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一、系统整体设计方案

本系统以 51 系列单片机（如 STC89C52RC）为控制核心，聚焦室内外环境空气质量实时监测需求，适用于家庭、办公室、车间等场景，可实现对空气中 PM2.5、甲醛、二氧化碳等关键污染物参数的采集、分析与展示，同时具备超标报警功能，为用户提供直观的空气质量参考。系统遵循 “模块化设计、实时性优先” 原则，划分为五大核心模块：空气质量采集模块、单片机控制模块、数据显示模块、报警模块及数据存储模块。
空气质量采集模块负责捕捉环境中的污染物信号，将模拟或数字信号转换为单片机可处理的数据；单片机控制模块作为 “核心中枢”，接收采集到的数据后进行分析运算，与预设的空气质量标准阈值对比；数据显示模块实时呈现各项污染物浓度及空气质量等级；当某一污染物浓度超标时，报警模块触发声光提示；数据存储模块则记录历史监测数据，便于用户回溯空气质量变化趋势。

二、系统硬件设计

系统硬件围绕 51 单片机搭建，元器件选型以高灵敏度、低功耗为核心，确保监测数据精准且长期稳定运行。空气质量采集模块采用多传感器组合方案：PM2.5 检测选用 GP2Y1014AU0F 粉尘传感器，该传感器通过红外散射原理检测颗粒物浓度，输出模拟电压信号，搭配 RC 滤波电路后接入单片机 ADC 引脚，测量范围 0.1~10μm，分辨率可达 0.01mg/m³；甲醛检测选用 SGP30 气体传感器，支持 I2C 通信协议，直接输出数字浓度值，测量范围 0~10ppm，精度 ±5%，能快速响应甲醛浓度变化；二氧化碳检测选用 MH-Z19B 传感器，基于非色散红外原理，通过 UART 串口与单片机通信，测量范围 0~5000ppm，满足室内二氧化碳监测需求。
数据显示模块采用 LCD12864 液晶屏，通过并行接口与单片机连接，可分区域显示 PM2.5（如 “PM2.5: 35μg/m³”）、甲醛（如 “Formaldehyde: 0.03mg/m³”）、二氧化碳浓度（如 “CO₂: 600ppm”）及空气质量等级（如 “Level: Good”），屏幕显示内容丰富，便于用户快速读取。报警模块由蜂鸣器和 LED 灯组成，蜂鸣器通过 NPN 三极管与单片机 IO 口连接，LED 灯直接并联限流电阻后接入 IO 口，当污染物浓度超标时，单片机输出高电平，触发蜂鸣器发声、LED 灯闪烁（如红灯闪烁表示严重超标，黄灯闪烁表示轻度超标）。数据存储模块选用 AT24C02 EEPROM 芯片，通过 I2C 协议与单片机通信，可存储 1000 条历史监测数据，断电后数据不丢失，支持用户通过按键查询历史记录。

三、系统软件设计

系统软件基于 Keil C51 开发环境编写，采用模块化编程思想，主要包含主程序、传感器数据采集子程序、数据处理子程序、显示子程序、报警子程序及数据存储子程序，各模块通过函数调用协同工作，兼顾监测实时性与数据准确性。
主程序负责系统初始化与流程调度，初始化阶段完成单片机 IO 口、ADC 模块、UART 串口、I2C 接口及定时器的参数配置，设置定时器 0 定时 500ms 触发一次传感器数据采集（平衡数据实时性与传感器功耗），同时初始化空气质量标准阈值（如 PM2.5≤35μg/m³ 为优、35~75μg/m³ 为良，甲醛≤0.08mg/m³ 为合格，二氧化碳≤1000ppm 为正常）。初始化完成后，主程序进入循环状态，依次调用传感器数据采集子程序获取各项污染物浓度、数据处理子程序分析空气质量等级、显示子程序更新 LCD12864 内容，同时调用报警子程序判断是否触发报警，调用数据存储子程序按时间间隔（如 5 分钟）存储监测数据。
传感器数据采集子程序针对不同类型传感器设计通信逻辑：对于 GP2Y1014AU0F，通过单片机 ADC 模块读取模拟电压信号，结合传感器电压 - 浓度校准曲线，计算出 PM2.5 浓度值；对于 SGP30，通过 I2C 协议发送数据读取指令，接收传感器返回的甲醛浓度数字信号；对于 MH-Z19B，通过 UART 串口发送查询指令，解析传感器反馈的二氧化碳浓度数据。数据处理子程序将采集到的各项浓度值与预设阈值对比，划分空气质量等级（优、良、轻度污染、中度污染、重度污染），并生成对应的等级标识。
报警子程序实时判断各项污染物浓度是否超标，若某一参数超过阈值，立即输出控制信号触发蜂鸣器与 LED 灯工作，直至浓度降至安全范围；若多项参数超标，则优先触发浓度偏差最大的参数对应的报警提示。显示子程序将处理后的浓度数据、空气质量等级按预设格式传输至 LCD12864，实现数据实时刷新；数据存储子程序在定时器 1（定时 5 分钟）中断触发时，将当前时间（需搭配 DS3231 时钟模块获取）、各项浓度数据写入 AT24C02，用户可通过按键调用存储子程序，读取历史数据并在 LCD 屏上分页显示。

系统总结

本基于单片机的环境空气质量传感器监测系统，通过多传感器组合实现 PM2.5、甲醛、二氧化碳的多参数监测，以 51 单片机为核心完成数据处理与控制，搭配 LCD12864 实现数据可视化，声光报警模块保障超标及时提示，数据存储模块支持历史数据回溯，形成完整的空气质量监测解决方案。系统硬件选型兼顾成本与性能，软件模块化设计便于功能拓展，能精准、实时地反映环境空气质量状况，满足日常监测需求。后续可增加 WiFi 模块，实现监测数据远程上传至手机 APP，支持用户远程查看空气质量，进一步提升系统智能化与便捷性，在室内环境健康管理领域具有较高的实用价值。
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