【dz-895】基于STM32单片机的一氧化碳浓度监测与报警器

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一氧化碳（CO）是一种无色无味的有毒气体，通常由燃料不完全燃烧产生，吸入后可能导致头痛、意识模糊甚至死亡。全球每年因非故意一氧化碳中毒导致的死亡案例约有5万起，尤其在冬季取暖期间或密闭环境作业时风险更高，因此实时监测与预警显得尤为重要。然而，传统的一氧化碳检测设备功能单一，难以满足现代智能家居及工业物联网对远程监控、数据共享和历史记录分析的需求。为此，亟需一种融合智能传感、无线通信与云平台技术的新型解决方案。

本毕业设计基于STM32单片机为核心控制器，构建了一套集实时监测、自动报警、本地预处理与云端数据分析于一体的智能化CO监测系统。系统采用MQ-7气体传感器采集环境中的一氧化碳浓度数据，并通过OLED屏幕实时显示当前数值以及用户设定的报警阈值。[此处为图片1]

设备配备按键接口，支持现场参数设置。当检测到CO浓度超过设定限值时，系统将自动启动通风扇与空气净化装置，同时触发声光报警——蜂鸣器鸣响、LED灯闪烁，以提醒人员及时撤离或采取应对措施。

借助ESP8266 WiFi模块，系统可将采集的数据稳定上传至阿里云物联网平台，实现远程数据同步。用户可通过专用APP进行设备状态查看、远程控制操作，并在CO超标时第一时间接收到警报通知，提升应急响应效率。[此处为图片2]

在云端，利用Node-RED工具对接收到的数据进行可视化处理，生成CO浓度变化趋势图与统计报表，支持历史数据查询、导出与分享，为后续环境安全评估提供数据支撑。

该系统实现了从感知层、控制层到网络层和应用层的全链路集成，涵盖数据采集、本地决策与远程管理的完整闭环。不仅适用于家庭住宅，还可广泛应用于工业车间、地下停车场等高危场所，有效预防一氧化碳积聚带来的安全隐患。同时，依托云平台的大数据分析能力，有助于制定科学的空气质量管理策略，为家庭与工业场景下的CO风险防控提供可靠的硬件基础与数据服务支持。

关键词：CO检测；STM32单片机；WiFi模块；数据报表

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

一氧化碳（CO）是一种无色、无味、无刺激性的有毒气体，广泛存在于家庭取暖、燃气设备使用以及工业生产过程中。由于其难以察觉的特性，一旦在密闭空间中积聚至一定浓度，极易引发中毒事件，严重时可导致人员伤亡。因此，在住宅、工厂车间、地下停车场等高风险场所部署高效、可靠的CO监测系统具有重要的现实意义。

本系统基于STM32微控制器为核心，结合MQ-7传感器实现对环境中CO浓度的实时采集，并通过ESP8266 WiFi模块将数据上传至阿里云物联网平台，支持远程监控与智能联动控制。该方案不仅提升了传统检测手段的响应速度和智能化水平，也为构建安全城市和智慧家居提供了可行的技术路径。

1.2 研究现状

目前，国内外在气体检测领域已取得较多成果，常见的检测方式包括电化学法、红外吸收法和半导体传感技术等。其中，半导体传感器因成本低、稳定性好、易于集成而被广泛应用于民用场景。同时，随着物联网技术的发展，越来越多的环境监测系统开始融合无线通信与云计算能力，实现数据远程可视化与设备联动管理。

然而，现有产品普遍存在功能单一、本地报警响应不及时、缺乏远程干预机制等问题。本设计在传统检测基础上引入云端数据分析与移动端交互功能，弥补了上述不足，具备更高的实用性和扩展性。

2 系统方案设计

2.1 控制系统概述

本系统以STM32单片机为控制核心，集成了CO浓度检测、OLED数据显示、按键参数设置、声光报警提示、继电器驱动通风设备等功能模块。当检测到CO浓度超过用户设定阈值时，系统自动启动风扇与空气净化装置，并触发声光报警；同时通过WiFi模块将异常信息上传至云端，供APP端查看并接收通知。

[此处为图片1]

2.2 主要功能

• 实时采集环境中的一氧化碳浓度数据；
• 通过OLED屏幕显示当前浓度值及预设报警阈值；
• 支持独立按键进行现场参数调节；
• 超标时自动开启外接通风设备并启动声光报警；
• 利用ESP8266模块连接Wi-Fi网络，实现数据上云；
• 接入阿里云IoT平台，支持手机APP远程监控与操作；
• 借助Node-RED工具生成趋势图表与历史报告，便于查询与共享。

2.3 硬件方案选择

主控芯片选用STM32系列，具备高性能、低功耗、丰富外设接口等特点，适合复杂逻辑控制需求。气体检测采用MQ-7传感器，专用于CO测量，灵敏度高且响应迅速。通信部分由ESP8266完成，支持标准TCP/IP协议栈，可稳定连接路由器并与云平台建立长连接。执行机构通过继电器模块控制大功率电器启停，确保安全可靠。

3 硬件电路设计

3.1 主控芯片模块

系统采用STM32F103C8T6作为主控单元，负责协调各功能模块运行。其内置ARM Cortex-M3内核，主频可达72MHz，拥有充足的GPIO资源和多种通信接口（如I2C、USART），满足多设备协同工作的需要。

3.2 一氧化碳检测模块

MQ-7传感器基于锡 dioxide 半导体原理工作，输出模拟电压信号与CO浓度呈非线性关系。该信号经ADC转换后送入MCU处理，再通过算法校准得到实际浓度值（单位：ppm）。为提高精度，传感器需进行预热和零点校正。

[此处为图片2]

3.3 继电器控制模块

当CO浓度超限时，MCU输出高/低电平信号驱动继电器动作，从而接通或断开外部风机和空气清洁器电源。继电器选用光耦隔离型，有效防止强电干扰影响控制系统稳定性。

3.4 OLED 显示模块

采用0.96寸I2C接口的OLED显示屏，用于实时展示CO浓度、报警阈值、系统状态等信息。因其自发光特性，无需背光，对比度高，可视角度广，适用于各类光照环境。

3.5 独立按键模块

设置三个独立按键，分别用于“增加”、“减少”和“确认”操作，方便用户在现场调整报警阈值或其他配置参数。按键输入采用上拉电阻设计，配合软件去抖处理，保证识别准确。

3.6 声光报警模块

包含有源蜂鸣器和双色LED灯。当检测到危险浓度时，蜂鸣器持续鸣响，红灯闪烁，形成双重警示效果，提升现场警示效率。

3.7 WiFi 通信模块

ESP8266模块工作于STA模式，连接局域网后与阿里云IoT平台建立MQTT连接，定时上报传感器数据，并监听来自APP的远程指令，如手动开关设备、修改阈值等。

3.8 阿里云物联网云平台搭建

在阿里云平台上创建对应的产品与设备，定义物模型属性（如CO浓度、报警状态、风扇开关等）。系统通过MQTT协议上传数据，平台可对消息进行存储、转发和规则引擎处理，实现与其他服务联动。

3.9 云智能App设置

通过官方提供的IoT App或定制化界面，用户可实时查看当前CO数值、设备运行状态，并接收推送报警通知。同时支持远程控制继电器动作，灵活应对突发情况。

4 软件编写

4.1 软件概述

软件部分主要包括主程序循环、各模块初始化函数、中断服务程序以及数据处理逻辑。所有代码基于Keil uVision开发环境编写，采用C语言实现，结构清晰，便于维护与升级。

4.2 流程图说明

系统上电后首先完成各外设初始化，随后进入主循环：持续读取MQ-7传感器数据，进行滤波与标定处理；更新OLED显示内容；扫描按键状态以响应用户输入；判断是否触发报警条件；若超标则激活报警与执行机构；并通过WiFi模块上传最新数据至云端。

[此处为图片3]

4.3 主程序程序说明

主程序采用前后台架构，任务调度依赖于延时函数与轮询机制。关键子程序包括ADC采样、I2C通信、MQTT消息封装与解析、按键处理等。为提升稳定性，加入了看门狗复位保护机制，避免系统长时间死机。

5 实物测试

5.1 实物测试步骤详情

1. 搭建完整硬件系统，确认各模块供电正常；
2. 烧录程序代码，检查串口打印日志是否符合预期；
3. 通电启动，观察OLED是否正确显示初始界面；
4. 使用含CO气体环境（或模拟信号）测试传感器响应；
5. 验证超标情况下风扇、蜂鸣器、LED能否同步启动；
6. 确认WiFi成功联网并连接阿里云平台；
7. 通过手机APP查看实时数据，发送控制命令测试反向通信；
8. 记录不同浓度下的反应时间与报警准确性。

5.2 结果分析

经过多次实验测试，系统能够稳定采集CO浓度数据，OLED刷新流畅，按键响应灵敏。当CO浓度达到预设阈值（如50ppm）时，报警装置立即启动，平均响应时间小于3秒。ESP8266连接稳定，数据上传频率可控，APP端能及时收到更新与警报。Node-RED成功绘制出浓度变化曲线，支持按时间段查询历史数据，满足基本应用需求。

总结

本设计构建了一套集感知、控制、通信与云服务于一体的智能CO监测系统，实现了从本地检测到远程管理的全流程闭环控制。系统具备成本低、可靠性高、扩展性强等优点，适用于智能家居、工业厂房、地下车库等多种应用场景，有助于降低一氧化碳中毒风险，推动智慧城市安全体系建设。

参考文献

1. 张伟, 李明. 基于STM32的室内空气质量监测系统设计[J]. 电子测量技术, 2020.
2. 王磊. 物联网环境下MQTT协议的应用研究[D]. 北京邮电大学, 2019.
3. 阿里巴巴云文档. IoT Platform 开发指南[EB/OL]. https://help.aliyun.com/document_detail/iot.html
4. 刘洋. 基于MQ-7传感器的一氧化碳检测仪研制[J]. 传感器世界, 2021.
5. 陈刚. Node-RED在工业数据可视化中的应用[J]. 自动化仪表, 2022.

附录一 电路原理图

系统整体电路连接示意图如下：

[此处为图片4]

附录二 程序代码

主要代码片段（简化版）：

#include "stm32f10x.h"
#include "oled.h"
#include "mq7.h"
#include "esp8266.h"

#define ALARM_THRESHOLD 50  // ppm

int main(void) {
    SystemInit();
    OLED_Init();
    MQ7_Init();
    ESP8266_Init();
    
    float co_value;
    
    while (1) {
        co_value = MQ7_Read();
        OLED_ShowCOValue(co_value);
        
        if (co_value > ALARM_THRESHOLD) {
            GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);  // 启动继电器
            Buzzer_On();
            LED_Red_Blink();
        } else {
            GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
            Buzzer_Off();
            LED_Green_On();
        }
        
        ESP8266_SendData(co_value);
        Delay_ms(2000);
    }
}

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关键词：一氧化碳 单片机 报警器 STM 氧化碳

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