基于32单片机的可移动式室内空气质量检测仪设计

绪论1.1研究背景随着全球城市化进程的加速和现代生活方式的转变，人类在室内环境中的停留时间显著增加。世界卫生组织（WHO）研究表明，城市居民平均每天约有80%-90%的时间处于室内环境中（如住宅、办公室、学校等）。然而，PM2.5/PM10细颗粒与VOCs化合物是典型的大气污染物，室内空气污染水平往往比室外高2-5倍，极端测试时差距可达百倍。这些污染物对人体健康的威胁不容小觑：PM2.5可深入肺部引发心血管疾病，甲醛被国际癌症研究机构（IARC）列为Ⅰ类致癌物，而长期暴露于高浓度CO₂环境会导致认知能力下降。尤其在新冠疫情后，公众对室内通风与空气安全的关注度进一步提升，使得室内空气质量成为公共卫生领域的重要议题。目前，现有检测技术太过于局限，室内空气质量监测主要依赖两类手段：固定式专业设备与实验室化学分析。前者通常体积庞大、价格昂贵（数万至数十万元），需由专业人员安装维护，且多用于工业或科研场景；后者则需现场采样后送至实验室，耗时数日且无法提供实时数据。尽管近年来市场上出现了部分便携式检测仪，但仍存在显著缺陷：功能单一性：多数设备仅针对单一污染物（如甲醛检测仪），难以满足多参数综合评估需求；精度与稳定性不足：低成本传感器易受温湿度、交叉气体干扰，长期使用易漂移；智能化水平低：缺乏数据存储、分析与远程交互功能，用户难以据此制定有效改善策略；可移动性局限：部分设备仍需插电使用或体积笨重，无法实现全屋多区域灵活监测。这些问题导致普通家庭、中小型公共场所（如幼儿园、健身房）难以实现高效、经济的空气质量动态管理。近年来，多学科技术的突破为可移动式检测仪的研发提供了可行性：微型传感器技术：MEMS（微机电系统）工艺的成熟使气体传感器向小型化、低功耗、低成本方向发展。例如，电化学传感器对VOCs的检测限已达ppb级，激光散射技术显著提升了PM2.5检测精度；物联网（IoT）与无线通信：蓝牙5.0、Wi-Fi6及LoRa等技术的普及，支持检测仪与手机、云端平台的实时数据传输；边缘计算与AI算法：嵌入式系统算力的提升，结合机器学习模型（如神经网络），可实现多传感器数据融合、干扰补偿及污染源预测；新能源技术：高密度锂电池与低功耗设计使设备续航可达数周，太阳能辅助充电进一步拓展了应用场景。该研究设计涉及环境科学、微电子工程、数据科学等多个领域，尤其在多源传感器数据融合算法、自适应校准模型等方面有望形成方法论突破；填补标准化研究空白：针对民用级检测仪，目前缺乏统一的精度标定规范与性能评价体系，研究成果可为行业标准制定提供参考；深化污染物动态传播研究：通过高时空分辨率监测数据，可揭示室内污染物扩散规律及与人类活动的关联性，助力环境流行病学发展。提升公众健康防护能力：帮助用户实时识别污染热点（如新装修房间的甲醛峰值、厨房烹饪时的PM2.5激增），及时通过开窗、启净化器等措施降低暴露风险；助力特殊场所安全管理：在学校、医院、养老院等敏感区域，可移动检测仪能预警流感病毒气溶胶传播风险或CO₂浓度超标引发的“病态建筑综合症”；促进环境公平与政策优化：通过大规模用户数据采集，可揭示不同社会经济群体面临的空气质量差异，为政府精准施策（如低收入家庭空气净化补贴）提供依据。1.2国内外研究现状1.2.1国内现状近年来，随着环境污染问题的加剧和公众健康意识的提升，基于32位单片机的空气质量检测设备研究在国内呈现出蓬勃发展的态势。我国科研院所和企业依托ARMCortex-M系列处理器的强大性能，结合新型传感器技术，在环境监测领域取得了多项技术突破，形成了具有中国特色的空气质量检测产品研发体系。在硬件架构设计方面，国内研究团队普遍采用STM32F103、GD32F303等主流32位MCU作为核心控制器，通过多通道ADC接口集成多类型传感器模块。清华大学环境监测实验室开发的PM2.5-PM10双模检测模组，采用光散射与β射线吸收复合检测法，配合STM32F407的DMA高速数据采集功能，将测量精度提升至±5μg/m³。北京航空航天大学团队针对VOC检测需求，创新性地将金属氧化物半导体传感器与电化学传感器并行接入，利用MCU的并行处理能力实现交叉校准，有效解决了单一传感器易受温湿度干扰的技术难题。算法优化成为提升检测精度的关键突破点。东南大学研究团队在《仪器仪表学报》发表的成果显示，他们基于STM32F429的FPU浮点运算单元，开发了改进型卡尔曼滤波算法，能够有效消除传感器基线漂移问题。武汉理工大学则针对甲醛检测中常见的交叉敏感现象，提出基于遗传算法优化的BP神经网络模型，在GD32平台上实现了对苯系物干扰的智能识别与补偿，使检测准确度提升至93.7%。低功耗设计是户外检测设备研发的重点方向。中科院微电子所开发的无线传感节点采用STM32L4系列低功耗芯片，通过动态电源管理技术，使系统待机功耗降至1.2μA。该设计配合太阳能供电模块，在京津冀地区开展的网格化监测项目中，实现了连续6个月的无间断工作。南京信息工程大学团队则创新性地运用脉冲式传感器驱动方案，将传统传感器的持续耗电模式改为间歇采样，结合MCU的休眠唤醒机制，使整机功耗降低约40%通信技术集成方面，国内企业展现出强大的应用创新能力。汉王科技推出的AirGuard系列检测仪，集成ESP32双核芯片，同步支持LoRa和NB-IoT双模通信。海尔智能家居研发团队基于STM32H7平台，开发出支持ZigBee3.0与WiFi6的双协议栈系统，实现了检测数据在智能家居生态中的无缝对接。值得关注的是，深圳攀藤科技最新产品采用国产GD32VF103RISC-V芯片，配合自主开发的星闪短距通信协议，在抗干扰性能上较传统蓝牙方案提升3倍以上。在实际应用层面，国内研究机构已形成多维度应用体系。中国环境科学研究院主导的"蓝天卫士"项目，部署了超过2万台基于32位MCU的微型监测站，构建起覆盖县级行政区的空气质量网格化监控网络。在民用领域，小米、华为等企业推出的智能检测设备，通过接入鸿蒙、MIOT等物联网平台，实现了检测数据与空气净化设备的联动控制。2023年浙江大学团队在《传感技术学报》发表的论文显示，他们研发的便携式检测仪已实现TVOC、CO2、PM2.5等12项参数的同步监测，检测周期缩短至8秒。当前该领域研究面临的主要挑战包括传感器寿命提升、复杂环境下数据可靠性增强以及检测成本控制等问题。未来发展趋势将集中在多传感器数据融合、边缘计算能力强化以及与5G、AI技术的深度融合。随着国产MCU性能的持续提升和传感器技术的突破，基于32位单片机的空气质量检测设备有望在环境治理、健康管理、智慧城市等领域发挥更重要的作用，为推动我国环境监测技术进步提供核心支撑。1.2.2国外现状人类对室内空气质量的探索可追溯至20世纪初期，《东京医学杂志》1902年收录绪方正规（1902）的成果文，论头一回对日本房屋对其换气过程进行系统探讨，当时煤炭、石油等不可再生资源正被大规模开采利用状态。空气污染状况正逐年恶化，室内生活区及户外区域，与人们密切相关的空气质量指标连年走低，大众才真正上心探讨空气污染这一课题，1978年民众普遍认识到室内空气污染的潜在威胁，气体污染治理已迫在眉睫。室内气体与气候国际会议首届大会于哥本哈根举行，目前会议以三年为周期定时开展。国外基于32位单片机的空气质量检测技术研究在精密传感、智能算法与泛在物联领域取得显著突破，形成了从核心器件创新到系统级应用的全链条技术体系。欧美及亚洲多国科研机构依托高性能MCU平台，深度融合新型材料科学、边缘计算与无线通信技术，推动检测设备向微型化、智能化和网络化方向持续演进。1.3研究内容1.3.1研究框架有害气体检测的核心元件当属传感器，主要功能是实时检测周边空气的毒性气体浓度。研究内容包括选择合适的传感器类型，如电化学传感器、光学传感器等，以适应煤矿的特殊环境。同时，还需要考虑传感器的灵敏度、响应时间、精度等性能指标，以确保其能够准确、快速地检测有害气体。此外，传感器的布置位置和数量也是研究的重要内容，需要综合考虑不同的室内条件、通风状况等因素，确保传感器能够全面覆盖监测区域。数据采集是有害气体监控系统的关键环节，涉及从传感器获取原始数据并将其转换为有用的信息。研究内容包括设计合理的数据采集方案，确定采样频率、采样精度等参数，以确保数据的准确性和实时性。同时，还需要考虑数据传输方式的选择，如有线传输、无线传输等，以满足不同的特殊需求。从数据处理的维度来看，研究工作涉及数据预先处理、特征发掘以及模式识别等范畴，以达成快速运算和精确分析，运用数据处理及分析手段，可以及时发现有害气体的泄漏和积聚情况，为后续的预警和报警提供有力支持。预警与报警机制是煤矿有害气体监控系统的重要组成部分，用于在有害气体浓度超过安全阈值时及时发出预警或报警信息。研究内容包括设计合理的预警和报警阈值，以确保系统能够在有害气体浓度达到危险水平时及时作出响应。同时，还需要考虑不同危险性气体的警戒值设置，以适应不同的实际情况。在报警方式筛选过程中，研究着重声光提示、短信传送、远程监测等模块，保证警报信息能快速传达到对应处理人员处，报警信息的传递形式及其及时性同样是研究的重点，需要确保报警信息能够在最短时间内传递给相关人员，以便他们迅速采取应对措施。实现有害气体监测系统的稳定长效运行，需先研究做好系统参数的优化改良，接着对系统软硬件进行周期性升级维护，以得到可靠的系统精度与稳态特性，以确定本设计能够适应不同环境的变化和新技术的发展。此外，对系统进行故障检测和排除也是研究的重要内容，以确保系统能够在出现故障时及时发出警报并进行自我修复或提示维修人员进行处理。1.3.2研究思路（1）对不同环境进行调研，明确监控系统的具体需求，包括需要监测的气体种类、监测点的位置、监测精度等。（2）由硬件配置（传感器组、数据采集系统、通信组件等）和软件方案（实时数据分析程序、报警管理软件等）组成的系统全局结构被拟定出来。（3）筛选适应多种不同环境的传感器，诸如气体浓度检测探头、温度监测设备等，使得传感器对有害气体的监测既准确又稳定。（4）开展数据采集架构设计，保证传感器数据实时、稳定地进行采集，然后开展数据的初步处理流程。（5）运用计算方法对采集数据展开分析，构建数据解析和价值挖掘算法，把有效数据分离出来。（6）当有害气体浓度达到危险的临界数值，迅速触发报警机制，马上通知运维人员开展抢险工作。1.3.3研究目标本设计的核心目标在于开发一款基于32位单片机的室内空气质量检测仪，通过高集成度硬件架构与智能化软件算法，实现对室内环境关键污染物（如PM2.5、PM10、CO₂、VOC、甲醛及温湿度）的实时精准监测，同时兼顾低功耗、便携性及用户友好性，满足家庭、办公、教育等场景的健康环境管理需求。设计重点围绕功能全面性、数据可靠性、系统稳定性与成本可控性展开：在硬件层面，需集成高精度传感器模块与低噪声信号调理电路，确保检测范围覆盖常见污染物且误差控制在行业标准内；在软件层面，依托32位单片机的高性能处理能力，实现多传感器数据的高效采集、滤波（如滑动平均、卡尔曼滤波）及融合分析，并支持实时空气质量指数（AQI）计算与动态显示。此外，系统需具备超限报警、无线通信功能，通过云端联动实现远程监控与智能预警，为用户提供从数据感知到决策支持的全链条服务。设计需严格优化功耗管理策略（如休眠模式），确保设备在锂电池供电下持续工作，同时通过模块化设计预留扩展接口，便于未来升级或适配新型传感器。最终目标是通过平衡性能、成本与用户体验，打造一款可量产、易部署的智能化环境监测工具，为提升室内空气健康水平及推动绿色建筑发展提供技术支撑。1.4设计的经济性与可靠性分析（1）硬件的成本控制：主控芯片：STM32F103C8T6（成本约12元）集成12位ADC、USB和多个通信接口，满足多传感器并行采集需求，避免额外扩展芯片的成本。传感器优化：PM2.5检测：采用GP2Y1010AU0F（成本15元），精度±10%，适用于室内粉尘监测；CO₂与VOC检测：选用SGP30（集成CO₂与TVOC检测，成本45元），减少分立传感器数量；温湿度检测：DHT22（成本8元），误差±2%RH（湿度）与±0.5℃（温度）。电源模块：采用TP4056锂电池管理芯片（成本3元）支持5V/1A充电，搭配18650电池（成本10元），续航时间达48小时；模块化设计降本：设计通用I²C/SPI接口，兼容不同品牌传感器，降低供应链风险；采用3D打印外壳（单件成本5元），轻量化且支持定制化外形。（2）开发与维护成本优化：软件开发：基于STM32CubeMX配置外设，结合FreeRTOS实现任务调度，开发周期缩短30%；远程升级：集成ESP-01SWi-Fi模块（成本8元），支持OTA固件更新，减少现场维护需求。（3）硬件可靠性设计：电源保护：在STM32的VDD引脚添加0.1μF去耦电容，结合LC滤波电路，抑制高频噪声；传感器防护：对PM2.5传感器加装海绵滤网（成本0.5元），阻隔大颗粒污染物，寿命延长至2年以上。移动场景适应性：结构设计：采用卡扣式外壳与硅胶防滑垫，通过1.5米跌落测试（符合GB/T2423.8标准）；运动检测：内置MPU6050陀螺仪（成本5元），检测设备移动状态并触发数据保存，防止震动导致数据丢失。（4）软件可靠性保障：实时数据处理使用DMA传输传感器数据，CPU占用率降低至15%以下；采用滑动窗口滤波算法，对CO₂数据进行平滑处理，波动率从±50ppm降至±10ppm；故障自恢复机制独立看门狗（IWDG）设置3秒超时复位，应对程序死锁；传感器异常检测：若SGP30连续3次读数超限，系统自动切换至备份传感器（如BME680）；数据完整性：采用AES-128加密无线传输数据，丢包率＜0.1%；本地Flash存储24小时历史数据，支持断网续传。2系统方案设计2.1概述该方案主要依靠的硬件模块包含：PM2.5检测装置、8266通信模块、温湿度传感组件、系统主控芯片、有毒气体与烟雾双模探测设备由显示设置操控模块、雾信号采集部件、蜂鸣报警装置和STM32中央处理单元组成。本研究设计框图如图2-1所示。图2-1系统方框图2.2方案设计2.2.1单片机的方案选择在环境监测系统的控制板块，采用双轨设计手段，第一套是依托ARM架构对主控模块进行开发，第二套是使用单片机担当起主控的角色。ARM实际上是AcornRISC的缩略语，英国工程师团队最初开发低能耗RISC芯片，开发出采用该核心的处理器。核心采用32位处理举措，并且可以兼容16位指令样式，16位设计的处器耗电程度低，采购费用少，几乎和32位架构完全一致。系统设计的起始阶段，设计核心围绕着这16位ARM芯片，单片机系统和ARM平台类似，同样采用了微米级集成的工艺。就路况调控芯片而言，工业控制方面最早采用了微处理器技术，对工业生产力的提高作用突出，微处理器的诞生有其历史根源。最开端的技术办法是把CPU和外围电路协同起来进行整体集成，完成芯片级的最小集成工作，让计算机系统由超大型转化通过渐进式发展，微型计算机模块可无缝接入结构精细、数目庞大的设备阵列，对各种设备进行高效管控与协同操作。在功能这一方面，两种构造均符合既定参数准则，综合审视单片机和ARM芯片的成本以及学习的入门障碍，对本项目的红外模块进行一番考量。测温仪系统的设计要求。ARM比较难上手，一般需要单片机的基本知识，编程比单片机复杂，价格也更贵，所以系统采用方案二，采用单片机作为主控制器。2.2.2传感器模块的选择方案一：先单独筛选温湿度传感器，然后开展功能组合，DS18B20是数字式温度采集装置，用于温度采集模块。借助HS1101湿度传感器，可采集当前环境湿度参数，在块结构内执行检测任务。DS18B20是数字温度传感器，工作温度检测上限125℃、下限-55℃，误差在±0.5℃范围内，采用单线路通信方式，额定工作电压是3V到5.5V。HS1101传感器借助电容原理开展湿度检测，该模块最高工作电压是5.5V，能实现0%-100%RH湿度监测，相对湿度误差控制在2%RH以内。方案二：采用DHT11能完成温湿度双参数集成检测，该传感器为集成化设计，可同步开展温度和湿度的检测。借助数字模块的数据采集和温湿度传感技术，可使数据采集又快又准地达成，在稳定、可靠这两方面表现上佳，技术运用水平显著提高，借助DHT11单一设备完成温湿度数据采集，可更高效地拿到环境中的部分参数。涵盖两个检测量程，包含湿度监测组件，温度数据得以采集，湿度检测区间设定为20%～90%RH，测量误差控制在5%RH以内。其所能测量的温度区间从0到50度，测量误差在正负2度的范围内。通过对上述两个方案进行分析，方案一精度高却稍显复杂，相比较之下方案二尽管不能实现方案一那样的高精度测量，但是却也能够满足本次设计的要求。而且该系统操作不繁琐，实施较为容易，且可靠性与稳定性俱佳。开展方案优选后，考虑到性价比处于极高水准，最终决定用方案二的DHT11做温湿度采集。2.2.3显示器模块的选择显示电路是人机交互方式的重要组成部分。该方案需要展示的数据跟环境深度挂钩，展示结果含有数学符号要素，由大小写英文字母结合心率运算的得数构成输出；设计里显示模块能够用液晶屏与数码管实现。采用OLED液晶面板，若不考虑中文显示，就能用它实现所需显示效果，最多可显示32个中英文及基础数字，内容展示相当丰富。从显示内容的角度来考量，该设计要具备兼容英文、数字和数学符号显示的能力，数码管无法完成本设计的显示任务，从电能消耗来看，数码管比液晶显示更耗电，所以采用OLED液晶显示单元作为系统输出终端。3系统硬件设计3.1主控电路这一装置所采用的STM32芯片功能配置和FPGA逻辑处理器区别显著，它是把CPU及其外围功能模块封装进单片集成电路内，实现单芯片集成完整计算机体系，微型轻量化的低成本计算机市场潜力明显，其应用场景极为丰富，适合作为单片机学习平台，开发环节也适配，单片机实际贡献比预期的估量要大得多。早期单片机发展，把主处理器和功能电路高度集成，做成紧凑型芯片，使计算机系统从体积大变得紧凑集成，能适应对物理尺寸要求严格的复杂设备集成，可靠管理设备间协同运行过程，INTEl公司基于此观念推出Z80系列微控制器后，单片机和专用处理器走上不同发展道路，成为两种不同处理器类型。90年代开始阶段，初期单片机通常是4位或8位架构，那时有个操作顺手、质量稳当的半导体器件成了首选，该方案采用Intel8031微处理器，靠着这款核心芯片，推出一批性能上佳、集成度高的单片机及相关系统，很快就被厂商接受，短时间内就遍布工业控制的各个领域，目前该控制系统还是工业领域的核心装备，随着现代科技快速发展，工业界对过程控制标准持续升级。过去的4位、8位架构在工业控制方面显露出不足，所以16位单片机系统随之出现，但16位架构在性价比上始终难以和位数更低的方案相提并论，造成16位单片机在工业控制领域的普及程度一直不高，20世纪90年代之后，全球科技创新呈现爆发态势，单片机技术有了新的跨越，Intel研发团队开发出新一代32位单片机，且拥有极高的成本效益，快速成为16位单片机的高端替代方案，从这一时期起，32位单片机正式进入高性能控制器的行列，因为这项技术更新换代速度很快。在产业升级时期，曾经的八位和四位单片机在性能与可靠性方面都有显著提升，性能比上世纪八十年代初提高了上百倍，8位单片机的性价比优势再度凸显，在基础工业自动化部分表现出色，采购费用大幅减少，让工业生产成本明显降低，32位架构单片机是整个系列中性能最棒的，其运算能力比九十年代中期的专用处理器还要强，该芯片主频最高能达到313MHz，而且价格很实惠。就现阶段而言，单片机出厂价格在10-100元，成本控制极具竞争力，性价比居前列。3.1.1单片机的构成特性STM32单片机具备以下特点：（1）ST公司的STM32单片机采用了ArmCortex-M架构，其处理器与外设配置在行业中处于领先水准，有1微秒级双12位AD转换模块，两组每秒14兆位速率的串行通信接口，还有最高每秒18兆位的uASPI通信模块等，尽管它在功耗效率和系统集成度上是业界标杆，但其低功耗特性比同类产品稍弱，然而在实际应用场景下，因为其硬件模块和软件组件简单，开发平台学习成本不高，且运算处理能力在微控制器市场领先，工程师对它的接受度不一定会减弱。（2）选用STM32F103C8单片机用于电机控制，它是很有名的电机控制专用芯片，有高速、低功耗的特点，也可兼容各类集成电路的嵌入式智能单片机控制器，它的基准频率锁定在72MHz左右，系统采用32位宽的数据总线架构，输入输出接口的控制总线为37位宽度，程序存储器用64K规格的闪存作为存储媒介，程序存储资源以64KB（64K×8）为基本容量单元，其中coram存储器的数据容量宽度主要凭借20KX8模块，该模块数据电源输入端的输出电压有效范围在2V上下到3.6V。（3）调整后的STM32F103C8单片机可以支持价格便宜、空间占用少且重量不大的智能嵌入式系统管理，其应用程序存储器典型容量大约64Kb，工作电压要求为2到3.6伏，有着基于工作电压的温度控制范围。一般为-40℃~85℃。（4）内置存储系统最多支持128KB闪存和20KB静态随机内存，全系列搭载着双12位模数转换通道，配合3个标准16位计时装置和1个PWM定时器，包含了标准通信接口与扩展模块，然而最大可支持2个I2C接口、1组SPI/串行异步收发器和3个通用同步异步收发装置接口配置，采用USBNRT+CAN的混合接口策略，它不仅有丰富的I/O端口，还能够实现单接口连接双高级外设总线外围设备。（5）为契合低功耗应用的要求，STM32F103多数微控制器型号要配置省电模式，供电电压维持在2.0V-3.6V区间为宜；其封装形式达6种之多，引脚数量从36起至100止，特别适合用于工业等应用环境，在医疗及信息技术领域，这些产品封装形式多样，不同封装的外设和配置存在差异。（6）在工业控制系统当中，STM32F103单片机可对扫描仪等装置进行编程控制，同时驱动电机以及管控开关操作。适配GPS应用环境和PPC游戏周边的程序化软件控制模块，用在医疗电子与移动设备上。3.1.2STM32F103单片机系统模块的作用单片机的电路图如下图所示:主要显示的是STM32单片机的最小模块，该设计的大致方向可以从这个从这个模块出来。图3-1最小系统模块3.1.3供电部分下面就供电范围标准进行阐释，单片机供电电压存在区间要求，工程实践中大多选择+3.3V或者+5V为单片机供电，以3.3V单片机的代表型号STM32F103为例，从硬件配置的实际情况来看，单片机需接纳3.3V-5V的电压输入，其核心电路采用3.3V电压供电，可使输入电容既稳定电压又过滤杂波。如果输入电压偏离额定电压区间，当输入电压为+12V时，不能直接向单片机处理器供电，可连接输出电压恒定为3.3V的3.0-3.3V稳压模块，系统可以通过它让单片机持续输出3.3V稳定电压到处理器，做实验时要留意电源正负极别接错，若想确切知晓特定芯片插座的电源规格和电压参数，最可靠途径是查找芯片制造商发布的原始手册。3.1.4时钟电路此元件的关键作用是生成系统所需要的电容和时钟控制信号，从而实现系统功耗的优化，电容的组成与用途聚焦在让晶振电路输出信号的振荡和频率保持稳定。该架构下的时钟电路，其最高工作频率选用72Hz，即每秒72000次脉冲，72赫兹并非时钟电路晶振频率的强制最高标准，该参数具备可替换的特性，可检测各种时钟每次产生信号时的振荡频率和对应的时间参数，也就是完成一次时钟振荡，该单片机在单个机器周期内至少能处理一次加法方面的指令。3.1.5中断控制器依据技术资料，该中断处理器装载了全嵌套架构的高级向量优先级控制中枢，经过硬件优化，能够并行处理43个非屏蔽中断通道（其中有16个Cortex™-M3中继单元）和16个扩展优先级资源。3.1.6复位电路复位电路往深一点说就是复位自动重启关机电路，顾名思义，这个操作本质上是依靠复位电路达成关机和重启的操作步骤，当STM32F103复位引脚为低电平，单片机进入断电模式，接着自动把复位引脚调整成高电平来关机，高电平复位之后，单片机自动恢复运行，随后回到正常工作时的关机状态，低电平复位引脚在关机阶段实际输出高电平信号。3.2温湿度检测电路DHT11是一款运用数字信号采集模块以及温湿度检测方法，让温湿度合一传感器发挥作用在其中得到很大程度的运用，在很大程度上提高了产品的稳定性与可靠性。DHT11这种温湿度双参数探头，由电阻式湿度检测单元和NTC温度传感单元构成，还集成高性能8位单片机模块，它可实时获取环境温湿度数据并输出监测结果，每个DHT11模块都集成预设校准值，校准系数经程序烧录进OTP非易失性存储器，实际操作里，特别是传感器内部开展信号检测处理，需经常调用这些校准参数，由于采用微型封装技术和低功率消耗，能实现20米以上稳定信号覆盖。（2）接口说明：针对此硬件，该装置具备信号传输距离的最高界限，所以连接线长度的改变直接对拉电阻的取值造成影响，正常情形下，若连接线长度小于20米，当传输线长度超出20米，需按照器件工作状态来选上拉电阻的阻值；5K范围的上拉电阻完全能胜任。倘若选用DHT11传感器，STM32系列开发板连接的方式比较容易搞清楚，单片机PA11端与传感器2号引脚相连接，完成串行数据的发送和接收，从前面说的接口规范来看，由于当连接线延伸距离达不到20米，需在传感器Pin2端和电源线路串联5K欧姆上拉电阻，传感器供电端口1号、4号引脚分别连接单片机电源端与接地端，脚位使用悬浮式设计。DHT11传感器电路原理图如图3-2所示：图3-2DHT11电路原理图3.3报警电路利用可听频率区间的信号，马上唤起用户的警觉状态，以实现警示用户的成效。蜂鸣器占据主导位置，作为电子发声装置，采用集成化模式设计，采用直流驱动方式，电路以三极管驱动蜂鸣器为主要部分，再搭配上限流电阻作为配套组件。此发声器械属于驱动电路中的蜂鸣器模块，分为具备驱动源和不具备驱动源两类，系统选用带驱动电路的蜂鸣器，施加方波信号可让无源蜂鸣器发出声音，有源蜂鸣器则借助直流电压实现声波输出。以开关元件形式工作的三极管Q1，它的开关状态转换由基极电平高低直接掌控，一旦基极信号为低电平，三极管就会处于饱和导通状态，蜂鸣器便能够输出声音；若基极电平降低到低电平，三极管会让电路断开，此时蜂鸣器会停止发声或者不再输出声音。限流电阻的设计目的是保证电路正常运作，若电路中电流急剧上升，可使电流输入达到均衡，平稳地控制电流，阻挡电流冲击对器件造成破坏。系统关键架构运用声光双报警电路设计，两种报警方式能协同增强效果，传感器收集环境温湿度、PM2.5等监测数据，用单片机开展数据初步处理，若检测模块输出警报信号，单片机输出控制信号启动报警电路，让蜂鸣器发声，配套警示灯同时点亮；若没有警报信号，采集的环境参数由单片机驱动液晶设备显示，把实时监测的环境参数展示在液晶屏上，便于即时读取和分析环境指标，当存在安全风险时能快速做出报警反应，从而达成更好的报警功能和目的。图3-3声音报警电路3.4WIFI模块的设计借助AT指令控制单片机，系统采用ESP8266作为WIFI模组，无线通信模块按照预设串口协议和MCU实现交互。模块的无线传输带宽最高可达150Mbps，功率输出12，能配置14个信道，工作频带是2.4GHz至2.4835GHz。功率达15分贝毫瓦的设备，有两个串行端口以及两个以太网接口，借助Web远程管理模式开展系统配置，串口波特率可在1200至230400bps范围调节。（支持非标准波特率）之间，工作温度：温度的范围界定在负20摄氏度至70摄氏度之间。鉴于模块额定工作电压是3.3V，单片机核心电压为5V，为了电源匹配，通过两个二极管搭建降压电路，使3.3V的WIFI模块可与5V电源兼容。具体电路图如图3-4所示。图3-4ESP8266电路图3.5按键设置电路本方案中按键主要用于功能调试，若按下K3按键，能实现参数筛选减量；按下K2按键，会进入参数勾选模式使K1按键被激活后，会即刻切换到设置界面，靠的是对高低电平信号的判别，按键触发后，微处理器引脚可捕捉低电平信号，单片机依据电平变化确定程序执行动作，在按键功能开发过程中，有一些要点需关注，按下按键会出现机械抖动，要创建消除抖动的函数模块，并且要配置短时滞后的间隔。按键和电路连接引脚如图3-5所示。图3-5系统按键电路连接图3.6液晶显示电路OLED，即有机发光二级管。鉴于采用自发光方式，消除了背光要求，有高对比效果，可应用于柔性屏幕，制造步骤得以简化，被业界当成平面显示升级的关键办法。现阶段液晶显示器大多采用背光照明方法来实现显示，OLED由于自发光技术本身不必借助背光，如果显示画面一模一样，OLED显示效果更胜一筹，以现在的技术情况，OLED物理尺寸难以继续扩大，然而显示精细度相当显著，本实验使用中景园电子制造的1.44英寸OLED屏幕，此屏幕呈现出如下特点。1.44英寸OLED显示器件有黄蓝分段、全白和全蓝三种色彩显示样式，此型号黄蓝屏的上四分之一采用黄色发光层，屏幕下方大部分地方为蓝光，颜色和显示分区是固定样式，黄蓝双色及其显示范围都预设好了不可变，白光指的是纯粹白色，以黑底白字组合呈现；蓝光是纯蓝色，以黑底蓝字组合展示。采用128列与64行的分辨程度，各成像单元通过LED予以实现。此显示屏具备多类接口标准兼容性，支持5种不同裸屏接口，能通过BS0~BS2硬件引脚选择设定接口模式，利用6800/8080并行接口来设计，配备可挑选的3/4线SPI或者2线I2C串行接口，该公司为显示屏配套研发了双接口DEMO板，达成七针脚SPI与I2C协议兼容的接口，采用四针接口的I2C模组，这两种模块操作都十分便利，两种模块方案均可依据实际开发需求选出更佳的。根据下表3-6所示。表3-6液晶引脚表NOSYMBOLDESCRIPITION1GND接地端2VCC模拟电压3.3V/5V可选；（默认3.3V)连接R2电阻为5V，连接R4电阻为3.3V。3SCL串行SPI时钟信号4SDA串行SPI数据输入端5RESCD复位信号6D/C命令/数据选择端7CSLCD片选信号8BL背光开关控制脚；BL=1背光亮：BL=O背光关本屏所用的驱动IC芯片为ST7735S，此显示模块内部集成了升压电路，设计时不用再额外设置升压电路，它兼容外部升压模式，具体参数可参考配套说明书，ST7735S页结构由128字节构成，刚好能实现128×64的显示阵列1.44英寸OLED与1.3寸OLED使用的驱动芯片不同，1.3寸存储系统按照132字节页划分，若在1.44英寸OLED执行1.3英寸程序，需对显示地址右移2位做校正，调整后显示输出达到预期，但1.3英寸OLED右侧边界存在4像素宽图像错误或亮条，要重视这个现象，其他参数ST7735S和SSD1106基本差不多。如图3-7所示。图3-7系统液晶电路连接图3.7PM2.5传感器此方案利用颗粒物检测设备来监测室内PM2.5浓度，检测模块选用夏普GP2Y1014AU0F灰尘传感器，该设备核心处设有开孔让空气流通，空气流动时所携带的颗粒物会使LED光线发生衍射，接着对输出的模拟电压信号加以处理，从而评估颗粒物浓度，具体各项参数详情见下文。1.零下10度到65摄氏度的环境，传感器可运行，还可与多数典型工况相兼容；2.此设备支持4.8V至5.2V输入电压，因此该传感器可兼容多数5V单片机的开发环境；3.该检测器的精度情况相对较好，误差处于正负0.1mg/m³之间，对PM2.5级灰尘和油烟微粒的检测灵敏程度高，采用脉冲输出信号来定量测定颗粒物含量，得到了可靠的检测结果。PM2.5检测模块如图3-8所示。图3-8PM2.5检测模块4系统软件设计4.1软件介绍在大量单片机开发环境中，Keil5表现相当卓越，借助集成化设计实现编辑、编译以及仿真功能的协同发挥，兼容汇编语言和C语言编程开发，与汇编语言相比，不管是功能支持、代码结构，还是可读性和可维护性，C语言都更胜一筹，从而让学习变得没那么难。软件存有大量提前安排的库函数和强大的IDE调试工具群组，采用Windows标准界面，要着重强调的是，Keil5生成的目标代码效率相当出色，生成的汇编指令通常很短，高级语言开发大型软件时长处更明显，Keil5采用对用户友善的界面构造，方便开发团队立刻开展实践，该框架支持跨不同编程语言开发，涵盖C、C++和汇编语言等，可完全覆盖开发者的需求。此外，Keil5还提供了丰富的库函数和中断服务程序，帮助开发者更加高效地进行开发工作。在编译和链接方面，Keil5拥有高效的编译器和链接器，可以确保生成的代码具有优异的性能和稳定性。同时，它还支持多种处理器架构，如ARM、8051等，为开发者提供了广泛的硬件支持。

调试功能尤为强大，支持实时变量监控、内存查看、断点设置、性能分析和实时跟踪（通过ETM/ITM），开发者可以深入分析代码执行时序和硬件行为。对于教学和低成本开发，Keil5提供了基于软件模拟器的无硬件调试功能，允许用户在虚拟环境中验证逻辑。此外，其与主流硬件厂商（如ST、NXP、TI）的紧密合作确保了芯片支持包（DeviceFamilyPack）的及时更新，覆盖数千款Cortex-M芯片型号。尽管Keil5是商业软件，但个人开发者可通过免费版本（代码容量受限）进行学习和小型项目开发，而其专业版则被广泛应用于工业自动化、物联网设备、汽车电子等高可靠性领域，成为嵌入式工程师实现从原型到量产的重要工具。Keil5软件界面如图4-1所示：图4-1Keilc软件界面4.2系统总程序流程图图4-2系统总程序流程图如图4-2所示，在主程序运行阶段，要先开展系统初始化工作，避免前期操作信号残留影响后期产品效果、导致测试误差，系统启动后，利用PM2.5传感器进行辅助监测，同时用温湿度传感器实时采集环境温湿度，再由单片机处理数据。设备供电后不间断运行，若采集数据达到预期标准，便延续当前操作方式；一旦监测到温湿度和PM2.5数值超出设定范围，即刻激活声光报警部件，使指示灯发光、蜂鸣器作响，即让各模块对应的LED报警指示灯点亮，同时启动蜂鸣器的声学报警功能。4.3各子程序流程图4.3.1温湿度检测流程图图4-3温湿度检测流程图如上图4-3温湿度检测流程图中所示，开展温湿度数据采集工作的初期，要对系统基础参数进行配置，排除硬件原本的干扰现象。影响整体的温湿度测量结果，导致测量结果产生误差。之后通过DHT11温湿度传感器对当前的环境温度进行采集，借助单片机对所获信号进行数据处理，接着依靠LCD组件将环境温湿度即时显示出来，倘若监测数值未达到设定标准，则循环上一过程。若温湿度超过设定范围，则启动报警系统。4.3.2报警电路模块流程图图4-4报警电路模块流程图如图4-4所示，在开展检测工作前，报警电路模块要先初始化系统参数，之后使用传感器采集数据，在传感器对周围环境做数据探测时，为避免先前残留信号干扰后续检测，传感器把信号送至单片机，由单片机对采集的信号数据进行分析处理，这时得对数据进行阈值检查，确认各数据项是否超过阈值上限。系统自动开启警报，会有声音和灯光来警示，蜂鸣器发出警示声响，配套的LED灯发光，实现报警信号的重复输出，随后针对报警源头的环境风险进行处理，若环境中PM2.5含量超出标准，采用关闭处理可直接降低PM2.5的环境含量；若温湿度参数过高，就用适配的解决办法修正，待越界环境数据处理好，报警程序关闭，告警阶段结束，若采集的环境参数未突破设定界限，报警程序不启动，在整个工作期间，传感器一直正常工作，其正常工作与报警系统状态的变化无关。4.3.3ESP8266发送数据函数的设计首先设置AP和STA共存模式，接入已规划好的无线接入点，实现无线连接，将模块工作模式变为串口透传，切换模块到单节点通信状态，调整为数据发送模式，最后向缓冲区写入目标数据以完成外网服务端连接。ESP8266发送数据流程图如图4-5所示。图4-5ESP8266发送数据流程图4.3.4液晶显示设计在开展环境监测期间，运用液晶屏幕来呈现环境监测数据，相关的液晶显示流程看下方的图，用STM32实现液晶驱动，需符合接口时序的规范条件，基础实施包括以下核心环节，一开始要对液晶的初始化参数进行安排，完成初始化后，鉴于液晶驱动速率跟不上STM32的时钟频率，必须加入延时程序，否则会导致液晶显示出现异常。指纹认证系统软件实现过程中，运用函数封装技术处理液晶显示逻辑，使核心模块调用更简单，代码逻辑层次更合理，屏幕为四行纵向排列结构，初始化先按液晶规格书地址编码规则操作来调整首行显示定位，在配置位置呈现显示数据，再按相同逻辑调整第二行定位参数，显示模块运行完毕。液晶软件操作流程图4-6如下所示。图4-6液晶驱动流程图4.3.5PM2.5扫描子程序在供电开始时，系统通电后，雾霾传感器立刻进行初始化，通过1ms定时器周期，单片机引脚和雾霾传感器实现稳定连接，传感器可正常完成周边空气质量的采集工作，随着雾霾浓度升高，传感器输出电压上升，经AD芯片模数转换后，单片机对数值处理分析，液晶屏持续更新PM2.5采集读数，若采集的PM2.5数值超过报警设定值，就启动预设的三级净化与报警程序，传感器以固定频率采集环境颗粒物浓度，显示屏实时更新当前采集的数值，一直保持着提示的效果。如图4-7所示。图4-7PM2.5采集流程图4.4一氧化碳、烟雾程序流程图给系统上电过程中，一氧化碳、烟雾传感器程序将开始初始化，并且将采集到空气中的一氧化碳、烟雾模拟量传输给STM32芯片，STM32芯片通过AD将采集模拟量转化成数字量，先判定一氧化碳浓度与烟雾量数值是否超过报警的标准，再用液晶显示器输出结果，如果超出系统进行报警提示。如图4-8所示。图4-8报警流程图5仿真设计5.1仿真软件介绍英国LabcenterElectronics公司所出的Proteus，是EDA解决方案，以高集成度见长的电路仿真与PCB设计功能而闻名。它不仅是电子工程师和嵌入式开发者的实用工具，也在教育领域广泛应用，为学生和爱好者提供了无需硬件即可验证设计的虚拟实验平台。软件的核心功能围绕“全流程设计”展开，用户可在同一环境中完成从电路原理图绘制、微控制器代码调试到PCB布局设计的完整流程，极大提升了开发效率。在电路仿真方面，Proteus基于SPICE模型支持模拟与数字电路的混合仿真，并内置丰富的虚拟元件库，涵盖电阻、电容、传感器、电机等各类器件。用户可通过虚拟示波器、逻辑分析仪等工具实时观测信号波形，调试电路行为。其独特之处在于对微控制器的深度支持，能够仿真包括8051、PIC、AVR、ARMCortex-M系列（如STM32）以及Arduino在内的多种主流MCU，甚至可与Keil、MPLAB等开发环境联动调试代码，实现硬件与软件的协同验证。对于PCB设计，Proteus提供从原理图到布局的无缝衔接，支持自动布线、自定义设计规则及实时3D可视化功能，用户可直观查看电路板的三维结构并导出标准格式文件（如Gerber或STEP）。软件内置超过8000个元件模型，同时允许用户扩展自定义库或导入第三方元件，满足多样化设计需求。在教育场景中，Proteus常被用于替代传统实验设备，降低教学成本；在工业领域，其快速原型验证能力可显著缩短产品开发周期。尽管功能强大，Proteus也存在一定局限性，例如高频电路仿真精度不足，复杂项目对计算机性能要求较高，且商业版授权费用相对昂贵。然而，其一体化的设计理念、友好的操作界面以及对嵌入式开发的深度支持，使其成为电子设计领域不可替代的工具之一，尤其适合中小型项目开发与教学实践。5.1.1仿真运行步骤首先，在Proteus中搭建核心电路，主控芯片选择STM32F103C8T6（若Proteus库中无此型号，可使用ARMCortex-M3通用模型替代）。传感器部分包括温湿度检测（DHT11）、PM2.5模拟输入（通过ADC通道连接可变电阻模拟）以及气体检测（MQ-135同样通过ADC模拟）。移动功能通过L298N电机驱动模块实现，驱动两个直流电机模拟轮子运动。显示模块选用LCD2，报警模块使用蜂鸣器和LED。所有元件需按数据手册连接至STM32对应引脚，例如DHT11数据线接至GPIO输入，L298N的IN1-IN4接至PA0-PA3，ADC通道用于读取PM2.5和气体传感器的模拟电压。图5-1仿真原理图5.1.2仿真程序设计图通过C语言进行程序编写，编写主要程序。如图5-2所示。图5-2仿真程序图5.2仿真调试传感器信号模拟：在Proteus中双击可变电阻，实时调整阻值以模拟PM2.5和气体浓度的变化，观察ADC读取值是否与预期一致。例如，将MQ-135对应的电阻值从1kΩ调整到10kΩ，模拟从清洁空气到污染环境的变化。电机响应测试：在代码中设置断点或添加调试输出，确认当ADC值超过阈值时，STM32是否正确输出电机控制信号。若电机未转动，检查L298N的使能引脚是否使能，或电机电源是否连接。报警逻辑验证：强制修改代码中的阈值（如将PM2.5报警阈值设为50），测试蜂鸣器和LED是否及时触发。如图5-3所示。图5-3仿真调试6结论与展望6.1结论随着本毕业项目的开展，从课题甄选到作品最终搞定，我掌控各阶段工作，经过同侪合作和老师教导，我汲取了新的知识，实际操作能力获得显著进步，对知识的体悟逐步加深，对课题及设计成果的认识有了明显提高。在之前的教学阶段里，设置了很多专业课程，像单片机应用技能、C语言编程入门、模拟和数字电路、电气控制与PLC系统等，之前主要是停留在掌握课本理论知识的阶段，课程设计项目曾融合了部分专业课的要点，不过课程设计仅围绕特定课程开展，导致设计要素分布出现学科偏向。就以前的课程设计来说，往往只关联单门已学课程的内容，毕业设计有明显区别，它综合性高，对大学所学知识进行了全面梳理，这次设计实践打破了仅运用某门课程或特定模块知识的常规做法，课程设计和毕业设计是局部和整体的联系，毕业设计是专业知识的实际表达。在该过程中，我们可以更高效地归纳所学知识并使之升华，有助于把课堂上的专业理论应用到实际情况中，实践的时候也能促进对知识的透彻领悟，使理论知识成为作品设计的支撑基石，鉴于其设计架构突破了单一模块的界限，实则是多个模块相互配合构成的集成化东西，它对我们的要求也相应地提高了。要实现产品多功能集成化、各功能层解耦运行，就需全面了解各元器件特性与功能特点，获取更充足相关知识，完成知识交叉融合，进而创作出更优秀的产品方案。就算原型制作时情况复杂，从硬件材料的挑选、电路搭建到软件调试，各种问题不断冒出来，依靠师生团队的合作，利用互联网搜索和图书馆的文献资料，基本解决了碰到的麻烦，毕业设计作品最终得以实现，即便操作时有些阻滞，可最终结果符合期望，成果让人满意，只是因为个人认知的局限，设计成果目前还有待改进之处，多个技术环节需要进一步优化。6.2展望面向未来，本设计的优化方向可从技术升级与功能拓展两个维度展开。技术层面，传感器精度的提升是首要任务。例如，采用激光散射技术替代传统红外光学方案，可将PM2.5检测误差从±10%压缩至±3%；引入金属有机框架（MOF）材料修饰的电化学传感器，可增强VOC检测的选择性，降低交叉气体干扰。数据处理算法亦需进一步革新：通过嵌入轻量化机器学习模型（如TinyML），系统可实现对污染物浓度趋势的预测分析，并结合用户行为数据（如开窗频率、人员密度）动态调整报警阈值，构建自适应环境管理系统。通信模块的升级同样关键，当前Wi-Fi传输虽满足基本需求，但在无网络覆盖区域存在局限性。未来可集成LoRa或NB-IoT模块，利用低功耗广域网络（LPWAN）技术扩大监测范围，尤其适用于地下室、仓库等信号弱区。功能拓展方面，设备可向“平台化”与“智能化”方向演进。平台化指通过标准化数据接口接入更多传感器节点（如噪声、光照强度），构建室内环境综合监测网络，同时兼容第三方智能设备协议（如Matter或HomeKit），深化与智能家居生态的整合。智能化则强调边缘计算能力的强化：在STM32平台部署微型AI推理引擎，可本地完成数据清洗、特征提取与异常检测，减少对云端算力的依赖，既提升响应速度，又保障用户隐私。此外，引入区块链技术对监测数据加密存证，可为室内空气质量评估提供不可篡改的记录，在房屋租赁、健康保险等场景中创造衍生价值。从应用场景延伸视角，本设计的研究成果可为智慧城市与公共健康管理提供底层技术支持。在宏观层面，通过大规模部署检测仪并聚合数据，可绘制城市室内空气质量热力图，识别污染高发区域，为城市规划与环境政策制定提供数据支撑。例如，识别老旧社区因通风不良导致的CO₂浓度普遍超标问题，可推动定向改造计划；在微观层面，设备与可穿戴设备的联动（如同步用户心率、呼吸频率数据），可建立“环境-生理”关联模型，为过敏体质或呼吸疾病患者提供个性化健康建议。而在突发公共卫生事件中（如传染病通过气溶胶传播），实时空气质量监测可作为早期预警系统的组成部分，辅助制定精准防控策略。值得关注的是，随着“双碳”目标推进与绿色建筑标准升级，室内环境质量将成为建筑可持续性评价的核心指标之一。本设计若与建筑信息模型（BIM）系统融合，可在建筑设计阶段模拟不同通风方案下的污染物扩散路径，或在运维阶段实时优化空调新风系统的运行参数，助力节能减排。此外，在工业4.0背景下，工厂车间、实验室等特殊环境的空气质量监测需求日益增长，设备可通过增加防爆认证、增强EMC抗干扰设计等改造，拓展至工业级应用场景。总之，本研究通过硬件创新与软件优化，为室内空气质量监测提供了一种高效、经济的解决方案，但其技术潜力远未被充分释放。未来研究需紧密跟踪材料科学、人工智能与通信技术的发展，持续提升检测精度、系统智能性与场景适应性，推动设