一种随身空气环境监测系统的设计

论文总字数：26601字

目 录

1绪论1

1.1研究背景1

1.2随身空气环境监测系统选题的现实意义2

1.3国内外研究状况以及发展2

1.3.1空气质量检测因素2

1.3.2国内外监测PM2.5主要方法3

1.3.3空气监测系统存在的主要问题3

1.4随身空气环境监测系统的主要研究内容4

1.5系统的发展前景4

1.6本章小结4

2 随身空气环境检测系统的总体设计4

2.1 功能设计4

2.2 设计指标5

2.3 系统组成以及工作原理5

2.4本章小结 6

3 系统硬件电路设计6

3.1 单片机模块6

3.1.1 单片机概述6

3.1.2 STM32F103RCT6单片机主要引脚、性能6

3.1.3 单片机最小系统的设计7

3.2 温湿度检测模块8

3.2.1 模块介绍8

3.2.2 引脚介绍8

3.2.3 总线协议及模块连接9

3.3 PM2.5监测模块10

3.3.1 模块介绍 10

3.3.2 ZPH01传感器检测原理11

3.3.3 ZPH01引脚定义 12

3.3.4 ZPH01空气粉尘传感器模块输出12

3.3.5模块连接13

3.4有害气体检测模块14

3.4.1模块介绍14

3.4.2 检测原理14

3.4.3模块连接15

3.5通信模块16

3.5.1通信模块选型16

3.5.2蓝牙模块介绍16

3.5.3蓝牙模块的配置17

3.5.4模块连接17

3.6本章小结17

4系统软件设计17

4.1单片机开发环境keil 18

4.2 单片机程序设计19

4.2.1主程序设计19

4.2.2 SHT20温湿度传感器模块初始化子程序设计20

4.2.3 ZPH01粉尘浓度传感器模块子程序设计21

4.2.4 MQ135空气质量传感器模块子程序设计21

4.3 手机app设计22

4.3.1 开环环境Eclipse介绍22

4.3.2 APP图形用户界面设计23

4.3.3 程序设计24

4.4本章小结27

5系统调试27

5.1 硬件调试27

5.2 软件调试28

5.3 误差分析29

5.4 同类产品比较31

6 结论31

6.1 论文总结31

6.2 展望31

参考文献33

致谢34

一种随身空气环境监测系统的设计

卞飞飞

，China

Abstract: In recent years, with the rapid rise of industry and manufacturing industry in China, the problem of air pollution is becoming more and more serious. The PM2.5 and API index become more and more popular. The improvement of the living standard makes people pay more attention to the air quality problem. With the increasing number of respiratory diseases caused by air pollution, the public has become more and more aware of the seriousness of air quality problems and the necessity of air quality testing. However, the current air quality monitoring is mainly based on the air inspection of fixed sites. Although it has certain representation, it cannot meet the needs of individual air quality testing, such as home air inspection, office air inspection, and carry air inspection. With the mobility of the individual, the air testing equipment that can be carried around is required to detect the index of air pollution and temperature and humidity at any time in the smaller space around it. The purpose of this article is to develop a kind of air quality detection equipment based on single chip microcomputer, which can carry and detect the necessary index of the ambient air around the individual, including PM2.5, temperature and humidity value and harmful gas warning, and can also connect the terminal of mobile phone and so on, and display the air index in real time on the terminal of the mobile phone. It can make up for the shortcomings of universality of urban air detection, and play a supplementary role in the detection of urban air quality.

Key words: Single chip microcomputer; Temperature and humidity; PM2.5; Dust concentration; Mobile phone APP.

1绪论

1.1研究背景

自19世纪工业化以来，世界经济和科学技术的得到了迅猛发展，世界已经进入工业化时代，人们的生活条件和生活水平有了巨大的提高。从以前的马车时代，到如今的汽车飞机时代；从以前的蒸汽时代到如今的电气时代，社会面貌发生了巨大飞跃，然而伴随着工业化时代的发展，不可避免的使用大量的化石燃料，如煤、石油等，因此空气污染问题也越来越严重，二氧化硫、一氧化碳、粉尘等污染物严重危害人的身体健康安全，近年来由于雾霾的频发导致呼吸系统疾病的频发使得人们越来越关注空气污染、空气质量问题。1952年伦敦毒雾事件就是一次严重的空气污染事件，此次事件被称为“伦敦烟雾事件”，被媒体评价为20世纪十大环境公害事件之一。前央视记者柴静的纪录片《穹顶之下》就是揭示了目前中国的空气污染状况以及空气污染引发健康问题。政府的工作报告多次提及当下中国的空气污染问题，空气污染问题越来越得到政府和人们的关注。

空气污染来源主要有化工厂的有毒排放物（粉尘、二氧化硫、一氧化碳等等）、汽车尾气排放物（粉尘、一氧化碳）。当下空气污染检测主要以PM2.5检测最为热门，PM2.5又称细颗粒物，是指空气中直径小于2.5μm的细颗粒去，在我国PM2.5最早受到关注是国外驻华使馆测得北京的PM2.5指数严重爆表，使得国内开始关注空气污染情况。而在2015年2月28日柴静自费拍摄的《柴静雾霾调查:穹顶之下》更是揭露了现在我们面临的种种空气污染危机，从而现在的我们更加的关注颗粒物的一些实质性的危害。为了追求快速发展，人类大量开发资源，不惜牺牲环境代价来换取社会经济和国家工业的快速发展，这样使得脆弱的生态环境遭到了严重破坏，环境污染问题不绝于耳。意识到环境污染问题的严重性后，为了能够了解污染问题同时为了能够找到办法解决污染问题，应用了许多高科技的产品来对环境进行检测，提高保护措施。

我们国家主要城市已经建立起城市空气质量监测网络，能够实时监测城市大范围空气质量，包括PM2.5指数，AQI指数等。为农业部门以及环保部门提供数据支撑和决策服务。

虽然城市空气质量监测具有一定代表性，但是不能准确监测小范围空间的空气质量，由于我们个人具有移动性和空间性，对于小范围空间的环境监测就具有现实意义和实用意义。我们大部分时间都是在我们的家庭里，家庭空气质量监测技术和仪器今年来也得到快速发展，很多家庭空气净化设备都带有空气质量检测模块，能够实时检测家庭空气质量。然而个人又具有移动性，有时候我们想要了解对我们所处的小范围空间内的空气质量数据，城市大范围空气数据很难代表小空间尤其是密闭空间的空气质量数据，这就需要一种能随身携带的基于单片机的简便空气环境质量监测仪器^[2]。

此次设计主要是利用单片机作为微处理器核心并与粉尘传感器相结合以及其他电路形结合，以STM32单片机为核心、粉尘传感器ZPH01、SHT20温湿度传感器模块/数字型温湿度测量模块、HC-05无线蓝牙串口传输模块、MQ135有害气体监测模块以及专用手机APP构成一种随身空气环境监测系统。它通过传感器测得空气环境的温湿度以及粉尘浓度转化为数字温湿度数据和PM2.5指数，把得到的数据通过蓝牙模块传输到手机蓝牙串口，在手机APP显示环境数据，提醒人们做出相应的防护措施。

1.2随身空气环境监测系统选题的现实意义

目前空气环境数据监测仪器一般都具有不可移动、耗能大、人性化程度低的特点，很难应用在具有移动性的个人身上。但是随着传感器微型化、CPU智能化、及微处理器的发展、个人产品人性化的发展以及可穿戴电子产品的迅速发展，个人随身空气质量监测系统的实现具有可能性。并且必然能够以方便、便宜、实用性强的特点逐步取代传统的空气检测设备以及获得广阔的市场前景。

随着物联网技术的快速发展，使得在可穿戴设备领域和物联网的结合具有广阔的市场前景，人性化的设计使得人们越来越接受这种随身佩戴的电子产品。同时，随着空气污染的严重以及人们对空气质量的重视，随身佩戴的空气质量监测器将会受到人们的重视和关注，在空气质量监测领域将会掀起一股新潮流。

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