基于STM32的智能空气质量监测系统

1. 引言

空气质量对人类健康有着重要的影响，尤其是在污染较严重的地区。智能空气质量监测系统通过集成空气质量传感器和STM32微控制器，能够实时监测空气中的有害物质浓度，并根据设定阈值自动报警。本文将介绍如何基于STM32构建一个智能空气质量监测系统，包括硬件准备、系统设计及代码实现。

2. 项目背景

随着空气污染问题的日益严重，监测空气质量成为了必要的措施。传统的空气监测方法成本较高，并且通常需要人工操作。通过基于STM32的智能空气质量监测系统，能够实现空气质量的实时监控，同时自动记录和报警。此系统对室内空气监测、工业环境等场景有很好的应用前景。

3. 环境准备

硬件准备

STM32开发板：STM32F103或类似微控制器
空气质量传感器（如MQ-135）：用于检测空气中的有害气体（如CO2、NH3、NOx等）
OLED显示屏：用于显示空气质量数据
蜂鸣器：用于当空气质量异常时发出警报
风扇：用于在空气污染时自动启用通风
面包板及连接线：用于硬件连接

软件安装与配置

Keil uVision：用于编写和编译代码。
STM32CubeMX：用于配置STM32的引脚和外设。
ST-Link Utility：用于将代码下载到STM32开发板。

步骤：

下载并安装Keil uVision。
下载并安装STM32CubeMX。
下载并安装ST-Link Utility。

4. 系统设计

系统架构

智能空气质量监测系统的设计包括以下核心模块：

空气质量检测模块：通过MQ-135传感器检测空气中有害物质浓度，如CO2、NH3、NOx等。
数据展示模块：通过OLED显示屏实时显示空气质量指数。
报警模块：当空气污染物浓度超过设定阈值时，触发蜂鸣器报警并自动启动风扇。
自动通风模块：当检测到空气质量下降时，自动开启风扇以改善室内空气。

关键技术

传感器数据采集与处理：通过STM32 ADC接口读取空气质量传感器的模拟数据，计算空气质量指数。
数据展示与控制功能：OLED显示屏显示当前的空气质量状况，并根据传感器反馈自动控制风扇。
异常报警与通风系统：空气污染超过阈值时，自动报警并启用风扇。

5. 代码示例

传感器数据采集

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 初始化ADC
void ADC_Init(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    // 开启ADC1时钟
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    
    // 配置ADC参数
    ADC_HandleTypeDef hadc1;
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
    
    // 配置MQ-135传感器通道
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;  // MQ-135接入ADC通道0
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// 读取空气质量传感器数据
uint32_t Read_Air_Quality(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    return adc_value;
}

空气质量监测与控制实现

// 初始化风扇控制引脚
void Fan_Control_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // 配置风扇控制引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;  // 风扇接入PA2
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 控制风扇开关
void Control_Fan(uint32_t air_quality_value) {
    uint32_t threshold = 3000;  // 空气质量阈值
    if (air_quality_value > threshold) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);  // 启动风扇
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭风扇
    }
}

实时数据显示与报警系统

// OLED显示空气质量数据
void Display_Data(uint32_t air_quality_value) {
    char displayStr[32];
    sprintf(displayStr, "Air Quality: %lu", air_quality_value);
    OLED_DisplayString(displayStr);
}

// 蜂鸣器报警
void Alarm_Handler(uint32_t air_quality_value) {
    uint32_t threshold = 3000;
    if (air_quality_value > threshold) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);  // 空气质量超标，触发蜂鸣器
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);  // 停止报警
    }
}

// 主程序循环
int main(void) {
    HAL_Init();
    ADC_Init();
    Fan_Control_Init();

    while (1) {
        uint32_t air_quality = Read_Air_Quality();

        // 显示空气质量数据
        Display_Data(air_quality);

        // 控制风扇
        Control_Fan(air_quality);

        // 环境报警
        Alarm_Handler(air_quality);

        HAL_Delay(2000);  // 延迟2秒后再次读取数据
    }
}

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6. 应用场景

室内空气监测：用于家庭、办公室等环境中，实时监测空气质量并及时改善室内环境。
工业环境监测：适用于工业生产场所，检测空气中的有害气体浓度，保障工人安全。
公共场所空气质量监测：如商场、地铁站等场所，监控空气质量并自动调节通风系统。

7. 结论

基于STM32的智能空气质量监测系统通过集成空气质量传感器和自动控制模块，能够实现对空气中有害气体的实时监测与调节。该系统具备成本低、响应快、适应性强的优点，适用于多种环境中的空气质量监控需求。随着物联网技术的不断发展，该系统未来可以集成更多的传感器和远程控制功能，为用户提供更加智能化的空气管理解决方案。