基于单片机的空气质量检测系统设计（32基础版）-设计说明书
电子校园网 编号：
M22023-03M-LW
设计摘要：
本设计旨在基于32单片机构建一个空气质量检测系统，以监测甲烷和一氧化碳的浓度，并根据预设的阈值进行警报和控制操作。系统主要由传感器、按键、蜂鸣器、窗户控制器、排风扇和显示屏组成。传感器用于检测甲烷和一氧化碳的浓度，分别输出对应的电压信号。按键用于设置甲烷和一氧化碳的阈值，通过编程实现阈值的设置和保存。系统工作时，单片机需要对传感器进行数据采集，并将采集到的电压信号转换为对应的浓度值。通过与预设的阈值比较，判断浓度是否过高。如果浓度超过阈值，系统将触发警报功能。警报功能包括蜂鸣器的报警和窗户的自动打开。当气体浓度超过阈值时，蜂鸣器将发出持续的声音，提醒人们注意空气质量。同时，窗户控制器将自动打开窗户，以保证室内外的空气流通。为了加强排风效果，系统还将开启排风扇，通过排风扇加速空气的流动，降低浓度。此外，系统还配备了显示屏，在屏幕上显示实时的甲烷和一氧化碳浓度数值。这样，用户可以方便地了解当前的空气质量状况，及时采取相应的行动。
总之，本设计基于32单片机成功构建了一个空气质量检测系统，具备了甲烷和一氧化碳浓度检测、阈值设置、警报和控制操作以及实时数据显示等功能。该系统在监测空气质量、提醒人们注意安全和改善室内环境方面具有重要的实用价值。
关键词：单片机；空气质量检测；阈值报警
字数：11000+
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内容预览：
摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 电源方案的选择
2.4 显示方案的选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 MQ-7一氧化碳传感器
3.3 MQ-4甲烷传感器
3.4 ULN2003步进电机驱动
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主程序流程设计
4.3 按键函数流程设计
4.4 显示函数流程设计
4.5 处理函数流程设计
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 气体浓度检测实物测试
5.3 设置相关气体阈值实物测试
5.4 自动报警实物测试
6 仿真调试
6.1仿真总体设计
6.2显示检测测试
6.3设置参数测试
6.4超阈值报警测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
随着工业化和城市化的进展，人们日常生活中接触到的污染物种类和浓度不断增加，室内空气质量成为越来越受关注的问题。甲烷和一氧化碳作为常见的有害气体，其超标浓度对人体健康产生严重影响，包括中毒、窒息等危害。因此，发展一种能够及时监测和控制室内甲烷和一氧化碳浓度的检测系统具有重要的科学意义和实际应用价值。
本设计的主要目的是设计一款基于单片机的空气质量检测系统，通过及时监测甲烷和一氧化碳的浓度，当浓度超过安全阈值时，系统能够及时发出警报，并启动窗户和排风扇等设备，确保室内空气质量达到安全标准，有效保护居民的健康和生命安全。同时可以实时监测和记录甲烷和一氧化碳的浓度，可以提供数据依据，为相关部门和科研机构提供参考，用于评估和改善室内空气质量，有效控制和减少有害气体的排放，促进可持续发展。其次，能通过自动控制窗户和排风扇的开关，系统能够根据浓度变化及时调整通风和排气量，避免资源的浪费，并降低对外界环境的污染。
总结而言，本设计旨在通过基于单片机的空气质量检测系统，实现对甲烷和一氧化碳浓度的监测与报警，并具备远程通信功能。该系统能够保障居民健康安全，提供科学依据，节能环保，实现远程监控和管理，同时也促进了科技创新和产业发展。随着人们对室内环境质量的要求不断提高，该设计将在提升空气质量监测与管理水平、改善人们的生活质量方面发挥重要作用。
1.2 国内外研究现状
目前，国内外关于基于单片机的空气质量检测系统的研究已经取得了一定的进展。以下将从传感器技术、智能控制和通信技术等方面介绍相关研究现状。
在传感器技术方面，国内外的研究者主要采用化学传感器、光学传感器和电化学传感器等不同类型的传感器来实现对甲烷和一氧化碳浓度的检测。例如，利用化学传感器可以通过甲烷和一氧化碳与传感器材料之间的化学反应来实现浓度的测量。而光学传感器则通过测量光的吸收或发射来实现浓度的监测。电化学传感器则利用电化学反应原理进行测量。这些传感器具有响应迅速、灵敏度高、成本低等优点，逐渐成为空气质量检测的主要手段。
在智能控制方面，研究者通过单片机的编程实现了对窗户和排风扇等设备的自动控制。当甲烷和一氧化碳浓度超过设定阈值时，系统会自动启动相应的设备以改善室内空气质量。同时，为了提高用户体验，一些研究还加入了人机交互界面，用户可以通过触摸屏或手机APP等方式实时监控和控制系统。
在通信技术方面，国内外的研究者也探索了不同的通信方式用于数据传输和远程监控。其中，WiFi和4G通信是最常用的方式。通过WiFi连接，用户可以使用手机等终端设备实现对系统的远程监控和控制，而通过4G通信则可以将实时的空气质量数据发送给用户，实现远程报警和通知功能。
总体而言，国内外研究者在基于单片机的空气质量检测系统方面已取得了丰硕的成果。他们广泛应用各种类型的传感器来实现对甲烷和一氧化碳浓度的检测，利用智能控制和通信技术提供了自动控制和远程监控的功能。这些研究成果为我们设计和开发一款完善的空气质量检测系统提供了重要的参考和借鉴。随着技术的不断进步和需求的增加，相信该领域的研究将会迎来更多的创新和突破。
一氧化碳对人体有害,尤其超标时会影响人们的健康.因此张志昂，张窝羊（2018）设计了一款基于单片机的一氧化氮报警器设计.论文通过传感器检测一氧化碳浓度,经过AD转换,再把检测信号传递给单片机,经过分析处理,再控制外电路进行相应的操作.检测装置采用的是MQ-7,控制核心采用的是STC89C51单片机.模数转换模块才用的是ADC0809.而且系统还可以把一氧化碳浓度及时的显示在LCD1602液晶屏幕上,可以方便用户的阅读.当浓度达到设定浓度的时候,单片机会控制排气扇来把一氧化碳排放出去[1]。
朱菊香、朱雨恒等（2022）以STM32F407单片机为核心处理器,选择氧气,甲烷,二氧化碳,PM2.5以及温湿度传感器构成传感器阵列.该系统可以针对室内有毒有害气体得到连续输出响应,输出信号由单片机采集,由卡尔曼滤波算法处理,进而得到一个连续,稳定,可标定的空气指数并在液晶显示屏上显示;通过NB-IoT无线传输模块发送给手机APP,实现用户远程实时监测居家环境信息,若二氧化碳,甲烷和PM2.5含量超标时,则启动报警装置.经过测试发现,该系统实现了监测与报警一体化的智能控制,具有体积小,功耗低等优点[2]。
甲醛在居室,纺织品等中广泛存在,其致癌作用和刺激味道严重威胁着人类的身体健康.席敏燕（2022）设计了一款可以用于检测甲醛浓度的装置,除了装载了微控制器STC89C52和甲醛检测模组,还装载了系统键盘模块,液晶显示,报警电路等硬件设备,通过软硬件结合组成甲醛检测与报警系统来实现所需功能.该设计的控制核心是微控制器STC89C52,检测甲醛气体浓度的装置是ZE08-CH2O传感器,通过传感器把检测到的甲醛气体浓度传入单片机,并显示到LCD1602上,若甲醛气体浓度超过国家规定的标准值,则单片机控制报警电路发出警报,经试用,该甲醛浓度检测系统满足设计要求,可以实时对周围的空气进行甲醛浓度检测[3]。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计基于单片机的空气质量检测的系统软件。系统软件由STM32最小单片机，MQ-7和MQ-4传感器，步进电机、继电器控制风扇模块和被动蜂鸣器警报模块设计，并具有单独控制的按键模块一起形成。主要设计内容如下：
1、通过传感器分别检测甲烷和一氧化碳的浓度
2、可以通过按键设置甲烷和一氧化碳的阈值
3、当气体浓度过大时，蜂鸣器报警，自动打开窗户，并且开启排风扇
4、通过显示屏显示甲烷和一氧化碳的浓度
