【基于单片机的室内甲醛和PM2.5监测系统设计8200字（论文）】

基于单片机的室内甲醛和PM2.5监测系统设计摘要室内的甲醛和PM2.5的含量超标常常给人们身体造成无法估量的危害，各类与之相关的疾病也在给人们带来了诸多的痛苦。为了更健康的生活，我们需要时刻监测周围空气的质量。为此，本文基于PM2.5传感器和甲醛传感器设计了室内甲醛和PM2.5的监测系统。当室内的PM2.5浓度或者甲醛浓度超标时，对应的指示灯亮，蜂鸣器响，手机APP显示超标信息。为了及时改善空气质量，该系统还加了风扇，当甲醛和PM2.5超标时，风扇启动实时将其排出室外。此外，手机APP端还能动态地设置室内的甲醛和PM2.5的报警阈值。本论文将具体介绍室内甲醛和PM2.5监测系统的开发环境与工具、软硬件的实现过程，以及系统将如何使用。该设计将能够提供给人们的室内生活提供空气质量保障，为人们的室内美好环境建设提供一定的科学依据。关键词：甲醛；PM2.5;室内；监测目录摘要 .引言1.1设计背景及意义1.1.1设计背景我们生活在科技发达的现代社会，的确在享受着现代文明带来的各种惊喜，与此同时有好处也必然有着其坏处，随之而来的是各个科技产品在生产的过程中产生的废气，还有汽车尾气排放，室内装修，购置人造的木板家具等所带来的空气污染的问题[[]刘雨竹,岑思婷,谢春花,等.室内空气污染现状及防治策略研究[J].中外企业家,2019,No.662(36):218-218.]。现如今出去到处走走，我们很少能看到清澈透明的蓝天，但是经常能看到工厂排烟囱排出来的工业废气。为此我上网查询了很多关于现如今为何空气不健康的因素，其中我认为最重要的因素就是甲醛和PM2.5。关于PM2.5，大家一定不陌生，小学的时候书本上就有介绍它的危害性，它能致癌，能伤害呼吸道系统，例如肺[[]齐丹丹,周枫,张晟昊.浅谈大气污染的危害及防治[J].上海节能,2020,No.377(05):64-68.]。然后我们介绍甲醛，这是一种无形无色但是有着刺激性气味的气体，它在2017年被归类为致癌物质。人们一旦吸入一定量的甲醛，它会诱发一些疾病，比如过敏性鼻炎和支气管炎，甚至会引起哮喘，严重的时候很有可能会导致死亡[[]梁雪松,殷明杰,刘晓秋,等.室内空气甲醛污染相关问题研究进展[J].中国公共卫生管理,2019,035(003):343-348.]。查阅有关资料后得知人体在面对甲醛和PM2.5是没有抵抗力的，所以人们需要生活在无甲醛和无PM2.5的生活环境中，才能有着健康的生活[[]郭敏,尹立峰,王兴,等.2014—2017年京津冀区域大气颗粒物污染演变特征分析[J].天津科技,2019,v.46;No.383(09):20-23.]。为此我设计了室内甲醛和PM2.5[]刘雨竹,岑思婷,谢春花,等.室内空气污染现状及防治策略研究[J].中外企业家,2019,No.662(36):218-218.[]齐丹丹,周枫,张晟昊.浅谈大气污染的危害及防治[J].上海节能,2020,No.377(05):64-68.[]梁雪松,殷明杰,刘晓秋,等.室内空气甲醛污染相关问题研究进展[J].中国公共卫生管理,2019,035(003):343-348.[]郭敏,尹立峰,王兴,等.2014—2017年京津冀区域大气颗粒物污染演变特征分析[J].天津科技,2019,v.46;No.383(09):20-23.1.1.2开发意义我依稀记得我小时候的天空是十分的清澈，空气也是十分的清新。经过了这么多年的发展工业，给我们带来了空气污染的巨大问题，想要解决这个问题必定是一个漫长且艰难的过程。先说说室外空气质量，有些地区外面的空气质量差到出去走走都能有一鼻子灰。再来说说室内的空气质量，一旦室外的空气质量很差，也会影响到室内的空气质量，而且大多数的人们在室内生活的时间是比去外面时间要多的，在长期呆着的地方，空气质量不达标，将会给人体带来不可修复的伤害。我认为优先解决室内的空气质量问题是十分重要的。在多方面的了解后，首先要解决甲醛和PM2.5这两大敌手。为此本文将设计室内甲醛和PM2.5监测系统。当你劳累一整天回到家中，甲醛和PM2.5都已经排出到室外，你的身心都会得到美好空气的治疗。为了更方便我们知道甲醛和PM2.5的浓度值，我加入了液晶显示器，以及能够在手机APP界面很清晰的了解实时信息。而且我们可以通过手机设置甲醛和PM2.5浓度的阈值，一旦超过这个阈值，可以将家里的窗户打开，并通过风扇将室内的甲醛和PM2.5排出室内，以此来获得室内环境优良的目的。为了人们的身体健康，我们不能让有害气体在室内存在。本文的设计意义在于如何让室内的环境更适于人类生活，为了更美好的科技与健康生活相结合的未来，我认为先应该解决我们的室内环境的问题。1.2技术背景室内甲醛和PM2.5监测系统的设计有以下几点：（1）系统结构：为实现室内甲醛和PM2.5监测系统，我充分结合了软硬件的知识，设计了此系统。硬件部分主要有STM32单片机、PM2.5传感器、甲醛传感器、LCD1602液晶显示、蜂鸣器报警、LED指示灯、WiFi-ESP8266模块以及代替开窗通风的风扇。应用时，将单片机进行通电，之后在手机上启用配套的手机APP连接便可以与STM32单片机实现建立连接实现通信。一旦室内的PM2.5浓度或者甲醛浓度超标，标识它们的LED灯亮，蜂鸣器发出警告声音，与此同时给WIFI串口助手APP发送超标后的浓度信息，同时风扇启动。否则，标识它们LED灯不亮，蜂鸣器无反应，不给APP发送相关信息，风扇不启动。手机APP上可以实现监测到甲醛和PM2.5浓度的变化，并可以在手机APP上使用命令来设置甲醛和PM2.5的阈值。（2）开发工具：本设计的STM32单片机它所需要的设计语言是C语言，其开发工具Keil5，操作系统是windows10[[]周江.STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数字技术与应用,2015,000(011):1-1.]。C语言是一门面向过程的计算机编程语言，它既可以是系统设计语言也可以作为应用程序设计语言，正因为如此它能够胜任很多方面的应用，人们也很乐意使用C语言来编程。当人们在对操作系统以及需要和对硬件进行操作的情况下，而我们的C语言是非常具有优先选择权的。我们开发工具是Keil公司开发的，因为这家公司在微控制器软件开发工具方面是第一层次的，所以选择了Keil5作为开发工具。我们所使用的[]周江.STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数字技术与应用,2015,000(011):1-1.（3）系统便捷性：本设计用WIFI连接STM32单片机和手机WIFI串口助手APP，可以实时将监测到的甲醛和PM2.5的浓度值传回到手机上，在手机APP上显示出来。不仅如此，本设计上还加入了LCD液晶显示器，液晶显示器也可以十分清楚方便的显示此时的甲醛和PM2.5的浓度值。而能源的问题，STM32单片机只需要充电宝之类的电源便能为它提供能源。本系统的设计是以以下技术作为支撑：STM32单片机核心板模块和ESP8266WiFi模块。首先，STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的，它是微控制器。为什么要选择此款控制芯片呢？，考虑到可能后面还需要加入一些功能，那如果选择接口数少，功能少的设备，将会给我带来很大麻烦，所以我选择了这一款设备，我认为它是十分契合本设计的。ESP8266WiFi模块，选择它是因为它低功耗，它封装尺寸小，它在一些移动设备或者在物联网应用设计中它能给你带来意料之外的惊喜。在本设计中的ESP8266模块，我选择了使用AP模式，在AP模式下，我们将WIFI模块作为热点，手机通过连接热点能实现手机和模块的连接，可以实现在局域网下的无线通信[[]朱向庆,何昌毅,朱万鸿,等.基于STM32单片机的通信技术实验系统设计[J].实验技术与管理,2019(8).]。[]朱向庆,何昌毅,朱万鸿,等.基于STM32单片机的通信技术实验系统设计[J].实验技术与管理,2019(8).1.3论文的组织结构本论文主要由以下六章构成：第一章为本论文的引言。引言中介绍了本文的设计背景，开发意义，开发工具和相关的应用技术以及系统的便携性。第二章为本论文的可行性分析与需求分析。本章节将具体介绍本系统的功能以及各个部分是如何进行连接的，以及要考虑到经济和技术方面是否可行。第三章为本论文的硬件设计。本章节将具体介绍本设计中用到的每个硬件的原理图和系统的结构图。第四章为本论文的系统实现。本章节是对该系统是如何实现的，以及其原理进行论述讲解。第五章为本论文的系统测试。本章节将对所实现的室内环境监测系统进行测试。第六章为本论文的结论。本章节为本论文的总结及对未来的展望。2.可行性分析与需求分析2.1系统综述室内甲醛和PM2.5监测系统是软硬件相结合方式设计的。硬件部分主要由STM32单片机、PM2.5传感器、甲醛传感器、WIFI-ESP8266模块组成。软件是使用KeilμVision5编写。LCD液晶显示器是为了更方便我们监测数据而加入的，它能实时监测数据。一旦室内的PM2.5浓度或者甲醛的浓度超标了，蜂鸣器开始响，能代表它们的指示灯开始亮，同时给WIFI串口助手APP发送报警信息，同时风扇启动。如是没有超标，蜂鸣器不响，指示灯不亮，也不给WIFI串口助手APP发送报警信息，风扇不启动。设计中我将设置阈值的方式，放在了手机APP里，我们可以通过手机APP发送指令可以设计PM2.5和甲醛的浓度阈值。2.2可行性分析2.2.1技术可行性室内甲醛和PM2.5监测系统，开发语言使用的是C语言，在Keil5这个平台上完成代码的编写等操作，其中关于C语言方面的知识，我们在大学的课程中就有开设，并且网上的C语言相关的编程学习视频也是比较多的，而且STM32单片机的操作也是较为简单和比较友好的，并且在之前的大二课程中就有相关的理论课程和实验课程，因此在开发技术层面是可行的。2.2.2经济可行性本设计所需要购买的各种器件中，除了STM32单片的价格稍贵一点，却也不超过300元，而其他所运用到的模块价格在10元到50元不等，算是比较便宜的。这些器件所带来的其他价值我认为是完完全全值得的，并且在开发的过程所运用到的开发工具均是免费提供给开发者的。所以在经济层面来说也是可行的。2.2.3操作可行性关于本系统操作的方面，之前在课堂中老师也有教过我们，我们也可以通过上网查询书籍以及相关的视频介绍，我们便可以学会如何去操作本系统。硬件的配置的方面以及如何使用手机APP也是可以通过相同的方式自学。关于如何将硬件与手机APP连接起来，首先我就以WIFI的形式连接起来是比较好的，只要加入WIFI模块就行。接下来只要通过看视频学习如何用WIFI模块将硬件和手机APP实现连接就能做成功，因此在操作方面也是可行的。2.3需求分析甲醛和PM2.5采集模块图2-1采集流程图在设计中我将使用甲醛传感器和PM2.5传感器分别来采集游离在空气中的甲醛和PM2.5，之后将采集到的数据再传输给STM32单片机。STM32单片机处理数据之后，将处理过后的结果，通过LCD液晶显示器显示刚刚采集到甲醛和PM2.5的浓度值。此时的手机APP界面也将和LCD显示屏幕上的内容显示一致。甲醛和PM2.5浓度超标传输模块图2-2超标后传输流程图当甲醛浓度超过我们所设置的甲醛浓度的阈值，对应甲醛超标的LED1开始亮，并且蜂鸣器开始鸣响，风扇启动，并且我们可以通过板子上的显示器和手机APP可以看到此时超标后的浓度值。PM2.5浓度超标也是如此，不过对应PM2.5超标的指示灯不同而已，是为了更好的区分是那个超标，就能拿出相应的办法来解决超标问题，不仅仅是风扇而已。设置甲醛和PM2.5阈值传输模块：图2-3设置阈值传输流程图手机APP通过发送*JQ022#指令来设置甲醛阈值2.2，LCD液晶显示器上甲醛阈值更改为JQ2.2；发送*PM133#指令来设置PM2.5阈值133，LCD液晶显示器上PM2.5阈值更改为PM133。3.硬件设计3.1室内甲醛和PM2.5监测系统结构图室内甲醛和PM2.5监测系统结构如下图3-1所示：图3-1系统结构图3.2STM32单片机开发板STM32单片机是我选来做毕设的主控制器。STM系列单片机是意法半导体ST公司生产的，它是微控制器[[]岳锐.基于物联网的居家环境监测系统设计[D].中北大学,2017.]。再选择此款设备之前，我有对很多设备做出选择，最终选择了这一款设备，它能带来更多的接口和功能，这正是我所需要的。我最终选择它的理由还有以下这几点：(1)内核最新；(2)实时的性能相对来说比较好；(3)功耗控制方面做的比其他单片机要好；(4)集成整合度高；(5)开发友好性。其实物如下图[]岳锐.基于物联网的居家环境监测系统设计[D].中北大学,2017.图3-2STM32F103C8T6单片机实物图STM32F103C8T6单片机开发板的管脚分布图，如下图3-3所示。图3-3单片机管脚分布图3.3甲醛传感器甲醛传感器我选择的是MS1100甲醛传感器，用它来检测甲醛等一些有害的刺激性气味的气体，它是半导体传感器[[]李娟娟.基于单片机的甲醛浓度检测仪的设计[J].信息通信,2016,000(011):56-57.]。MS1100[]李娟娟.基于单片机的甲醛浓度检测仪的设计[J].信息通信,2016,000(011):56-57.MS1100甲醛传感器在电路中接口图如图3-4所示：图3-4MS1100甲醛传感器模块接口图MS1100甲醛传感器实物图如图3-5所示：图3-5MS1100甲醛传感器实物图本设计中MS1100甲醛传感器：VCC接5V正电源，DO接PA1，GND接GND。甲醛传感器模块引脚如下表3-1所示：表3-1甲醛传感器模块引脚分布表甲醛传感器引脚单片机IO口VCCVCCGNDGNDDOPA13.4PM2.5粉尘传感器本设计用到的PM2.5粉尘传感器是夏普公司的传感器GP2Y。它作为检测PM2.5浓度的传感器性能十分出色。这款传感器安装很简单，它的服务的周期时间较长，能检测到很低浓度下PM2.5的浓度值，并且它检测到的PM2.5的浓度值趋于稳定性，不会出现异常值等等优点[[]AdamJaboński,Michaegleń,StaszewskiW,etal.HowtoBuildaVibrationMonitoringSystemonYourOwn?[M].2018.]。它的工作原理是当室内环境中的粉尘颗粒等处于传感器检测范围内时，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使其能够探测到空气中尘埃的反射光，即使是非常非常小的颗粒也能够被其检测到，由这些灰尘产生的反射光射入传感器光接收元件后，传感器会对应产生关系的电压输出[[]段敏,刘聪,曹景胜,等.基于STM32的汽车尾气PM2.5监测系统设计与实现[J].汽车工程师,2016(9):17-20.]。下图3[]AdamJaboński,Michaegleń,StaszewskiW,etal.HowtoBuildaVibrationMonitoringSystemonYourOwn?[M].2018.[]段敏,刘聪,曹景胜,等.基于STM32的汽车尾气PM2.5监测系统设计与实现[J].汽车工程师,2016(9):17-20.图3-6PM2.5粉尘传感器实物图图3-7PM2.5粉尘传感器模块电路原理图图3-7为PM2.5粉尘传感器模块电路原理图。PM2.5粉尘传感器模块引脚分布表如下表3-2所示：表3-2PM2.5粉尘传感器模块引脚分布表PM2.5粉尘传感器引脚单片机IO口VCCVCCGNDGNDTXDRXD23.5ESP8266-WIFI模块ESP8266-WIFI模块在传输过程中的数据基本不丢失，断连次数几乎没有，它所消耗的能源几乎可以不计，并且ESP8266-WIFI模块只需要很低的价格就可以入手，是个物美价廉产品。ESP8266-WIFI模块它可以适应大部分的恶劣情况，就算在温度极高的情况下，它也可以持续的进行工作，这是大部分的模块都无法实现的[[]曹振民,陈年生,马强,等.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机,2017(01):68-69.]。ESP8266-WIFI模块有三种工作模式，AP模式、STA模式以及AP+STA模式，其中本设计运用到的是AP模式，在AP模式下以ESP8266-WIFI模块为桥梁，将它作为一个Wi-Fi热点，然后把手机通过搜索WIFI，实现手机和模块之间的通信[[]沈华刚,吕刚磊.基于ESP8266串口WiFi智能插座设计[J].电子世界,2019,565(07):204.]。我们在手机APP上输入更改阈值的指令，该指令通过WIFI传给了ESP8266；再经过ESP8266转换信号，才能由串行通信口传送给MCU；MCU在得到指令数据后就开始执行处理数据；最后MCU处理完成后再通过ESP8266芯片，把执行结果反馈给终端设备手机，最终可以实现手机与模块的连接[[]RahimM,RamliNS,WahabN,etal.ModellingAutomaticIoTHomeLightSystem(SmartLi)byNODEMCUESP8266.2019.[]曹振民,陈年生,马强,等.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机,2017(01):68-69.[]沈华刚,吕刚磊.基于ESP8266串口WiFi智能插座设计[J].电子世界,2019,565(07):204.[]RahimM,RamliNS,WahabN,etal.ModellingAutomaticIoTHomeLightSystem(SmartLi)byNODEMCUESP8266.2019.图3-8ESP8266-WIFI模块实物图下图3-9为WIFI模块传输数据流程图：图3-9WIFI模块传输数据流程图图3-10为WIFI模块的管脚图：图3-10WIFI模块的管脚图表3-3WIFI模块引脚分布表WIFI模块引脚单片机IO口RXDTXD1TXDGNDRXD1GNDVCCVCC_5V本设计中还加入了无线转接板模块是为了方便后面如果使用其他无线功能，就可以直接继承无需在添加其他无线模块。下图3-11为无线转接板实物图：图3-11无线转接板实物图图3-12为无线转接板的内部原理图：图3-12无线转接板内部原理图3.6LCD1602液晶显示模块LCD1602液晶显示器能够显示字符和字段。本设计需要显示甲醛和PM2.5的实时浓度值，以及他们各自的阈值，所以我只需要采用它的字符型显示即可。选择这一款LCD显示器，是因为体积较小但是显示的内容也很丰富，因为体积小并且是液晶显示所以相较于其他普通的显示器它的能耗较低等优点[[]于志赣,刘国平,张旭斌.液显LCD1602模块的应用[J].机电技术,2009,032(003):21-23.]。下图3-13为LCD1602[]于志赣,刘国平,张旭斌.液显LCD1602模块的应用[J].机电技术,2009,032(003):21-23.图3-13LCD1602液晶显示器实物图下图3-14液晶显示器原理图：图3-14液晶显示器原理图本设计中LCD1602与单片机的引脚接口是：RS接PB5；RW接PB6；E接PB7；DO～D7分别接PB8～PB15。4.系统实现4.1程序设计概要本设计主要以STM32单片机为核心。甲醛传感器和PM2.5传感器采集空中的甲醛和PM2.5的浓度值，然后将得到的信息再传给STM32单片机；STM32单片机将采集到的数据进行数据处理后，再传送给ESP8266-WIFI模块；ESP8266-WIFI模块再将数据进行处理通过Wi-Fi传给手机APP。同时LCD模块和手机APP显示甲醛和PM2.5浓度的实时数据。4.2主程序设计4.2.1主程序设计原理主程序的设计，首先通过USB接口给单片机通电，对设备进行初始化后，打开手机APP连接设备。然后用甲醛传感器和PM2.5传感器分别来检测室内甲醛和PM2.5的浓度，如果室内甲醛的浓度或者PM2.5浓度超标则对应的指示亮，同时给Wi-Fi串口助手APP发送报警信息，蜂鸣器鸣响，风扇启动，否则指示灯不亮，不发送报警信息，蜂鸣器不响，风扇不启动。4.2.2主程序流程图图4-1主程序流程图4.3硬件程序4.3.1甲醛传感器模块相关代码接收到甲醛的字符串，“JQ”以及提取设置甲醛的参数，代码如下：甲醛浓度和相对应灯的亮灭，如果甲醛现在实际检测到的浓度，大于我们所设置的甲醛浓度的值，点亮对应的灯；否则关闭掉对应的灯，代码如下：甲醛的值是根据传感器内的输出电压有关的，将电压值进行对比，如果电压值是小于0值则电压值为0，否则电压值满足这个公式volt=(volt-Volt_ACS712_ZERO)/0.185，与之相关的代码如下：调用上面所得来的volt值可以来计算甲醛的浓度值，代入甲醛的计算公式便可以计算出甲醛的浓度值，与之相关的代码如下：甲醛和PM2.5是否超标对应是否报警，对应是否启动风扇和关闭风扇。如果buzzer为高电平则报警，为低电平则取消报警；如果fan为高电平则启动风扇，为低电平则关闭风扇。相关的代码如下：4.3.2PM2.5传感器模块相关代码接收到PM2.5的字符串“PM”，提取设置PM2.5的参数，代码如下：PM2.5值的初始化设置以及PM2.5值的转换的相关代码如下：PM2.5浓度和相对应灯的亮灭，一旦传感器检测到的PM2.5的浓度值大于我们设置的值，则点亮对应的灯，否则关闭对应的灯，相关代码如下：4.3.3ESP8266Wi-Fi模块相关代码Wi-Fi模块初始化，我们设置该模块的模式为AP模式，这个模式下可以实现无线局域网通信；我们还需要设置Wi-Fi名称和密码，设置好后返回其真值即可，相关代码如下：我们还需要将甲醛和PM2.5的数据格式进行转换。如果此时测得数据是大于所设置的值，则先清除之前的标志，然后ESP8266发送数据给液晶显示暂存数组，再从里面取，这样就能实现实时数据的显示，相关代码如下：设置模块的模式，mode即模式，取值1、2、3，1为STA模式，2为AP模式，3为AP+STA模式,def为设置是否保存到模块的flash中相关代码如下：4.3.4LCD1602模块相关代码我们需要向LCD1602写入数据，SetXY是设置字符的初始位置，X代表列，Y代表行，然后向LCD1602写一个字符串，相关代码如下：LCD显示屏上显示甲醛浓度和PM2.5浓度的以及各自阈值的相关代码：5.系统测试5.1甲醛传感器模块功能测试甲醛传感器模块功能测试主要是测试甲醛的浓度超标的情况下，对应的LED亮，蜂鸣器鸣响，风扇启动；甲醛没有超标的情况下，则对应的LED不亮，蜂鸣器不响，风扇不启动。本设计我将用带有气味的记号笔来测试功能。甲醛传感器的测试结果如下表5-1和图5-1：表5-1甲醛传感器模块测试结果方法结果不用记号笔对应的指示灯不亮，蜂鸣器不响，风扇不启动，LCD显示器和手机界面的阈值和浓度无变化。使用记号笔对应的指示灯亮，蜂鸣器鸣响，风扇启动，LCD显示器和手机界面的阈值和浓度发生变化。图5-1甲醛传感器测试结果实物图5.2PM2.5传感器模块功能测试PM2.5传感器模块功能测试主要是测试PM2.5的浓度超标的情况下，对应的LED亮，蜂鸣器鸣响，风扇启动；PM2.5没有超标的情况下，则对应的LED不亮，