基于STM32的有害气体检测系统设计（MQ-135传感器方案）

一、系统概述

基于STM32F103C8T6（Cortex-M3，72MHz）和外围气体传感器，实现对空气中有害气体（如氨气、苯、甲醛、酒精等） 的检测。核心采用MQ-135传感器（广谱气体传感器），通过ADC采集模拟信号，结合软件标定算法转换为浓度值，支持超标报警和数据显示，适用于家庭空气质量监测、工业安全预警等场景。

二、硬件设计

2.1 核心组件

模块	型号/参数	功能说明
主控	STM32F103C8T6（64KB Flash，20KB RAM）	ADC采集、数据处理、报警控制、显示驱动
气体传感器	MQ-135（广谱有害气体传感器）	检测NH₃、C₆H₆、CH₃OH、CO₂等，模拟输出（AO）+数字输出（DO）
温湿度补偿	DHT11（单总线，±2℃/±5%RH）	采集环境温湿度，修正气体浓度误差
显示模块	0.96寸OLED（I2C接口，SSD1306驱动）	显示气体浓度、温湿度、报警状态
报警模块	有源蜂鸣器（5V）+ LED（红色）	浓度超标时声光报警
电源	5V USB供电（LM7805稳压）	为传感器、STM32、外设供电

2.2 硬件连接

模块	引脚（STM32F103C8T6）	说明
MQ-135	AO → PA0（ADC1_IN0）	模拟输出（0~5V，需分压至3.3V）
	DO → PB0（GPIO输入）	数字输出（阈值报警，高电平有效）
	VCC → 5V	加热电源（需预热3~5分钟）
	GND → GND	共地
DHT11	DATA → PB1（单总线）	温湿度数据
OLED	SCL → PB6（I2C1_SCL）	I2C时钟
	SDA → PB7（I2C1_SDA）	I2C数据
蜂鸣器	BUZZER → PB10（GPIO输出）	高电平触发
LED	LED → PB11（GPIO输出）	高电平点亮

2.3 关键电路设计

2.3.1 MQ-135信号调理电路

MQ-135的AO输出为0_{5V，STM32的ADC输入范围为0}3.3V，需通过分压电路降压：

• 电阻R1=1kΩ，R2=2kΩ，分压比=2/(1+2)=2/3，5V→3.33V（略超3.3V，可调整R2=2.2kΩ，分压后≈3.1V，安全范围）。

• 电路图：

  MQ-135 AO → R1(1kΩ) → PA0(ADC)  
                │  
                R2(2.2kΩ) → GND
  

2.3.2 传感器预热提示

MQ-135需预热3~5分钟才能稳定工作，可通过LED闪烁提示：预热期间LED以1Hz频率闪烁，稳定后常亮。

三、软件设计（STM32 HAL库）

3.1 开发环境

• IDE：STM32CubeIDE 1.13.0+
• 库：STM32Cube_FW_F1_V1.8.0（HAL库）
• 工具链：GCC ARM Embedded

3.2 CubeMX配置（关键步骤）

1. 时钟配置：HSE 8MHz，系统时钟72MHz，APB2时钟72MHz（ADC时钟≤14MHz，分频系数6→12MHz）。

2. ADC配置：

   • 使能ADC1，通道0（PA0），单次转换模式，12位分辨率，右对齐。

3. I2C配置：I2C1（PB6-SCL，PB7-SDA），标准模式（100kHz）。

4. GPIO配置：

   • PB0（MQ-135 DO）：输入模式（上拉）；
   • PB1（DHT11 DATA）：开漏输出（需外部上拉10kΩ）；
   • PB10（蜂鸣器）、PB11（LED）：推挽输出。

5. 生成代码：选择“Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral”。

3.3 核心代码实现

3.3.1 ADC采集与浓度计算

MQ-135的电阻值随气体浓度变化，通过分压电路计算电阻，再查表转换为浓度（以CO₂为例）：

#include "adc.h"
#include "dht11.h"
#include "oled.h"
#include "gpio.h"

// MQ-135参数（需根据datasheet校准）
#define RL 10.0f       // 负载电阻（kΩ，模块上通常为10kΩ）
#define R0 6.0f        // 洁净空气中电阻（kΩ，需实际校准）
#define VCC 5.0f       // 传感器供电电压
#define ADC_REF 3.3f    // ADC参考电压
#define ADC_RES 4095.0f // 12位ADC分辨率

// 计算气体浓度（以CO₂为例，单位ppm）
float calculate_gas_concentration(uint16_t adc_value) {
    // 1. ADC值转电压（分压后）
    float v_out = (adc_value * ADC_REF) / ADC_RES;  // 0~3.3V
    // 2. 计算传感器电压（反向分压）
    float v_sensor = v_out * (1 + 2.2/1.0);  // 分压比1:2.2，反向计算
    // 3. 计算传感器电阻Rs
    float rs = (VCC - v_sensor) * RL / v_sensor;  // Rs=(VCC-Vo)*RL/Vo
    // 4. 计算Rs/R0比值（R0为洁净空气电阻，需校准）
    float ratio = rs / R0;
    // 5. 查表或公式计算CO₂浓度（经验公式：y=1000*(ratio)^-2.5）
    float ppm = 1000.0f * powf(ratio, -2.5f);  // 示例公式，需实际校准
    return ppm;
}

3.3.2 DHT11温湿度读取

// DHT11读取函数（单总线协议）
uint8_t DHT11_Read(float *temp, float *humi) {
    uint8_t data[5] = {0};
    // 1. 主机发送起始信号（拉低18ms，再拉高20~40us）
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(18);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(30);  // 需实现微秒延时函数
    
    // 2. 等待DHT11响应（拉低80us，再拉高80us）
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) != GPIO_PIN_RESET) return 1;
    delay_us(80);
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) != GPIO_PIN_SET) return 1;
    delay_us(80);
    
    // 3. 读取40位数据（5字节：湿度整数+小数+温度整数+小数+校验和）
    for (uint8_t i=0; i<40; i++) {
        while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);  // 等待高电平
        delay_us(30);
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET) {
            data[i/8] |= (1 << (7 - i%8));  // 高电平>30us为1
        }
        while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET);  // 等待低电平
    }
    
    // 4. 校验和验证
    if (data[4] != (data[0] + data[1] + data[2] + data[3])) return 1;
    *humi = data[0] + data[1]/10.0f;  // 湿度（整数部分+小数部分）
    *temp = data[2] + data[3]/10.0f;  // 温度（整数部分+小数部分）
    return 0;
}

3.3.3 主程序逻辑

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_I2C1_Init();
    
    OLED_Init();  // OLED初始化
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Gas Detector", 16);
    
    uint16_t adc_value;
    float gas_ppm, temp, humi;
    uint8_t dht11_ret;
    
    // 传感器预热（3分钟）
    for (uint8_t i=0; i<180; i++) {  // 3分钟=180秒
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_11);  // LED闪烁
        HAL_Delay(1000);
    }
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);  // 预热完成，LED常亮
    
    while (1) {
        // 1. 采集MQ-135模拟信号
        HAL_ADC_Start(&hadc1);
        HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
        adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        HAL_ADC_Stop(&hadc1);
        gas_ppm = calculate_gas_concentration(adc_value);
        
        // 2. 采集DHT11温湿度
        dht11_ret = DHT11_Read(&temp, &humi);
        
        // 3. 显示数据
        OLED_ShowNum(0, 2, (uint16_t)gas_ppm, 4, 16);  // 显示浓度（ppm）
        OLED_ShowString(40, 2, "ppm", 16);
        if (dht11_ret == 0) {
            OLED_ShowNum(0, 4, (uint16_t)temp, 2, 16);  // 温度
            OLED_ShowString(20, 4, "C", 16);
            OLED_ShowNum(40, 4, (uint16_t)humi, 2, 16);  // 湿度
            OLED_ShowString(60, 4, "%", 16);
        }
        
        // 4. 超标报警（CO₂浓度>1000ppm触发）
        if (gas_ppm > 1000.0f) {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10, GPIO_PIN_SET);  // 蜂鸣器响
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);  // LED亮
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10, GPIO_PIN_RESET);
        }
        
        HAL_Delay(1000);  // 1秒刷新一次
    }
}

参考代码 基于STM32的外围电路开发检测空气中的有害气体 www.youwenfan.com/contentcss/56931.html

四、关键问题与解决方案

4.1 传感器校准

• 问题：MQ-135的R0（洁净空气电阻）需实际校准，否则浓度计算误差大。
• 解决：将传感器置于洁净空气（室外或通风处），通电24小时后，测量AO输出对应的电阻值，代入公式计算R0。

4.2 温湿度补偿

• 问题：环境温湿度影响传感器灵敏度。
• 解决：通过DHT11采集温湿度，在calculate_gas_concentration函数中加入补偿公式（参考MQ-135 datasheet）。

4.3 电源干扰

• 问题：传感器加热导致电源波动，影响ADC采集精度。
• 解决：在传感器VCC端并联100μF电解电容和0.1μF瓷片电容滤波。

五、测试与验证

1. 硬件连接：按2.2节连接各模块，确保传感器预热3分钟。

2. 功能测试：

   • 用酒精棉球靠近传感器，观察浓度值是否上升，超标时声光报警是否触发；
   • 用吹风机改变环境温湿度，验证DHT11数据是否正确。

3. 精度验证：对比商用气体检测仪，调整校准参数（R0、公式系数）提高精度。

六、总结

本系统基于STM32和MQ-135传感器实现了有害气体检测，核心是ADC信号采集、浓度换算算法和温湿度补偿。通过模块化设计，可扩展支持其他气体传感器（如MQ-2检测可燃气体、MQ-7检测CO），适用于家庭、工业等场景的空气安全监测。