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1. 为什么我要做这个室内空气质量检测系统

前阵子搬进新装修的房子，总觉得屋里有一股说不清的味道，待久了嗓子发干、眼睛发涩。买过几百块的成品空气质量检测仪，数据飘得厉害，甲醛读数一会儿0.02一会儿0.15，根本不知道信哪个。后来干脆自己动手，用STM32F103C8T6最小系统板搭了一套检测系统，把甲醛、CO2、温湿度全测了，还加了自动换气警示功能。实测下来，这套方案的物料成本不到一百块，数据稳定性反而比某些成品好。

这套系统能干什么？简单说就是三件事：实时采集室内甲醛浓度、二氧化碳浓度、温度和湿度；把数据在LCD1602上显示出来；当甲醛或CO2超标时，自动触发声光报警并启动换气扇。适合谁参考？电子类专业做毕业设计的同学、想入门STM32的爱好者、以及跟我一样对居住环境有顾虑的普通人。整篇文章我会把选型逻辑、电路设计、代码实现、调试踩坑全部讲透，你照着做基本能复现。

核心关键词先摆出来：单片机、STM32F103C8T6、DHT11、MQ-138、MQ-135。这几个器件是整个系统的骨架，后面每个章节都会围绕它们展开。

2. 系统整体设计与器件选型思路

2.1 主控为什么选STM32F103C8T6而不是51单片机

很多人做这类项目第一反应是用51单片机，便宜、资料多、上手快。我一开始也想过用STC89C52，但算了一下资源就放弃了。这套系统要同时驱动LCD1602（占用6个IO）、DHT11（1个IO）、两路MQ传感器（2个ADC通道）、蜂鸣器、LED、继电器，还要跑定时器和串口调试。51的IO和ADC资源（大部分型号根本没有内置ADC）会很紧张，外扩ADC0832又增加复杂度。

STM32F103C8T6的优势在这里非常明显：48个引脚、内置2个12位ADC共10个通道、3个USART、多个定时器，主频72MHz。关键是这块最小系统板市面价格只要十几块，比很多51开发板还便宜。它的ADC是12位的，分辨率4096级，而51外挂ADC0832只有8位256级，测气体浓度这种需要细分的场景，12位明显更从容。

注意：STM32F103C8T6的VBAT引脚在最小系统板上通常已经通过跳线或直接连到3.3V，如果你自己画板，VBAT不接会导致RTC和备份域异常，虽然这个项目用不到RTC，但养成接上的习惯没坏处。

2.2 传感器选型：DHT11、MQ-138、MQ-135各自负责什么

DHT11负责温湿度。它是数字输出，单总线协议，精度是温度±2℃、湿度±5%RH。有人会问为什么不选DHT22或者SHT30，DHT22精度更高但价格贵一倍多，SHT30是I2C接口精度最好但单价要十几块。对于室内环境监测，DHT11的精度完全够用，而且它的单总线协议简单，一个IO就能读，不占用ADC资源。

MQ-138负责甲醛检测。这个传感器对甲醛、苯、酒精等有机挥发物敏感，输出是模拟电压，浓度越高电压越高。它的加热丝需要5V供电，预热时间比较长，这点后面会详细说。

MQ-135负责空气质量综合检测，对CO2、氨气、烟雾、苯系物都敏感。严格来说MQ-135不是专门测CO2的，它测的是"空气污染综合指数"，但在室内场景下，CO2浓度升高往往伴随其他污染物上升，所以用它的输出来间接反映CO2水平是可行的。如果你要精确测CO2，得用MH-Z19B这种NDIR传感器，但那个价格要七八十块，是MQ-135的五六倍。

2.3 自动换气警示的执行机构设计

超标后的动作我设计了两级：一级是声光警示，蜂鸣器间歇鸣叫加红色LED闪烁；二级是启动换气。换气我用的是5V继电器模块控制一个220V的排气扇，继电器模块自带光耦隔离，STM32的IO通过三极管驱动继电器线圈，触点侧接排气扇的火线。这里必须强调安全：220V强电部分一定要做好绝缘，接线端子用热缩管包好，调试阶段先用LED代替排气扇验证逻辑，确认无误再接强电。

提示：继电器模块选低电平触发的那种，STM32复位后IO默认是高阻态，低电平触发可以避免上电瞬间误动作。如果买的是高电平触发模块，在IO和模块之间加一个下拉电阻。

3. 硬件电路设计与关键连接细节

3.1 最小系统板的引脚分配表

拿到STM32F103C8T6最小系统板后，第一件事是把引脚分配规划好，不然后面改代码改到崩溃。我的分配方案如下：

LCD1602我用的是4位数据模式，这样只需要6个IO（RS、RW、EN加4根数据线），比8位模式省4个引脚。RW引脚其实可以直接接地，因为整个系统只写不读，但为了兼容性我还是接到了PB1。

3.2 DHT11的接线与上拉电阻

DHT11有三个引脚（有些模块是四个，多一个空脚）：VCC、DATA、GND。DATA引脚必须接一个4.7kΩ到10kΩ的上拉电阻到VCC，因为它是开漏输出。我一开始忘了接上拉，读出来的数据全是0xFF，折腾了半小时才想起来。如果你买的是三引脚裸传感器，还要在VCC和GND之间加一个100nF的去耦电容，模块版一般已经集成了。

DHT11的供电电压范围是3.3V到5.5V，接3.3V和5V都能工作。我接的是3.3V，因为STM32的IO耐压是3.3V，虽然DHT11在5V供电时数据线也是5V电平，短时间接3.3V IO可能不会立刻坏，但长期有风险。接3.3V最稳妥。

3.3 MQ系列传感器的预热与负载电阻

MQ-138和MQ-135都是6引脚器件，其中两个是加热丝（H），两个是测量电极（A、B），另外两个是辅助电极。模块版通常已经把负载电阻RL焊好了，一般是10kΩ可调电阻。这个RL的阻值直接影响输出灵敏度，调大了输出电压高但噪声也大，调小了响应快但量程窄。

这里有个关键点：MQ传感器需要预热。冷启动时加热丝要通电加热，传感器内部的二氧化锡半导体材料需要达到工作温度才能正常响应。官方数据说预热24小时以上才能稳定，实际使用中至少预热20分钟读数才有参考价值，完全稳定要几个小时。我实测下来，通电前10分钟读数从高往低掉，20分钟后基本稳定，所以代码里我加了一个"预热倒计时"，前20分钟显示"Warming up"不报警。

两个传感器加起来加热电流约300mA，加上STM32和其他模块，整个系统5V供电至少要1A。我用的是一个5V 2A的电源适配器，通过最小系统板的5V引脚供电。注意最小系统板上的5V引脚是直接从USB或外部电源输入的，不是稳压输出，所以外部电源要自己保证稳定。

3.4 LCD1602的对比度调节

LCD1602的V0引脚接一个10kΩ可调电阻到GND，用来调对比度。这个电阻调不好会出现两种情况：调太低屏幕全黑，调太高屏幕全白什么都看不见。正确做法是上电后慢慢旋转，直到字符清晰显示。我建议用多圈精密可调电阻，单圈的那种很难调到最佳点。

背光方面，LCD1602的A（背光正极）接5V串一个100Ω限流电阻，K（背光负极）接GND。有些模块自带限流电阻，直接接5V就行，接之前用万用表量一下。

4. 软件架构与核心代码实现

4.1 工程搭建与HAL库配置

我用的是Keil MDK5加上STM32CubeMX生成初始化代码。CubeMX里需要配置的项：RCC选外部晶振（HSE），时钟树把SYSCLK设到72MHz；ADC1开启IN1和IN2两个通道，扫描模式关闭，单次转换；USART1异步模式115200波特率；GPIO按前面的分配表配置；SysTick保持默认1ms。

生成代码后，我在main.c里加了自己的业务逻辑。整个程序结构是：初始化各模块，进入主循环，每2秒采集一次数据，更新显示，判断是否超标，执行相应动作。DHT11的读取放在定时器中断里不太合适，因为单总线协议对时序要求严格，中断里做容易被打断，我放在主循环里用阻塞方式读，读一次大概4ms，不影响整体响应。

4.2 DHT11单总线驱动的时序实现

DHT11的通信协议是：主机拉低数据线至少18ms，然后拉高20-40us，释放总线；DHT11响应拉低80us，再拉高80us；然后连续输出40位数据，每位以50us低电平开始，高电平持续26-28us表示0，持续70us表示1。

用HAL库实现时，关键函数是微秒级延时。HAL库自带的HAL_Delay是毫秒级，不够用。我用SysTick做了一个微秒延时函数：

void delay_us(uint32_t us) { uint32_t start = SysTick->VAL; uint32_t ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000); while (1) { uint32_t now = SysTick->VAL; uint32_t elapsed = (start > now) ? (start - now) : (start + SysTick->LOAD - now); if (elapsed >= ticks) break; } }

读DHT11的流程：先把PA0配置成推挽输出，拉低18ms，再拉高30us，然后切成浮空输入，等待DHT11把线拉低。这里要注意，切换输入输出模式后要加几个微秒的稳定时间。读取40位数据时，每一位先等低电平结束，再延时40us采样，如果还是高电平就是1，否则是0。

实操心得：DHT11对时序很敏感，如果你用HAL库的HAL_GPIO_ReadPin读引脚，函数调用本身有开销，可能导致采样点偏移。我建议直接操作寄存器，用GPIOA->IDR & GPIO_PIN_0来读，速度快很多。另外读之前关掉中断，读完再开，避免被SysTick打断。

4.3 ADC多通道采集与浓度换算

MQ传感器的输出是模拟电压，STM32的ADC是12位，参考电压3.3V，所以ADC值0-4095对应0-3.3V。换算公式是：电压 = ADC值 × 3.3 / 4095。

但电压值本身没有意义，要换算成浓度。MQ传感器的数据手册给了一条对数曲线，公式是：Rs/R0 = a × (浓度)^b，其中Rs是传感器电阻，R0是洁净空气中的传感器电阻，a和b是常数。Rs的计算：Rs = (Vc - Vout) / Vout × RL，Vc是回路电压5V，RL是负载电阻10kΩ。

实际标定很麻烦，需要已知浓度的环境。我的做法是：在室外洁净空气中测出R0，然后套用典型曲线。MQ-138对甲醛的曲线大概是Rs/R0 = 1.2 × (ppm)^(-0.35)，MQ-135对CO2的曲线是Rs/R0 = 3.6 × (ppm)^(-0.28)。这些系数是经验值，不同批次的传感器有差异，只能作为参考。

float get_voltage(uint8_t ch) { HAL_ADC_Start(&hadc1); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100); uint16_t val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); return val * 3.3f / 4095.0f; } float get_ppm(float vout, float rl, float a, float b) { if (vout < 0.01f) return 0; float rs = (5.0f - vout) / vout * rl; float ratio = rs / R0; return pow(10, (log10(ratio) - log10(a)) / b); }

4.4 超标判断与自动换气逻辑

阈值我设的是：甲醛0.08mg/m³（国标GB/T 18883的限值），CO2 1000ppm。这两个值在代码里定义成宏，方便调整。判断逻辑是：如果甲醛超过0.08或者CO2超过1000，进入报警状态；报警状态下蜂鸣器以2Hz频率鸣叫，红灯闪烁，继电器吸合启动排气扇；如果两个值都降到阈值的80%以下（加迟滞避免临界抖动），退出报警状态。

迟滞设计很重要。我一开始没加迟滞，结果浓度在阈值附近波动时，继电器疯狂开关，咔咔响个不停。加了20%的迟滞带之后，动作就干净了。

#define HCHO_TH 0.08f #define CO2_TH 1000.0f #define HYST 0.8f if (hcho > HCHO_TH || co2 > CO2_TH) { alarm_on(); } else if (hcho < HCHO_TH * HYST && co2 < CO2_TH * HYST) { alarm_off(); }

5. 调试过程中踩过的坑与排查实录

5.1 传感器读数一直不变化怎么办

这是最常见的问题。我遇到过一次，MQ-135的ADC值始终是4095，也就是满量程。排查步骤：先用万用表量传感器的模拟输出引脚，如果电压确实是3.3V左右，说明传感器输出正常，问题在STM32的ADC配置；如果电压是0或者5V，说明传感器模块有问题。

那次我的问题是ADC通道配置错了。CubeMX里我开了IN1和IN2，但代码里切换通道时忘了改hadc1.Init.ScanConvMode和NbrOfConversion，导致一直读的是同一个通道。正确做法是每次采集前用HAL_ADC_ConfigChannel重新配置通道，或者开启扫描模式用DMA搬运。

还有一种情况是传感器预热不够。冷启动时MQ传感器的输出会从高电压慢慢下降，如果刚上电就读数，会得到偏高的值。我的代码里加了20分钟预热倒计时，期间显示"Warming up"，不参与报警判断。

5.2 LCD1602显示乱码或只显示一行

乱码通常是初始化时序不对。LCD1602的4位模式初始化有个坑：上电后要先等15ms以上，然后发送三次0x03（8位模式指令），再发送0x02切换到4位模式。很多人直接发0x02，结果屏幕不亮或者乱码。

只显示一行的问题，我遇到过是因为DDRAM地址设置错了。LCD1602第一行地址是0x80，第二行是0xC0。写第二行数据前要先发0xC0指令，忘了发就会覆盖第一行的内容。

5.3 继电器动作导致单片机复位

这个问题折腾了我最久。现象是继电器一吸合，STM32就重启，串口打印一堆乱码。原因是继电器线圈断电时会产生反向电动势，通过电源线耦合到STM32的供电上，导致电压瞬间跌落触发复位。

解决方法有三个：一是在继电器线圈两端并联一个续流二极管（1N4148就行），吸收反向电动势；二是在STM32的电源引脚附近加一个100uF电解电容和一个100nF陶瓷电容，提供瞬态电流；三是继电器模块和STM32用不同的电源供电，共地但不共电源。我三个都做了，问题彻底解决。

提示：如果你用的是成品继电器模块，模块上通常已经有续流二极管了，但电源去耦电容还是要加。另外继电器的触点侧接220V时，一定要确保断电操作，用万用表确认无电后再接线。

5.4 串口下载失败与程序不运行

STM32F103C8T6用串口下载需要把BOOT0接1、BOOT1接0，复位后进入系统存储器启动模式。下载完要把BOOT0接回0，再复位才运行用户程序。我见过有人下载完忘了改BOOT0，结果程序不跑，以为芯片坏了。

还有一种情况是下载软件选错了。STM32CubeProgrammer和FlyMcu都支持串口下载，但FlyMcu对CH340的兼容性更好。如果你用的是CH340串口模块，建议用FlyMcu，波特率选115200，校验方式选偶校验。STM32CubeProgrammer有时候会卡在"Connecting"不动，换FlyMcu就好了。

6. 实测数据与系统优化建议

6.1 不同环境下的实测记录

系统装好后我做了几组对比测试。在关闭门窗12小时的卧室里，CO2读数从初始的450ppm上升到1200ppm左右，甲醛从0.02mg/m³升到0.06mg/m³。打开排气扇后，CO2在15分钟内降到600ppm，甲醛降到0.03mg/m³。这个趋势和成品检测仪基本一致，说明系统是可靠的。

6.2 提高测量精度的几个实用技巧

第一，MQ传感器的负载电阻要仔细调。我的做法是：在洁净空气中调RL，使输出电压在1.5V左右，这样既有足够的动态范围，又不会在污染时饱和。第二，给传感器加一个金属网罩，减少气流波动的影响，但不要完全密封，否则响应变慢。第三，DHT11不要和MQ传感器靠太近，因为MQ的加热丝会发热，影响温度读数，我隔了5厘米以上。

软件层面，我加了滑动平均滤波，每10次采样取平均，去掉最大最小值。这样读数跳动从±0.02mg/m³降到±0.005mg/m³，显示稳定多了。但滤波会带来响应延迟，如果你需要快速响应，可以把窗口缩小到5次。

6.3 后续可以扩展的方向

这套系统目前是本地显示和报警，如果想远程查看，可以加一个ESP8266模块，通过串口把数据传到手机。ESP8266用AT指令就能驱动，STM32的USART2接上，每30秒发一次数据。另外可以加一个SD卡模块，用SPI接口记录历史数据，方便分析污染趋势。如果要做产品化，把STM32换成低功耗型号，加锂电池供电，做成便携式检测仪也是可行的。

我个人在实际操作中的体会是，这类环境监测项目最花时间的不是写代码，而是传感器的标定和调试。MQ传感器的个体差异很大，同一批买的两只，R0可能差20%。所以如果你要做定量测量，一定要留出标定环节，别指望套用别人的系数就能准。另外，预热时间真的不能省，我试过只预热5分钟就测，读数比稳定后高了将近一倍，完全不可信。