基于单片机的空气检测系统的设计

基于STM32的室内空气检测系统的设计

摘要：为保证居民生活环境的安全性，应该对室内空气质量参数进行检测，使人们能够及时了解室内的空气质量，排除险情，该设计通过STM32单片机结合蓝牙通信和温湿度、空气质量传感器来实现，利用传感器采集空气数据，了解居住环境的空气质量，将传感器采集到的数据通过主控单元进行模数转换，并输入到OLED显示器中显示，将处理后的数据通过蓝牙模块发送到手机APP，用户可以对数据进行实时检测。当检测到的数据超出设置范围时，蜂鸣器报警，排风扇启动，并通过蓝牙模块进行数据的传输，完成对室内空气质量的检测和改善。

关键词：STM32，蓝牙通信，智能报警通风，传感器技术

1 系统总体设计

1.1系统总体框图

该设计通过STM32单片机结合蓝牙通信和温湿度、空气质量检测传感器来实现，通过蓝牙模块和手机APP的连接，能让用户更方便的查看室内空气质量参数，当检测到的数据出现异常时，蜂鸣器报警，风扇启动，实现对室内进行自动通风。系统总体框图如图1-1所示。

图1-1 系统总体框图

1.2 系统功能实现

1.室内空气检测功能，通过空气质量检测模块，实现气体检测传感器对室内空气的检测功。

2.自动报警通风功能，通过设置阈值，当超过阈值时，实现蜂鸣器报警，自动通风功能。

3.显示功能，通过OLED显示屏显示当前空气质量参数以及温湿度信息。

4.蓝牙通信功能，通过蓝牙模块和手机APP的连接，实现数据的传输。

2硬件电路设计与实现

2.1单片机主控单元电路设计

本系统以STM32单片机作为主控单元，STM32F0系列单片机内核采用Cortex-M0，芯片内集成了定时器、ADC 模数转换器、FLASH为64KB，SRAM为8KB，最大CPU频率为48MHZ，工作电压在2.0 V 到 3.6 V之间，具有低功耗、低成本、高性能的优势，利用温湿度传感器模块、空气质量传感器模块采集数据、蓝牙模块用于数据的传输，利用各个模块之间的联系结合主控单元，以及按键模块的控制，实现单片机主控单元电路的设计。图2-1为主控单元引脚图。

图2-1 主控单元引脚图

2.2空气质量检测模块

空气质量传感器电路由MQ135传感器和MQ-2传感器电路共同组成，用于对室内有害气体的检测，MQ-2对烟雾、甲烷、酒精、液化气的灵敏度很高，MQ135也可以检测到很多有害气体，两者具有低成本，寿命长的优点。MQ135空气质量传感器具有两个输出端口，DO为数字信号的输出，映射着单片机的高低电平，就是超过设置的空气质量参数阈值时，单片机输出高电平，就能控制风扇的启停，AO为模拟信号的输出，两者的参考电压都为5V，本次设计用到的单片机的ADC为12位，因此电压的分辨率很高，在对空气质量数据采集时，采集到的数据对应的模拟电压量，数据浓度越高对应的模拟电压越高，再对模拟电压进行数字化，同理MQ-2传感器也具有类似的功能，利用STM32内部的ADC转换对采集到数据进行处理，这就是空气质量传感器电路的原理与设计。

2.3 温湿度传感器模块

本系统所用到的温湿度检测模块为DHT11传感器，有4个引脚，具有体积小低功耗的特点，供电电压3~5V，有一条传输数据的总线与单片机相连，可以通过这一条总线读取温湿度，发命令，一个引脚悬空，另外两个引脚分别接VCC、GND，温湿度传感器电路还具有一个上拉电阻，目的是调节高低电平，如图2-3所示。

DHT11数字温湿度传感器利用数字模块采集技术进行数字信号的传输，采集的数据在传感器内部要进行数字信号处理，以及校验，并且具有严格的控制时序，这也是单总线协议的特点，数据采集及传输的过程中，在传感器的内部进行了AD转换，输出的是数字信号，单片机上电后，主控单元发送一次开始信号后，DHT11将进入高速模式，并发送一次响应信号，将40bit的温湿度数据发送给单片机，格式为8bit湿度整数数据+00000000+8bit温度整数+00000000+校验位，温湿度小数部分默认为0，将前四字节相加得到的结果与校验位进行比较，相等就代表正常接收数据，否则就表示接受数据失败，完成一次数据采集后，DHT11进入低速模式。

图2-3 温湿度传感器电路

2.4 光强检测电路设计

光强检测框图如图2-4所示，对光照强度的检测需要进行模数转换。

图2-4 光强检测框图

光强检测电路由一个光敏电阻组成，电路构造简单，与单片机的PB2端口连接，通过主控单元去检测光强检测电路的电压变换，再将检测到的模拟量利用ADC转换，转化为数字量输出，光强检测电路如图3-8所示。

图2-5 光强检测电路设计

2.5蓝牙通信模块

蓝牙模块与STM32单片机、手机APP可以进行数据传输，用户可以通过手机APP连接蓝牙模块查看空气质量数据，这里的手机APP是蓝牙串口助手，如图2-6所示。

图2-6 蓝牙通信模块设计

本设计所用到的通信模块为JDY-31蓝牙，一般用到的引脚有4个，只需连接VCC、GND、TXD、RXD就能实现蓝牙通信功能，TXD为串口输出引脚，RXD为串口输入引脚，供电电压为3.6~6V，如图2-7所示。

蓝牙无线通讯技术适用于短距离通信，主要优势为低功耗、低成本，JDY-31蓝牙工作频段为2.4GHZ，通信接口为UART，支持通用传输协议SPP协议，蓝牙模块上有一个指示灯，未连接时一直闪烁，当连接配对成功时指示灯常亮，在进行蓝牙数据传输时，必须有两个角色，一个主角色，一个从角色，两者刚开始进行通讯时，主机发现蓝牙设备后，由主机查找配对，建立连接，匹配成功后，由空气质量传感器检测到的数据，通过单片机的数据处理，再经过蓝牙模块进行数据的传输，就能实时显示到手机APP上，用户就能很方便的查看数据。

2-7蓝牙模块引脚图

3 系统软件设计

图3-1 主程序流程图

本系统软件程序实现流程如图3-1所示，系统初始化，对系统时钟和一些外设进行初始化，以及一些参数的配置，然后各模块开始工作，空气质量传感器（MQ-2、MQ135）、温湿度传感器、光敏检测电路采集数据，通过主控单元数据处理，数据超出阈值，蜂鸣器报警，风扇开启，并显示到OLED显示屏，配置蓝牙模块与手机APP建立连接，将由主控单元处理好的空气质量参数、温湿度、光照强度数据通过蓝牙模块传输到手机APP。

4 系统测试结果

在不同环境内，空气质量传感器(MQ-2,MQ135)、温湿度传感器、光强检测模块采集到的数据经主控单元处理，显示到OLED屏，空气质量测试结果，这里的测试结果应在0-4095之间，每个不同的空气质量检测环境的检测时间大于5S,如表4-1所示。

5-2 空气质量检测结果

阈值2000 检测环境	正常环境	烟雾测试	液化气测试
空气质量检测(测试次数>10)	60-600	2037-4095	2156-4095
是否超过空气质量阈值	否	是	是
蜂鸣器是否报警	否	是	是
风扇是否转动	否	是	是

蓝牙与手机APP(蓝牙串口)配对连接时,OLED显示屏显示的数据与蓝牙模块和手机APP(蓝牙串口助手)传输的数据一致，检测环境分别为正常室环境和、液化气测试环境，正常室内检测结果和手机APP接收到的数据如图5-8所示，检测到的空气质量数据正常，蜂鸣器和风扇不工作。

图5-8 正常检测结果与数据传输

液化气测试结果如图5-9所示，检测到的空气质量数据超出阈值，蜂鸣器报警，风扇开启。

图5-9 异常检测结果与数据传输

5 总结

本文以STM32F030C8T6为主控单元，结合蓝牙通信和温湿度、空气质量检测传感器来实现，当检测到的数据出现异常时，蜂鸣器自动报警，风扇自动开启进行自动通风，通过蓝牙模块和手机APP的连接，能让用户更方便的查看室内空气质量参数，实现了智能化的需求。

这里面用到的手机APP是蓝牙串口助手，软件方面主要通过串口服务函数去控制单片机，就是用手机发送数据，单片机通过蓝牙接收数据，之后会执行相应的操作，下图为控制单片机的手机APP制作，比如手机上发送的命令为1，当单片机通过蓝牙模块接收到数字1，就会把相应的端口置为高电平或者执行控制外围设备的函数，风扇就会打开。

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