基于stm32甲醛溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

目錄

1產(chǎn)品功能分析............................................................................................................1

1.1設(shè)計背景及內(nèi)容................................................................................................1

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

2方案設(shè)計....................................................................................................................2

2.1單片機(jī)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(chǎn)品硬件設(shè)計............................................................................................................3

3.1STM32F103C8T6電路設(shè)計................................................................................3

3.2LCD1602電路設(shè)計.............................................................................................4

3.3DHT11溫濕度檢測電路設(shè)計.............................................................................5

3.4甲醛檢測模塊電路設(shè)計....................................................................................6

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

4產(chǎn)品軟件設(shè)計............................................................................................................7

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

4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計................................................................................................8

5系統(tǒng)組裝與調(diào)試........................................................................................................9

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

5.2軟件調(diào)試..........................................................................................................10

5.3實(shí)物調(diào)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(shè)計圖........................................................................................................14

附錄4作品實(shí)物照.......................................................................................................15

I

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

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

II

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

基于STM32甲醛溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計與制作

1產(chǎn)品功能分析

1.1設(shè)計背景及內(nèi)容

研究背景和意義：想必近幾年我們聽到的最多的關(guān)于空氣質(zhì)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(dǎo)致的空氣嚴(yán)重污染的甲醛。

這是一種對人體有害的物質(zhì)，過量吸入會嚴(yán)重影響我們的正常生活，會導(dǎo)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(xué)家發(fā)現(xiàn)，空氣中蘊(yùn)含的有毒物質(zhì)，多達(dá)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(nèi)也處于一些空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境污染，一些

氣管炎、支氣管炎和肺癌也會嚴(yán)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(hù)措施，以避免患上肺部疾病的風(fēng)險。生活在大

都市的人們，也會經(jīng)常組織家庭成員去郊外或是爬山，去遠(yuǎn)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(wǎng)技術(shù)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，

是一項能夠帶領(lǐng)人類脫離與空氣接觸的重大實(shí)驗(yàn)，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(zhǔn)備，防患于未然，這樣的話能減少

許多不必要的損失。

本設(shè)計主要通過STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，主要檢測環(huán)境的溫濕度以及甲醛

濃度，檢測的結(jié)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(qū)動下，最終完成設(shè)計的功能需求。

1.2功能分析

本次設(shè)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(jié)果顯示在

人機(jī)交互顯示屏上，同時可以通過按鍵進(jìn)行相關(guān)的調(diào)節(jié)，設(shè)計具有聲光報警模

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

1.設(shè)計可以采集環(huán)境的溫濕度以及甲醛濃度；

2.檢測的結(jié)果可以顯示在LCD1602上；

3.設(shè)計具有報警電路，當(dāng)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(jìn)行相關(guān)的調(diào)節(jié)。

1

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

2方案設(shè)計

2.1單片機(jī)芯片的選擇方案

STM32意法半導(dǎo)體單片機(jī)方案，選擇32位單片機(jī)STM32F01系列中的一個，

其工作電壓為2V到5V，芯片內(nèi)部具有64k的程序存儲空間，芯片集成度高，內(nèi)

部集成了2路ADC，方便一般設(shè)計的使用，不需要搭建單獨(dú)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(jī)所需要的基本外設(shè)，

可以滿足本設(shè)計的驅(qū)動以及傳感器的采集電路連接，并且核心板已經(jīng)將IO轉(zhuǎn)為

2.54間距的引腳，在后續(xù)的PCB設(shè)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(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)計需求。

2.3溫濕度檢測模塊選擇

本設(shè)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(shè)備需要更多人性化的功能，也就是可以更好的為人服務(wù)，經(jīng)論證增

加檢測環(huán)境溫濕度功能。本設(shè)計決定采用下文兩種方案之一作為本設(shè)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(nèi)部設(shè)有一個NTC電阻的測量元件，DHT11溫濕度傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是檢測

濕度范圍廣，無需標(biāo)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(jī)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(zhuǎn)換。

2.4甲醛檢測模塊選擇

設(shè)計需要檢測環(huán)境的相關(guān)信息，通過VOC甲醛傳感器進(jìn)行相關(guān)的檢測，此

模塊便攜度高，識別率準(zhǔn)確，測量穩(wěn)定，可以通過5V直接進(jìn)行驅(qū)動，價格便宜，

電路設(shè)計簡單，在電子行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。

2.5系統(tǒng)框圖

設(shè)計采用STM32進(jìn)行控制，設(shè)計的外圍模塊有溫濕度檢測模塊，甲醛檢測

2

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

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(qū)動，

外設(shè)硬件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，采集的結(jié)果顯示在LCD1602液晶上，設(shè)計可以

通過按鍵設(shè)置相關(guān)的閾值，從而判斷是否需要啟動聲光報警模塊，設(shè)計框圖如

下所示：

圖1系統(tǒng)框圖

3產(chǎn)品硬件設(shè)計

3.1STM32F103C8T6電路設(shè)計

設(shè)計采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，該芯片和51系列單片機(jī)有

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

直接采用現(xiàn)成的封裝芯片，給相應(yīng)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(jī)上的跳帽進(jìn)行選擇。

3

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

圖2電路轉(zhuǎn)接板

設(shè)計采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，該芯片和51系列單片機(jī)

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

路。直接采用現(xiàn)成的封裝芯片，給相應(yīng)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(jī)上的跳帽進(jìn)行選擇。STM32F103C8T6處理器本文稱

之為單片機(jī)MCU，該型號單片機(jī)為100腳的封裝，內(nèi)部集成了512KFlash和64kS

RAM，程序存儲空間滿足多數(shù)的應(yīng)用場合，并且100腳的外部結(jié)構(gòu)，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(shè)計

設(shè)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(fù)極一個是屏幕負(fù)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(diào)節(jié)屏幕亮度，4腳5腳6腳屏

幕的數(shù)據(jù)引腳進(jìn)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(jìn)行讀操作還是寫操作，設(shè)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(jìn)行命令的執(zhí)行。7腳到14腳則連接單

片機(jī)io口進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的傳輸。

4

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

圖3lcd1602顯示電路圖

3.3DHT11溫濕度檢測電路設(shè)計

設(shè)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(jī)P1.4端口，3腳為空置引腳，4

腳連接GND。基本電路如下：

圖4DHT11電路設(shè)計圖

5

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

3.4甲醛檢測模塊電路設(shè)計

甲醛的濃度值通過ADC進(jìn)行采集，甲醛模塊電路設(shè)置，主要通過5V進(jìn)行供

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

傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理加工顯示。

圖5甲醛模塊電路設(shè)計圖

3.5蜂鳴器報警電路

如圖6所示為本設(shè)計終端系統(tǒng)中的聲光提示電路。

6

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

圖6聲光提示電路

主要的結(jié)構(gòu)是利用STM32單片機(jī)驅(qū)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(nèi)部集成了相關(guān)的震蕩電路，在蜂

鳴器接通電源的同時內(nèi)部震蕩電路產(chǎn)生固定頻率的震蕩，帶動內(nèi)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(dǎo)通的同時，蜂鳴器響起。

4產(chǎn)品軟件設(shè)計

4.1單片機(jī)程序開發(fā)環(huán)境

設(shè)計采用C語言進(jìn)行程序的開發(fā)，C語言結(jié)構(gòu)簡單，語法單一，容易復(fù)制，

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

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

為此將采用KEIL5進(jìn)行驅(qū)動程序設(shè)計。KEIL軟件是程序員運(yùn)用廣泛的一種開發(fā)

工具，這是因?yàn)樗囊粋€簡單的整體內(nèi)視圖可以降低單片機(jī)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。

7

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

圖7編程軟件界面圖

設(shè)計采用C語言進(jìn)行程序的開發(fā)，C語言結(jié)構(gòu)簡單，語法單一，容易復(fù)制，

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

軟件進(jìn)行程序的編寫，由于KEIL4不能安裝STM32庫文件，無法進(jìn)行STM32開

發(fā)，為此將采用KEIL5進(jìn)行驅(qū)動程序設(shè)計。本次設(shè)計采用C語言進(jìn)行編程，C語

言結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動方便，語法邏輯容易理解。目前應(yīng)用較為廣泛，方便后續(xù)設(shè)

計程序的抑制調(diào)試，有助于項目的開發(fā)。

4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計

設(shè)計采用STM32進(jìn)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(shè)計通電后，系統(tǒng)初始化，程序從主程序開始

運(yùn)行，首先調(diào)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(jī)進(jìn)行顯

示，最后判斷是否進(jìn)入按鍵子程序，是的話進(jìn)行甲醛，溫度，濕度安全值的調(diào)

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：

8

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

開始

系統(tǒng)初始化

LCD1602顯示相

關(guān)信息

N

是否有按鍵按下？

Y

安全閾值的調(diào)節(jié)

N

檢測值是否大于安全值？

Y

蜂鳴器報警

結(jié)束

圖8主程序流程圖

5系統(tǒng)組裝與調(diào)試

5.1硬件測試

硬件部分我們設(shè)計焊接完成后，需要對其進(jìn)行相關(guān)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(jìn)行逐個檢測，仔細(xì)檢驗(yàn)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(rèn)沒有錯誤后我們在通過軟

件調(diào)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(jī)的電源、時鐘、復(fù)位電路，若連接沒有錯誤就可以對單片機(jī)進(jìn)行通電。

通電后先測量單片機(jī)的工作電壓，如果單片機(jī)工作電壓正常，就可以對單片機(jī)

9

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

燒寫程序，通過設(shè)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(jìn)行

相關(guān)檢測。在焊接的時候應(yīng)該按照以下三個步驟進(jìn)行：

焊接前準(zhǔn)備好電絡(luò)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(zhǔn)備工作。

焊接時分清楚元件正負(fù)極，芯片方向，板面布局，對照原理圖或者仿真圖

進(jìn)行焊接，保持先焊接低元件再焊接高元件，分模塊逐步進(jìn)行焊接。

最后一步，用萬用表進(jìn)行測試，防止虛焊導(dǎo)致電路的短路，斷路，進(jìn)行實(shí)

物的測試及美化。

5.2軟件調(diào)試

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

對系統(tǒng)程序做最后的調(diào)試完善。

用KEIL軟件打開編寫好的程序進(jìn)行下載編譯，看是否有報錯，有警告，對

其進(jìn)行檢查。

根據(jù)硬件原理口查看傳感器與單片機(jī)連接的端口，檢查是否與程序定義端

口一致。

將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)芯片，插在實(shí)物上進(jìn)行驗(yàn)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(diào)試界面圖

10

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

5.3實(shí)物調(diào)試

經(jīng)過以上環(huán)節(jié)的工作，確定了設(shè)計的硬件設(shè)計方案，通過AD軟件，應(yīng)用所

學(xué)的指示，搭建出設(shè)計的系統(tǒng)原理圖，緊接著，對設(shè)計的外設(shè)傳感器進(jìn)行驅(qū)動，

通過KEIL5進(jìn)行軟件程序的編寫，最終將生成的文件燒錄到設(shè)計實(shí)物中，設(shè)計

實(shí)物圖如下圖16所示：

圖10實(shí)物測試圖

系統(tǒng)通電后，傳感器進(jìn)行相關(guān)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(guān)的安全值進(jìn)行檢測，之后判斷是否需要進(jìn)

行蜂鳴器報警操作。

設(shè)計問題分析：

（1）實(shí)物上電的瞬間，溫濕度不能進(jìn)行檢測；

解決辦法：首先確定設(shè)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(diào)節(jié)程序進(jìn)行問題的查詢。最后發(fā)現(xiàn)沒有在主程序調(diào)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(jī)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。

11

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

參考資料

[1]苗玉杰.醫(yī)用紅外測溫儀及溫度補(bǔ)償技術(shù)的研究[D].燕山大學(xué),2005.

[2]徐伊岑.基于紅外測溫儀的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008(01):47-50.

[3]張崇關(guān).紅外輻射溫度測量關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2013.

[4]丁磊.基于紅外傳感的溫度檢測與傳輸系統(tǒng)設(shè)計[D].安徽大學(xué),2014.

[5]方潮海,葉良偉,朱麗軍.基于單片機(jī)的非接觸式紅外溫度測量儀的研究[J].科技

風(fēng),2014(14):50-51.

[6]張德欣,林瑤.雙色測溫儀工作原理及其應(yīng)用[J].傳感器世界.1998(01):101-103.

[7]朱建軍.點(diǎn)檢儀要校準(zhǔn)[J].設(shè)備管理與維修.2006(09):32-34.

[8]張晉寶,劉佳.基于紅外的非接觸式測溫儀設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用.2016(04):56-58.

[9]夏候凱順,曾憲金,胡立坤等.基于MLX90614和ZigBee技術(shù)的體溫實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].自

動化與儀表.2011(11):31-36.

[10]羅家偉.工業(yè)用光學(xué)高溫計使用注意事項及常見故障排除[J].計量技術(shù).2004(07):89-82.

[11]]MuktiWinanda,NilaGitaCahyani.WirelessDigitalSignageforIntelligentTraffic

ManagementSystem[M].SpringerBerlinHeidelberg,2014.

[12]王云.51單片機(jī)C語言程序設(shè)計教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

12

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

附錄1元器件清單

羅旋《基于STM32甲醛溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)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(guān)U31

9溫濕度傳感器U4DHT111

10單片機(jī)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

13

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

附錄2電路原理圖

附錄3PCB設(shè)計圖

14

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

附錄4