甲醛檢測儀開源項目-產(chǎn)品級開發(fā)(一)

前陣子開源了一個基于TencentOS tiny物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的危險氣體探測儀項目，這次，我們再來開源一個新的項目 - 甲醛檢測儀，但是做項目之前，有必要了解下接下來要做的一些模塊以及如何來進行集成。

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1、簡介

WZ-S 型甲醛檢測模組是英國達特公司開發(fā)的，是用于將環(huán)境中甲醛的含量轉(zhuǎn)換成濃度值，標準化數(shù)字輸出，便于系統(tǒng)集成。

2、特點

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3、典型應(yīng)用場景

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4、硬件引腳及技術(shù)指標

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5、傳感器通訊協(xié)議

該傳感器采用的是串行通訊方式，也就是我們常用的串口，串口配置參數(shù)如下：

波特率：9600

數(shù)據(jù)位：8 位

停止位：1 位

校驗位：無

傳感器在出廠后默認為主動上報，每隔 1s 上報一次濃度值，命令行格式如下：

一般情況下我們直接拿來用即可。

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6、軟件編程(以 STM32 為例)

以下開發(fā)板為 TOS_EVB_GO 開發(fā)板，也就是前陣子 TencentOS 公眾號發(fā)表的一篇文章的那個，鏈接如下：

基于 TencentOS Tiny 接入騰訊連連微信小程序，打造您自己的智能家居產(chǎn)品

TOS_EVB_G0 開發(fā)板是由騰訊 TencentOS-tiny 團隊設(shè)計的一款物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，板載資源如下：

• 主控芯片采用 STM32G070RB，F(xiàn)lash 空間僅有 128KB、RAM 空間僅有 20KB；板載騰訊云定制固件版 ESP8266 WIFI 模組；板載 E53 傳感器標準接口，方便連接各種 E53 傳感器；板載 0.91'OLED 顯示屏幕；板載 8MB SPI Flash，可用于固件升級；板載 CH340 轉(zhuǎn)串口連接，可以使用一根 USB 線連接至電腦，查看串口日志；

基于該開發(fā)板編寫的達特傳感器驅(qū)動例程位于：

https://gitee.com/morixinguan/bear-pi.git

以上拓展模塊是騰訊基于 E53 接口設(shè)計的一個傳感器模塊，所以小熊派也是支持的，如下：

由于在小熊派上使用比較順手，所以現(xiàn)在我已經(jīng)對它愛不釋手了，無論是工作做實驗還是平時練習(xí)，以下配置、編程基于小熊派開發(fā)板。

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6.1、STM32CubeMX 關(guān)于傳感器的配置

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配置 DMA 接收，個人習(xí)慣 DMA+空閑中斷的方式。

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6.2、其它配置

6.2.1 時鐘

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6.2.2 SWD 調(diào)試口

6.2.3 調(diào)試串口

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6.2.4 SPI OLED 配置

其余的部分直接復(fù)用之前文章的一些接口即可，然后生成工程：

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6.3 程序編寫

在程序編寫之前先來了解一些基本的概念，有助于我們后面產(chǎn)品的實現(xiàn)。

(1)ppm、ppb、ppt 是什么？

表達溶液的濃度時，1ppm=1ug/mL;表達固體中成分含量時，1ppm 即為 1ug/g 或 1g/t。

所以 1ppb=1ppm 的千分之一，ppm 即百萬分之一，ppb 即 1 億分之一，ppt 即千億分之一。

所以 ppm 是 10 的 -6 次方，ppb 是 10 的 -9 次方，ppt 是 10 的 -12 次方

(2)濃度及濃度單位換算

1ppm = 1000ppb

1ppb ?= 1000ppt

ppm 即：mg/L(毫克 / 升)

ppm 即：mg/L(毫克 / 升)

ppm 即：mg/L(毫克 / 升)

6.3.1 達特傳感器通訊協(xié)議解析

由于達特甲醛傳感器出廠時固定是發(fā) 9 個字節(jié)，所以我們可以直接用下面這個結(jié)構(gòu)體來表示:

/*甲醛傳感器協(xié)議*/
typedef?struct
{
?/*起始位*/
?uint8_t?start_bit?;
?/*氣體名稱*/
?uint8_t?gas_name??;
?/*單位*/
?uint8_t?unit?;
?/*小數(shù)位數(shù)*/
?uint8_t?decimal_places?;
?/*氣體濃度高位*/
?uint8_t?gas_density_high?;
?/*氣體濃度低位*/
?uint8_t?gas_density_low?;
?/*滿量程高位*/
?uint8_t?full_range_high?;
?/*滿量程低位*/
?uint8_t?full_range_low?;
?/*校驗值*/
?uint8_t?checksum_value?;
}Dart_Sensor_Procol_TypeDef?;

針對以上結(jié)構(gòu)體我們很容易根據(jù)官方手冊說明寫出如下解析函數(shù)：

Dart_Sensor_Procol_TypeDef?Dart_Sensor_Data_Parse(uint8_t?*Data)
{
?uint16_t?temp?=?0?;
?uint16_t?check_sum?=?0?;
?uint16_t?check_sum_negate?=?0?;
?Dart_Sensor_Procol_TypeDef?dart_sensor?;
??/*將接收到的協(xié)議數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)到結(jié)構(gòu)體里進行存儲*/
?memcpy(&dart_sensor,Data,sizeof(Dart_Sensor_Procol_TypeDef));
??/*計算校驗值*/
?check_sum?=?dart_sensor.gas_name?+?dart_sensor.unit?+??????
?dart_sensor.gas_density_low?+?dart_sensor.gas_density_high?+???
?dart_sensor.full_range_high?+?dart_sensor.full_range_low?+?dart_sensor.decimal_places?;
?check_sum_negate?=?~check_sum?;
?temp?=?check_sum_negate?+?1?;
?if((temp?&?0xff)?!=?dart_sensor.checksum_value)?
?{
??memset(&dart_sensor,0,sizeof(Dart_Sensor_Procol_TypeDef));
??return?dart_sensor?;
?}
?return?dart_sensor?;
}

關(guān)于這個 Data 是怎么直接轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)體的，可以參考我的一位朋友鄧工最近發(fā)表的一篇文章，里面圖文并茂的說明了這種騷操作，文章鏈接如下，點擊即可跳轉(zhuǎn)：

【進階】"結(jié)構(gòu)體嵌入共聯(lián)體"在協(xié)議解析中的神操作！

在用戶層次，用戶不需要關(guān)心協(xié)議是怎么解析的，所以我們只需要給用戶提供一個獲取數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)即可，然后通過頭文件dart_sensor.h提供給用戶，而協(xié)議解析部分直接放在dart_sensor.c文件里就可以了，如下：

#ifndef?__DART_SENSOR_H
#define?__DART_SENSOR_H
#include?
#include?
/*
1ppm?=?1000ppb
1ppb?=?1000ppt

ppm?=?mg/L(毫克 / 升)
ppb?=?ug/L(微克 / 升)
ppt?=?ng/L(納克 / 升)
*/

typedef?struct
{
?/*氣體濃度*/
?float?gas_density?;?//ppm
?/*滿量程*/
?float?full_range?;??
}Dart_Sensor?;


Dart_Sensor?Get_Dart_Sensor_Density(uint8_t?*Data);
#endif?//__DART_SENSOR_H

獲取濃度Get_Dart_Sensor_Density函數(shù)的實現(xiàn)：

我看過的大多數(shù)濃度單位標識都是 ppm，也就是 xxx/mg/L 的這種表示方法，所以這個接口就設(shè)計成下面這樣。

/*
?獲取氣體濃度
?Data:??傳感器數(shù)據(jù)
?return:?xxx?ppm
*/
Dart_Sensor?Get_Dart_Sensor_Density(uint8_t?*Data)
{
? Dart_Sensor?sensor?;
? Dart_Sensor_Procol_TypeDef?dart_sensor?;
? dart_sensor?=?Dart_Sensor_Data_Parse(Data);
??/*計算濃度，單位為 ppm*/
? sensor.gas_density?=?((dart_sensor.gas_density_high?<<?8)?+?(dart_sensor.gas_density_low))/1000.0?;
??/*當前傳感器量程*/
? sensor.full_range??=?((dart_sensor.full_range_high?<<?8)??+?(dart_sensor.full_range_low))/1000.0?;?
? return?sensor?;
}

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6.3.2 達特傳感器通訊庫封裝

既然用戶不需要關(guān)心過程，那我們可以給這個簡單的解析過程做一個 lib，這樣就相當于一個模塊，提供 .h 和 .lib 即可，接下來建立一個 STM32L431 的工程，然后將 .c 和 .h 放在一個文件夾內(nèi)，通過 Keil 包含進來

然后在 Output 下選擇創(chuàng)建庫，接下來點擊編譯即可生成：

注意，這里建立的這個庫僅在該環(huán)境下適用。思考一下，如何做到平臺通用呢？

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6.3.3?案例編寫

(1)開啟串口空閑中斷

/*開啟空閑中斷*/
__HAL_UART_ENABLE_IT(uartHandle,?UART_IT_IDLE);
// 開啟 DMA 接收
memset(sensor_handler.SensorU3Buffer,?0,?SENSOR_U3_BUFFER_SIZE);
HAL_UART_Receive_DMA(&huart3,?(uint8_t*)sensor_handler.SensorU3Buffer,?SENSOR_U3_BUFFER_SIZE);

(2)串口空閑中斷處理 串口接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

// 固定 9 個字節(jié)
#define?SENSOR_U3_BUFFER_SIZE???????9
typedef?struct
{
??/*表示接收到了*/
??uint8_t??BufferReady;
??/*數(shù)據(jù)緩存區(qū)*/
??uint8_t??SensorU3Buffer[SENSOR_U3_BUFFER_SIZE];
}Sensor_HandleTypeDef;
extern?Sensor_HandleTypeDef?sensor_handler?;

以下是數(shù)據(jù)采集過程，非常簡單：

/**
??*?@brief?This?function?handles?USART3?global?interrupt.
??*/
void?USART3_IRQHandler(void)
{
??/*?USER?CODE?BEGIN?USART3_IRQn?0?*/
?if(RESET?!=?__HAL_UART_GET_FLAG(&huart3,?UART_FLAG_IDLE))
??{
??????__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart3);
???HAL_UART_DMAStop(&huart3);
???sensor_handler.BufferReady?=?1?;
??}
??/*?USER?CODE?END?USART3_IRQn?0?*/
??HAL_UART_IRQHandler(&huart3);
??/*?USER?CODE?BEGIN?USART3_IRQn?1?*/

??/*?USER?CODE?END?USART3_IRQn?1?*/
}

當接收到空閑中斷時，代表數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到了，此時sensor_handler.BufferReady置 1，代表數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完成。

(3)數(shù)據(jù)解析處理與應(yīng)用邏輯 在 while 循環(huán)中編寫如下代碼：

while?(1)
{
????/*接收到一幀數(shù)據(jù)*/
????if(1?==?sensor_handler.BufferReady)
????{
????????/*接收標志位清 0*/
????????sensor_handler.BufferReady?=?0?;
????????/*判斷包頭數(shù)據(jù)是否正確*/
????????if(sensor_handler.SensorU3Buffer[0]?==?0xFF?&&?sensor_handler.SensorU3Buffer[1]?==?0x17)
????????{
????????????// 調(diào)用解析函數(shù)
????????????sensor?=?Get_Dart_Sensor_Density(sensor_handler.SensorU3Buffer);
????????????/*業(yè)務(wù)邏輯開始*/
????????????sprintf(display_buf,?"%.3fmg/L",?sensor.gas_density);
????????????LCD_ShowCharStr(70,?100,?170,?display_buf,?BLACK,?WHITE,?24);
????????????/*業(yè)務(wù)邏輯結(jié)束*/
????????????
????????????// 重新打開 DMA 繼續(xù)接收新的一幀數(shù)據(jù)
????????????memset(sensor_handler.SensorU3Buffer,?0,?SENSOR_U3_BUFFER_SIZE);
????????????HAL_UART_Receive_DMA(&huart3,?(uint8_t*)sensor_handler.SensorU3Buffer,?SENSOR_U3_BUFFER_SIZE);
????????}
????}
}

如何判斷接收到的這幀數(shù)據(jù)到底對不對呢？我們只需要根據(jù)協(xié)議手冊判斷前兩個字節(jié)是否為 0xff 和 0x17 即可。

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7、運行結(jié)果

8、指標衡量

模塊咱們用起來了，如何判斷來衡量甲醛含量的技術(shù)指標呢？下面這張圖截的是淘寶上某個商家對檢測標準的說明：

9、思考與練習(xí)

前面我開源了一個基于TencentOS tiny的危險氣體探測儀項目，是否能在那個項目上稍微改改，變成一個新的產(chǎn)品級項目，讓一個新項目：甲醛探測儀迅速開發(fā)出來呢？

淘寶上其實已經(jīng)有很多優(yōu)秀的產(chǎn)品案例，如下所示，界面做得相當漂亮了：

是否能做出一個跟以上界面類似的開源項目呢？

如下圖所示，小熊派開源生態(tài)社區(qū)工作小組的阿正大佬已經(jīng)做出來了一個類似的作品，給他點贊！

同時也希望更多熱愛開源的小伙伴加入我們的小熊派開源生態(tài)社區(qū)工作小組，該工作小組為高質(zhì)量社區(qū)，不同于一般群，只玩技術(shù)不閑聊，不接受潛水大佬，所以人不在多而在于精；無論小伙伴們玩的是什么平臺(不局限于小熊派)，只要是熱愛開源，有創(chuàng)意有想法，樂于持續(xù)分享，且目前在碼云 /Github 等社區(qū)有作品的玩家即可(私聊我的微信，拉你入群)

本節(jié)代碼已同步到碼云的代碼倉庫中,獲取方法如下：

1、新建一個文件夾

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2、使用 git clone 遠程獲取小熊派例程存放的代碼倉庫

項目開源倉庫：

https://gitee.com/morixinguan/bear-pi.git

我還將之前做的一些項目以及練習(xí)例程在近期內(nèi)全部上傳完畢，與大家一起分享交流：