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一、设计背景与核心需求

在工业发展与城市化进程中，PM2.5（细颗粒物）引发的雾霾天气频发，严重影响人体健康与环境质量。传统空气质量检测设备多体积大、成本高，难以满足家庭、办公室等小型场景的实时监测需求。基于STM32的PM2.5检测系统，借助STM32的高性能数据处理能力与微型传感器技术，可实现PM2.5浓度精准检测、雾霾等级判定与多模态预警，契合毕设课设中“传感器数据采集+浓度分析+智能预警”的教学目标。

本系统以STM32F103C8T6为核心，核心需求明确：采用SDS011激光PM2.5传感器，实现0-1000μg/m³浓度检测，精度±10μg/m³；根据PM2.5浓度划分5级雾霾等级（优：≤35、良：36-75、轻度污染：76-115、中度污染：116-150、重度污染：＞150）；通过LCD12864实时显示PM2.5浓度、雾霾等级与检测时间（模拟）；重度污染时触发蜂鸣器+LED声光报警，支持报警阈值自定义；具备数据存储功能（最多保存30组历史数据），适配Proteus仿真环境，硬件抗干扰设计，程序逻辑稳定，满足毕设课设对功能性与可靠性的考核。

二、系统总体架构设计

系统采用“采集-控制-分析-显示-报警-存储”六层模块化架构，以STM32F103C8T6为核心，各模块通过UART、I2C等接口协同形成功能闭环。

采集层为SDS011激光PM2.5传感器（通过UART2接口接PA2-PA3），采集环境中PM2.5浓度数据并传输至STM32；控制层是核心，负责接收传感器数据、执行浓度校准、判定雾霾等级，通过定时器TIM2（1分钟定时）控制检测频率；分析层通过预设浓度阈值，将PM2.5数值映射为对应雾霾等级，生成污染程度描述；显示层为LCD12864（I2C接口接PB10-PB11），实时展示浓度、等级与时间；报警层由蜂鸣器（接PC13）、红色LED（接PC14）组成，重度污染时同步触发；存储层采用STM32内部Flash，按“时间-浓度-等级”格式存储历史数据，交互层设3个按键（“历史查询”“阈值设置”“报警复位”接PD0-PD2），实现数据查看与参数调整。

三、核心模块设计与实现

（一）PM2.5采集与等级判定模块

PM2.5数据采集逻辑：SDS011传感器通过激光散射原理检测颗粒物浓度，每1分钟输出一组PM2.5浓度数据（16进制格式），STM32通过UART2接收数据后，解析出有效浓度值（如接收数据0x0023对应35μg/m³）。为提升精度，采用“3次采样取平均值”算法，消除环境气流波动导致的瞬时误差，确保浓度数据稳定。

雾霾等级判定模块：预设等级阈值数组grade_threshold[5] = {35,75,115,150,1000}，STM32将处理后的PM2.5浓度与阈值对比：≤35为“优”，36-75为“良”，76-115为“轻度污染”，116-150为“中度污染”，＞150为“重度污染”。判定结果同步传输至显示层与报警层，重度污染时置位“报警标志位”，触发预警逻辑。

（二）报警控制与数据交互模块

报警控制逻辑：“报警标志位”置位时，STM32控制PC13口输出1kHz方波驱动蜂鸣器持续发声，PC14口输出高电平点亮红色LED；按下“报警复位”键或PM2.5浓度降至150μg/m³以下时，清空“报警标志位”，停止报警。支持自定义报警阈值，按下“阈值设置”键后，通过复用PD3-PD4（增减键）调整重度污染触发阈值（范围100-200μg/m³），设置后实时更新阈值数组，断电后参数保存在Flash中不丢失。

数据交互模块：按下“历史查询”键，LCD切换至历史数据界面，按时间倒序显示最近10组数据（如“09:00 35μg/m³ 优”），每3秒切换一页；继续按下按键返回实时显示界面。显示模块采用分区域布局：上半屏显示“PM2.5: XX μg/m³ Grade: 优”，下半屏显示“Time: XX:XX Date: XX-XX（模拟）”，确保信息层次清晰，用户可快速获取污染状态。

四、系统调试与验证

系统仿真基于Proteus 8.15搭建，构建STM32最小系统，接入SDS011传感器、LCD12864、蜂鸣器、LED与按键，检查接线无误后调试。

功能测试中，模拟PM2.5浓度从30μg/m³升至160μg/m³，LCD同步显示“30μg/m³ 优”→“160μg/m³ 重度污染”，浓度超阈值时蜂鸣器与LED触发报警；按下“历史查询”键，可清晰查看过往数据；调整报警阈值至120μg/m³，浓度达121μg/m³时准确触发报警。稳定性测试连续运行8小时，频繁模拟浓度波动，系统无数据解析错误、报警误触发问题，历史数据存储完整，显示误差≤5%。仿真结果表明，系统功能完整、检测精准，符合毕设课设考核标准。

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