基于STM32的空气质量检测系统设计（程序+原理图+APP）

电子最好玩

2287人浏览 · 2025-03-17 22:53:08

电子最好玩 · 2025-03-17 22:53:08 发布

基于STM32的空气质量检测系统设计

摘要

随着环境污染问题的日益严重，空气质量检测已成为人们关注的焦点。本文设计了一种基于STM32的空气质量检测系统，该系统能够实时采集当前环境下的温湿度、甲醛、PM2.5值，并在采集值超过预设阈值时通过蜂鸣器自动报警。采集到的数据会显示在LCD1602显示屏上，并自动上传至上位机（手机），方便用户随时查看。此外，系统还提供了三个按键，用户可以通过这些按键任意设置报警阈值。

关键词

STM32；空气质量检测；温湿度；甲醛；PM2.5；LCD1602；上位机；报警阈值

一、引言

随着工业化和城市化的快速发展，空气质量问题日益凸显，对人们的健康和生活质量产生了严重影响。因此，对空气质量的实时监测显得尤为重要。传统的空气质量检测设备通常体积庞大、价格昂贵，且操作复杂，不适合家庭或小型场所使用。本文设计了一种基于STM32的空气质量检测系统，该系统具有体积小、成本低、操作简便等优点，能够实时监测环境中的温湿度、甲醛、PM2.5等参数，并在参数异常时及时报警，同时支持数据上传至手机，方便用户随时查看。

二、系统总体设计

（一）硬件设计

主控制器选型

本系统选用STM32F103C8T6单片机作为主控制器。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有高性能、低功耗、丰富的外设资源等优点，能够满足本系统的设计要求。

传感器选型

温湿度传感器：选用DHT11传感器。DHT11是一款数字式温湿度传感器，具有低成本、宽供电电压范围（3V至5.5V）、通过单数据线进行数字信号传输等特点。其温度测量范围为0°C至50°C，湿度测量范围为20%RH至90%RH，适用于一般室内环境监测。
甲醛传感器：选用ZE08-CH2O甲醛传感器。该传感器能够实时检测室内甲醛浓度，并根据温度湿度对甲醛检测结果的影响进行校准，确保测量结果的准确性。
PM2.5传感器：选用GP2Y1014AU粉尘传感器。该传感器利用光学散射原理测量空气中PM2.5颗粒物的浓度，具有测量范围广、精度高等特点。

显示模块选型

选用LCD1602液晶显示模块。LCD1602是一种字符型液晶显示模块，能够显示16个字符×2行，具有低成本、低功耗、简易接口等优点。在本系统中，LCD1602用于显示当前环境的温湿度、甲醛、PM2.5值等参数。

通信模块选型

选用ESP8266 Wi-Fi模块。ESP8266是一款低功耗、高性能的Wi-Fi模块，支持串口通信，能够将采集到的数据上传至云端服务器，实现远程监控和数据管理。

报警模块选型

选用有源蜂鸣器作为报警模块。有源蜂鸣器内部带震荡源，只要一通电就会发出声音，适合用于本系统的报警功能。

按键模块选型

选用三个独立按键作为按键模块。这三个按键分别用于设置温湿度、甲醛、PM2.5的报警阈值。

（二）软件设计

开发环境选择

本系统采用STM32CubeIDE作为开发环境。STM32CubeIDE是一款集成开发环境（IDE），专为STM32微控制器设计，提供了图形化的配置工具、代码生成器、调试器等功能，能够大大提高开发效率。

系统功能划分

本系统主要分为数据采集与处理、报警功能、数据显示与上传、按键设置等四个功能模块。

数据采集与处理：负责采集温湿度、甲醛、PM2.5传感器的数据，并进行处理和分析。
报警功能：当采集到的数据超过预设阈值时，触发蜂鸣器报警。
数据显示与上传：将采集到的数据显示在LCD1602显示屏上，并通过ESP8266模块上传至云端服务器。
按键设置：用户通过按键设置温湿度、甲醛、PM2.5的报警阈值。

数据采集与处理

通过STM32的ADC（模数转换器）采集温湿度、甲醛、PM2.5传感器的模拟电压信号，并将其转换为数字信号。然后，对采集到的数据进行滤波、校准等处理，确保数据的准确性。

报警功能实现

当采集到的数据超过预设阈值时，通过GPIO（通用目的输入/输出）引脚控制有源蜂鸣器发出报警声音。报警阈值可以通过按键进行设置。

数据显示与上传

将采集到的数据显示在LCD1602显示屏上，并通过ESP8266模块将数据上传至云端服务器。云端服务器可以将数据存储在数据库中，并提供API接口供手机APP调用，实现远程监控和数据管理。

按键设置功能

通过GPIO引脚检测按键的按下和释放状态，并根据按键的按下顺序和次数设置温湿度、甲醛、PM2.5的报警阈值。按键设置功能通过中断方式实现，确保按键响应的实时性。

三、系统硬件实现

（一）主控制器电路

STM32F103C8T6单片机的电路连接主要包括电源、时钟、复位、调试接口等。电源采用5V直流电源供电，通过稳压芯片将电压转换为3.3V供单片机使用。时钟电路采用外部晶振提供时钟信号，复位电路采用上电复位和手动复位相结合的方式。调试接口采用SWD接口，方便进行程序下载和调试。

（二）传感器电路

DHT11传感器电路

DHT11传感器的数据引脚与STM32的GPIO引脚相连，通过单总线协议进行通信。在电路设计中，需要注意数据引脚的上拉电阻和电容的选择，以确保通信的稳定性和可靠性。

ZE08-CH2O甲醛传感器电路

ZE08-CH2O甲醛传感器的输出信号为模拟电压信号，通过STM32的ADC引脚进行采集。在电路设计中，需要注意传感器的供电电压和输出信号的范围，以确保ADC能够正确采集到数据。

GP2Y1014AU粉尘传感器电路

GP2Y1014AU粉尘传感器的输出信号同样为模拟电压信号，通过STM32的ADC引脚进行采集。在电路设计中，需要注意传感器的供电电压和输出信号的处理电路，以确保测量结果的准确性。

（三）显示模块电路

LCD1602液晶显示模块的电路连接主要包括数据线、控制线、电源线等。数据线（DB0-DB7）与STM32的GPIO引脚相连，用于传输数据和命令。控制线（RS、RW、E）也与STM32的GPIO引脚相连，用于控制LCD1602的工作模式。电源线（VDD、VSS）分别连接到电源的正负极。

（四）通信模块电路

ESP8266 Wi-Fi模块的电路连接主要包括串口通信引脚、电源引脚、复位引脚等。串口通信引脚（TX、RX）与STM32的USART引脚相连，用于实现串口通信。电源引脚（VCC、GND）分别连接到电源的正负极。复位引脚（RST）连接到STM32的GPIO引脚，用于控制ESP8266的复位操作。

（五）报警模块电路

有源蜂鸣器的电路连接比较简单，只需要将其正极连接到STM32的GPIO引脚，负极连接到电源的负极即可。通过控制GPIO引脚的高低电平来控制蜂鸣器的开关状态。

（六）按键模块电路

三个独立按键的电路连接也比较简单，每个按键的一端连接到STM32的GPIO引脚，另一端连接到电源的负极。通过检测GPIO引脚的电平变化来判断按键的按下和释放状态。

四、系统软件实现

（一）数据采集与处理程序设计

数据采集与处理程序主要包括传感器初始化、数据采集、数据处理等部分。

传感器初始化

在程序开始时，需要对DHT11、ZE08-CH2O、GP2Y1014AU等传感器进行初始化操作。初始化操作包括设置传感器的工作模式、校准参数等。

数据采集

通过STM32的ADC引脚采集DHT11、ZE08-CH2O、GP2Y1014AU等传感器的模拟电压信号，并将其转换为数字信号。在采集过程中，需要注意ADC的采样频率和分辨率的设置，以确保采集到的数据的准确性。

数据处理

对采集到的数据进行滤波、校准等处理。滤波操作可以采用均值滤波、中值滤波等方法来平滑数据，减少噪声干扰。校准操作可以根据传感器的特性曲线对采集到的数据进行修正，确保测量结果的准确性。

（二）报警功能程序设计

报警功能程序主要包括报警阈值设置、报警条件判断、报警操作等部分。

报警阈值设置

通过按键设置温湿度、甲醛、PM2.5的报警阈值。在程序开始时，可以设置一个默认的报警阈值。用户可以通过按键来调整报警阈值的大小。

报警条件判断

在数据采集与处理程序中，将采集到的数据与报警阈值进行比较。如果采集到的数据超过报警阈值，则触发报警条件。

报警操作

当触发报警条件时，通过GPIO引脚控制有源蜂鸣器发出报警声音。同时，可以在LCD1602显示屏上显示报警信息，提醒用户注意环境变化。

（三）数据显示与上传程序设计

数据显示与上传程序主要包括数据显示、数据上传等部分。

数据显示

将采集到的温湿度、甲醛、PM2.5值显示在LCD1602显示屏上。在显示过程中，需要注意数据的格式化和刷新频率的设置，以确保显示效果的清晰和流畅。

数据上传

通过ESP8266模块将采集到的数据上传至云端服务器。在上传过程中，需要注意串口通信的波特率、数据格式等参数的设置，以确保数据上传的稳定性和可靠性。同时，还需要处理网络连接的异常情况，如网络断开、重连等。

（四）按键设置功能程序设计

按键设置功能程序主要包括按键检测、按键处理等部分。

按键检测

通过GPIO引脚检测按键的按下和释放状态。在检测过程中，需要注意按键的去抖处理，以避免因按键抖动而产生的误判。

按键处理

根据按键的按下顺序和次数来设置温湿度、甲醛、PM2.5的报警阈值。在按键处理过程中，需要注意按键的优先级和互斥性，以确保按键设置的正确性和稳定性。

五、系统测试与结果分析

（一）测试环境搭建

在实验室环境下搭建测试平台，包括STM32开发板、DHT11温湿度传感器、ZE08-CH2O甲醛传感器、GP2Y1014AU粉尘传感器、LCD1602液晶显示模块、ESP8266 Wi-Fi模块、有源蜂鸣器、按键模块等硬件设备。同时，还需要准备一台电脑作为上位机，用于接收和显示采集到的数据。

（二）功能测试

数据采集功能测试

通过改变实验室环境的温湿度、甲醛浓度、PM2.5浓度等参数，测试系统是否能够正确采集到这些参数的值。测试结果表明，系统能够准确采集到温湿度、甲醛、PM2.5等参数的值，并显示在LCD1602显示屏上。

报警功能测试

通过设置不同的报警阈值，测试系统是否能够在采集到的数据超过报警阈值时正确触发报警。测试结果表明，当采集到的数据超过报警阈值时，系统能够正确触发有源蜂鸣器发出报警声音，并在LCD1602显示屏上显示报警信息。

数据显示与上传功能测试

测试系统是否能够将采集到的数据显示在LCD1602显示屏上，并通过ESP8266模块上传至云端服务器。测试结果表明，系统能够正确显示采集到的数据，并通过ESP8266模块将数据上传至云端服务器。上位机能够接收到数据并正确显示。

按键设置功能测试

通过按键设置不同的报警阈值，测试系统是否能够正确响应按键操作并设置报警阈值。测试结果表明，系统能够正确响应按键操作，并根据按键的按下顺序和次数设置温湿度、甲醛、PM2.5的报警阈值。

（三）性能测试

数据采集精度测试

通过与其他高精度测量设备进行对比测试，评估系统采集到的数据的精度。测试结果表明，系统采集到的温湿度、甲醛、PM2.5等参数的值与高精度测量设备的测量结果相差不大，满足一般室内环境监测的需求。

系统稳定性测试

通过长时间运行系统，测试系统的稳定性。测试结果表明，系统在长时间运行过程中未出现死机、数据丢失等异常情况，表现出良好的稳定性。

通信性能测试

测试ESP8266模块的通信性能，包括数据传输速度、网络连接的稳定性等。测试结果表明，ESP8266模块能够稳定地与云端服务器进行通信，数据传输速度较快，满足系统需求。

（四）结果分析

通过功能测试和性能测试，可以看出本系统基本实现了预期的设计目标。系统能够准确采集到温湿度、甲醛、PM2.5等参数的值，并在采集到的数据超过报警阈值时正确触发报警。同时，系统还能够将采集到的数据显示在LCD1602显示屏上，并通过ESP8266模块上传至云端服务器，实现远程监控和数据管理。此外，系统还提供了按键设置功能，方便用户根据实际需求设置报警阈值。

然而，在测试过程中也发现了一些不足之处。例如，在数据采集精度方面，虽然系统采集到的数据与高精度测量设备的测量结果相差不大，但仍存在一定的误差。这可能是由于传感器的精度限制、电路干扰等因素导致的。在未来的研究中，可以考虑采用更高精度的传感器、优化电路设计等方法来提高数据采集精度。

六、结论与展望

（一）结论

本文设计了一种基于STM32的空气质量检测系统，该系统能够实时采集当前环境下的温湿度、甲醛、PM2.5值，并在采集值超过预设阈值时通过蜂鸣器自动报警。采集到的数据会显示在LCD1602显示屏上，并自动上传至上位机（手机），方便用户随时查看。此外，系统还提供了三个按键，用户可以通过这些按键任意设置报警阈值。通过系统测试与结果分析，可以看出本系统基本实现了预期的设计目标，具有体积小、成本低、操作简便等优点，适用于家庭或小型场所的空气质量监测。

（二）展望

在未来的研究中，可以从以下几个方面对系统进行改进和优化：

提高数据采集精度：采用更高精度的传感器、优化电路设计等方法来提高数据采集精度，减少误差。
增加监测参数：除了温湿度、甲醛、PM2.5等参数外，还可以增加对其他空气质量参数的监测，如TVOC（总挥发性有机化合物）、CO（一氧化碳）等，以更全面地评估空气质量。
优化报警功能：可以设计更智能的报警算法，如根据空气质量的变化趋势进行预测性报警，提前提醒用户采取措施改善空气质量。
实现远程控制：除了数据上传功能外，还可以实现远程控制功能，如通过手机APP远程控制通风设备、空气净化器等设备的开关状态，以更便捷地改善室内空气质量。
集成智能家居系统：将本系统与智能家居系统集成，实现与其他智能家居设备的联动控制，如当空气质量较差时自动开启空气净化器、关闭窗户等操作，以提供更智能、更舒适的家居环境。

//C库
#include <string.h>

//单片机头文件
#include "sys.h"

//网络协议层
#include "onenet.h"

//网络设备
#include "esp8266.h"

//硬件驱动
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "LCD.h"	 
#include "dht11.h" 	
#include "adc_dma.h"
#include "mq2.h"
#include "mq7.h"
#include "timer.h"
#include "bh1750.h"
#include "gui.h"
#include "LCD.h"
#include "hc_sr501.h"
#include "hc_sr04.h"
#include "TFT_demo.h"
#include "pwm.h"
#include "key.h"
#include "beep.h"

uint32_t time = 0; // ms 计时变量 
DHT11_Data_TypeDef DHT11_Data;

float value_light = 0.0; 	//光照度
float value_mq2 = 0.0;		//烟雾浓度
float value_mq7 = 0.0;		//一氧化碳浓度
float value_sr04 = 0.0;		//超声波距离
u8 status_sr501 = 0;		//人体红外检测到的值
int max_mq7 = 50;			//烟雾浓度阈值
u8 LED_Light;				//PWM灯光亮度

//硬件初始化
void Hardware_Init(void)
{
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
	
	delay_init();			//延时函数初始化
	
	LCD_Init();	   //液晶屏初始化
	LCD_Clear(GRAY0);
	Gui_DrawFont_GBK16(3,10,BLUE,GRAY0,(u8 *)"系统正在初始化");
	
	Usart1_Init(115200);	 		//串口1初始化为115200
	Usart2_Init(115200); 	//串口2，驱动ESP8266用
	LED_Init();				//LED初始化
	SR501_Init();			//红外热释电
	Hcsr04Init();			//超声波测距	
	ADCx_Init();			//ADC   DMA初始化
	DHT11_GPIO_Config();	//DHT11温湿度传感器初始化
	BH1750_Init();			//光照
	KEY_Init();
	BEEP_Init();
	PWM_TIM_Init();			//PWM频率=72000K/20*180=20Khz
	TIM_SetCompare3(TIM3,0);	
		
	Gui_DrawFont_GBK16(4,30,RED,GRAY0,(u8*)"设备初始化完成");
	Gui_DrawFont_GBK16(4,50,RED,GRAY0,(u8*)"正在连接网络。。。");
}

void Net_Init()
{
	ESP8266_Init();					//初始化ESP8266
	
	while(OneNet_DevLink())			//接入OneNET
		delay_ms(500);
	LED1 = 0;						//入网成功
	
	Gui_DrawFont_GBK16(4,70,RED,GRAY0,(u8*)"网络连接完成");
	delay_ms(2000);
}

int main(void)
{
	unsigned char *dataPtr = NULL;
	unsigned short timeCount = 300;	//发送间隔变量
	char str[] = "";
	
	Hardware_Init();				//初始化外围硬件
	Net_Init();						//网络初始化
	GENERAL_TIM_Init();				//1MS系统定时
	
	LCD_Clear(BLACK);
 	Gui_DrawFont_GBK16(25,4,BLACK,GRAY0,(u8 *)" 系统监控 ");
  GUI_DrawRectangle(1, 1, 128-2, 128-2, WHITE);		//边框

	while(1)
	{	
		delay_ms(10);
		timeCount ++;
				
		//接收数据
		dataPtr = ESP8266_GetIPD(0);
		if(dataPtr != NULL)
		{
			OneNet_RevPro(dataPtr);
		}	
		
		if(timeCount >= 300)	//发送间隔5s
		{	
			/* 温湿度传感器获取数据*/
			/*调用Read_DHT11读取温湿度，若成功则输出该信息*/
			if( Read_DHT11(&DHT11_Data)==SUCCESS)
			{
				sprintf(str, "温度：%d.%d ℃ ",DHT11_Data.temp_int,DHT11_Data.temp_deci);
				Gui_DrawFont_GBK16(4,30,RED,BLACK,(u8 *)str);
				sprintf(str, "湿度：%d.%d %c ",DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci,'%');
				Gui_DrawFont_GBK16(4,50,RED,BLACK,(u8 *)str);
			}
			else
			{
				printf("Read DHT11 ERROR!\r\n");//读取数据失败，串口打印：Read DHT11 ERROR.
				Gui_DrawFont_GBK16(4,30,RED,BLACK,(u8 *)"ERROR!");
				Gui_DrawFont_GBK16(4,50,RED,BLACK,(u8 *)"ERROR!");
			}			
			
			/*光照度传感器获取数据*/			
			value_light = LIght_Intensity();
			sprintf(str, "光照：%.1flx  ",value_light);
			Gui_DrawFont_GBK16(4,70,YELLOW,BLACK,(u8 *)str);
			/*MQ2传感器获取烟雾数据*/	
			value_mq2 = MQ2_GetPPM();
			sprintf(str, "烟雾：%.1f ppm ",value_mq2);
			Gui_DrawFont_GBK16(4,90,BLUE,BLACK,(u8 *)str);
			
			/*MQ7传感器获取一氧化碳数据*/	
			value_mq7 = MQ7_GetPPM();
			sprintf(str, " CO ：%.1f ppm ",value_mq7);
			Gui_DrawFont_GBK16(4,110,GREEN,BLACK,(u8 *)str);
			

			
			OneNet_SendData();	//发送数据
			
			timeCount = 0;
			ESP8266_Clear();
		}
		/*超声波测距获取距离（CM）*/	
		value_sr04 = Hcsr04GetLength();
		/*人体检测*/	
		status_sr501 = SR501_Check();

		//用户处理
		//调节灯光亮度
		PWM_Control(LED_Light);
		
		//判断一氧化碳浓度是否超过上限
		if((int)value_mq7 >= max_mq7)
		{
			BEEP = 0;	//蜂鸣器报警
		}
		else
		{
			BEEP = 1;	//蜂鸣器关闭
		}
	}
}

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