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一、系统整体设计方案

本系统以 STM32F103C8T6 单片机为控制核心，聚焦工业车间、家庭厨房、地下实验室等多场景的全面环境监测需求，可实现温湿度、阳光强度、CO 浓度、瓦斯浓度、大气压力、光照强度 6 项参数同步采集、实时显示、异常报警及数据存储功能，兼顾监测全面性与响应及时性，为环境安全管控提供多维度数据支撑。系统遵循 “多参协同、精准预警” 原则，划分为六大核心模块：多参数采集模块、单片机控制模块、数据显示模块、报警模块、数据存储模块及电源管理模块。
多参数采集模块针对不同环境参数选用适配传感器，将各类物理信号转换为单片机可处理的电信号；单片机控制模块作为 “核心中枢”，接收并处理多参数数据，与各参数预设阈值对比判断是否异常；数据显示模块通过大屏液晶屏分区域呈现 6 项参数数值与状态；报警模块在任意参数超限时，触发声光提示并标注异常参数；数据存储模块记录历史监测数据，支持回溯分析；电源管理模块为系统提供稳定供电，适配不同使用场景的供电需求。

二、系统硬件设计

系统硬件围绕 STM32 单片机搭建，元器件选型以高灵敏度、抗干扰性为核心。多参数采集模块采用 6 类传感器组合：温湿度采集选用 DHT11（测量范围：温度 0-50℃、湿度 20%-90% RH，精度 ±2℃/±5% RH），通过单总线与单片机连接；阳光强度采集选用 BH1750 光照传感器（测量范围 0-65535lux，精度 ±20%），I2C 协议通信，适配户外阳光与室内光照检测；CO 浓度采集选用 MQ-7 传感器（测量范围 10-1000ppm，精度 ±50ppm），输出模拟电压信号接入 ADC 引脚；瓦斯浓度采集选用 MQ-4 传感器（测量范围 0.1-5% LEL，精度 ±0.1% LEL），同样通过 ADC 引脚采集信号；气压采集选用 BMP180 气压传感器（测量范围 300-1100hPa，精度 ±0.03hPa），I2C 协议传输数据；光照强度与阳光强度模块互补，确保弱光环境下检测精度。
数据显示模块采用 2.4 英寸 TFT LCD 显示屏，通过 SPI 协议与单片机连接，屏幕划分为 6 个显示区域，分别对应 6 项参数，格式为 “Temp:25℃ Hum:50% RH”“CO:30ppm Gas:0.3% LEL”“Pressure:1013hPa Light:400lux”，直观呈现多参数数据。报警模块由有源蜂鸣器与 6 个 LED 指示灯（对应 6 项参数）组成，蜂鸣器通过 ULN2003 驱动，LED 灯串联限流电阻接入 IO 口，某参数超限时，对应 LED 灯高频闪烁，蜂鸣器发出 110dB 警报声。
数据存储模块选用 AT24C16 EEPROM 芯片（存储容量 16KB），I2C 协议与单片机连接，可记录约 16000 条数据（每条含时间、6 项参数值），断电后数据不丢失。电源管理模块采用 12V 直流电源，经 AMS1117-3.3V 稳压芯片为单片机、传感器、显示屏供电，输入端并联 TVS 瞬态抑制二极管与滤波电容，防止电压波动与尖峰损坏电路，同时支持锂电池备用供电，断电后可续航 8 小时，确保监测不中断。

三、系统软件设计

系统软件基于 Keil MDK 开发环境编写，采用模块化编程思想，主要包含主程序、多参数采集子程序、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，各模块协同工作，确保 6 项参数采集间隔＜2 秒，报警响应时间＜300ms。
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、I2C/SPI 接口、ADC 模块、定时器的参数配置，设置定时器 0 定时 300ms 用于参数轮询采集，定时器 1 定时 1 秒用于数据存储与状态更新，同时初始化各参数阈值（如 CO＞100ppm、瓦斯＞1% LEL 报警）及数据存储地址。初始化完成后，主程序进入循环状态，依次调用多参数采集子程序获取数据、数据处理子程序判断异常、显示子程序更新屏幕、报警子程序执行警示、数据存储子程序按 1 分钟间隔保存数据。
多参数采集子程序按顺序轮询 6 类传感器：DHT11 通过单总线读取温湿度；BH1750 与 BMP180 通过 I2C 读取光照与气压；MQ-7、MQ-4 通过 ADC 读取模拟电压，结合校准曲线转换为浓度值。采用滑动平均滤波法（取 5 次采样平均值）去除信号波动，提升数据精度，若某传感器连续 3 次无响应，判定为故障，触发报警。
数据处理子程序将 6 项参数与对应阈值对比，标记异常参数并置位报警标志；显示子程序按区域更新 TFT 屏内容，异常参数以红色字体显示（通过屏显色阶控制）；报警子程序检测到报警标志后，控制对应 LED 灯与蜂鸣器动作，直至参数恢复正常或用户按下 “复位” 键。数据存储子程序在定时器 1 中断触发时，结合 DS3231 时钟模块获取的时间，将数据写入 AT24C16，用户可通过按键调用存储子程序，按时间查询历史数据，在 TFT 屏分页显示。

系统总结

本基于单片机的多参数环境监测系统，通过 6 类传感器实现温湿度、CO、瓦斯等参数同步采集，STM32 单片机统筹数据处理与报警控制，TFT 屏多区域显示提升信息可读性，AT24C16 实现历史数据追溯，形成多维度环境监测解决方案。系统硬件抗干扰能力强、适配多场景，软件支持多参数并行处理，能有效预防 CO 中毒、瓦斯爆炸、气压异常等安全隐患，适用于工业、家庭、实验室等场景。后续可拓展 WiFi 模块，实现数据远程上传至监控平台，增加语音报警功能（播报异常参数），进一步提升系统智能化与实用性，在环境安全监测领域具有较高推广价值。

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