【基于单片机的空气质量检测仪设计8100字（论文）】

第第[7]。工作原理为用数字电压的高低来表示周围是否有磁场的存在，即当周围有磁场存在时，数字电压的输出值比较低，指示灯亮起；无任何情况时，输出的电平值比较高信号灯不亮。到目前为止，该传感器经常因为霍尔效应的现象被制作成一系列的电磁元件，常常被那些技术人员广泛应用在一些自动化和信息处理等一些重大研究上。图3-63144霍尔传感器实物图由于霍尔传感器的内部结构组成，决定了它可以被广泛用来测量数据，因此可以利用器件本身的特点来测量各种各样的物理量。当测量那么多物理参数的时候，被测的物体表面会增加一个半导体的材料，它可以通过寻找半导体材料的磁场变化来对物体进行一个比较实时的测量。在这个检测系统中，我们可以通过用磁铁靠近霍尔元件来改变风速的大小，然后在单片机另一个引脚上连接了一个按键，可以通过按键将风速归零。测速原理如下图3-7所示。图3-7霍尔传感器的测速原理图3光敏电阻传感器模块在现实生活中，需要用到光敏传感器的地方有很多，比如声光控灯、太阳能板、智能显示屏等，光敏传感器不只是可以检测光，还可以作为其它传感器的内部器件，用作探测原件。它的工作原理是内部物质的光电效应，它里面有一个精确度非常高的光电管，当光的照射强度较强时，光电管内部产生的电流会随着光强的增强而增大。另外，光敏电阻传感器的体积很小，易于装置，工作性能也很稳定，可以用很长时间，价格也比较经济实惠。传感器中的光敏电阻在交变以及直流电压下都可以正常使用。其芯片和引脚定义如图3-8和表3-2所示。图3-8光敏电阻传感器实物图表3-2DHT11引脚说明引脚编码名称注释1VCC3.3～5V供电2GND串行数据，单线双向3DOTTL数字信号输出4AO模拟信号输出图3-9光敏传感器的原理图光敏传感器的原理图如上图3-9所示，由于DO引脚可以快速的检测到光强，在整个系统的连接方面，将传感器的DO引脚端与单片机相连，这样就可以通过单片机来测量电平的高低并转化为环境的光照强度。输出AO引脚直接可以与AD模块连接，这样测量的数值更加准确。4一氧化碳检测模块一氧化碳检测模块使用的是MQ-9气体传感器，对于一氧化碳、甲烷等一些有害气体的敏感度非常高，元器件如下图3-10所示。MQ-9气体传感器的内部气体材料为二氧化锡，并且具有特别低的电导率，并且它的整个版面使用的是优质的双面板设计。整个器件系统的检测方法运用的是高温与低温相互循环的方式，当整个器件处于低温（1.5V加热）状态时，就可以检测到一氧化碳气体，并通过观察传感器的电导率的变化情况来评估空气中一氧化碳的浓度大小，当器件处于高温（5V加热）状态时，所检测到是可燃性气体，还可以清洁当中的所有杂质。MQ-9气体传感器是一款可以检测多种可燃气体以及有毒气体，也是一款性价比相对较高且适用于多种场合的传感器。图3-10一氧化碳检测模块实物图图3-11一氧化碳模块的原理图由上图的模块原理图所示，将该传感器的AO（模拟信号输出）引脚与STM32的A7引脚相连，通过这一引脚将传感器所获得的数值信息交给单片机处理，这是所获得的模拟量数值会跟随所测量的气体浓度的增大而增大，当一氧化碳的浓度大于3000LM时蜂鸣器会发生报警，这时就可以知道周围的环境中存在大量的有害气体。5PM2.5传感器模块由与近几年环境质量越来越差，PM2.5（小于等于2.5微米的细颗粒物）的浓度也在逐年的往上增加。尽管PM2.5仅仅是全球大气含量比较少的组成成分，但是这种颗粒物附带毒性，它的生存能力也比其他的大气颗粒物的活力强很多。因此，这种颗粒物待在大气中的时间很长，并且大气中检测到的浓度越高，就表示当前的空气污染非常严重，甚至很有可能危害着我们的健康。PM2.5传感器可以用来检测我们身边及其周围空气中的那些细小颗粒物的密集度，即GP2Y1014AU粉尘颗粒传感器（具体实物如下图3-12），由于该传感器在检测特别细小的颗粒物上有明显的效果，所以在日常生活中经常被用作空气净化器。图3-12GP2Y1014AU粉尘传感器实物图整个传感器装置是由一个二极管和一个可控硅整流器组成，两者之间的对角布阵能够准确的检测到在空气中的灰尘反射光。在电流使用方面，能够搭载高达7VDC的传感器，且耗费的电量是整个系统中最少的，总得来说就是用一个模拟电压值来正比于这个粉尘的浓度，在这种情况下，传感器就会根据不同的灰尘浓度来输出不同的电压，再通过数值处理就可以转换成该系统所需要的灰尘颗粒物的浓度（即PM2.5的浓度）。原理如下图3-13所示。图3-13PM2.5模块原理图在该空气质量检测系统中，PM2.5传感器与单片机之间的通信使用的是AD采样以及串口这两种方式，在该系统中传感器将获得到的数值信息传送给单片机。一般情况下，该模块的数值不会发生太大变化，只有在颗粒物和香烟烟雾浓度特别高的时候，数值就会发生特别大的波动。（三）液晶显示器模块液晶显示屏中经常被使用的有12864、1602、TFT（薄膜液晶管）等液晶显示器，每个显示器都拥有着自己的优点和缺点。1602这个型号的液晶显示屏的分辨率是比较低的，屏幕显示的内容比较少并且只能显示字符；12864这个型号的液晶显示屏的分辨率是128*64，芯片内含有8192个中文汉字和128个字符；而TFT液晶显示屏则是彩色的，分辨率高达800*600且内容非常丰富，可以显示数字、汉字、字符等内容，工作的温度也较高，对比度高，亮度好、层次感强，色彩鲜艳，也比较适合用来进行硬件开发图3-14TFT液晶显示器实物图该液晶显示器的引脚接口定义如下表4-2所示：表4-2液晶显示器的技术指标编号名称注释1GND接地，电源负极2VCC3.3V～5.0V3SCLSPI时钟线4SDASPI数据线5RES重启接口6DCSPI数据/命令选择7BLK背光控制，默认浮动，低电平关闭TFT液晶显示屏与单片机STM32的接口电路如图3-15所示。图3-15TFT液晶显示器模块原理图（四）WIFI模块为了能够让用户更加方便使用这个系统，以及更加及时的了解用户所处之地的空气质量情况，可以通过ESP8266这个无线收发串口器件将单片机所采集到的数据发送到手机端。ESP8266WIFI模块具有价格合适、方便快捷以及还可以用来进行双向性数据传输的优点，被广泛应用于硬件开发系统。ESP8266WIFI模块的具体实物图如下图3-16所示。图3-16ESP8266器件实物图STM32单片机可以通过串口控制ESPWIFI模块并发送一系列的指令。将手机无线打开按下与该模块连接的按键，将手机与其同一个用户名连接起来，就可以将周边的空气质量情况发到手机端，每隔500ms上传一次到手机软件上。图3-17ESP8266模块原理图STM32单片机可以通过串口控制ESPWIFI模块并发送一系列的指令，ESPWIFI模块的具体原理图如下图3-17所示。,将手机无线打开按下与该模块连接的按键，将手机与其同一个用户名连接起来，就可以将周边的空气质量情况发到手机端，每隔500ms上传一次到手机软件上。四、系统的软件设计（一）系统的主程序设计截止到目前为止，有很多种程序语言都可以用来设计编写单片机的程序，本次设计使用的是Keil软件进行开发，编程界面如下图所示，该开发环境支持单片机STM32系列芯片，并且在这个软件中可以采用C语言来进行编译。同时STM32单片机在开发时可以调用自己的库函数来编写对应的程序，增加了程序的移植性，提高了编程的效率。图4-1系统软件设计的编程图本次软件设计的程序流程如图4-2，主要过程就是将系统通电后先进行串口初始化，还有传感器模块和WIFI模块的初始化，然后发送命令让温湿度传感器、霍尔传感器、粉尘传感器、一氧化碳传感器和光敏电阻传感器进行数据采集和处理，采集完数据之后，启动WIFI模块则开始搜索无线设备，连接之后，将数据通过WIFI发送到手机软件上。

开始结束WIFI模块是否连接搜索无线设备并连接实时显示在显示器上系统信号的数据处理系统信号的数据采集系统的初始化开始结束WIFI模块是否连接搜索无线设备并连接实时显示在显示器上系统信号的数据处理系统信号的数据采集系统的初始化NY移动终端移动终端图4-2系统主程序流程图由流程图可以看出，系统的软件设计和硬件设计可以一样分成各个模块来设计，首先对每个模块都进行初始化，设置一些比较重要的参数，再通过调用每个功能模块的函数来实现系统的数据采集、处理、报警以及与无线移动终端等功能，这样就可将各个模块所受到的数据都显示到TFT液晶显示器上。（二）系统的软件调试把整个系统的状态调整好之后，打开上述编写程序的软件，在跑程序软件中运行自己编写好的代码，修改和完善其中一直出现的错误，检查没有错误后就可以生成hex文件，将改好的程序导入到单片机中。调试之后，通过观察电路板上的TFT液晶显示器（如下图4-3所示），可以看出整个程序并没有出现错误，运行出来的数据并没有出现太多错误。图4-3运行后的数据

五、测试与结果分析对于系统的测试目的就是为了能够发现系统在设计过程中的疏忽与错误，能够及时订正，确保整个系统能够达到所设想的设计要求。测试阶段就是整个系统设计的最终环节，也是相对重要的一个过程，更是为了能够保证系统质量的关键环节。测试成功之后，对系统所出现的一些问题进行修正和改进，然后开始利用这个系统对空气的质量进行测试，将系统运行之后所得到的测试结果进行分析，准确评估这个空气质量检测仪的性能，为以后的修改系统和研究设计提供一些有价值参考。本设计的最终成品图如下图5-1所示。图5-1系统的硬件实物图（一）系统的整体测试在对整个硬件系统的是否能正常使用之前，要对所有的传感器模块分别进行一个调试，目的是为了排除系统运行时可能会存在的一些问题，能够让整个系统顺利的运行下去。接着需要使用先前搭建好的测试环境来检测整个系统是否能够达到预计的设计要求和目的，然后对整个硬件系统的测试情况进行一定的评估，通过USB接口连接到电脑上对空气检测仪进行供电，整机测试的结果如下图5-2所示。

图5-2整个系统的测试结果经过试验可以看到当点着的香烟慢慢靠近PM2.5传感器时，液晶显示屏上的数据一直在不断的上升，超过了之前设置的报警值，紧接着蜂鸣器进行报警，来提醒使用该系统的用户当前所处的环境PM2.5浓度已经超标。最后经过多次整个系统的测试之后，可以发现所设计的整个系统能够完成之前预想的显示、报警以及与手机端上传数据等功能。（二）无线系统测试空气质量检测系统需要配合无线模式才能够与手机终端设备连接到一起，按下与无线模块连接的按键，当ESP8266器件的指示灯亮起时，用密码连接到手机上，紧接着打开手机上的软件对于器件进行配置。最终WIFI模块开始工作，每隔一段时间就会将测量的数据实时地发送到手机终端进行显示，手机终端显示的结果如下图所示。图5-3手机终端显示结果通过对整机的测试和无线模块的测试，可以看出两者所显示的数据是完全相同的，实现了对数据进行实时测试的结果的功能，得到了所预期的效果。（三）结果分析通过对测试出来数据的统计和分析，这些结果明显的可以体现出系统可以非常稳定，并且可以长时间地运行，能够准确地测量出所有传感器对于空气质量的指标性问题，能够获得大气中温湿度、风速等信息，并且能够通过手机APP可以查看所监测到的信息，能够对于周边的环境进行一个实时监控，然后当PM2.5到达一定值时就能报警，所以本次所设计的系统满足之前所预测的效果和要求。

五、结论目前随着我们对于空气质量的要求越来越高，相关的空气质量检测产品的发展空间也会越来越大，我们可以看到在未来的市场中，是有着不错的发展市场和空间的。随着其功能体系的不断完善它将拥有更强大的检测精度，也将会更快地不如市场发挥其功效。在本项目中初步地对空气质量检测系统进行了简单的设计。对系统进行了总体设计并根据功能的不同将系统划分为不同的几个模块。（1）第一部分主要实现基于环境的数据收集。本文的主要工作包括传感器的选择、数据采集功能的实现，硬件的设计与实现以及系统的调试。（2）主要是环境数据的处理。这部分通过软件程序的设计来建立数据显示系统，包括报警反馈机制。（3）第三部分主要是对整个系统的硬件和软件进行测试，测试功能、数据处理、数据传输、显示等。对各个模块进行测试，测试整个系统的功能，并根据测试反馈进行改进。本次课题研究是基于多气体传感器的空气质量检测仪设计。论文的研究内容包括电子系统设计、传感器设计和空气质量检测。经过不断的测试和调试，达到了设计目标。

参考文献祝凤金.基于单片机的空气质量及温湿度检测仪的设计[J].2021(2016-2):62-64.邓然,朱英坤,林德洋.基于单片机的空气质量检测系统设计[J].科学技术创新,2019(33):2.杨菲.室内空气质量检测与报警系统的设计与实现[J].电子制作,2020(3):3.李磊.基于空气质量检测的智能窗户研究[J].计算机产品与流通,2020(6):1.卫亚博,王雪晴.基于GSM的便携式空气质量监测系统的