基于stm32甲醛溫濕度檢測系統(tǒng)設計與制作

湖南商務職業(yè)技術學院畢業(yè)設計

目錄

1產品功能分析............................................................................................................1

1.1設計背景及內容................................................................................................1

1.2功能分析............................................................................................................1

2方案設計....................................................................................................................2

2.1單片機芯片的選擇方案....................................................................................2

2.2顯示模塊的方案選擇........................................................................................2

2.3溫濕度檢測模塊選擇........................................................................................2

2.4甲醛檢測模塊選擇............................................................................................2

2.5系統(tǒng)框圖............................................................................................................3

3產品硬件設計............................................................................................................3

3.1STM32F103C8T6電路設計................................................................................3

3.2LCD1602電路設計.............................................................................................4

3.3DHT11溫濕度檢測電路設計.............................................................................5

3.4甲醛檢測模塊電路設計....................................................................................6

3.5蜂鳴器報警電路................................................................................................6

4產品軟件設計............................................................................................................7

4.1單片機程序開發(fā)環(huán)境........................................................................................7

4.2系統(tǒng)主程序設計................................................................................................8

5系統(tǒng)組裝與調試........................................................................................................9

5.1硬件測試............................................................................................................9

5.2軟件調試..........................................................................................................10

5.3實物調試..........................................................................................................11

參考資料.........................................................................................................................12

附錄1元器件清單.......................................................................................................13

附錄2電路原理圖.......................................................................................................14

附錄3PCB設計圖........................................................................................................14

附錄4作品實物照.......................................................................................................15

I

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附錄5軟件程序代碼...................................................................................................15

II

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基于STM32甲醛溫濕度檢測系統(tǒng)設計與制作

1產品功能分析

1.1設計背景及內容

研究背景和意義：想必近幾年我們聽到的最多的關于空氣質量問題的新聞，

就是我國大多數(shù)地區(qū)，由于工業(yè)化的快速發(fā)展，導致的空氣嚴重污染的甲醛。

這是一種對人體有害的物質，過量吸入會嚴重影響我們的正常生活，會導致疾

病的發(fā)生。人類面臨的“煙煤污染”，不僅僅是常見的加u請安,美國的許多科

學家發(fā)現(xiàn)，空氣中蘊含的有毒物質，多達20多種，一些三聚乙烯和氨以及酯，

這些有害氣體的存在，對人們的正常生活造成了很大的困難。人類除了在室外

會受到空氣污染的威脅，在室內也處于一些空氣污染中，室內環(huán)境污染，一些

氣管炎、支氣管炎和肺癌也會嚴重威脅到人類的安全問題。近幾年，你會發(fā)現(xiàn)

我們的生活中有這樣一些現(xiàn)象，人們換肺部疾病的比率增加了，人們的出行，

變得更加依賴口罩或是一些防護措施，以避免患上肺部疾病的風險。生活在大

都市的人們，也會經常組織家庭成員去郊外或是爬山，去遠處呼吸一些新鮮的

空氣，去享受大自然帶給我們的純凈。所以，物聯(lián)網技術中的無線傳感網絡，

是一項能夠帶領人類脫離與空氣接觸的重大實驗，是人們賴以生存的一個基本。

如果我們能在危害來臨之前，做好充足的準備，防患于未然，這樣的話能減少

許多不必要的損失。

本設計主要通過STM32單片機進行控制，主要檢測環(huán)境的溫濕度以及甲醛

濃度，檢測的結果可以顯示在LCD1602上，同時具有聲光報警模塊，按鍵輸入

模塊等，在軟件硬件按的驅動下，最終完成設計的功能需求。

1.2功能分析

本次設計主要用來檢測環(huán)境的溫濕度以及甲醛的濃度，檢測的結果顯示在

人機交互顯示屏上，同時可以通過按鍵進行相關的調節(jié)，設計具有聲光報警模

塊，通過軟件驅動，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。設計將試下如下功能：

1.設計可以采集環(huán)境的溫濕度以及甲醛濃度；

2.檢測的結果可以顯示在LCD1602上；

3.設計具有報警電路，當檢測的值超過報警值時，將啟動聲光報警模塊；

4.可以通過進行相關的調節(jié)。

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2方案設計

2.1單片機芯片的選擇方案

STM32意法半導體單片機方案，選擇32位單片機STM32F01系列中的一個，

其工作電壓為2V到5V，芯片內部具有64k的程序存儲空間，芯片集成度高，內

部集成了2路ADC，方便一般設計的使用，不需要搭建單獨的工作電路，STM32

芯片自身集成，方便項目的開發(fā)。核心板上集成了單片機所需要的基本外設，

可以滿足本設計的驅動以及傳感器的采集電路連接，并且核心板已經將IO轉為

2.54間距的引腳，在后續(xù)的PCB設計上也可以直接焊接使用。

2.2顯示模塊的方案選擇

采用使用廣泛的1602LCD進行顯示，該顯示模塊可以顯示2行，每行顯示

16個字符。此模塊電路設計簡單，采用并行數(shù)據(jù)傳輸或者串行數(shù)據(jù)傳輸，控制

簡單。但是本設計需要顯示的信息過大，需要顯示多行，為此該屏幕不太滿足

本次設計需求。

2.3溫濕度檢測模塊選擇

本設計所論述的甲醛溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，所以檢測環(huán)境的溫度濕度也很重要。

一個好的設備需要更多人性化的功能，也就是可以更好的為人服務，經論證增

加檢測環(huán)境溫濕度功能。本設計決定采用下文兩種方案之一作為本設計的環(huán)境

傳感器采集傳感器。DHT11溫濕度傳感器方案采用溫濕度一體的DHT11傳感器探

頭，內部設有一個NTC電阻的測量元件，DHT11溫濕度傳感器，其優(yōu)點是檢測

濕度范圍廣，無需標定，可以檢測溫度，電路連接簡單，也就是數(shù)據(jù)管腳直接

可以與單片機相連接，通過讀取其中斷的定時器的數(shù)值完成對溫濕度值的轉換。

2.4甲醛檢測模塊選擇

設計需要檢測環(huán)境的相關信息，通過VOC甲醛傳感器進行相關的檢測，此

模塊便攜度高，識別率準確，測量穩(wěn)定，可以通過5V直接進行驅動，價格便宜，

電路設計簡單，在電子行業(yè)有廣闊的應用前景。

2.5系統(tǒng)框圖

設計采用STM32進行控制，設計的外圍模塊有溫濕度檢測模塊，甲醛檢測

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模塊，聲光報警模塊，液晶顯示模塊，按鍵輸入模塊，通過C語言軟件驅動，

外設硬件進行相關數(shù)據(jù)的采集，采集的結果顯示在LCD1602液晶上，設計可以

通過按鍵設置相關的閾值，從而判斷是否需要啟動聲光報警模塊，設計框圖如

下所示：

圖1系統(tǒng)框圖

3產品硬件設計

3.1STM32F103C8T6電路設計

設計采用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，該芯片和51系列單片機有

很大的差距，由于STM32F103單片機集成度高。因此不需要搭建外圍驅動電路。

直接采用現(xiàn)成的封裝芯片，給相應的管腳供電便可使用，STM31F103有好幾種程

序下載方式，用過單片機上的跳帽進行選擇。

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圖2電路轉接板

設計采用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，該芯片和51系列單片機

有很大的差距，由于STM32F103單片機集成度高。因此不需要搭建外圍驅動電

路。直接采用現(xiàn)成的封裝芯片，給相應的管腳供電便可使用，STM31F103有好幾

種程序下載方式，用過單片機上的跳帽進行選擇。STM32F103C8T6處理器本文稱

之為單片機MCU，該型號單片機為100腳的封裝，內部集成了512KFlash和64kS

RAM，程序存儲空間滿足多數(shù)的應用場合，并且100腳的外部結構，可以搭建豐

富的硬件電路環(huán)境，其中有80個引腳可以作為GPIO使用，并包含了了16通道

的12位ADC，以及2通道的12位DAC，最高主頻可以支持72MHz的主頻頻率，

低壓工作環(huán)境可以滿足2-3.6V的直流供電，主控芯片電路圖如上所示。

3.2LCD1602電路設計

設計采用液晶屏幕LCE1602一共具有16個引腳，各個接口說明如下表所示：

屏幕的1腳和16腳一個是背光負極一個是屏幕負極；2腳和15腳作為背光，電

源的正極，屏幕3腳通常在接10K電位器，用來調節(jié)屏幕亮度，4腳5腳6腳屏

幕的數(shù)據(jù)引腳進行顯示方式，顯示位置，顯示命令的選擇，4腳RS，作為寄存

器的選擇引腳，給與高電平為數(shù)據(jù)寄存器，相反低電平為指令寄存器。5腳EW

用來決定進行讀操作還是寫操作，設計采用寫數(shù)據(jù)的方式因此只要給予改引腳

低電平即可。腳使能引腳，是液晶屏幕進行命令的執(zhí)行。7腳到14腳則連接單

片機io口進行顯示數(shù)據(jù)的傳輸。

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圖3lcd1602顯示電路圖

3.3DHT11溫濕度檢測電路設計

設計采用溫濕度集成化小板。將需要連接的引腳集成化封裝，方便焊接，DHT

11傳感器電路圖如下圖3.6所示：該溫濕度傳感器的1腳連接VCC，二腳連接

一個10K的上拉電阻到VCC最后連接在單片機P1.4端口，3腳為空置引腳，4

腳連接GND?；倦娐啡缦拢?/p>

圖4DHT11電路設計圖

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3.4甲醛檢測模塊電路設計

甲醛的濃度值通過ADC進行采集，甲醛模塊電路設置，主要通過5V進行供

電處理，然后數(shù)據(jù)管教連接但單片機的ADC，將采集的電壓信號轉換成數(shù)字信號，

傳遞給單片機進行處理加工顯示。

圖5甲醛模塊電路設計圖

3.5蜂鳴器報警電路

如圖6所示為本設計終端系統(tǒng)中的聲光提示電路。

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圖6聲光提示電路

主要的結構是利用STM32單片機驅動一個三極管，利用三極管控制蜂鳴器

與LED的電源，其蜂鳴器采用有源蜂鳴器，內部集成了相關的震蕩電路，在蜂

鳴器接通電源的同時內部震蕩電路產生固定頻率的震蕩，帶動內部的振動片發(fā)

出滴的叫聲，從而命名為蜂鳴器，LED與一個2.2K的電阻串聯(lián)與蜂鳴器并聯(lián)，

在三極管導通的同時，蜂鳴器響起。

4產品軟件設計

4.1單片機程序開發(fā)環(huán)境

設計采用C語言進行程序的開發(fā)，C語言結構簡單，語法單一，容易復制，

便于移植，深受電子愛好者喜愛。單片機設計軟件的開發(fā)，通常使用KEIL4,KEIL5

軟件進行程序的編寫，由于KEIL4不能安裝STM32庫文件，無法進行STM3開發(fā)，

為此將采用KEIL5進行驅動程序設計。KEIL軟件是程序員運用廣泛的一種開發(fā)

工具，這是因為它的一個簡單的整體內視圖可以降低單片機開發(fā)的周期，從而

大大的降低了成本，因此深受歡迎和使用。

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圖7編程軟件界面圖

設計采用C語言進行程序的開發(fā)，C語言結構簡單，語法單一，容易復制，

便于移植，深受電子愛好者喜愛。單片機設計軟件的開發(fā)，通常使用KEIL4,KEIL5

軟件進行程序的編寫，由于KEIL4不能安裝STM32庫文件，無法進行STM32開

發(fā)，為此將采用KEIL5進行驅動程序設計。本次設計采用C語言進行編程，C語

言結構簡單，驅動方便，語法邏輯容易理解。目前應用較為廣泛，方便后續(xù)設

計程序的抑制調試，有助于項目的開發(fā)。

4.2系統(tǒng)主程序設計

設計采用STM32進行控制，外圍模塊有DHT11溫濕度采集模塊，甲醛檢測

模塊，LCD1602液晶顯示等模塊，設計通電后，系統(tǒng)初始化，程序從主程序開始

運行，首先調用液晶顯示程序，然后傳感器將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機進行顯

示，最后判斷是否進入按鍵子程序，是的話進行甲醛，溫度，濕度安全值的調

節(jié)，最后判斷是否需要報警，是的話啟動聲光報警模塊，主程序流程圖如下所

示：

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開始

系統(tǒng)初始化

LCD1602顯示相

關信息

N

是否有按鍵按下？

Y

安全閾值的調節(jié)

N

檢測值是否大于安全值？

Y

蜂鳴器報警

結束

圖8主程序流程圖

5系統(tǒng)組裝與調試

5.1硬件測試

硬件部分我們設計焊接完成后，需要對其進行相關測試。首先，我們要用

萬用表對制作的電路板各部分元件焊接部分進行逐個檢測，仔細檢驗是否有損

壞的元件以及焊接方面是否有焊接不好的情況。確認沒有錯誤后我們在通過軟

件調試硬件。使用萬用表的蜂鳴檔檢測電源線，檢查電路是否存在短路，再檢

測單片機的電源、時鐘、復位電路，若連接沒有錯誤就可以對單片機進行通電。

通電后先測量單片機的工作電壓，如果單片機工作電壓正常，就可以對單片機

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燒寫程序，通過設計的編程來檢測硬件是否正常工作。若各部分都可以正常工

作則證明電路硬件沒有問題。如有故障，則可以再用萬用表對故障的部分進行

相關檢測。在焊接的時候應該按照以下三個步驟進行：

焊接前準備好電絡鐵、松香、焊錫、各個元器件、萬用板。將各個模塊元

器件分開擺放，做好前期準備工作。

焊接時分清楚元件正負極，芯片方向，板面布局，對照原理圖或者仿真圖

進行焊接，保持先焊接低元件再焊接高元件，分模塊逐步進行焊接。

最后一步，用萬用表進行測試，防止虛焊導致電路的短路，斷路，進行實

物的測試及美化。

5.2軟件調試

在作品的收尾環(huán)節(jié)，檢查好測試的萬用板后便進行程序的燒錄，在這之前

對系統(tǒng)程序做最后的調試完善。

用KEIL軟件打開編寫好的程序進行下載編譯，看是否有報錯，有警告，對

其進行檢查。

根據(jù)硬件原理口查看傳感器與單片機連接的端口，檢查是否與程序定義端

口一致。

將程序燒錄進單片機芯片，插在實物上進行驗證，觀察各個硬件模塊是否

按照程序編寫那樣執(zhí)行，對程序做最后的完善修正。

圖9程序調試界面圖

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5.3實物調試

經過以上環(huán)節(jié)的工作，確定了設計的硬件設計方案，通過AD軟件，應用所

學的指示，搭建出設計的系統(tǒng)原理圖，緊接著，對設計的外設傳感器進行驅動，

通過KEIL5進行軟件程序的編寫，最終將生成的文件燒錄到設計實物中，設計

實物圖如下圖16所示：

圖10實物測試圖

系統(tǒng)通電后，傳感器進行相關數(shù)據(jù)的檢測，檢測的加過顯示在LCD1602上，

同時判斷按鍵是否按下，是否對相關的安全值進行檢測，之后判斷是否需要進

行蜂鳴器報警操作。

設計問題分析：

（1）實物上電的瞬間，溫濕度不能進行檢測；

解決辦法：首先確定設計的硬件電路圖是否連接正確，是否出現(xiàn)短路，

斷路的現(xiàn)象，然后通過調節(jié)程序進行問題的查詢。最后發(fā)現(xiàn)沒有在主程序調用

測溫的子程序。

按鍵功能不太穩(wěn)定；

解決辦法：給每個單片機的連接按鍵的數(shù)據(jù)線接一個上拉電阻，使功

能更加穩(wěn)定。

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參考資料

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[3]張崇關.紅外輻射溫度測量關鍵技術研究[D].哈爾濱工程大學,2013.

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[12]王云.51單片機C語言程序設計教程[M].北京:清華大學出版社,2008.

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附錄1元器件清單

羅旋《基于STM32甲醛溫濕度檢測系統(tǒng)設計與制作》元器件清單

序名稱代號型號規(guī)格數(shù)量備注

號

1二極管D11N41481

2按鍵K1、K2、K3KEY13

3電阻R310K1

4電阻R4、R91K2

5電位器RT1、RT310K2

6顯示器U1LCD16021

7電源POW5V1

8開關U31

9溫濕度傳感器U4DHT111

10單片機U5STM321

11甲醛傳感器U6VOC1

12蜂鳴器U91

13排針1

14繼電器U16JDQ-51

15發(fā)光二極管LED31

16三極管Q2、Q380502

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附錄2電路原理圖

附錄3PCB設計圖

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附錄4