论文总字数：20166字

目 录

1绪论 1

1.1 空气质量检测研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

2系统分析 3

2.1 设计目标 3

2.2 设计思路 3

2.3 系统需求分析 3

2.4 系统框架 5

3系统硬件设计 6

3.1 系统硬件总体电路图 6

3.2 处理器模块 7

3.2.1 CPU选型因素分析 7

3.2.2 STM32型号选择分析 7

3.3 传感器模块 7

3.3.1 传感器的选型因素分析 7

3.3.2 粉尘传感器的分析 8

3.3.3 SDS018原理与参数 9

3.3.4 甲醛传感器的分析 10

3.3.5 ZE08-CH2O的原理与参数 10

3.3.6 TVOC传感器选型与原理 12

3.3.7 温湿度传感器选型与参数 12

3.4 WIFI模块 13

4系统软件设计 14

4.1 系统软件设计思路 14

4.2 传感器模块程序设计 15

4.2.1 SDS018的程序设计 15

4.2.2 ZE08-CH2O的程序设计 15

4.2.3 CJMCU-8188的程序设计 16

4.2.4　DHT11的程序设计 16

4.3 WIFI模块程序设计 16

5测试 17

结论 21

参考文献 23

致谢 24

室内环境监控系统

张玉坤

，China

Abstract：With the improvement of the quality of life, people start to pay attention to air quality. People spend more time indoors than outdoors, we should pay more attention to indoor air quality. This paper wants to design an indoor air environment monitoring system based on STM32 to realize the measurement and recording of PM2.5, PM10, formaldehyde, TVOC, carbon dioxide concentration, temperature and humidity. The system is controlled by STM32 MCU and uses SDS018 sensor, ZE08-CH2O sensor, CJMCU-8118 sensor and DHT11 sensor, upload data to The OneNET by ESP8266 WIFI module. Users can view data via smartphone or PC. The system can complete the detection and recording of the indoor environment within a certain error to achieve the monitoring of the environment. Although the function of the system is relatively simple, it can meet the user's need for air environment monitoring.

Keyword：PM2.5；formaldehyde；indoor air quality；WIFI

1绪论

空气质量检测研究的背景和意义

随着生活水平发展，在舆论和科普的作用下，近年来空气质量开始在大众眼中占据一席之地。影响空气质量的因素有很多，包括PM、甲醛、二氧化碳等。

悬浮微粒 (particulate matter， PM)指漂浮在空气中的类灰尘粒状物。 PM颗粒直径大小不一，小于或等于2.5微米(μm)的颗粒就是PM2.5，一般也叫做细悬浮微粒，单位使用微克/立方米(μg/m3)计量。由于它的直径非常小，能够穿过肺部气泡，然后进入血管，伴随人体血液循环会到达全身。因此，PM对人体形成的负面健康影响是不容小觑的。粉尘颗粒通过鼻咽喉等呼吸系统器官进入人体，较大的颗粒可以被鼻过滤，但小颗粒会进入人体内部。直径不同的悬浮颗粒会对人体各个器官造成不同程度的伤害。近年来，许多医学研究已经确定PM对健康造成的影响包括但不限于肺癌、支气管等呼吸道炎症、哮喘和心血管疾病等。不管是长期暴露在高浓度PM环境中还是短期处于这样环境里，都会对呼吸道健康造成伤害甚至有诱发死亡的危险。

甲醛是无色、有刺激性气味的气体。是室内常见的空气污染源。众所周知，刚装修好的房子就会释放甲醛。甲醛对眼和呼吸道都有很强的刺激性，是过敏原。长时间在甲醛过量的环境下呼吸系统会受到伤害。甲醛是致癌物，会导致色斑、坏死、皮炎等皮肤科疾病。

二氧化碳是空气中常见的化合物，空气中有约0.04％的微量二氧化碳。浓度大于1000ppm时，可能会导致超过20%的室内人员产生不适感，并且产生不适感的人数比例会随二氧化碳浓度升高而增加。但是这些不适感可能由多种室内污染物造成的。当浓度高于2000ppm时，大部分办公室人员会感到显著的不适感，并产生恶心头疼的症状。个别情况下，室内人员所处环境的浓度可能高于室外的干净空气。

综上PM2.5、甲醛等挥发性有机物对人体健康有很大影响，二氧化碳浓度也会在一定程度上影响人的健康和感受，温湿度则是影响体感的常见指标，因此设计一个室内空气质量监控系统，方便用户了解室内环境并及时调整是有必要的。

国内外研究现状

现在民用的PM传感器依照工作原理大致可以分成激光型和红外型两种。两种传感器都有较为成熟的设计方案提供。红外原理的粉尘传感器的结构和电路相对更简单，使用了红外的LED光源，通过电阻发热对流制造气流，传感器对气流进行检测，如果有颗粒通过传感器就会输出高电平。输出信号通常为PWM。但是红外型传感器对1微米以下的颗粒物判断比较不准确，尤其低浓度时误差会更加显著。并且，红外型传感器没有主动的风道，热对流产生的风道并不稳定，计算得到的每立方米空气中的颗粒物含量并不准确。相比之下，激光原理的粉尘传感器其电路设计和物理结构都更加复杂。激光传感器使用激光二极管作为光源，气流通过专用的鼓风机或者风扇产生，通过经过设计的风道，对空气中的颗粒进行检测。激光束照射到气流中的颗粒物后会发生散射，散射光会在内部360°辐射，在内部设置光电传感器，使其只探测散射的激光，当光电传感器探测到散射的激光时，由于光电效应会产生电流信号。经过内部的信号放大器，就能输出采集到的空气颗粒浓度。一般来说，红光激光的波长在630nm到660nm之间，粒径大于300nm的颗粒物都能被检测到。激光传感器能够采集到直径在0.3微米到2.5微米之前的颗粒物的浓度。信号一般采用串口输出，相比红外型更准确也更方便进行数据处理。然而，现在的粉尘传感器无论是红外型还是激光型，都会面临凝露的问题。即，如果水蒸气凝结成小水珠，传感器的数据准确性会大幅度下降。

目前，甲醛传感器种类较多，还没有统一的分类方法。按照气敏特性分类的话，能够分成电化学型、热偶电导型、光学型、半导体型、接触燃烧型等等。目前使用比较广泛的是电化学型甲醛传感器，它的原理是当甲醛通过聚四氟乙烯膜时，会发生氧化反应，从而产生扩散电流。电流的大小与被测气体中的甲醛浓度成正比例，将电流转换为电压输出。传感器需要长期工作，所以从应用角度考虑，甲醛传感器的稳定性是比精度和灵敏度更重要的。并且由于灵敏度过高容易频繁误报，会产生大量错误数据，反而会导致数据可信度降低。

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