基于单片机的室内智能空气净化控制系统设计

河北理工大学信息学院 摘要 ix2功能与设计方案2.1系统功能要求为满足室内环境监测与空气净化需求，本系统需实现以下功能：环境参数检测：精准检测室内温湿度、PM2.5、一氧化碳及甲醛浓度等参数数据显示：显示屏实时呈现环境参数，界面直观阈值设置：用户可按需自定义各项参数的警戒阈值智能控制：根据检测数据与设定阈值自动调控空调、加湿器和空气净化器等设备远程监控：手机APP通过WIFI模块远程查看环境数据并调整设备状态报警提示：环境参数超安全范围时，系统报警提醒用户手动控制：提供按键操作界面，支持用户手动控制设备开关状态2.2系统设计方案根据系统功能需求，设计的总体框架如图所示，包括输入、中控和输出三部分输入部分包括DHT11温湿度传感器、甲醛传感器、MQ-7一氧化碳传感器以及GP2Y1014AUPM2.5检测模块‚配上独立按键与供电电路‚这些部件协同完成了环境数据采集及用户输入的功能。中控采用STM32F103单片机‚负责数据处理、控制逻辑执行以及通信调度等职责‚传感器传来的数据经由单片机接收并解析后‚按照既定逻辑实现设备状态调整‚并同步处理显示输出与网络交互任务。输出部分包括OLED显示屏、三个继电器模块（分别对应空调、加湿器和空气净化器）以及ESP8266‚WIFI模块‚这些组件负责信息展示、设备控制与远程互动的任务。系统通过定时器中断每500ms抓取一次环境参数‚将获取的数据与设定阈值对比后即可驱动相应设备调整‚用户借助按键完成界面切换、阈值修改或手动干预设备运行‚同时WIFI模块承担着云平台对接的任务‚支持数据上行传输与远程指令下达功能‚在实际场景中能够体现为高效的状态响应与操控闭环。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1甲醛检测模块的选型方案一：电化学甲醛传感器电化学甲醛传感器利用电化学原理进行检测，采用三电极结构（工作电极、参比电极和对电极），空气中的甲醛分子在工作电极表面发生氧化还原反应，产生微弱电流信号，经放大处理后转换为电压输出。这类传感器具有灵敏度高（0.01mg/m³）、选择性好（对其他气体干扰小）、测量范围广（0.01-5mg/m³）的特点，在实际使用中响应时间约为25-30秒，精度可达±5%，线性度良好。电化学传感器预热时间长（约5分钟），需要定期校准以保持测量精度，且价格较高（约150元），使用寿命通常为1-2年。电化学传感器电路设计相对复杂，需要包含前置放大、温度补偿和信号调理电路，功耗约为20mA@3.3V，适合需要高精度测量的场景。方案二：半导体甲醛传感器半导体甲醛传感器基于金属氧化物半导体（通常为二氧化锡）材料，当甲醛气体与传感器表面接触时，会引起半导体材料电阻值变化，通过测量电阻变化来判断甲醛浓度。这类传感器结构简单、体积小、成本低（约30元），响应时间较快（10-20秒），测量范围为0.05-5mg/m³，对于普通家庭环境监测足够使用。半导体传感器的缺点是选择性较差（易受其他气体如酒精、香水等干扰），温湿度影响大，长期稳定性不如电化学传感器，精度约为±10%。半导体传感器功耗较高（约60mA@5V），尤其是在预热阶段，预热时间约为1-3分钟，使用寿命通常为1年左右。传感器电路设计相对简单，一般只需要简单的分压电路和比较器即可实现。本系统需要对室内甲醛浓度进行长期监测，并要求有较高的测量精度和稳定性，同时考虑到成本和电路复杂度的平衡，最终选择了电化学甲醛传感器作为检测模块，以确保系统获取的数据准确可靠，为空气净化控制提供精准的数据支持。2.3.2CO检测模块的选型方案一：MQ-7一氧化碳传感器MQ-7一氧化碳传感器是一种基于SnO₂半导体材料的气敏元件，通过改变电阻值来检测空气中的CO浓度。当一氧化碳分子与传感器表面的氧分子发生反应时，会释放电子，导致半导体材料的电阻值降低，这种变化与气体浓度成比例关系。MQ-7传感器的特点是灵敏度高（可检测10-10000ppm范围内的CO浓度），响应时间较快（约30秒），成本低廉（约20元），适用温度范围为-10℃至50℃。该传感器需要5V供电，功耗约为150mA，特别是其需要周期性加热（高温清洗和低温检测循环），这使得其整体耗电量较大。MQ-7的缺点包括选择性不强（对氢气、乙醇等气体也有响应），温湿度影响明显，长期稳定性受限，且需要定期校准，精度约为±10%。MQ-7传感器体积小巧，电路实现简单，适合普通家庭使用的CO监测需求。方案二：电化学一氧化碳传感器电化学CO传感器利用电化学原理工作，采用三电极系统（工作电极、参比电极和对电极），当CO分子与工作电极接触时，会发生电化学氧化反应，产生与CO浓度成正比的电流信号。这类传感器具有高选择性（对其他气体干扰小）、高灵敏度（检测范围0-1000ppm，分辨率可达0.1ppm）、精度高（±3%）的优点。电化学传感器响应时间约为15秒，预热时间短（约30秒），工作电压为3.3V，功耗低（约0.5-1mA）。电化学CO传感器价格较高（约100-200元），但使用寿命长（2-3年），稳定性好，不需要频繁校准。电化学传感器的电路设计相对复杂，需要精密的信号调理电路，但其抗干扰能力强，温湿度影响小，适合要求高精度测量的专业应用场景。本系统考虑到室内环境监测的实际需求、成本效益以及电路复杂度，选择了MQ-7一氧化碳传感器。尽管其功耗较高，但在家庭环境中使用交流电源供电，这一缺点影响有限。同时，MQ-7的简单性、适当的精度和较低的成本使其成为室内空气质量监测系统的理想选择。2.3.3PM2.5检测模块选型方案一：GP2Y1014AU光学粉尘传感器GP2Y1014AU是夏普公司开发的光学粉尘传感器，采用红外LED发射光与光电二极管接收光的结构，通过测量空气中悬浮颗粒物对光线的散射来确定PM2.5浓度。当空气中颗粒物增多时，散射光增强，接收光电二极管的输出电压相应增加。该传感器测量范围为0-500μg/m³，最小可检测直径约为0.5μm的颗粒，响应时间小于1秒。GP2Y1014AU工作电压为5V，工作电流约为20mA（LED脉冲发光时），整体功耗较低。传感器体积小巧（约46×30×17.6mm），价格适中（约40元），使用寿命可达5年以上。传感器精度约为±15%，需要定期清洁防止灰尘累积导致测量偏差。该传感器输出为模拟信号，易于与单片机连接，电路设计简单，但需要按照特定时序控制LED的点亮，并在采样时进行精确定时。方案二：SDS011激光粉尘传感器SDS011是采用激光散射原理的PM2.5检测传感器，内置风扇实现主动进气，当空气中的颗粒物通过激光照射区域时，会产生光散射，散射光的强度与颗粒物浓度成正比。该传感器可同时检测PM2.5和PM10，测量范围为0-999.9μg/m³，分辨率为0.3μg/m³，精度达到±10%。SDS011工作电压为5V，工作电流约为70mA（包含风扇工作电流），功耗较高。传感器尺寸约为71×70×23mm，价格较高（约120元），使用寿命约为8000小时（约1年）。SDS011采用串口通信（UART），直接输出数字信号，无需ADC转换，数据处理简单。由于内置风扇，测量更加主动和准确，但同时也带来了噪音（约30dB）和更高的功耗问题。该传感器适合需要高精度PM2.5检测的场景。本系统综合考虑了成本、功耗、体积和精度等因素，最终选择了GP2Y1014AU光学粉尘传感器。虽然其精度略低于SDS011，但对于室内环境监测已经足够，且其低功耗、静音工作和较小体积更适合嵌入式系统的设计需求。同时，GP2Y1014AU传感器的较长使用寿命也降低了系统的维护成本，使整体系统更加经济实用。2.4本章小结本章详细拆解了系统功能需求‚敲定了总体设计方案‚将系统划分为输入、中控和输出三大模块‚在权衡单片机、通信以及显示模块后‚最终圈定STM32F103单片机、ESP8266WIFI模块及OLED显示屏充当核心硬件。5系统的测试3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机本系统选用STM32F103单片机为核心控制器‚负责数据采集处理与控制任务‚具体采用了STM32F103C8T6最小系统板‚该板集成晶振、复位以及电源管理等相关模块‚而STM32F103C8T6自身搭载64KB‚Flash、20KB‚SRAM、37个GPIO引脚、3个12位ADC通道、2个SPI接口、2个I2C总线以及3个USART通信资源。系统电源采用5V供电‚利用AMS1117-3.3稳压芯片转换为3.3V‚为STM32单片机及部分外设提供工作电压‚外部晶振频率为8MHz‚经PLL倍频至72MHz作为系统时钟‚确保处理性能达标‚复位电路融合RC电路和复位按键‚从而实现上电与手动复位功能的正常运行。GPIO资源分配如下：PA0至PA6配置为ADC输入端口用于采集传感器模拟信号‚PB3到PB6连接独立按键达成人机交互功能‚PB14与PB15通过I2C协议对接OLED屏‚PA8至PA11输出控制信号驱动三个继电器来操纵外部设备‚PA12对DHT11执行单总线通信采集温湿度‚USART1的PA9/PA10负责PC端调试串口衔接‚而USART2的PA2/PA3则承载ESP8266‚WIFI模块的数据传输交互。STM32F103的ADC配置为12位分辨率‚采样率调整到1MHz‚数据搬运通过DMA来实现‚这种安排有效缓解了CPU的负担‚定时器TIM1被用来生成1ms中断信号‚这项设定支持系统展开计时和任务分配运作‚板载LED承担着显示系统状态的功能‚其中电源LED负责反映供电情况是否稳定‚运行LED则交由程序操控其`闪烁节奏‚从而映射系统的实际运行状况。图3.1STM32F103C8T6单片机接线情况3.2ESP8266WiFi模块ESP8266‚WIFI模块不仅承担无线通信功能‚还可连接云平台‚实现远程监控与控制的支持‚本设计采用ESP-01S模块‚内置ESP8266芯片、Flash存储、晶振及PCB天线‚模块提供八个引脚‚包括VCC、GND、RST、CH_PD、GPIO0、GPIO2、TX和RX‚其紧凑设计兼顾功能性与便捷性。ESP8266芯片需用3.3V供电‚借助独立LDO稳压电路来提供电源‚借此减少模块运行时的电流波动对系统整体产生的干扰‚确保模块正常工作涉及多个引脚配置和接口定义‚其中CH_PD脚务必维持在高电平才能激活功能‚并搭配上拉电阻将RST脚置为稳定状态‚而在数据流方面‚ESP8266的TX与RX端口直连至STM32微控制器的USART2外设接口‚以此利用串行通讯实现两者间的数据交换和信息交互过程。将ESP8266配置为Station模式后‚使用AT指令接入家庭WIFI网络显得水到渠成‚接下来模块通过MQTT协议与阿里云物联网平台建立对话关系‚进行数据交换和指令获取的操作变得自然而流畅‚此时串口传输下的AT指令集成为关键环节‚既完成了初始设置又承担了网络连通、MQTT服务搭建的任务‚并在数据分发与订阅上提供了全面支持。软件部分对ESP8266通信采用非阻塞模式处理‚借状态机完成模块工作流程的设计‚包含初始化与WIFI连接、接入MQTT服务器、消息的发布和接收等内容‚通过中断来接收并解析ESP8266返回的有效信息‚数据上传利用定时器调控频率‚保证环境数据每秒同步至云平台一次。图3.2ESP8266无线模块实际接线图3.3GP2Y1014AUPM2.5检测模块GP2Y1014AU是夏普推出的光学灰尘传感器‚能对空气中颗粒物浓度进行检测‚这款传感器内置了红外发光二极管和光电感应单元‚通过感知颗粒物散射红外光的程度来判定浓度数据‚其核心原理类似于光线在微尘环境下的“扰动足迹”‚经由内部光电转化形成可读信号‚从而量化空气中颗粒的分布密度‚这一设计确保了测量过程相对精准且具备一定的灵敏特性。GP2Y1014AU模块拥有6个引脚：VCC、GND、LED、S-GND、OUT、VCC‚其中前三个引脚主导红外LED的运作‚后三者则侧重光电传感器信号输出任务‚传感器运行在5V电压下‚其输出电压信号与颗粒物浓度成正比关系。硬件连接方面‚VCC接系统5V电源‚GND直接接地‚OUT引脚连到STM32的PA1‚充当ADC输入端口‚而LED引脚通过150Ω电阻接到PA4‚以此实现单片机对LED亮灭的控制‚为确保测量值平稳可靠‚需要按照特定时序调控LED状态：先点亮LED持续0.32ms随即执行采样操作‚之后马上将其熄灭‚整个流程以10ms为周期进行循环运转。软件设计环节中‚定时器成为调节LED点亮时长的一个重要工具‚当ADC完成采样后便可启动PM2.5浓度计算流程‚相关公式整理为：PM2.5浓度=((ADC值×3.3÷4096.0)×1000)÷12‚这个表达方式清晰映射出参数间的运算关系‚各项数据在公式的指引下转化为具备实际意义的浓度数值。为提高测量精度‚采用多次采样后取平均值的办法来抑制随机误差‚系统每隔500毫秒自动采集PM2.5浓度数据‚并将其与预设标准值比对‚从而实时控制空气净化器启停。图3.3GP2Y1014AUPM2.5检测模块实际接线图3.4MQ-7CO检测模块MQ-7一氧化碳传感器模块用于检测室内CO气体浓度‚为居住安全护航‚其核心部分选用了二氧化锡半导体材料‚对一氧化碳展现了较高的敏感性‚工作状态下CO气体与传感器表面吸附的氧分子发生交互反应‚从而使得内部电阻值出现变化‚监测这种电阻变动即可估算出气体浓度。MQ-7模块配备了四个引脚‚分别标注为VCC、GND、DQ（数字输出）和AQ（模拟输出）‚在实际应用中VCC需接入5V电源‚而GND用于完成接地连接‚AQ引脚与STM32的PA5相连后可充当ADC输入端‚负责采集电压信号的动态变化‚此外模块自身对上电预热有所要求‚约1分钟的预热时间才能确保传感器读数趋于稳定状态。硬件电路这块‚模块内部融合LM393比较器以实现数字输出功能‚但本系统更偏向于借助模拟输出来获得浓度信息的精准度‚模块上的电位器负责灵敏度调节这项任务‚在初次启用之际得于洁净空气环境下调试。软件处理环节中‚利用ADC采集模拟电压时采用的公式为：CO浓度(ppm)=(ADC值/4095.0)×100‚表面看简洁明了却与核心参数密切相关‚公式的每个部分犹如精密装置中的联动部件紧紧嵌套在一起‚首先经由ADC值推导出对应的比例数值‚而后映射为表征CO浓度的ppm值‚在数据转换链条中这种操作方式显得独一无二无可替代。系统设定了CO浓度的临界值‚检测数值一旦超标‚空气净化设备或警报装置便自动触发‚鉴于MQ-7传感器的特殊性质‚在软件层面引入了温度补偿算法‚以此抑制环境温度对测量结果造成的干扰。图3.4MQ-7模块实际接线图3.5甲醛检测模块甲醛检测模块采用了电化学传感器‚用于测量室内甲醛浓度‚新装修房屋中甲醛超标是常见现象‚长时间暴露在高浓度甲醛环境下容易带来健康风险‚系统选用的甲醛传感器模块展现了测量范围广、响应速度快且稳定性良好的特点。甲醛传感器模块设计涵盖VCC、GND、DQ和AQ四个引脚‚VCC接5V电源‚GND接地‚AQ连STM32的PA6实现ADC采集输入功能‚内部采用三电极体系结构‚空气中甲醛分子接触工作电极时发生氧化反应‚产生电流响应信号‚经条件化处理电路后转化为电压输出状态以便读取数据。硬件电路部分‚模块中融入了低噪声运放与温补电路‚这类设计助力测量精度的改善‚预热耗时约5分钟‚使用前务必充分预热‚以此确保读数稳定可靠。软件处理环节中借助ADC采集模拟电压时计算甲醛浓度的公式可以这样表述：采样值先被4095.0分频后再乘以5接着与20相乘得到的结果即为浓度值单位是mg/m³这种转换关系体现出信号处理与实际物理量间的映射特性在一定程度上确保了数据提取的可靠性同时也为后续的数据解析和处理环节搭建了基础框架。系统默认把甲醛浓度临界值设为0.1mg/m³‚检测数要是超出这个范围‚空气净化器就会自行启动‚为提高测量精准度‚软件加进了数字滤波算法‚例如限幅滤波跟平均滤波这类方式‚用来排除突发干扰和数据波动带来的影响。图3.5甲醛检测模块实际接线图3.6DHT11温湿度传感器模块DHT11温湿度传感器承担着检测室内温湿度的任务‚其输出的数字信号作为空调和加湿器运行的数据参考‚这种一体化设计的元件把温度与湿度感应模块集成在单一单元里‚无需额外转换就能直接传输环境参数。DHT11模块采用四引脚设计VCC、DATA、NC（悬空）和GND‚其中VCC接3.3V电源‚GND直接接地‚而DATA通过连接至STM32的PA7引脚达成双向数据交互功能‚此模块基于单总线通信规范操作‚仅靠一根数据线就可满足所有双向信息传输需求‚整体方案显得极为简洁且具备较高效率。硬件上来说‚DATA引脚要是不接个10kΩ的上拉电阻‚信号可能就不怎么稳定‚DHT11测温范围能覆盖0℃到50℃‚在这个区间内误差差不多就是±2℃的样子‚而湿度检测则游走在20%RH到90%RH之间‚误差大概在±5%RH的幅度里晃悠‚这些参数放在室内环境监测中勉强也算够格。软件实现过程中‚利用精准时序控制完成单总线通信任务‚这一流程涉及主机先释放启动信号将DATA置低保持18ms以上‚接着主机会放开总线交由传感器接管‚传感器则响应请求先把信号拉低80μs再升高同等时长‚紧接着会传输一段40位的数据内容这包括湿度的整数和小数各占8位‚同样的配置也体现在温度数据中‚另外还携带8位校验和用于验证接收信息有效性来确保最终所读取的数字可靠有效。系统每过500毫秒就采集一次温湿度数据‚随后将这些数据与设定的阈值比对‚进而自动调控空调和加湿器的启闭状态。图3.6DHT11温湿度传感器模块实际接线图3.7继电器模块继电器模块承担着操控高功率设备的功能‚例如空调、加湿器及空气净化器等‚从而达成系统运行目标‚系统配备3路5V继电器模块‚每路继电器额定电流达10A‚能够对220V交流电设备实施控制。继电器模块的驱动电路采用三极管放大结构‚单片机输出信号经三极管增强后对继电器线圈通断进行控制‚每一路继电器控制电路包含一个三极管（S8050）、用于限制电流的电阻（1kΩ）、起到续流作用的二极管（1N4007）以及LED指示灯。继电器1管加湿器控制‚信号输入端跟STM32的PA11接一块‚继电器2搞空气净化器管理‚信号输入搭上STM32的PB0‚至于继电器3操持空调运转‚信号输入连STM32的PB1‚再说继电器模块的VCC碰5V供电‚GND直接接地。继电器模块采用高电平触发方式‚为避免上电瞬间发生误启动‚软件专门加入延时处理环节‚确保系统进入稳态后再执行继电器操作‚期间还融入了防抖设计以应对外界因素在临界区间波动可能诱发的频繁切换风险‚系统兼具自动与手动控制模式‚用户可通过按键直接操控所有设备运作状态‚进而在一定程度上绕开自动化流程中的限制条件或不足之处。图3.7继电器模块实际接线图3.8OLED显示模块OLED显示模块承担环境参数与系统状态的呈现任务‚还扮演用户交互界面的角色‚系统选用了0.96英寸的OLED屏‚分辨率达128×64‚配备了SSD1306驱动芯片‚并支持I2C通信协议。OLED模块拥有四个引脚，即VCC、GND、SCL和SDA‚其中VCC接入3.3V电源‚GND接地‚时钟线SCL连接至STM32的PB14端口‚数据线SDA则通往STM32的PB15端口‚显示信息最后通过I2C总线完成传递。I2C总线的上拉电阻直接集成到OLED模块内部‚这样一来外接需求就被省略了‚OLED屏具备高对比度与宽视角的优势‚不论光线条件如何变化‚都能确保画面清晰可观‚此类模块本身功耗偏低‚工作状态下电流大概维持在15mA左右‚若配合软件加以调控‚能耗还有进一步下探的空间。OLED驱动程序涉及初始化、显示控制以及文本图形显示等多个功能模块‚整体框架搭建出7个显示界面：其中界面0展示温度、湿度、PM2.5、CO和甲醛的实时环境参数值‚界面1到6专注于不同参数阈值的设定操作‚按键1承担切换显示界面的任务‚按键2与按键3被赋予调节阈值的功能权限‚这样就构建起了一套基础的人机交互体系。更新显示可通过定时刷新达成‚这种方式能绕开频繁刷新带来的闪烁困扰‚中文字符的显示则凭借字库形式操作‚将常用汉字编码预先存入程序之中‚再借助索引完成调用与展示任务。图3.8OLED模块实际接线图3.9本章小结本章详细解析系统各硬件模块的设计与实现流程‚选用STM32F103单片机作为核心组件‚外接DHT11温湿度传感器、甲醛传感器、MQ-7一氧化碳传感器以及GP2Y1014AU‚PM2.5检测模块‚同时融入继电器控制和OLED显示功能‚整体搭建出一套完备的硬件体系。

4系统的软件设计4.1软件介绍Keil5由ARM公司推出‚属于专业单片机开发工具的一种‚本系统选择了Keil‚MDK5.37版本开展相关工作‚它将编辑器、编译器、调试器以及仿真器等多项功能汇聚于一体‚为嵌入式系统的开发提供了全面的解决方案‚各个功能模块无缝衔接极大提升了开发效率。Keil5支持多种ARM架构处理器‚包括本系统采用的STM32F103系列‚开发时选用C语言并结合STM32标准库进行编程操作‚软件项目按分层结构搭建‚引入了STM32HAL驱动层、硬件抽象层及应用层‚旨在提升代码后续维护与功能扩展的便利性。项目借由STM32CubeMX图形化配置工具生成初始代码‚内容涉及时钟、GPIO初始化以及外设配置等‚效率提升肉眼可见‚代码采用模块化结构‚各功能模块分布于不同的独立文件里‚这使得后续维护与扩展难度降低‚操作起来更为顺手。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图图4.2系统逻辑流程图系统的主流程图如图4.2所示，在main.c中，先写入其他.c的头文件，接着是定义用到的全局变量和用到的函数，然后就进入到主函数中。在主函数中，先进行初始化，然后按顺序循环while中的五个函数：按键函数、监测函数、显示函数、处理函数和WIFI函数。按键函数根据获取的键值用于切换界面、设置阈值，开关家电等；监测函数则每500毫秒获取一次温湿度、PM2.5、CO、甲醛数值；显示函数则显示按键函数进行的操作和监测函数获取的数据，像显示得到的温湿度、甲醛、PM2.5和CO值及其设置其阈值；处理函数根据各项参数值报警提醒以及各类设备的开关等；WIFI函数主要接收测得的各项值，同时设置阈值和开关家电。4.2.2按键子程序流程图图4.3按键子程序流程图按键子程序流程图如图4.3所示，按键设置函数首先通过按键扫描函数，获取按键按下的相关信息，通过不同的键值，进行相应变量的改变。如果获取的键值为1，切换界面。如果获取的键值为2，界面为时0，控制加湿器的开关；界面为1时，设置温度上限阈值+1；界面2，设置温度下限阈值+1；界面3，设置湿度阈值+1；界面4，设置CO阈值+10；界面5，甲醛阈值+10；界面6，PM2.5阈值+10。如果获取的键值为3，界面为0时，控制净化开关；界面为1时，设置温度上限阈值-1；界面2，设置温度下限阈值-1；界面3，设置湿度阈值-1；界面4，设置CO阈值-10；界面5，设置甲醛阈值-10；界面6，设置PM2.5阈值-10。如果获取的按键为4时，控制空调开关。4.2.3显示子程序流程图图4.4处理子程序流程图显示模块子程序流程如下图4.4所示，在处理函数中，当温度不在阈值范围内，打开空调蜂鸣器报警，否则不报警和关闭空调；如果湿度小于湿度阈值，报警且加湿器打开，加湿和报警关闭；如果CO/甲醛/PM2.5大于其阈值，报警且打开净化，否则关闭报警和净化。4.3本章小结本章详细说明系统软件的设计细节‚涉及开发环境、程序架构及核心算法等内容‚选用Keil5作为开发平台‚通过模块化设计思路将功能切割为多个独立模块‚提高代码维护的便利性‚软件的工作流程由主程序、按键管理和控制操作等部分组成‚并利用状态机架构实现系统的任务安排‚主程序负责整体调度与流程管控‚按键子程序用于捕获用户输入以实现人机互动‚处理子程序专注于环境参数判断和设备控制逻辑的执行‚设计重心放在实时响应、可靠性以及易维护属性之上‚从而较大程度保障了系统运行的平稳效果。5系统的测试5系统的测试5.1软硬件调试系统软硬件调试大致划分为模块测试和系统集成测试两个环节‚进行模块测试时需要对各个硬件单元逐一排查‚验证其功能无异常‚而转入系统集成测试后‚则要将分散的模块拼接起来审视整体性能是否合格‚这种层层递进的调适方式让系统的可靠性与稳定性得以真正落地。单片机模块测试里‚LED闪烁被用来检验系统时钟与GPIO功能的正常性‚串口通信测试用于核实通信接口的性能‚传感器模块测试采取对比形式‚将测量值同标准仪器的数值相比来评判测量精度‚并依靠多次测量确认其稳定性‚显示模块测试通过呈现测试图案查验显示功能‚再借助持续运行检验其稳定性‚继电器模块测试凭借测量输出电压和目测继电器动作状态来验证控制效果‚WIFI模块测试经由连通测试网络核查通信功能‚然后利用数据收发检测传输的精确程度。系统集成测试包含功能与性能两大块‚功能测试关注模块整合后的运行情况‚关联环境参数采集、阈值判断、设备操控、输出展示和远程通信之类的内容；性能测试则聚焦系统的反应速度、测量精度以及控制的可靠性指标。测试结果显示‚温湿度测量偏差低于5%‚PM2.5测量偏差在10%以内‚气体浓度测量偏差不超15%‚均达到应用标准‚系统响应时长不足1秒‚控制延迟小于2秒‚满足实时控制要求‚连续三天无故障运行‚由此确认系统具备稳定性。调试过程中发现了几个关键问题：WIFI模块的串口通信波特率不匹配、ADC采样时序频繁受到噪声干扰、继电器控制伴有抖动现象、温湿度传感器单总线通信时序存在偏差‚后续通过对硬件电路优化及软件算法改进‚上述问题得以化解‚系统运行趋于平稳可靠。5.2实物展示5.2.1环境检测功能测试时，系统测得温度为25.3℃‚湿度42%‚PM2.5浓度为35μg/m³‚CO浓度0.5ppm‚甲醛数值停留在0.05mg/m³‚这些指标均在合理区间内浮动‚因此系统未触发调控程序‚继续以监测状态运行。当甲醛浓度升至0.12mg/m³的时候‚超过预设的0.10mg/m³阈值‚触发空气净化装置自行运转。厨房模拟烹饪时‚系统检测到PM2.5与CO浓度升高‚PM2.5飙升至125μg/m³‚CO也攀升到12ppm‚净化设备便自行激活介入处理‚此期间OLED屏幕持续动态更新各项数值‚将实时环境状况清晰呈现出来‚数据的每一次变动都紧密跟随空气质量的调整。图5.1环境检测功能5.2.2安全带检测功能通过ESP8266模块接入家庭WIFI网络后‚手机APP即可实现与其的通信连接。APP可实时显示环境参数‚其间参数刷新的延迟被约束在1秒以内‚符合实时监控要求‚通过APP的操作界面‚远程控制空调、加湿器和净化器都能流畅实现‚指令发出后的响应时长不足2秒‚本地及远程操作功能由此得到确认。系统还支持远程设置阈值‚用APP就能调整温度、湿度、PM2.5、CO、甲醛等参数的警戒线‚新设定几乎瞬间生效‚整个过程灵活又高效。测试过程中系统持续平稳运行‚通信未发生中断‚控制也未失效‚这一情况恰好表明无线通信功能的可靠性与实用性均得到验证。图5.2APP界面5.3本章小结本章展开全面测试‚覆盖软硬件调试与实物功能确认‚模块和系统集成测试验证了各功能模块正常运作‚实际环境测试则证实了系统的检测与控制能力‚无线通信测试确保远程监控的可行性‚最终结果显示所有功能指标均符合预期‚环境参数测量准确无误‚逻辑判定顺畅可靠‚通信表现稳定流畅‚该系统不仅满足室内监控和空气治理需求‚还因性能稳健、操作界面清晰而展现出了可观的实际应用价值及推广潜力。结论结论结论本文提出一种以STM32单片机为基础的室内智能空气净化控制系统‚可执行环境参数监测、数据显示、远程管控以及智能调节等任务‚核心单元选取STM32F103‚搭配温湿度、PM2.5、甲醛和CO等多种传感器‚再经由继电器与空调、加湿器和净化装置相连‚由此达成室内空气质量自动优化同动态管理的目标。系统测试表明‚这套装置可精准获取室内温湿度、PM2.5、CO与甲醛等环境参数‚依靠参数变化智能调控空调、加湿器及空气净化设备‚进而实现室内环境自动调节‚现场操控与远程遥控均无阻碍‚能契合不同使用场景。未来的改进方向包括添加多种传感器‚拓宽环境检测范围‚把模糊控制或神经网络这类技术融入到控制算法的改良过程中‚促使智能控制更上一层楼‚精心打造一款功能强大的手机APP以提升用户满意度‚硬件结构还需要朝着精巧紧凑的方向设计‚从而更好地打入市场。本系统的设计与实现为室内空气质量监测和净化控制提供了一种经济实用的解决思路‚其展现出的应用前景相当可观。参考文献参考文献[1]魏菡.基于单片机的仓库温湿度测量系统设计[J].湖南造纸,2022(002):051.[2]李小斌.基于单片机的船舶舱内温湿度控制系统[J].设备管理与维修,2022(11):2.[3]王子权,范燚,项贇,等.基于STM32的多路温湿度扫描检测系统设计[J].电子设计工程,2022,30(20):6.[4]石佳,刘凤波,路红波,等.一种基于单片机的土壤湿度检测装置.CN202010115468.0[2024-04-27].[5]贾春刚.基于单片机的机房温湿度监控系统[J].电子测试,2022(5):3.[6]于永会,唐军.基于单片机的温湿度采集系统[J].2022(3).[7]张敏,孙志刚,高萌萌,等.基于单片机的便捷式车载温湿度监测系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2022(030-005).[8]李晓歌,李娜.基于单片机的烟草育苗大棚温湿度监测系统设计[J].南方农机,2022(053-004).[9]赵静萍.基于STM32单片机的古籍阅览室温湿度自动化检测和控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2023(8):209-213.[10]孙文静.基于单片机和LabVIEW的温湿度监测系统设计[J].机电信息,2023(2):33-37.[11]傅光彩.基于单片机的仓库监测系统研究[J].科技资讯,2022(018):020.[12]康家林,姚传安,徐江莉,等.基于STC12C5A60S2单片机的温湿度智能监测系统设计与研究[J].成都航空职业技术学院学报,2022,38(4):72-75.[13]韦燚,曾海燕,潘有椿,等.基于STM32温湿度环境监测系统的设计[J].科技视界,2022(22):73-76.[14]郑淼淼.基于总线技术的仓库温湿度监测系统的设计[J].电脑知识与技术：学术交流,2022(007):018.[15]林少聪.基于zigbee技术的仓库监测报警系统[J].信息记录材料,2023,24(5):202-204.[16]张德超.基于物联网的仓库环境监测系统设计[J].机电产品开发与创新,2022(002):035.[17]郭盛杰.智能温湿度测量系统设计[J].山西电子技术,2023(2):46-47.[18]范明民.基于STM32的无线温湿度检测控制系统研究与开发[J].科技创新与应用,2022(012-005).[19]侯瑞倩,曳永芳.基于STM32的大棚温湿度监测调节系统设计[J].电子质量,2022(008):000.[20]杜娟.基于AT89S51单片机的温湿度监测与控制系统设计与应用研究[J].现代制造技术与装备,2022(004):058.附录B附录A原理图：附录B部分源程序：/*Includes*/#include"main.h"#include"adc.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED_NEW.H"#include"./HAL/delay/delay.h"#include"./HAL/dht11/dht11.h"#include"./HAL/AliESP8266/AliESP8266.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*/voidKey_function(void)； //按键函数voi