室内空气质量检测系统硬件的设计与实现-毕业论文

2023年4月24日发(作者：简约别墅装修效果图)

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摘 要

本次设计一款以STC89C52单片机为核心，运用Proteus和Altium Designer设计一

款室内空气质量检测系统，该系统包含主芯片模块、气体检测模块、人机交互模块、报

警模块、远距离传输模块，该系统具有同时检测室内的温湿度、CO浓度、甲醛浓度、

甲烷浓度、PM2.5指数。并通过液晶显示屏实时显示出来，当室内空气中的检测气体浓

度超过报警值时，检测装置通过亮指示灯和蜂鸣器报警的方式来提醒用户室内有害气体

超标，还可以通过GSM模块短信方式将室内空气质量信息发送到移动端。

本次设计使用了AD转换器，采用两个AD转换器，将CO浓度传感器、甲醛浓度

传感器、甲烷浓度传感器、PM2.5传感器这四种传感器检测到的气体浓度的测量信号转

换为单片机所需的数字量信号，同时在测量气体浓度的基础上加以改进，添加了额外芯

片，用来搭载GSM模块，使空气质量检测系统拥有实时远程报警的功能，让本系统报

警速度更快。

关键词：室内空气质量；实时监测；硬件设计；GSM模块

Design and Implementation of Hardware for Indoor Air Quality

Detection System

Abstract

This design takes STC89C52 as the core, and uses Proteus and Altium designer to design

an indoor air quality detection system, which includes main chip module, gas detection

module, human-computer interaction module, alarm module and long-distance transmission

module. The system has the function of simultaneously detecting indoor temperature and

humidity, CO concentration, formaldehyde concentration, methane concentration and PM2.5

index. And through the LCD real-time display, when the detection gas concentration in the

indoor air exceeds the alarm value, the detection device will alert the user that the indoor

harmful gas exceeds the standard by lighting the indicator light and buzzer alarm, and also

can send the indoor air quality information to the mobile terminal through the GSM module

SMS.

In this design, AD converter is used, and two AD converters are used to convert the

measurement signals of gas concentration detected by CO concentration sensor, formaldehyde

concentration sensor, methane concentration sensor and PM2.5 sensor into the digital signals

required by single chip microcomputer. At the same time, based on the measurement of gas

concentration, an additional chip is added to carry GSM module The air quality detection

system has the function of real-time remote alarm, which makes the system alarm faster.

Keywords: Indoor air quality; real time monitoring; hardware design; GSM module

目 录

1前言 ....................................................................... 1

1.1任务提出 ............................................................. 1

1.2国内外发展现状 ....................................................... 1

1.3本毕业设计所做的工作 ................................................. 2

2工具介绍 ................................................................... 2

2.1开发平台选择 ......................................................... 3

2.2开发平台的使用 ....................................................... 3

3系统总体设计 ............................................................... 3

3.1总体设计方案 ......................................................... 3

3.2系统总体设计目标 ..................................................... 6

4硬件系统详细设计 ........................................................... 6

4.1主板芯片设计 ......................................................... 7

4.2检测模块设计 ......................................................... 8

4.3人机交互模块设计 .................................................... 12

4.4报警模块设计 ........................................................ 13

5系统实现 .................................................................. 13

5.1仿真设计 ............................................................ 13

5.2 PCB板的制作 ........................................................ 15

5.3 实物制作 ........................................................... 16

5.4仿真结果测试（以温度为例） .......................................... 19

5.5硬件模块测试 ........................................................ 21

5.6数据分析 ............................................................ 28

6系统总结 .................................................................. 33

6.1、总结 .............................................................. 33

6.2、系统特点 .......................................................... 33

6.3、系统不足及解决措施 ................................................. 33

6.4、系统展望 .......................................................... 34

参考文献 ................................................................... 35

谢 辞 ..................................................................... 37

附 录 ..................................................................... 37

1前言

空气质量一直是人们共同关心的问题，对人们的生活至关重要。然而，由于近年来

工业化的快速发展，空气中有害物质的含量逐渐增加。当空气中有害物质的含量增加时，

会对身体虚弱的老人和婴儿造成伤害。此外，新装修的房屋和使用天然气或煤气的室内

环境都需要实时检测有害物质，以便更好地保护身体健康。

目前全球都在呼吁大家保护环境，因为由于现代工业的快速发展，全球的空气环境

都遭到了极大的破环。就以PM2.5为例，微粒物极大地影响了能见透明度，更糟糕的是，

它100%的能够抵达肺泡，而且很难通过自身的力量将他排出肺部，最终的结果就是会

造成肺部的一系列病变和许多心血管疾病。黄土灰尘与PM2.5微粒相比，明显是PM2.5

微粒对现代社会的人影响更为深重。这仅仅是PM2.5微粒对人们造成的危害，更不用说

其他的气体，例如CO、二氧化硫、H3、H2S等等，所以保护空气环境是现阶段十分重

要的问题，那么我们就需要通过空气质量检测装置才能了解到空气环境的具体情况。

从目前情况来看，中国的空气质量水平相比较10年前已经有了大幅度改善，但是

远远还不够，只是一小部分人开始重视空气质量的改善，主要原因是大部分人对空气质

量的实际情况没有具体的了解，如果人人都拥有一款便携的空气质量检测仪，它能够直

观的告诉我们身边空气的具体情况，这样的话，每个人都可以清晰的认识到目前的空气

环境情况，从而呼吁更多的人拥有保护环境的意识。

1.1任务提出

目前我国的设备自动化发展迅速，但在室内空气质量监测方面还不尽如人意。我国

这些产品大多功能单一、价格昂贵，有些需要专业知识来操作，不够人性化。因此，设

计一种便携、经济、功能齐全、操作简单的室内空气质量检测系统将成为目前较为热门

的研究和发展方向。

本次设计是对室内空气质量检测系统进行硬件方面的设计，使成品可以检测温湿度

和多种有害气体，并在检测结果超标时进行报警。本次设计需要进行电路仿真、PCB板

的制作和成品制作。

1.2国内外发展现状

我国近些年在该领域取得了一些成就，西方国家由于在该领域起步较早，所以目前

他们仍然处于前列，以下对国内和国外的现状分别进行介绍：

国外情况:

1978年，“首届室内空气与气候国际会议”在哥本哈根召开，为的是提升人们对空

气质量的保护意识。 美国埃斯科公司的Z-XP系列泵式气体监测仪和Z/ZDL系列手持

式气体监测仪是目前检测空气质量的主流检测仪，可测量有害气体的参数较多并且较为

准确。它可以用单一的测量参数监测二氧化碳、一氧化碳、温度和湿度等参数。米哈伊

尔洛夫等人设计了一种基于蓝牙低功耗无线能量传输的智能家庭网关系统，约万诺维奇

等人设计了一种低成本的无线粉尘监测系统。特别是近两年来，德国和加拿大在这一领

域取得了成就。

国内形势:

虽然我国的设备自动化起步较晚，但已经有了足够的实力和快速的发展，并且与国

外顶尖的差距越来越小。根据调查显示国内的室内空气质量监测仪器的发展大概经历实

验室分析仪器阶段和便携式现场检测仪器阶段这两个阶段。另一方面，根据信号转换原

理，目前现场检测系统类别大致可分为三类:辐射检测仪器、电化学传感器监测仪器和光

学检测仪器。华东交通大学的高海文在STM32F103C8T6的基础上，结合DHT11温湿

度传感器和电化学甲醛传感器，采用HC-05蓝牙模块和GSM通信模块传输监测数据，

开发了功能齐全的上位机。沈阳工业大学陈阳分校以ARM11为核心，加入光强传感器、

温湿度传感器、尘粒传感器等一系列传感器，开发了一款基于Linux的小型便携式室内

空气质量监测仪。它具有数据检测准确、响应灵敏的特点。基于Zig Bee和Lab VIEW

的多地无线温湿度监控系统的设计被中国民航大学的史艳红研究成功了。结合目前流行

的智能家居中广泛使用的Zig Bee数据收发器模块和Lab View开发的上位机进行数据监

控，可以实现远程多点温湿度监控和报警。这些研发大多基于单片机，具有介绍简单、

使用方便的特点。然而与国外产品相比，嵌入式和阵列传感器还没有得到广泛的推广。

1.3本毕业设计所做的工作

本文设计一款基于stc89c52rc单片机的室内空气质量检测装置，能够检测室内，汽

车内部等一些封闭环境下的空气质量，在检测气体并报警后将检测到的数据实时的显示

在显示屏上，而且还拥有GSM模块，用发短信方式将室内空气质量信息发送到移动端。

本次设计的任务要求：

（1）分析当前市面上室内空气质量检测仪的技术质量，了解国内外相似产品的现

状。

（2）通过硬件设计，使各监测模块正常工作，并能与传输数据工作组一同协作，

确保可以实现空气测量。

（3）优化硬件设计，使检测系统整体较为完善。

2工具介绍

2

2.1开发平台选择

Proteus：本次设计采用Proteus来进行仿真设计，通过从其内置的元件库中选择所

需元器件进行仿真，仿真完成后还可以根据仿真结果生成PCB板，十分的方便。但本

次设计采用Proteus进行仿真部分的设计，先将所需元器件找出并放置好后，再将设计

好的仿真程序文件载入仿真中的芯片，根据程序中所设计的引脚完成连线，再根据仿真

结果进行调试。

Altium Designer：本次设计采用Altium Designer实现PCB板的设计，这款软件是制

作PCB板的常用软件，Altium Designer的使用方法简便，设计出的PCB板较为准确，

本次设计先用Proteus仿真出结果后，再根据仿真结果绘制出PCB板图。

2.2开发平台的使用

Proteus：首先打开“Proteus”软件，进入到软件界面后，在左侧工具栏中点击黑色

箭头下面的“元件模式”，接着在出现的搜索界面中搜索所需要的元器件，当搜索出来

后进行双击就可以将元器件拖至编辑区进行整体的设计，将各个元器件放置成功后，通

过鼠标左键将各个元器件连接起来就可以在菜单中点击电气规则检查，如有错误将其修

改即可完成。

Altium Designer：首先打开“Altium Designer”软件，进入到软件界面后，在工程

中新建一个原理图。在绘制原理图时，先将所选的元件逐一正确的放置，放进原理图后，

将各元器件连接起来，完成原理图。原理图完成后将其转化为PCB文件，此时所有元

器件会出现在该文件的右下方，将各元器件放置好，在放置元器件的时候要注意白线不

要交叉，不然可能会出现错误，在排版完成后就可以得到PCB板了。

3系统总体设计

3.1总体设计方案

3

硬件设计是整个检测系统的基础，硬件电路设计将直接影响电路系统的性能。只有

先进行硬件的设计才能进行软件的安装与调试，所以硬件设计也就是本次毕业设计的基

础。

本设计所研究的室内空气质量检测仪，是一款偏向于大众的检测装置，所用的硬件

如芯片stc89c52、按键、蜂鸣器、各种检测气体的电化学传感器、温湿度传感器等元器

件都是价格较低实用性较强的元器件，并且此次设计我还将GSM模块加入到本次设计

当中，为了可以实时收到检测结果，更加的智能化。

系统硬件由芯片stc89c52、按键、蜂鸣器、GSM模块、香烟MQ-2传感器、甲醛

MS1100传感器、一氧化碳MQ-7传感器、甲烷MQ-135传感器、温湿度传感器、电源

和各传感器的信号处理电路、液晶显示屏等组成。

系统总框图如图3.1所示：

图3.1 系统总框图

硬件总体设计框图如图3.2所示：

4

图3.2 硬件总体设计框图

图3.3 成品外观平面模拟图

5

图3.4 成品外观3D模拟图

如图3.3和图3.4所示，是本次设计的成品外观模拟图，为了美观和实用，决定将5

个传感器检测模块放在一起，使检测结果更精准。实物总体包含四个按键、五个传感器、

显示屏、电源口、天线和LED灯。

3.2系统总体设计目标

影响室内空气质量的气体有很多，本文主要针对温度、湿度、PM2.5浓度、甲烷浓

度、甲醛浓度、一氧化碳浓度进行检测，其他影响室内空气质量的气体暂不讨论。

本次设计一款以STC89C52单片机为核心，包含主芯片模块、气体检测模块、人机

交互模块、报警模块、远距离传输模块的室内空气质量检测系统。

主芯片模块采用STC89C52RC芯片完成对室内空气质量信息的采集、检测、传输、

处理、显示和报警。气体检测模块具有同时检测室内的温湿度、CO浓度、甲醛浓度、

甲烷浓度、PM2.5指数。本系统可以自定报警值，并可以通过液晶显示屏将检测到的各

气体浓度实时的显示出来，当室内空气中的检测气体浓度超过报警值时，检测装置通过

亮指示灯和蜂鸣器报警的方式来提醒用户室内有害气体超标，还可以通过GSM模块短

信方式将室内空气质量信息发送到移动端。

4硬件系统详细设计

6

4.1主板芯片设计

本文采用STC89C52RC芯片，该芯片是C51系列的升级版本，在原有51系列芯片

的基础上，各方面都进行了改进。该芯片有8k字节的闪存，以及512字节的RAM, 同

时还具有32位I/O口线，该芯片还具有看门狗，看门狗可以有效防止程序进入死循环。

振荡器直到下一次中断或复位信号才会工作。该芯片的最大频率为35MHz。实物图如

图4.1所示：

图4.1 stc89c52rc

此外，该芯片支持2线制下载方式，使开发研究与调试功能更加简便迅捷。该芯片

的后缀“RC”代表该芯片自带RC时钟振荡，与一般的芯片相比，可以不设计时钟电路模

块，而没有该后缀的芯片，往往需要外部设计时钟电路与芯片相连接。

STC89C52单片机具有40个引脚，每个引脚都有对应的功能，大致可分为四种类型：

电源、时钟、控制和输入输出引脚。具体引脚图如下图4.2所示：

图4.2 STC89C52RC引脚图

为了让所设计的系统工作电路能够正常运行，应在电路中加入复位电路和晶振电

路。复位电路能够使电路恢复到起始状态，也可以防止电路运行出现异常，进入死循环。

晶振电路则是为单片机提供时钟脉冲。

7

4.2检测模块设计

4.2.1温湿度检测模块设计

温度的测量原理：该元件有两个金属片，每一片的金属片的一端与另一个金属片的

一端连接，而剩下的两端与检测仪器相连，构成电路回路。金属片对温度变化敏感，金

属片在不同温度下会产生很大的差异，就算是很小的温度差异也能够被快速检测出，当

两端金属片的温度不同时，产生的信号经过AD转化，转化为数字量信号后，将该信号

发送给单片机，便可以检测出实际的温度。

湿度的测量原理：湿度的检测原理与温度检测相似，在进行湿度检测时有两片铺满

醋酸纤维聚合物的电极，醋酸纤维聚合物是一种对空气中湿度变化敏感的聚合物。当空

气中的湿度发生变化，会使该聚合物产生化学反应，而该化学反应会使这两片电极之间

的介电常数发生一定量的变化，通过这一定量的变化就可以判断出具体的湿度情况，之

后产生的信号就会通过AD转化，将该信号发送给单片机，便可以检测出实际的温度。

图4.3 数字温湿度传感器 SHT3x

该传感器的供电电压范围宽为2.15V-5.5V，上电后需要等待一秒，避免系统不稳定

所带来的误差，外形尺寸为2.5×2.5×0.9mm，输出方式为电压输出，能耗较小为4.8

μW。其中温度的工作范围为-40℃~125℃，湿度的范围用百分比表示为0-100%RH。但

湿度的响应时间较慢大约为8秒。其实物图如图4.3所示。

4.2.2气体浓度浓度检测模块设计

8

图4.4

检测模块电路原理图

（1）一氧化碳传感器选型：MQ-7传感器

该传感器在空气质量好的情况下具有低导电性。其检测原理都是通过检测到的气体

与传感器内部物质发生化学反应，从而导致电阻的变化，根据电阻的变化，我们就可以

推算出所检测的气体浓度，并将这种信号的变化转换为数字信号传输给主芯片。其实物

图如图4.5所示：

图4.5一氧化碳MQ-7传感器

CO浓度检测电路原理图如4.4所示，上电初始化，该模块使用5V供电；当传感器

检测到一氧化碳时，通过4引脚输出信号，此时信号被加到比较器的2引脚，Rp为滑

动变阻器用来调节门槛电压，当检测到气体浓度的输出电压高于滑动变阻器上的电压

时，此时输出的电平为低电平，LED灯亮报警。反之，输出电平为高电平，LED灯不

亮。可以通过调节滑动变阻器的大小来设定所要检测气体浓度的报警值。输出的电平信

号经过AD转换器转换为数字信号后就可以传输给主芯片。

（2）PM2.5传感器选型：MQ-2传感器

该传感器为烟雾传感器，PM2.5的主要成分为颗粒物，烟雾也为细小颗粒物，根据

其资料显示可以测量PM2.5,所以该传感器在空气质量良好的情况下拥有的较低的导电

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性，但当空气中的PM2.5浓度高于空气质量良好的环境中时，该传感器可以迅速的检查

出气体浓度，该传感器具有检测气体多、寿命长、采用简单的驱动电路、所用成本低等

特点。其实物图如图4.6所示：

图4.6 MQ-2烟雾传感器

PM2.5浓度检测电路与CO浓度检测电路相似，上电初始化，系统采用+5V给单片

机供电与该模块供电。当空气中出现有害气体被传感器检测到时，传感器产生信号，需

要通过AD转换器转换为数字量信号，形成PM2.5浓度。

（3）甲醛传感器选型：甲醛MS1100传感器

该传感器对甲醛浓度的变化敏感，当传感器中的金属氧化物遇到空气中的甲醛，此

时传感器内部的阻值会发生变化，通过阻值的变化来判断甲醛的浓度。其实物图如图4.7

所示：

图4.7甲醛MS1100传感器

甲醛浓度检测电路的原理就是其内部贵金属氧化物遇到甲醛气体阻值发生变化，传

感器内部类似发热丝的电阻阻值会根据甲醛气体的浓度发生变化，上电初始化，系统采

用+5V给单片机供电与该模块供电，通过其AOUT引脚可以直接与AD转换器连接，当

空气中出现有害气体被传感器检测到时，传感器产生信号，通过AD转换器转换为数字

量信号，形成甲醛浓度。

（4）甲烷传感器选型：MQ135气体传感器

MQ-135传感器共有四个引脚：VCC、GND、AOUT以及DOUT，其中Aout（模拟

输出）的精确度更高，电路驱动原理与一氧化碳浓度检测电路相似。该模块具有成本低、

功耗小以及体积小巧等特点。 同时在空气质量好的情况下具有低导电性。当该传感器

所处的环境中含有甲烷、氨气、硫化物、苯系蒸汽时，该传感器都能将其检测到。该传

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感器也是检测其他有害气体的理想选择。其实物图如图4.8所示：

图4.8 甲烷MQ-135传感器

甲烷浓度检测电路与CO浓度检测电路相似，上电初始化，系统采用+5V给单片机

供电与该模块供电。当空气中出现有害气体被传感器检测到时，传感器产生信号，需要

通过AD转换器转换为数字量信号，形成甲烷浓度。

（5）AD转换器：ADC0832

本次设计采用ADC0832这种具有8位的数模信号转换的芯片，可以适用一般的模

拟量转换要求，该芯片体积小、价格便宜、接口操作简单、稳定性能强、信号转换控制

操作较于其他型号芯片容易。其实物图如图4.9所示：

图4.9 ADC0832

11

图4.10 ADC0832引脚图

本次设计通过AD转换器将这四种检测气体浓度的传感器的模拟信号转换为数字信

号，如图4.10是ADC0832的引脚图，其中ADC0832通过CS、CLK、DO、DI这四个

接口与单片机控制电路连接，而CHO和CH1为输入端，所以一个AD转换器可以同时

连接两个传感器。

4.3人机交互模块设计

本次设计的人机交互模块主要为按键和显示屏模块，按键模块包括加、减、切换和

停止报警键这四个按键，通过按键输入可以调整显示屏上的显示的内容，还可以调整各

项检测数据的报警值，而通过按下停止报警键可以让系统不进行报警，当松开停止报警

键时，若是检测气体为下降到报警值以下时则继续报警。

图4.11 LCD1602显示屏引脚图

液晶显示屏采用LCD1602显示屏，该显示模块可以完整显示字母、数字、日文和

一般符号，根据其名字可看出显示内容是16×2，即分为两行，每行显示16个字符，

LCD1602显示屏主要用于显示小范围的显示场合，因为本次设计只是采用显示屏显示检

测数值，并不需要显示太多的内容，所以打算采用LCD1602显示屏。其工作电压为+5V，

该模块具有接线简单，成本低，实用性强等特点。液晶显示屏输出模块的引脚图如图4.11

12

所示。

4.4报警模块设计

4.4.1蜂鸣器报警

本次设计的报警模块由简单的蜂鸣器电路构成，STC89C52通过控制蜂鸣器电平的

高低来决定蜂鸣器是否工作，蜂鸣器电路中的三极管为NPN型的三极管，所以当输出

电平为高电平时，三极管导通，LED警示灯亮。反之，当输出电平为低电平时，三极管

截至，LED警示灯不亮。

当室内空气中的检测气体浓度超过报警值时，检测装置通过亮指示灯和蜂鸣器报警

的方式来提醒用户室内有害气体超标，还可以通过GSM模块短信方式将室内空气质量

信息发送到移动端。

4.4.2远程报警模块：GSM模块

本次设计采用SIM800C GSM模块，SIM800C 是一种具有四种频率（850、900、

1800、1900MHZ）的高性能模块，串口波特率为1200~460800bps，该模块通过主要 AT

命令控制，其性能高效，功耗偏低，外观小巧精致，性价比较高。可承受温度高约为85℃，

最大下载速率达 85.6kbps，同时可以支持 PBCCH，还具有多种使用功能，如：彩信、

电子邮件、录音、蓝牙、通话等。本测设计将采用SIM800C模块为用户发送报警信息。

实现远程报警的功能，实物如图4.12所示：

图4.12 GSM模块sim800c

5系统实现

5.1仿真设计

首先打开“Proteus”软件，进入到软件界面后，在左侧工具栏中点击黑色箭头下面

的“元件模式”，然后在出现的二级界面中点击“P”按钮，接着在出现的搜索界面中

搜索如图5.1中所示的所有元器件，当搜索出来后进行双击就可以将元器件拖至编辑区

13

进行整体的设计，将所有元器件摆放好后，根据.hex文件中的引脚连接情况进行连线，

本次设计为了使仿真图看起来更加简洁，将所有引脚的连接方式进行标号，使仿真图看

起来更加简洁。当所有元器件连接成功后，将.hex文件放入芯片中，开始进行仿真。

图5.1 元件选择

总体仿真情况如图5.2所示，在传感器的仿真中加入了AD转换器，因为要将模拟

信号转换为数字信号，根据详细设计中的气体检测模块的设计原理，将仿真结果中传感

器所能检测到的气体浓度用滑动变阻器来代替，使仿真结果看起来更简洁，在仿真完成

后，测试仿真结果，所有功能运行正常，就可以进行PCB板的设计。

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图5.2 硬件总体仿真图

5.2 PCB板的制作

本次设计使用Altium Designer制作PCB工程文件的过程，Altium Designer 用来制

作一般的PCB非常方便。

本次设计具体PCB板的步骤如下所示：

启动Altium Designer，新建一个PCB Project，在工程中新建一个Schematic（原理

图）。在绘制原理图时，首先要装载本系统所有所需的元件库，根据原理图在AD中放

置相应的元件，然后逐一正确的放置器件，放进原理图中，并连接起来，这样原理图就

绘制完毕了。在软件中画完所有元件的仿真图后，点击compile，如果没有提示存在错

误的话，程序就可以完美运行。compile完后，此时点击design中的update按钮，将元

件发送到PCB文件中。这时所有的元件图会出现在PCB文件的右下方，将各个元器件

放到指定的位置的时候要注意白线不要出现交叉，不然可能会出现错误。点击按钮添加

电线。此时有两个层面可以进行布线。分别为顶层布线和底部布线。如果在布线时发现

电线的线宽太小的话，在布线的时候按下Tab键，设置线宽。按下“place Polygon Plane”

进行覆铜，得到的PCB图如图5.3和图5.4中所示：

Top layer：

图5.3 PCB板顶层布线

Bottom Layer：

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图5.4 PCB板底层布线

5.3 实物制作

通过参考PCB板做出实物电路板，经过感光、显影、打孔后将各部分元件放入已

经制作好的PCB板中，将各个引脚与PCB板孔一一对齐，开始进行焊接，在焊接时要

注意焊点饱满，防止出现虚焊等问题导致实物无法正常运行，在焊接等步骤完成后，检

查各部分是否存在问题。在制作GSM报警模块程序设计时发现GSM模块的C语言程

序过大STC89C52单片机无法容纳，所以需要添加外界芯片，具体连接方式如表5.1和

表5.2所示：

表 5.1 外接芯片与主芯片引脚连接说明

主芯片 外接芯片

P1.0 P1.1

P1.1 P1.2

P1.2 P1.3

GND GND

表 5.2 GSM模块引脚说明

外接单片机口 GSM 口

P3.0(RXD) TXD

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P3.1(TXD) RXD

GND GND

的成品：

将表格中左右两端相连，即可完成单片机与 GSM 模块的通信。制成如图5.5所示

图5.5 实物总体制作图

图5.6 实物总体背面图

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图5.7 硬件总体分布图

实物硬件的总体分布如图5.7所示，图中的1号传感器是MQ-135甲烷传感器，2

号传感器是MQ-7 CO传感器，3号传感器是甲醛MS1100传感器，4号传感器是MQ-2

烟雾传感器，将这四种传感器放置在相近的位置上可以更有效地检测空气中气体的浓

度，并且将这几种传感器和5号显示屏分别放置在周围可以节省空间，使外观看起来更

精致，同时还可以保护中央的芯片，图中6号标记的地方为调节按钮，其功能分别为加、

减报警值、切换显示屏中的页面和停止报警。图中7号标记的地方是该硬件的开关。

做出实物后，将软件部分与硬件部分合成，完成室内空气质量检测装置总体的设计

与实现，并测试其检测数值，对照后观察其是否符合总设计要求。

为了发现在设计室内空气检测系统时的存在的疏忽和漏洞，确保系统可以实现总体

要求，所以进行系统的总体测试，测试阶段是保证系统能够稳定运行的主要环节，测试

后，如果有漏洞及时改正。对系统加以改进和修正，并对运行结果进行分析，准确评估

检测系统的性能。

为了对系统性能进行测试，先逐一的将各个模块进行测试，对温度、湿度、PM2.5

浓度、甲醛浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度分别进行测量，将测量结果进行对比分析，

将该空气质量检测装置分别放置在室内和通风环境下，对比所测量的各组数据，观察数

据是否有明显的变化，将不同时间的数据记录下来进行分析，并通过GSM 发送短信，

来检测GSM模块是否能够正常运行，具体各个模块的测试情况将在下面仔细阐述：

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5.4仿真结果测试（以温度为例）

图5.8 仿真结果测试图

首先点击左下角的运行按钮，当程序开始运行后，我们可以在仿真图中进行运行，

为硬件实物的设计做准备，当系统开始运行后，我们可以在中央显示屏中看到现在各指

标的情况如图5.8所示。此时显示屏所显示的实际温度为39℃，报警值为40℃，所以此

时系统各项正常运行，报警模块不进行报警。

我们先以温度为例，右上角的元器件为温湿度检测模块，我们可以通过调节最右边

的按钮来更换湿度和温度，左边两个方向键可以调试温度或湿度的具体大小，首先我们

通过切换键来调节显示屏所显示的各项气体浓度，并可以设定报警值，例如当前设定温

度报警值为40℃。所以当温度超过40℃时，下方温度指示灯开始闪烁，同时蜂鸣器开

始报警。如图5.9所示：

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图5.9 仿真结果测试图

其他气体检测也是如此，还可以通过按停止报警键来停止报警，当停止报警键按下

时指示灯不会闪烁同时蜂鸣器也不会响，如图5.10所示：

图5.10 仿真结果测试图

当停止报警键松开时如果所测数值没有到达报警值以下将再次报警，指示灯与蜂鸣

器同时进行报警，当所测数值到达报警值以下时，系统将恢复正常。如图5.11所示：

20

图5.11 仿真结果测试图

其他仿真结果经过测试后，一切正常，就不一一赘述。

5.5硬件模块测试

在仿真结果运行完成后，进行PCB板的测试，在PCB板的设计完成后，将各个模

块与主板连接，经过后续软件设计，最终完成成品图如图5.12所示：

图5.12 成品正面图

21

图5.13 成品背面图

在确定整体电路设计完成后，对所有功能依次进行测试。测试结果如下所示：

（1）上电

首先将准备好的SIM卡插入GSM模块的卡槽，当SIM卡装好后上电，上电后会发

送启动成功信息“I AM OK!”给指定手机用户，证明系统成功上电，如图5.14和图5.15

所示：

图5.14 GSM模块 图5.15 用户收到短信提示

（2）温度

温度测量模块的检测方式是将本次温度检测结果与所在地区的官方实际数据进行

比对：

22

图5.16 实物温度检测结果 图5.17 手机测得温度值

如图5.16与图5.17所示，实物的温度检测模块所检测的结果与实际温度相差1℃，

误差属于正常范围。将温度报警值设置为26℃，使其低于当前值，测试其报警功能：

图5.18 温度报警

如图5.18所示，当温度高于报警值时，报警模块开始工作，主板左下角的报警灯亮，

蜂鸣器发出声响，此时用户收到报警短信。当按下左下角的停止报警键时，报警灯熄灭，

蜂鸣器不工作，报警模块不工作，由图5.19和图5.20所示：

图5.19温度报警短信 图5.20 按下停止报警键后报警灯熄灭

（3）湿度

通过左下角的切换按键将显示屏显示结果切换至湿度值，将本次湿度检测结果与所

23

在地区的官方实际数据进行比对，如图5.21与图5.22所示：

图5.21 实物检测湿度值 图5.22 手机测得湿度值

如图5.21与图5.22所示，湿度检测值为70%，实际数据为70%，检测值与实际值

的误差为0，湿度检测模块功能正常，下面测试报警模块，将报警值调至68%使其低于

当前测量值如图5.23所示：

图5.23 报警模块工作 图5.24 湿度报警短信

当湿度高于报警值时，报警模块开始工作，可见主板左下角报警灯亮起，蜂鸣器发

出声响，用户收到报警短信如图5.24所示。当按下左下角的停止报警键时，报警灯熄灭，

蜂鸣器不工作，报警模块不工作。

（4）一氧化碳

通过切换按键将显示屏切换为显示一氧化碳浓度界面，并将将打火机靠近一氧化碳

传感器，提高一氧化碳传感器周围气体中的一氧化碳浓度，此时空气中的一氧化碳浓度

为204μg，远远超过报警值，如图5.25所示：

24

图5.25 一氧化碳浓度超标

图5.26一氧化碳报警短信 图5.27室内正常一氧化碳浓度

当打火机靠近一氧化碳传感器时，传感器上的绿灯亮起，当前值大于报警值时，主

板左下角报警灯亮起，蜂鸣器发出声响，报警模块正常工作，用户可收到报警短信如图

5.26所示。当室内一氧化碳浓度低于报警值时，报警模块不工作，室内正常一氧化碳浓

度如图5.27所示。

（5）PM2.5

通过切换按键将显示屏切换为显示PM2.5浓度界面，由于PM2.5是泛指空气中直

径小于或等于2.5微米的颗粒物，所以本次检测用打火机中的气体代替，将打火机靠近

PM2.5传感器，提高PM2.5传感器周围气体中的PM2.5浓度，此时空气中的PM2.5浓

度为155μg，如图5.28所示：

25

图5.28 PM2.5浓度超标报警

图5.29 PM2.5报警短信 图5.30 室内正常PM2.5浓度

当打火机靠近PM2.5传感器时，PM2.5浓度高于报警值，传感器上的绿灯亮起，当

前值大于报警值时，主板左下角报警灯亮起，蜂鸣器发出声响，报警模块正常工作，用

户可收到报警短信如图5.29所示。当室内PM2.5浓度低于报警值时，报警模块不工作，

室内正常PM2.5浓度如图5.30所示。

（6）甲醛

通过左下角的切换按键将显示屏显示结果切换至显示甲醛浓度界面，并将打火机靠

近甲醛传感器，将打火机中的气体放出，提高甲醛传感器周围气体中的甲醛浓度，此时

空气中的甲醛浓度为240mg，远远超过报警值，如图5.31所示：

26

图5.31 甲醛浓度超标发生报警

图5.32 甲醛报警短信 图5.33 室内正常甲醛浓度

当甲醛浓度高于报警值时，报警模块开始工作，主板左下角报警灯亮起，蜂鸣器发

出声响，用户收到报警短信如图5.32所示。当室内甲醛浓度低于报警值时，报警模块不

工作，室内正常甲醛浓度如图5.33所示。

（7）甲烷

通过切换按键将显示屏切换为显示甲烷浓度界面，并将打火机靠近甲烷传感器，提

高甲烷传感器周围气体中的甲烷浓度，此时空气中的甲烷浓度为140μg，远远超过报警

值，如图5.34所示：

27

图5.34 甲烷浓度超标

图5.35 甲烷报警短信 图5.36室内正常甲烷浓度

当打火机靠近甲烷传感器时，传感器上的绿灯亮起，当前值大于报警值时，主板左

下角报警灯亮起，蜂鸣器发出声响，报警模块正常工作，用户可收到报警短信如图5.35

所示。当室内甲烷浓度低于报警值时，报警模块不工作，室内正常甲烷浓度如图5.36

所示。

综上所述，实物的各检测模块功能均可正常运行，且如当初设计的系统方案一般，

但仍需对本设计的长期检测能力进行测验。

5.6数据分析

为了测试实物检测能力的准确性，我们分别设置了两组对照变量：密闭空间与通风

空间、实物检测结果与其他设备测量结果，并将检测时间分为8个时间段，分别为7点、

9点、11点、13点、15点、17点、19点和21点。通过这8个时间段将两组对照量的

测量结果进行对比，就可以看出本次设计检测模块是否准确，具体对照结果如下：

表5.3 温度测量值

时间（点） 本设计测量值（℃） 温度计测量值（℃）

28

密闭空间 通风空间 密闭空间 通风空间

7 24 24 24 24

9 25 25 24 24

11 26 26 25 25

13 26 26 26 26

15 27 27 26 26

17 26 26 26 26

19 25 25 25 25

21 25 25 25 25

图5.37 温度结果对比

通过表5.3和图5.37所示结果可以得知，本次设计的温度检测模块在8个时间段内

的测量结果与温度计的检测结果相比最大误差为1℃，误差为正常范围，且误差出现的

时间是在在温差变化较大的时间段出现的，其他时间温度并不存在误差，并通过对比密

闭空间和通风空间所检测的结果，得知温度检测模块的检测结果一致，所以本设计温度

检测性能良好。

表5.4 湿度测量值

时间（点） 本设计测量值（%） 手机软件测量值（%）

7 73 73 74 74

9 72 72 72 72

11 71 71 72 71

13 70 70 70 70

15 70 70 70 70

17 71 71 71 71

29

密闭空间 通风空间 密闭空间 通风空间

19 72 72 72 72

21 72 72 73 72

图5.38 湿度结果对比

由表5.4和图5.38所示，本次设计的湿度检测模块在8个时间段内的测量结果手机

软件的检测结果相比最大误差为1%，误差为正常范围，所以本设计湿度检测模块性能

良好。

表5.5 一氧化碳测量值

时间（点） 本设计测量值（ug/m）

3

密闭空间 通风空间

7 13 13

9 13 13

11 13 14

13 13 14

15 13 14

17 13 15

19 12 15

21 12 15

图5.39 一氧化碳检测结果对比

由表5.5和图5.39所示，本次设计的一氧化碳检测功能在8个时间段内测量值稳定，

密闭空间与通风空间的测量结果无较大误差，可进行长时间使用，且误差范围较小，所

以本设计一氧化碳检测模块性能良好。

30

表5.6 PM2.5测量值

时间（点） 本设计测量值（ug/m）

3

密闭空间 通风空间

7 25 25

9 25 25

11 25 25

13 26 26

15 26 26

17 26 26

19 26 27

21 26 27

5.40 PM2.5检测结果对比

由表5.6和图5.40所示，本次设计的PM2.5检测功能在8个时间段内测量值稳定，

密闭空间与通风空间的测量结果无较大误差，可进行长时间使用，且误差范围较小，所

以本设计PM2.5检测模块性能良好。

表5.7 甲醛测量值

时间（点） 本设计测量值（mg）

7 50 51

9 50 50

11 50 50

13 50 50

15 50 51

17 51 51

19 51 52

21 51 51

密闭空间 通风空间

图5.41 甲醛检测结果对比

由表5.7和图5.41所示，本次设计甲醛检测功能在8个时间段内测量值稳定，密闭

空间与通风空间的测量结果无较大误差，可进行长时间使用，且误差范围较小，所以本

设计甲醛检测模块性能良好。

31

表5.8 甲烷测量值

时间（点） 本设计测量值（ug/m）

3

密闭空间 通风空间

7 19 19

9 19 19

11 19 19

13 19 19

15 19 18

17 19 18

19 19 18

21 20 18

图5.42 甲烷检测结果对比

由表5.8和图5.42所示，本次设计甲烷检测功能在8个时间段内测量值稳定，密闭

空间与通风空间的测量结果无较大误差，可进行长时间使用，且误差范围较小，所以本

设计甲烷检测模块性能良好。

综上所述，本设计在长时间使用的情况下，不论是密闭空间还是通风空间，都无明

显变化，通过实物检测结果与其他设备的检测结果相比较，误差较小，误差属于正常范

围，通过观察图表可知实物的检测结果无剧烈起伏情况，因此本次设计的基本功能完成，

测试结果良好。

32

6系统总结

6.1、总结

虽然目前社会科技迅速发展，但空气质量却每况日下，市面上各种气体检测装置层

出不穷，但部分检测装置检测功能较少，并且没有GSM短信传输类的功能，而一些检

测功能齐全且具有通信模块的装置的价格却比较昂贵，所以本次设计通过对室内空气质

量检测系统进行研究，设计了一款基于stc89c52rc的更为便捷，能够检测大多数有害气

体的检测装置，能够检测一些封闭环境下的空气质量，并将检测到的数据实时的显示在

显示屏上，并通过GSM模块短信方式将室内空气质量信息发送到移动端。本次设计主

要完成的工作如下：

（1）通过之前所查阅的大量相关资料，分析出目前市面上的室内空气检测装置的

不足之处，发现目前市面上的检测装置具有检测气体少或者是价格过高等问题，就此问

题提出总体的设计方案和设计目标。

（2）分别对硬件模块进行选型和介绍，并逐一分析其功能，将温湿度模块、PM2.5

浓度测试模块、甲醛浓度测试模块、一氧化碳浓度测试模块、甲烷浓度测试模块整合在

一起，进行仿真后再进行PCB板设计并做出实物。

（3）将软件设计部分与硬件设计部分进行结合，设计成一款完整的室内空气质量

检测系统。

（4）为了发现在设计室内空气检测系统时的存在的疏忽和漏洞，确保系统可以实

现总体要求，所以进行系统的总体测试，测试阶段是保证系统能够稳定运行的主要环节，

测试后，如果有漏洞及时改正。并对系统加以改进和修正，并对运行结果进行分析，准

确评估检测系统的性能。

6.2、系统特点

（1）本次设计从便捷的角度出发，对硬件设计的布局和整体外形上都十分简洁、

紧凑，以便实现检测装置的小巧和轻便，便于普通居民日常生活的使用。

（2）本次设计比较相同价位的室内空气质量检测装置更加实用，能够检测的气体

更多，同时还具有GSM短信传输模块，可以使使用者在短时间内了解到空气质量的情

况。

（3）本次设计更偏向实际生活，实用性强。

6.3、系统不足及解决措施

（1）在进行GSM模块的设计时发现GSM模块的C语言程序过大，一个stc89c52rc

无法同时满足气体传感器和GSM模块，所以另取一个芯片进行存储，对外观和便捷性

造成了一点影响。

33

（2）本次设计的成品体积偏大，不方便使用，需要通过改进电路设计和PCB制作

来进行优化。

（3）本次设计只实现了对四种气体的测量，对其他的有害气体无法测量，需要使

用更多的检测其它有害气体的传感器来增强。

（4）本次设计在长时间使用或者极端环境的情况下，会使测量结果出现误差，需

要使用灵敏度更高的传感器和芯片来提升功能。

（5）本次设计只是设计出开发机，还需要对本次设计的外包装加以改进，使其拥

有精美的外包装，实现产品化设计,设计图如图3.3和图3.4所示。

6.4、系统展望

虽然本次设计实现了对温湿度，PM2.5浓度、甲醛浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度

等指标进行测量，同时还实现了GSM短信传输功能，但通过检测成品的实际功能，发

现还可以进一步细化完善。在此提出3个可以进一步进行研究的方向：

（1）进一步完善室内空气质量监测系统所能检测到的气体，例如：二氧化硫、氯

气、氨气等刺激性气体。

（2）芯片的选择，可以采用更高级的芯片来设计室内空气质量监测系统，从而使

整体设计看起来更简洁，更实用。

（3）随着科技的发展，可以将GSM模块替换为更高精度、范围更大的芯片，使产

品的检测结果更加准确。

34

参考文献

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2014(12):5-6.

[2]刘一主编．基于STM32的嵌入式系统设计[M]．北京：中国铁道出版社，2015.09

35

谢 辞

为时一个学期的毕业设计到了最后的阶段，这也意味着我在北京理工大学珠海学院

的大学生涯也即将结束。在进行毕业设计这段充实的时光里，使我对所学专业有了更充

分的认识，其中包含了对电气工程及其自动化专业知识的理解、还有对有关这方面书籍

的认识等等。

通过这一阶段的努力，我的毕业论文《室内空气质量检测系统硬件的设计与实现》

终于完成了，这些都得益于黄鸿老师和身边同学们的大力帮助，从最初的定题，到资料

收集，到写作、修改，到论文定稿，黄鸿老师都给了我耐心的指导和无私的帮助。而我

周围的同学们，在此我要特别感谢张晓迪同学、贾廉泽同学、李文博同学等等，他们都

会在我遇到苦难时给予我最大的帮助，正是由于黄鸿老师和身边同学们的帮助，我才能

在毕业设计中有所作为，并在使我的专业技能取得明显的进步。

写毕业论文是我在大学中的最后一项课程，毕业论文的设计对我来说是对整个大学

生涯的回顾。毕业论文的完成意味着我的学习生涯结束了，但是同样也意味着新的生活

即将开始，在以后的日子里，我将铭记我是一名北京理工大学珠海学院的学子，在今后

的工作中把“学以明理，德以精工”的优良传统发扬光大。

36

附 录

附录1

检测模块电路原理图

附录2

Top layer：

PCB板顶层布线

Bottom Layer：

37

PCB板底层布线

38