基于STM32单片机的智能空气质量检测设计

第1章绪论1.1研究背景随着社会的飞速发展，人们的物质生活被极大的丰富，然而随之而来的不仅仅是社会的发展便捷还有空气质量的下降，根据IQAir给出的数据，2019年我国位于第十一位世界空气污染最严重的国家，同年，89""""20241.2研究意义本文围绕单片机与各种气体传感器在空气质量监测系统中的联系和应用进行了论述。单片机在系统中作为枢纽使用，不仅仅将传感器与报警器连接，同时将传感器收集的数据收集整合后显示于OLED屏幕之上，方便使用者观察。随着技术发展，不同型号的单片机如雨后春笋般浮出，越来越多类型的传感器插件也使得运用范围变得更加广泛，具有更重要的作用:(1)环境层面:在环境监测方面，通过接入不同传感器后，可以利用空气质量监测系统对PM2.5、CO、CO2等颗粒物和气体的浓度进行实时监测。大气污染问题随着工业化、城镇化的推进日趋严重，国家对大气质量的重视也是有目共睹的。因此系统具有对空气质量的实时监视的重要意义。基于STM32的系统可以实现多气体检测，兼顾精准与泛用性，为环境监管部门提供关键数据，帮助制定政策和措施，改善空气质量。(2)健康层面:社会的飞速发展使得更多人开始不仅仅关注自己以及家人简单的吃饱穿暖，人们把越来越多的关注投入与身心健康中，空气质量监测系统可以搭配甲醛等传感器实时关注自己与家人身处环境的健康与否，搭配温湿度传感器可以使得人们身处更为舒适的环境，也可以搭配无线模块，云端实时监控家居健康，以应对不同的情况做出不同的应对措施[2-3]。(3)经济层面:较好的空气环境可以改善城市形象，吸引更多的人才前来定居[4-5]，或者吸引更多的游客前来观光、游玩，都是一种良好的空气环境。同时，健康的空气质量在一定程度上可以预防疾病的发生，也可以预防安全事故的发生。(4)科研层面:在全球变暖，空气质量下降的当下，关于空气质量监测系统的建立，可以为大气科学、环境科学研究积累大量数据，推动相关科学技术发展，为我们治理大气污染指明方向，乃至预防恶劣气候的到来[9]。近年来，伴随智能化浪潮的兴起和物联网技术的革新，基于STM32的空气质量监测系统的发展持续迭代升级，不断向着更泛用，更精准的方向发展[7]。我们可以预见在环境层面，健康层面，经济层面，科研层面，该系统的建立将会是不可或缺的。1.3空气质量监测系统的国内外现状1.3.1国外研究现状谈及空气质量监测系统的发展，不得不谈起一个知名的城市——英国“雾都”伦敦，雾都的起源来自16世纪起的煤炭依赖，后经历两次工业革命，工业与家庭用煤的双重影响下，在进入20世纪后成为了名扬千里的死亡黑雾，每一场大雾都会伴随着严重的车祸，同时混合着各种硫化物颗粒致使很多居民死于肺结核、支气管炎以及急性肺炎。事实上“雾都”的形成并非一朝一夕，数个世纪对环境保护的轻视导致了这一切，所以对环境的监测绝非可有可无。到了20世纪初，人们真正意识到空气被污染的严重性时，才通过对空气的科学观测和检测以及相关实验。20世纪20年代，美国纽约市启用了第一台空气污染监测设备，这是世界上第一台旨在识别城市面临的环境问题，对空气中的大气气体等污染物进行定量测量的空气污染物连续监测设备。此后，随着越来越多的环境数据和科研数据，环保问题不断深入，空气质量监测技术不断发展，1967年美国发现居住性污染，1970年美国成立环境保护局。20世纪80年代以来，随着电子、计算机和通信技术的发展，空气质量监测技术在物联网等新技术的支持下得到了很大的发展，实验或应用了新的技术和手段，这时这项技术开始迅速普及到更多的国家和地区。1.3.2国内研究现状我国空气质量监测技术自20世纪70年代起，在城市分散式监测站点的基础上逐步发展壮大，覆盖范围越来越广。1980年代初期，中国环境监测总站正式成立，作为核心枢纽，为后续体系化建设奠定了基础。到了1980年代中后期，全国环境空气质量监测网络的建设工作全面启动。直至20世纪90年代初，覆盖全国的空气质量监测网络完成初步搭建。在大力发展经济建设、提出可持续发展战略的同时，也加大了对环境的保护力度，越来越重视与百姓生活密切相关的空气质量。近年来，AQI监测系统在技术革新的同时，发展迅猛，功能全面。20世纪80年代，我国受当时技术所限，尚不能生产所需的空气监测设备，设备主要是从发达国家购买的，而这些设备本身的价格和维修费用都是一笔不菲的费用，因为稀缺，在一些大城市只能装备。并且在今天，中国已经具备了生产成本更低、技术更先进、能够在一般城市也部署自动监测系统的满足需求的空气质量监测设备的技术和能力。1.3.3研究难题一般来说，自动化空气质量监测站受成本与体积因素制约，大多部署在大城市及其周边区域，虽然精度高、分辨率高、实时性强，但存在价格偏高、维护费用高、工作条件苛刻、安装后再装卸、移动不便等不可忽视的缺点[8-9]。对于农村地区、厂矿集中区域、大气污染高发地带等特殊场景，传统自动化空气质量监测设备受限于成本、体积及部署条件，难以实现有效覆盖。再例如，对于突发的空气污染事件(类似高速路面的储油罐车有毒化学品泄漏)，这种需求是传统的自动化监控系统无法胜任的。如果派工作人员到现场调取物质进行测量，一方面存在气体，可能会损害人员的身体健康；另一方面，现场空气质量参数得不到及时准确的获取，会造成应对策略不能及时做出。对于传统自动化空气质量监测设备因自身的局限性面临的难题，基于传感技术和物联网技术，针对传统监测设备难以覆盖的区域，一套能够有效解决其监测难题的空气质量监测系统应运而生。在突发空气污染事件发生时，工作人员只需携带能够实时感知周围气体浓度的设备，并通过无线传输工作人员实施远程实时监控的传感器节点，在特定区域内合理部署，就能及时、正确地为有关部门决策提供数据支持。1.4研究内容和主要工作(1)硬件设计，根据本次实验所主攻的测量方向，选择多种适合要求精确灵敏的气体传感器，不仅要满足实际需求，又要将成本降低，通过设计电路与STM32最小版本连接，通过电路将处理后的数据信号传送到显示器上。(2)软件开发，编写程序处理各个传感器收集的数据，通过显示屏整合数据实时显示，设置气体浓度阈值，超过阈值运行报警程序，并可以通过无线模块在移动设备上连接接收显示。(3)系统性评估，进行实验验证，评估系统在不同气体环境下的准确性和稳定性。测试系统对不同场合下不同气体环境的反应，如CO2、CO等。对系统的实用性、可靠性进行分析，以确定其在不同场景下的使用情况。(4)硬件电路和软件的综合调试.1.5本章小结本章从当前社会环境背景对本设计的迫切需求出发，寻找设计意义所在，介绍国内外研究的历史与现状，分析了空气质量检测系统发展所遭遇的困境，从中看到本设计的初衷与发展前景，在此基础上初步确定了研究方向和其中的主要工作。

第2章系统方案设计2.1设计思路关于空气质量监控系统的设计，各种气体传感器是关键，不同的气体传感器在STM32收集处理后，在气体浓度突破阈值的情况下，将监控到的空气成分数据进一步显示在显示屏上，并通过无线模块向移动设备传输数据，从而转化成电力信号，进行报警提醒。从而实现实时监控不同环境下的空气质量[10]。在选择气体感应器型号时，要从以下几个方面加以考虑：灵敏度：对于环境中有害气体浓度的气体传感器来说，需要能够及时捕捉环境的变化情况。响应时间：响应速度对于实时反馈的系统是必不可少的因素，更快的响应速度可以及时反应空气环境浓度变化和及时发出警报。选择性：由于有的传感器不仅仅测量一种气体，对于不同气体的同时测量应具有抗干扰的特点，降低数据的误差。便捷性：基于STM32建立的空气质量监测系统应该具有对不同应用场景的应对能力，同时体型不宜过大，方便便携。2.2气体传感器的选型2.2.1MQ-7一氧化碳传感器该设计主要探讨家居环境测量，在此基础上选用了检测空气中一氧化碳浓度的常用气体传感器MQ-7一氧化碳传感器(MQ-7GasSensor)。原理是以半导体气敏元件电阻值变化为基础进行的。可燃气体进入感应器后，会与敏感材料在感应器表面发生化学反应，从而引起阻值的改变。氧化碳浓度的大小可以通过测量电阻值的变化推断出来[11-12]。(SnO2)在智能家具、工业自动化、环境保护检测等领域，一氧化碳传感器所用的气敏材料是二氧化锡(SnO2)，其在洁净空气中电导率较低，具备灵敏度高、响应迅速（反应速度快）、恢复时间短、成本低廉等特性，广泛应用于智能家居、工业自动化、环境监测等领域。2.2.2JW01型三合一空气质量检测模块JW01型传感器可以检测TVOC、CH2O和CO2浓度，是一个三合一的传感器，该模块在兼顾了三项气体的监测的同时又极大的缩小了仪器的大小，对于本设计要求的便捷十分的契合，值得注意的是，该模块在启动后需要等待60秒后才能输出正确的气体浓度信息。该传感器采用了非分散红外（NDIR）技术进行测量，可以测量空气中的CO2浓度范围从350到2000ppm，具有高精度和快速响应的特点。常用于室内空气质量检测、智能家居、温室气体监测等领域，目前已有多款智能家居应用于室内空气质量检测[13-14]。2.2.3GP2Y1010AU0F灰尘传感器GP2Y1010AU0F是日本夏普（Sharp）公司研发的一款基于光学原理的粉尘浓度检测传感器，已在空气质量监测领域得到广泛应用。该传感器内部采用光敏原理设计，核心组件为红外发光管与光电晶体管，二者呈对向分布以实现粉尘浓度检测。用于检测卷烟微粒、微尘等特别细微的微粒。粒子浓度的判断依赖于输出脉冲的高度[15]。该传感器可以测量空气中PM2.5的浓度，一般用于室内环境测量，对比价格上百的激光传感器来说价格便宜，但同时精度略微有些差距。2.2.4DHT11温湿度传感器该数字传感器（DHT11）集成了温湿度复合检测模块，关键价值体现在数字信号的校准与直接输出，结合专用数字采集系统和温湿度传感模块协同作业，从硬件平台搭建到算法参数优化的可靠性递进式防护，尤其在实际长期运行稳定性上优于竞品，该传感器由电阻式湿度传感元件和NTC温度检测元件构成，二者均与高性能8位微控制器相连[16-18]。此产品质量较好，具备抗拒外界干扰的特点，在国内外市场均收获了不错的口碑，具有高性价比。DHT11传感器均在高精度湿度校准室完成标定流程，让数据结果可信，校准数据以软件形式录入OTP内存，信号处理时由传感器自动使用，不借助外部校准模块。通过采用单线串行传输接口设计架构，DHT11可快速集成系统，它采用微型封装（15mm×20mm）和超低功耗（待机仅0.1mW）的方案，使传输距离最远超过20米，结合自适应校准、嵌入式电路设计来扩展通信距离，由于经济高效，它能满足智能家居、工业控制、农业监测等多种场景的功能需求，应对高强度环境需求成效显著，成为温湿度监测领域的标杆方案。2.3主控制电路在本研究实施阶段里，主控部分选用了STM32F103C8T6处理器，专门对指令调度与执行加以处理，此芯片采用44引脚LQFP封装，极大地增加了内部资源规模，充分满足设计的限制条件，强大运算能力和可定制特性的结合，使得这个芯片系列一直很热门，它是专门为高速操作设计出来的。这种芯片的最高运行频率是72MHz，在该频率运行时反应迅速且处理效率超高，在存储器01等待周期模拟运行期间，处理器于1MHz主频下可实现1.25MIPS，实验结果验证了芯片在极限负载情况下的高效处理性能，系统选用内置128KB程序存储区域的单片机，充分满足项目开发要求，代码存储也有128K字节的容量，片上集成20KB的SRAM存储区，确保数据存取既高效又可靠[19-20]。2.3.1STM32F103C8T6芯片的介绍此方案以STM32F103系列为基础，供电需要最低2.0V，最高不高于3.6V，建议的工作电压是3.3V，芯片提供4-16MHz外部晶振接口，可对外接晶体振荡器做分频操作，时钟频率最大可设成72MHz，集成的双通道12位模数转换器，转换速度达到1微秒，可同时支持16路输入信号。可应对0至3.6伏输入信号的处理器，内部集成温度监控感应器，用于追踪芯片内部温度的变化，它配备丰富的外设模块，整合脉冲定时部件、AD采样模块、SPI同步串行接口、IIC双向接口控制模块、兼容同步异步通信协议的串行接口（USART）等，该设备集成37个能灵活配置的I/O端脚，每个I/O引脚可关联到16个中断源，满足各种外部中断需求，需要指出的是，与专用的AD转换引脚相比，多数I/O引脚可兼容5V电平信号输入。就调试实现角度而言，该芯片同时适配SWD和JTAG这两种主流的调试接口协议，提高了芯片程序设计的可定制化程度和调试的多样形式，实验平台装有3个16位定时器作为微控制器核心组件部分，各定时器通道数最多可达到4个，并且都有基础功能电路，系统集成了16位可调整设定的定时控制模块，该定时器可实现死区调控和紧急停止，以支持电机驱动的PWM调控，系统整合了独立和窗口两种类型的看门狗计时模块，通过带24位递减计数功能的定时器来调节时间。2.3.2STM32F103C8T6的最小系统微控制器作为嵌入式系统的运算中枢具有不可替代性，但仅靠微控制器芯片无法完成控制系统的整体构建，该原理通过STM32F103芯片设计得以验证，STM32F103的外设架构由滤波电路、晶振电路、复位电路、Debug接口及BOOT电路等部分组成，依托主控芯片设计的周边电路模块。以STM32F103C8T6为核心的最小系统搭建中，时钟电路采用8MHz晶振配合两个22pF电容，复位电路则与之共同构成系统，复位功能由外部连接的100nF电容提供[21-22]，不同启动模式的切换由BOOT0/BOOT1引脚电平控制，通过置低BOOT0电平，系统存储器即成为启动地址空间，通过BOOT引脚电平组合实现三种启动方案切换，对比早期51系列，相比传统架构，STM32的启动模式设定更为复杂[23-24]，系统的运算控制功能集中由MCU实现，其正常工作状态是保障系统综合效能的核心要素。该实验平台的组建阶段，采用STM32F103C8T6作为中央处理器，采用LQPF44封装版本作为中央控制模块，该芯片采用3.3伏特作为工作电压，图中清晰标明了U1所在位置，整体设计依托多个关键模块协同工作，包含系统基础功能依赖的主要模块，涉及电源滤波网络、时钟信号电路、系统复位、调试串行接口及启动方式等。2.4本章小结本章从实际需求出发，进行了对设计思路的思考，初步了本次设计使用到的传感器的型号，MQ-7传感器,JW01传感器,GP2Y1010AU0F传感器以及DHT11传感器的基本信息以及影响本设计选择的亮眼之初进行了简易的介绍，最后介绍了核心的模块，STM32F103C8T6最小系统板的基本信息和选择原因。

第3章系统的硬件电路3.1气体传感器模块本设计瞄准家居环境监测领域，特意选定MQ-7一氧化碳传感器、JW01型三合一空气质量传感器、GP2Y1010AU0F灰尘传感器[25]和DHT11温湿度传感器构建监测网络，MQ-7借助半导体气敏特性实施一氧化碳浓度检测，JW01凭借复合传感技术同步取得PM2.5，甲醛和有机气体采集的数据，GP2Y1010AU0F借助红外散射原理对灰尘颗粒浓度进行量化，DHT11凭借输出数字信号完成温湿度的精准度量。各传感器协同工作，实时采集多维空气环境数据，经系统处理后与现行空气质量标准进行动态比对分析，一旦监测指标偏离阈值，立即触发报警反馈机制，为用户提供及时、准确的空气质量预警信息。在以上的基础上，通过对模块机制和功能的分析，结合系统流程图，对模块电路进行设计。各个传感器模块具体电路如下图所示：图3.1MQ-7一氧化碳传感器电路图图3.2JW01型空气质量感应器三合一电路图3.3GP2Y1010AU0F灰尘传感器电路图图3.4DHT11温湿度传感器3.2显示模块OLED本质上可归为薄膜电致发光器件，其核心结构是在阳极与阴极之间封装起来的多层有机功能薄膜，该结构设计让器件在低功耗的状况下具有高效发光性能与长期工作稳定性，设计采用一款四针0.96英寸OLED显示屏，采用分辨率为128*64的点阵面板，采用ICC逻辑执行驱动，可显示气体浓度方面的数据[26]。图3.5OLED模块电路3.3声音报警电路当监测参数超过预设阈值时，单片机通过I/O口输出控制信号驱动蜂鸣器进入报警状态，其声频信号可有效覆盖公共区域声波传播范围，提升异常状况下的警示效果。从声学原理方面分析，人类可感知的声音频谱范围通常为20Hz~20kHz，基于此特性，通过编程控制单片机定时器模块生成特定占空比的PWM（脉冲宽度调制）信号，使I/O口周期性输出高低电平，从而在该引脚产生频率可调的矩形波信号[27]。设计采用有源蜂鸣器作为发声源，当电路处于通路时，电流激发启动蜂鸣器，发出刺耳声，更能提醒用户注意，用于声音报警器。图3.6声音报警的电路图3.4按键控制电路单片机按键控制电路采用3个微动开关并联架构，将单片机双向I/O口连接至按键一端，另一端统一接地。当按键处于未触发状态时，I/O引脚与地端断开，基于内部上拉电阻作用，该引脚维持高电平；当按下任意按键时，按键触点闭合使I/O引脚直接接地，信号电平由高跳变为低，向单片机发送低电平触发信号。本设计中，甲醛浓度上限值、PM2.5浓度上限值及温湿度报警阈值均通过按键交互设置，具体功能定义如下：按键1：功能为“设置模式切换”，用于进入参数设定状态；按键2：功能为“数值递增”，在设定模式下按此键可逐次增加参数值；按键3：功能为“数值递减”，在设定模式下按此键可逐次减小参数值。通过控制按键来调节检测气体浓度报警阈值的上限，由此来满足特殊环境的应用需求，或是降低报警阈值来提前启动报警来检测电路。图3.7按键连接电路图3.5电源模块系统利用5V直流电源驱动单片机，其1号引脚作为供电触点，6脚设为电源开关的引脚，电源接驳部件可以连接外接插头，利用电源开关控制单片机电路的开启和关闭，各引脚功能一致，能够输出电源正极的电流，采用电源本身的供电模式，该器件的主要作用是进行电源的能量输送，电源正极端子用于电力的传输，电源开关的2-5个引脚被定义为单片机接地引脚，实施时需根据情况选用。图3.8电源模块电路3.6无线模块设计采用ESP8266无线模块，通过设置通讯频率使用WiFi来与移动设备进行连接，每当空气中气体浓度发生变化，单片机可以通过ESP8266模块将数据发送到手机中，登录软件后在窗口同步更新，同时也可以将所需设置的数据传回单片机进行远程修改。图3.9无线模块电路3.7继电器模块若气体浓度监测值超出预先设定的阈值，单片机发送控制信号令继电器触点闭合，带动风扇开启以加速空气循环，做到环境内有害气体浓度的动态管控。若输入量（如传感器检测的气体浓度对应的电压信号）达到设定的阈值，继电器线圈一通电便产生电磁吸力，驱动衔铁运转让常开触点闭合，实现输出回路电源导通，进而实现对风扇等执行器开启、停止的管控，此方案采用继电器的电气隔离属性，有效杜绝强电回路对弱电控制系统的干扰现象，维护监测系统的稳定及安全。图3.10继电器模块电路3.8本章小结本章着重介绍各个模块在系统的实际电路演示，通过各个图片的直观显示，我们可以了解各个模块是如何连接在一起的，以及各个模块的简单逻辑，简单介绍模块如何将功能实现。

第4章系统软件的设计4.1系统主程序设计及流程图当硬件端设计调试完成后，就要进行软件设计，设计的对象是单片机和外接传感器。系统设计首先要清晰的构思，先按照传感器的顺序画好流程图，把系统设计好。启动的步骤是：包括甲醛是否预热串口读取数据在内的STM32配置引脚、温湿感测器侦测当前温湿度、PM2.5浓度传感器侦测目前PM2.5浓度、ESP8266WIFI模组初始化OELDLCD显示当前参数资料[28]。设置CO，甲醛，温湿度及PM2.5浓度报警上限值。单片机在超出温度或湿度或PM2.5报警上限值的情况下时控制蜂鸣器报警，另外单片机通过ESP8266WIFI无线模块将检测到的温湿度和PM2.5浓度值资料发送给手机端[29-30]，基于文献使用app，以便显示。继电器在超标后闭合，将风扇打开。图4.1主程序流程图4.2OLED显示流程图为了让液晶显示屏正常开展工作，先发送指令检测液晶屏有无问题，若系统忙就推迟操作，等液晶显示器输出完成标志，接着写入控制命令，再写入要展示的内容。待数据加载完成，显示单元依据控制字操作，把对应内容呈现出来。详细的显示单元程序流程图在下面的图示中可见。图4.2OLED流程图4.3ESP8266无线通信流程图本次设计采用ESP8266作为无线通信模块，该模块依靠串口通信和单片机建立起连接，借助AT指令集便可以实现数据的无线传输功能[31-32]，处于具体应用的阶段，能把模块配置到热点（AP）模式进行工作，形成独立的局域网络，让单片机采集的监测数据通过串口传输到模块后，依靠WiFi信号发送到终端设备，搭建短距离无线的数据传输链路。具体流程如下图所示：图4.3无线模块流程图4.4温湿度度检测流程图温湿度采集程序基于DHT11传感器达成环境参数的采集，其核心流程涉及五大关键步骤：首先实施传感器初始化动作，实现硬件复位与通信链路的搭建；随后进入应答脉冲进行交互阶段，MCU跟传感器借助高低电平信号实现握手确认；处于扫描这个阶段，MCU严格按照规定的时序，一位一位地去读取传感器输出的40位数字信号；数据转换步骤把所读取的原始数据解析为实际温湿度的数值；最后采用读操作把转换后的温湿度数据存储进内存，供系统去调用。以下呈现出具体实现代码及详细流程图，各环节依靠精确的时序控制保障数据采集准确又稳定。具体流程如下图所示：图4.4温湿度度检测流程图4.5按键子程序本次设计按键电路包含三个功能按键，分别用于设置甲醛浓度、温度、湿度及PM2.5浓度的报警上限值。按键电路采用并联结构设计，每个微动开关具有4个引脚，同侧引脚内部连通，将三个按键的对应引脚并联后，分别连接至单片机I/O口、上拉电阻及地端，形成低电平触发的输入电路。按键检测采用轮询与中断结合的工作模式：在主程序循环中持续检测I/O口电平状态，当检测到按键触发产生的低电平信号时，触发外部中断唤醒按键处理子程序。三个按键的功能定义如下：设置键：切换参数设置模式（甲醛/温度/湿度/PM2.5）增加键：在当前设置项中递增数值减少键：在当前设置项中递减数值具体流程如下图所示：图4.5按键子程序4.6甲醛/PM2.5检测流程图本系统中，甲醛、PM2.5等各类传感器均统一采用串口通信方式实现数据传输，通过分时复用或多串口并行处理机制完成多传感器数据的同步采集。图4.6甲醛/PM2.5检测流程图4.7报警流程图主函数执行后，循环检测当前参数是否在设置的阈值范围内，如果超过设置的阈值上限则启动蜂鸣器进行报警提醒。图4.7报警流程图4.8CO气体检测程序流程图CO传感器是通过单片机内部AD模数转换，当采集到当前的数据后，把模拟量传输给单片机ad引脚进行处理，进行初始化后，通过模数转换获取当前湿度值。图4.8CO气体检测程序流程图4.9本章小结本章主要介绍实验最重要的程序部分，通过流程图，我们可以知道各个模块如何在系统中有条不紊的运行，我们可以通过清晰合理的逻辑控制来对数据的进行及时的更新显示，以及控制电路的通断和警报器的触发，乃至数据的无线传输和载入。

系统的调试5.1调试准备开始装配之前，要做好核对工作，让器件功能质量达到应有的水平，特别是要按照原理图来组装电路，元件要安装准确，整体排列要有序，要认真查看晶体管的型号标注，确认电容的耐压规格和极性方位，整机各个部件都没有污渍，导线排布整齐，根据电路技术规范，故而按电路单元分层逐步组装，按层级循环操作，然后采用联合调试方式进行分步验证，安装调试阶段主要运用示波器、万用表等设备，用示波器配合万用表进行安装调试的各项测试。

其步骤如下：在KEIL环境下完成程序设计后，依照既定要求开展代码编译、调试等后续工作。图5.1Keil调试图依照预先确定的系统模型，做完系统各模块相互间的物理连接。先分析芯片说明书中元件的运行规律，接着开展模块化调试工作。先依据功能模块对源文件逐个调试，等调试符合标准后，再把调试好的模块整合起来。完成模块级调试后，接着要把各源代码段进行串联，开展全流程调试，全局调试得着重把控各个细节点，从根源上防止错误产生。5.2硬件焊接调试准备好所有的焊接材料和电烙铁，按照设计好的电路板原理图，开始对单片机电路板的焊接。先将插排焊接，再对晶振和复位电路所在的最小单片机进行焊接。把OLED液晶显示屏位置确定好以后，把显示屏通过导线连接起来就可以了。每个感应器模块分别焊接在背后，温湿感应器、PM2.5浓度感应器、甲醛感应器、ESP8266无线模块、甲醛、蜂鸣器、按键、电源电路。根据电路设计，用导线把各部件连接起来，避免短路情况，用烧录器给STM32F103微控制器写入编译后的程序，然后接上电源插排，采用5V直流电供电，先查看显示屏有没有信号反馈，确认各模块工作是否正常，再看OLED界面是否清晰，若能正常显示，表明显示电路工作正常，要是系统出了故障，就一个一个排查问题节点，这样OLED液晶屏上就能直观呈现输出画面，所有输出内容会在屏幕上完整展现。图5.2设计成果5.3功能调试在单片机焊接试验没有问题后，再进行功能调试，对软件的正确性进行检测。先将单片机重新上电，OLED液晶屏和ESP8266首先进行初始化操作，“loading”出现在OLEDLCD上，这一步在没有的情况下，对各传感器功能进行下一步测试。OLED显示屏以摄氏和浓度为单位，显示所测CO、温度、湿度和PM2.5，下方显示报警上限。在室内放置温湿度感应器、CO、甲醛和PM2.5感应器，检测几秒钟后，在OLED液晶显示屏上就能看到对应的CO、温湿度、甲醛和PM2.5浓度值等数据。按下按钮，温度、湿度和浓度报警的上限可以设置在OLED液晶显示屏上。手握温湿度传感器或置于干燥环境中，使其超过设定的报警上限，此时鸣笛报警，将纸点燃后置于甲醛或PM2.5传感器下方，此时鸣笛报警。打开移动电话app，搜索名称为test的WiFi，双方在输入密码匹配后，完成的连接账号。全部CO，温湿度，甲醛，PM2.5浓度值均可在手机APP上查看。到目前为止，所有的功能测试都做完了。图5.3启动初始化如图5.3，此时为设备通上电，打开电源开关，可以看到OLED显示loading，表示设备正在初始化，等待5秒左右，设备初始化完毕。图5.4室温下显示各项数据如图5.4，设备初始化完毕，显示数值趋于稳定，此时可以读取房间内室温条件下显示的数据，可以看到温度、湿度、PM2.5、甲醛、一氧化碳五项测量指标，我们可以在传感器旁吹气、打火机点火、加湿器加湿等方式观察到数值的变化，表明我们的设备成功运行。图5.5温度阈值界面图5.6阈值的加减如图5.5，右下角从左到右分别为按键1、按键2、按键3，通过按键1进入阈值设置，再按按键1可以切换需要设置阈值的测量类型，如图所示为温度阈值调节界面。通过按键2和按键3可以控制阈值的加和减，如图5.6，我们可以通过按键来降低阈值，来检测报警器和风扇是否运作。值得一提的是按键的触发是有延迟的，快速连续的触发只会计入一次，同时按键2和按键3可以长按来快速增加或减少阈值。图5.7警报的触发如图5.7，在上一步的基础上，我们将温度阈值降低到了20，此时的温度显示为22，大于我们所设的阈值，可以看到蓝色异常指示灯亮起，红色警报灯亮起，同时蜂鸣器开始发出刺耳警报，警报模块顺利运行，此外右上角风扇启动，代表通风系统也顺利启动。图5.8WiFi接入打开手机的WiFi，找到设备的WiFi信号，输入密码接入，接着打开app，点击连接，如图5.8所示顺利与设备无线连接，手机实时显示设备监测到的数据。图5.9远程设置阈值如图5.9所示，可以在手机上对设备进行阈值的修改，我将温度阈值降低到20，点击发送，设备接受到数据后设备正常运行，发出警报等。5.4本章小结本章介绍了设计最后也是最为关键的工作，从软件编写到硬件焊接再到功能实现的一系列调试，通过对程序的排场确定程序的正确，随后以电路图为参照对模块焊接排查是否有接错或虚焊，最后通电启动设备，更改变量查看设备是否按照预期正常运行，成功将功能实现。总的来说改设计完成了预定目标，没有发生程序错误或设备停止运行，对外界的变化成功做出反应。

总结与展望6.1总结空气质量监测系统的发展是经济可持续发展的关键一环，基于STM32的空气质量监测装备可为需求者给予便携的方案，精准的选定。

从开始去学相关知识，再到原理说明、软件编程，直至最终实施模块焊接，熬过几个月的打拼，虽然中间的进程磕磕绊绊，但一步一个台阶的设计还是顺利达成目标了，在编写温湿度传感器程序之际，程序碰到错误，读写时序肯定得保障，否则温湿度的检测结果不堪入目。于无线模块程序设计当中，WIFI给手机发出请求后，程序一般要等待返回信号，一旦传感器接触不紧密或线路断开，便不会有信号返回；程序会陷入一个死循环，一旦传感器接触不良或断开连接，就会引起数据丢失。最终借助老师的助力，冲破了困难，经过这次毕业设计，我深刻认识到团队合作的重大意义，在进行设计及调试期间，我跟同学们有多次讨论交流，大家一块儿动脑筋，共同把问题处理好，这种团队合作的劲头，既提升了我们工作的效率，还让我们在解决问题期间积累了更多知识与经验。我也认识到实践的重要地位，只有把理论知识运用进实践里面，才能真正明白且掌握，在这次毕业设计当中，我凭借自己动手完成设备设计与调试，深度把握了空气质量监测系统的原理与工作流程，还锻炼了自己动手实施和处理难题的能力。此次毕业设计是一次十分宝贵的体验，使我收获了不少知识与能力，也让我进一步搞清楚了自己的职业方向和发展目标，在未来学习工作的日子里，我会接着好好干，不断增进自己的能力与水平。6.2展望基于硬件技术的局限性，该设计有诸多不足，比如在弱信号环境的短暂延迟问题，传感器测量数据因各种原因产生的误差和测量精度的不足，比如现在的设计功能拓展性不足，无法满足更多场景的应用需求，再比如虽然价格性价比已经降到了很低，依然不足以广泛的普及。通过未来不懈的努力，我相信可以在软件方面对程序进行优化，解决部分因程序产生数据延迟和程序错误。随着科技的不断发展和完善，本设计使用到的模块会将更加精准和价格低廉，同时在体积方面可以做到更加的小巧轻便，以及在模块的拓展方面可以做到使用环境更多兼容，乃至做到模块的随插随用。

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