 发送启动信号，等待其响应并返回数据。解析 DHT11 返回的温湿度数据，并进行校验。如果数据校验通过，将湿度和温度的数据存储到 `rec_data` 数组中供后续使用。
4.4GP2Y10模块：
这段代码主要实现了通过 STM32 获取 GP2Y10 PM2.5 传感器的输出数据，并进行处理。它包括 ADC 初始化、读取传感器数据以及计算平均值等功能。具体来说，代码的功能可概括如下：
4.4.1 ADC 初始化 (`Adc_Init`):
配置 STM32 的 ADC 模块，使其能够从模拟输入通道读取数据。特别地：启用了 `ADC1` 和 `GPIOA`（PA0）及 `GPIOB`（PB1）的时钟。设置了 PA0 为模拟输入，用于连接 GP2Y10 传感器的模拟输出信号。配置了 ADC 的工作模式（独立模式、单次转换模式、右对齐数据等）和采样时间（239.5 个周期）。对 ADC 进行了复位和校准，确保准确的模拟转换。GP2Y_High` 和 `GP2Y_Low` 控制信号引脚，用来启动和停止 GP2Y10 传感器的工作。
4.4.2获取 ADC 转换值 (`Get_Adc`):
该函数通过指定 ADC 通道（0~3）来获取对应通道的 ADC 值。配置 ADC 的通道和采样时间，启动 ADC 转换并等待转换结束。最后返回 ADC 转换结果，即采样到的模拟值。
4.4.3获取 GP2Y10 数据 (`GetGP2Y`):
控制 GP2Y10 的工作状态：通过设置 `GP2Y_Low` 使传感器工作，并延时 280 微秒采样。通过 `Get_Adc(ADC_Channel_0)` 获取来自 GP2Y10 模拟输出的 ADC 值。设置 `GP2Y_High` 停止传感器输出数据。最后通过一个转换公式 `pm = 0.17*AD_PM – 0.1` 将 ADC 值转换为 PM2.5 浓度值，并返回该值。
4.4.4获取 GP2Y10 数据的平均值 (`Get_GP2Y_Average`)：
该函数重复多次获取 GP2Y10 数据，并计算其平均值，以减小波动或噪声。`times` 参数表示测量次数，通过多次采样后，返回传感器输出值的平均值。这段代码的核心功能是通过 STM32 控制 ADC 采集 GP2Y10 PM2.5 传感器的模拟输出信号，并将其转换为 PM2.5 浓度值。通过控制 GPIO 引脚启动/停止传感器工作，并使用 ADC 获取模拟数据后，利用公式转换为实际的 PM2.5 浓度值。同时，该代码支持多次采样并返回平均值，从而提高数据的准确性和稳定性。
五、课程设计总结
5.1系统完成情况及功能说明
5.1.1 温湿度监测 (SHT20 传感器)
实现情况：已成功接入 SHT20 温湿度传感器，利用 I2C 总线与 STM32 进行数据通信。系统可以实时读取温湿度数据并显示在 OLED 屏幕上。
功能：实时获取环境的温度和湿度，并在 OLED 屏幕上显示。
5.1.2 PM2.5 浓度监测 (GP2Y10 传感器)
实现情况：已成功通过 ADC 通道获取 GP2Y10 传感器的模拟输出数据，并将其转换为 PM2.5 浓度值。
功能：通过控制 GP2Y10 的工作状态，实时监测空气中的 PM2.5 浓度。
数据处理：采用公式将 ADC 数据转换为 PM2.5 浓度，且支持多次采样取平均值来提高数据的稳定性。
5.1.3 OLED 显示功能
实现情况：已通过 I2C 接口连接 SSD1306 OLED 显示屏，实时显示温度、湿度、PM2.5 浓度等数据。
功能：显示当前环境质量信息，周期性刷新以确保数据实时更新。
5.1.4报警功能（蜂鸣器）
实现情况：已实现温湿度和 PM2.5 超过设定阈值时，触发蜂鸣器报警功能。
功能：当监测数据超出设定阈值时，系统会通过蜂鸣器发出声音提示，帮助用户注意空气质量变化。
用户设置：允许用户设置温湿度和 PM2.5 的报警阈值。
5.1.5数据采集与显示
实现情况：通过周期性采集传感器数据，并显示在 OLED 屏幕上。数据更新频率和刷新机制已经调整为合理的工作状态，以保证显示内容及时准确。
功能：温湿度、PM2.5 浓度实时显示，确保用户能够即时了解环境质量。
5.1.6按键设置功*
实现情况：用户可以通过按键调整报警阈值，设置温度、湿度和 PM2.5 的报警上限和下限值。
功能：通过外部按键实现对系统的手动配置，便于用户根据实际需求调整警报条件。
5.2仪器缺陷
数据存储：目前系统尚未实现数据存储功能。可以通过增加外部存储（如 SD 卡）来存储监测数据，便于后续查看历史数据和趋势分析。
联网功能：当前系统没有联网功能，未来可以通过 Wi-Fi 或蓝牙模块实现数据上传，进行远程监控和报警。可将数据上传至云平台或手机应用，实现远程查看和报警通知。
功耗优化：系统当前功耗适合实验室使用，但若部署于实际环境中（例如野外或无电源的地方），需要进一步优化功耗，增加电池管理功能。可能需要进入低功耗模式，延长电池寿命。
支持更多传感器：目前只支持温湿度和 PM2.5 监测，未来可以扩展更多传感器，如 CO2、气压、空气质量传感器等，进一步提升系统的功能和环境监测能力。
用户界面改：OLED 显示屏的界面可以进一步美化，显示更多的环境质量信息，或通过按键实现多页面显示，便于用户查看不同类型的数据。
参考文献
- 吴建平，传感器原理及应用[M]，北京: 机械工业出版社, 2021.
- 董锟、何娜，基于STM32的多参数环境检测仪的设计与实现，电脑知识与技术，2024.06.05.
[3] 王珅，基于GP2Y1010AU0F传感器的PM2.5检测仪设计，工业加热，2020.02.28..
附录
附录一：硬件系统原理图
附录二：软件程序清单
Main.c：
#include "Config.h"
int warn_num = 10;
int main(void)
{
OLED_Init();
EXIT_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "PM2.5:");
OLED_ShowString(2, 1, "T:");
OLED_ShowString(3, 1, "Wet:");
Adc_Init();
Beep_Init();
//GP2Yinit();
while(1)
{
Warning_Num();
Show_PM();
Show_T_And_Wet();
}
}
void Show_PM(void)
{
float num = GetGP2Y();
OLED_ShowNum(1, 7, (int)num, 3);
if(num > warn_num)
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
else
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}
void Show_T_And_Wet()
{
Delay_s(1);
DHT11_REC_Data();
OLED_ShowNum(2, 3, rec_data[2], 3);
OLED_ShowString(2, 6, ".");
OLED_ShowNum(2, 7, rec_data[3], 2);
OLED_ShowNum(3, 5, rec_data[0], 3);
}
void Warning_Num(void)
{
OLED_ShowString(4, 1, "Warn:");
OLED_ShowNum(4, 6, warn_num, 3);
}
void Beep_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructer;
GPIO_InitStructer.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructer.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructer.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructer);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}
void EXIT_Init(void)//PB5和6为key设置，中断进行设置
{//5+ 6-
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource5);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource6);
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line5 | EXTI_Line6;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;//下降沿产生中断
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line5) == SET)
{
/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_5) == 0)
{
if(warn_num > 1000)
{
warn_num = 1000;
}
else
{
warn_num += 5;
}
}
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);
}
if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line6) == SET)
{
/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_6) == 0)
{
if(warn_num < 0)
{
warn_num = 0;
}
else
{
warn_num -= 5;
}
}
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line6);
}
}
Delay.c：
#include "stm32f10x.h"
/**
* @brief 微秒级延时
* @param xus 延时时长，范围：0~233015
* @retval 无
*/
void Delay_us(uint32_t xus)
{
SysTick->LOAD = 72 * xus; //设置定时器重装值
SysTick->VAL = 0x00; //清空当前计数值
SysTick->CTRL = 0x00000005; //设置时钟源为HCLK，启动定时器
while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000)); //等待计数到0
SysTick->CTRL = 0x00000004; //关闭定时器
}
/**
* @brief 毫秒级延时
* @param xms 延时时长，范围：0~4294967295
* @retval 无
*/
void Delay_ms(uint32_t xms)
{
while(xms–)
{
Delay_us(1000);
}
}
/**
* @brief 秒级延时
* @param xs 延时时长，范围：0~4294967295
* @retval 无
*/
void Delay_s(uint32_t xs)
{
while(xs–)
{
Delay_ms(1000);
}
}
OLED.c：
#include "stm32f10x.h"
#include "OLED_Font.h"
/*引脚配置*/
#define OLED_W_SCL(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_8, (BitAction)(x))
#define OLED_W_SDA(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_9, (BitAction)(x))
/*引脚初始化*/
void OLED_I2C_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(1);
}
/**
* @brief I2C开始
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_Start(void)
{
OLED_W_SDA(1);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(0);
OLED_W_SCL(0);
}
/**
* @brief I2C停止
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_Stop(void)
{
OLED_W_SDA(0);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(1);
}
/**
* @brief I2C发送一个字节
* @param Byte 要发送的一个字节
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
OLED_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SCL(0);
}
OLED_W_SCL(1); //额外的一个时钟，不处理应答信号
OLED_W_SCL(0);
}
/**
* @brief OLED写命令
* @param Command 要写入的命令
* @retval 无
*/
void OLED_WriteCommand(uint8_t Command)
{
OLED_I2C_Start();
OLED_I2C_SendByte(0x78); //从机地址
OLED_I2C_SendByte(0x00); //写命令
OLED_I2C_SendByte(Command);
OLED_I2C_Stop();
}
/**
* @brief OLED写数据
* @param Data 要写入的数据
* @retval 无
*/
void OLED_WriteData(uint8_t Data)
{
OLED_I2C_Start();
OLED_I2C_SendByte(0x78); //从机地址
OLED_I2C_SendByte(0x40); //写数据
OLED_I2C_SendByte(Data);
OLED_I2C_Stop();
}
/**
* @brief OLED设置光标位置
* @param Y 以左上角为原点，向下方向的坐标，范围：0~7
* @param X 以左上角为原点，向右方向的坐标，范围：0~127
* @retval 无
*/
void OLED_SetCursor(uint8_t Y, uint8_t X)
{
OLED_WriteCommand(0xB0 | Y); //设置Y位置
OLED_WriteCommand(0x10 | ((X & 0xF0) >> 4)); //设置X位置高4位
OLED_WriteCommand(0x00 | (X & 0x0F)); //设置X位置低4位
}
/**
* @brief OLED清屏
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_Clear(void)
{
uint8_t i, j;
for (j = 0; j < 8; j++)
{
OLED_SetCursor(j, 0);
for(i = 0; i < 128; i++)
{
OLED_WriteData(0x00);
}
}
}
/**
* @brief OLED显示一个字符
* @param Line 行位置，范围：1~4
* @param Column 列位置，范围：1~16
* @param Char 要显示的一个字符，范围：ASCII可见字符
* @retval 无
*/
void OLED_ShowChar(uint8_t Line, uint8_t Column, char Char)
{
uint8_t i;
OLED_SetCursor((Line – 1) * 2, (Column – 1) * 8); //设置光标位置在上半部分
for (i = 0; i < 8; i++)
{
OLED_WriteData(OLED_F8x16[Char – ' '][i]); //显示上半部分内容
}
OLED_SetCursor((Line – 1) * 2 + 1, (Column – 1) * 8); //设置光标位置在下半部分
for (i = 0; i < 8; i++)
{
OLED_WriteData(OLED_F8x16[Char – ' '][i + 8]); //显示下半部分内容
}
}
/**
* @brief OLED显示字符串
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param String 要显示的字符串，范围：ASCII可见字符
* @retval 无
*/
void OLED_ShowString(uint8_t Line, uint8_t Column, char *String)
{
uint8_t i;
for (i = 0; String[i] != '\0'; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, String[i]);
}
}
/**
* @brief OLED次方函数
* @retval 返回值等于X的Y次方
*/
uint32_t OLED_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
uint32_t Result = 1;
while (Y–)
{
Result *= X;
}
return Result;
}
/**
* @brief OLED显示数字（十进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~4294967295
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~10
* @retval 无
*/
void OLED_ShowNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, Number / OLED_Pow(10, Length – i – 1) % 10 + '0');
}
}
/**
* @brief OLED显示数字（十进制，带符号数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：-2147483648~2147483647
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~10
* @retval 无
*/
void OLED_ShowSignedNum(uint8_t Line, uint8_t Column, int32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
uint32_t Number1;
if (Number >= 0)
{
OLED_ShowChar(Line, Column, '+');
Number1 = Number;
}
else
{
OLED_ShowChar(Line, Column, '-');
Number1 = -Number;
}
for (i = 0; i < Length; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i + 1, Number1 / OLED_Pow(10, Length – i – 1) % 10 + '0');
}
}
/**
* @brief OLED显示数字（十六进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~0xFFFFFFFF
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~8
* @retval 无
*/
void OLED_ShowHexNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i, SingleNumber;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
SingleNumber = Number / OLED_Pow(16, Length – i – 1) % 16;
if (SingleNumber < 10)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, SingleNumber + '0');
}
else
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, SingleNumber – 10 + 'A');
}
}
}
/**
* @brief OLED显示数字（二进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~1111 1111 1111 1111
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~16
* @retval 无
*/
void OLED_ShowBinNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, Number / OLED_Pow(2, Length – i – 1) % 2 + '0');
}
}
/**
* @brief OLED初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_Init(void)
{
uint32_t i, j;
for (i = 0; i < 1000; i++) //上电延时
{
for (j = 0; j < 1000; j++);
}
OLED_I2C_Init(); //端口初始化
OLED_WriteCommand(0xAE); //关闭显示
OLED_WriteCommand(0xD5); //设置显示时钟分频比/振荡器频率
OLED_WriteCommand(0x80);
OLED_WriteCommand(0xA8); //设置多路复用率
OLED_WriteCommand(0x3F);
OLED_WriteCommand(0xD3); //设置显示偏移
OLED_WriteCommand(0x00);
OLED_WriteCommand(0x40); //设置显示开始行
OLED_WriteCommand(0xA1); //设置左右方向，0xA1正常 0xA0左右反置
OLED_WriteCommand(0xC8); //设置上下方向，0xC8正常 0xC0上下反置
OLED_WriteCommand(0xDA); //设置COM引脚硬件配置
OLED_WriteCommand(0x12);
OLED_WriteCommand(0x81); //设置对比度控制
OLED_WriteCommand(0xCF);
OLED_WriteCommand(0xD9); //设置预充电周期
OLED_WriteCommand(0xF1)；
OLED_WriteCommand(0xDB); //设置VCOMH取消选择级别
OLED_WriteCommand(0x30)；
OLED_WriteCommand(0xA4); //设置整个显示打开/关
OLED_WriteCommand(0xA6); //设置正常/倒转显示
OLED_WriteCommand(0x8D); //设置充电泵
OLED_WriteCommand(0x14);
OLED_WriteCommand(0xAF); //开启显示
OLED_Clear(); //OLED清屏
DHT11.c：
#include "Config.h"
//数据
unsigned int rec_data[4];
//对于stm32来说，是输出
void DH11_GPIO_Init_OUT(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
//对于stm32来说，是输入
void DH11_GPIO_Init_IN(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
//主机发送开始信号
void DHT11_Start(void)
{
DH11_GPIO_Init_OUT(); //输出模式
dht11_high; //先拉高
Delay_us(30);
dht11_low; //拉低电平至少18us
Delay_ms(20);
dht11_high; //拉高电平20~40us
Delay_us(30);
DH11_GPIO_Init_IN(); //输入模式
}
//获取一个字节
char DHT11_Rec_Byte(void)
{
unsigned char i = 0;
unsigned char data;
for(i=0;i<8;i++) //1个数据就是1个字节byte，1个字节byte有8位bit
{
while( Read_Data == 0); //从1bit开始，低电平变高电平，等待低电平结束
Delay_us(30); //延迟30us是为了区别数据0和数据1，0只有26~28us
data <<= 1; //左移
if( Read_Data == 1 ) //如果过了30us还是高电平的话就是数据1
{
data |= 1; //数据+1
}
while( Read_Data == 1 ); //高电平变低电平，等待高电平结束
}
return data;
}
//获取数据
void DHT11_REC_Data(void)
{
unsigned int R_H,R_L,T_H,T_L;
unsigned char RH,RL,TH,TL,CHECK;
DHT11_Start(); //主机发送信号
dht11_high; //拉高电平
if( Read_Data == 0 ) //判断DHT11是否响应
{
while( Read_Data == 0); //低电平变高电平，等待低电平结束
while( Read_Data == 1); //高电平变低电平，等待高电平结束
R_H = DHT11_Rec_Byte();
R_L = DHT11_Rec_Byte();
T_H = DHT11_Rec_Byte();
T_L = DHT11_Rec_Byte();
CHECK = DHT11_Rec_Byte(); //接收5个数据
dht11_low; //当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线 50us
Delay_us(55); //这里延时55us
dht11_high; //随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
if(R_H + R_L + T_H + T_L == CHECK) //和检验位对比，判断校验接收到的数据是否正确
{
RH = R_H;
RL = R_L;
TH = T_H;
TL = T_L;
}
}
rec_data[0] = RH;
rec_data[1] = RL;
rec_data[2] = TH;
rec_data[3] = TL;
}
GP2Y10.c：
#include "Config.h"
//初始化ADC
//这里我们仅以规则通道为例
//我们默认将开启通道0~3
void Adc_Init(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE ); //使能ADC1通道时钟
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
//PA0 作为模拟通道输入引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入引脚
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//PB1 作为脉冲输出引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GP2Y_High;
ADC_DeInit(ADC1); //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
ADC_StartCalibration(ADC1); //开启AD校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束
// ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
}
//获得ADC值
//ch:通道值 0~3
u16 Get_Adc(u8 ch)
{
//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 0, ADC_SampleTime_239Cycles5 ); //ADC1,ADC通道,采样时间为239.5周期
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束
return ADC_GetConversionValue(ADC1); //返回最近一次ADC1规则组的转换结果
}
float GetGP2Y(void)
{
u32 AD_PM;
float pm;
GP2Y_Low;
Delay_us(280);
AD_PM = Get_Adc(ADC_Channel_0); //PA0
Delay_us(40);
GP2Y_High;
Delay_us(9680);
pm = 0.17*AD_PM-0.1; //转换公式
//printf("%f\n",pm);
return pm;
}
u16 Get_GP2Y_Average(u8 times)
{
u32 pm_val=0;
u8 t;
for(t=0;t<times;t++)
{
pm_val+=GetGP2Y();
Delay_ms(5);
}
return pm_val/times;
}
附录三：元器件清单表
|
元器件 |
个数（/个） |
|
Stm32f103z8t6最小系统板 |
1 |
|
OLED |
1 |
|
GP2Y10 |
1 |
|
DHT11 |
1 |
|
按键 |
2 |
|
滤波电容 |
1 |
|
限流电阻 |
1 |
附录五：硬件实物图
附录六：PCB版图
附录七：操作说明书
接通电源后，系统便可正常工作，每间隔1s会主动检测环境温湿度和PM2.5浓度，并显示在OLED屏上，并当PM2.5浓度超过设定阈值时通过蜂鸣器报警。除此外，装置上装有FB5、FB6两个按键，按下FB5按键，则设定阈值加5，按下FB6按键，则设定阈值减5。
作者：xixi….嘻嘻
