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目 录

1 绪论 1

1.1 设计背景及其意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的研究内容与章节安排 3

2 本系统的硬件电路设计 4

2.1 总体电路的设计 4

2.2 系统中各个硬件电路的设计 4

2.2.1 二氧化碳传感器模块 4

2.2.2 蓝牙模块的选择 7

2.2.3 主控芯片的选择 9

2.2.4 STM32F103ZET6硬件电路设计 10

2.2.5 无线式二氧化碳浓度检测仪的电源电路 13

2.2.6 电源抗干扰设计 14

2.2.7 二氧化碳传感器电路接口 15

2.2.8 蓝牙模块电路图 15

2.3 PCB版图的制作 15

3 本系统的软件设计 18

3.1主流程设计 18

3.2 二氧化碳传感器的C语言读取计算程序 19

3.3 蓝牙模块程序设计 21

3.4 蓝牙模块APP 23

4 实验测试与算法处理 25

4.1 实验系统的搭建及数据记录 26

4.1.1 实验系统的搭建 26

4.1.2 测量实验及数据记录 28

4.2 二氧化碳传感器的温度补偿算法 31

4.2.1 小波神经网络的定义 31

4.2.2 小波神经网络的构建 32

4.2.3 量子粒子群原理优化小波神经网络 35

4.2.4 基于量子粒子群算法的补偿仿真 36

5 结论 38

参考文献 39

致谢 41

附录一： 42

无线式红外二氧化碳气体浓度检测系统的研制

何非凡

，China

Abstract: Long hours of ventilation or open air conditioning, will lead to increase the indoor carbon dioxide concentration, will impact human body to a certain degree. In order to be able to monitor the concentration of carbon dioxide in real time, this design achieves a system that can be used to obtain the measured concentration of carbon dioxide by means of a wireless receiver using Bluetooth. This design is based on STM32F103ZET6 control chip, uses IRM300 infrared carbon dioxide sensor and CC2541 Bluetooth module to read the concentration of indoor carbon dioxide with your mobile phone. Because the gas sensor is susceptible to the environmental factors of temperature and humidity, this system has studied the effect of temperature and humidity on carbon dioxide measurement results. And the neural network algorithm is used to process the measured data, weakens the effect of temperature on the results, thereby improving the accuracy of the data.

Keywords: Carbon dioxide concentration sensor; STM32F103ZET6; Bluetooth module; temperature; neural network

1 绪论

1.1 设计背景及其意义

经济水平在近年内不断发展，与之对应的人们的生活水平也得到了提升。人们收入的增加对于室内居住环境的舒适程度的追求也随之增加。但是经济的发展或多或少是以破坏环境为代价。其中空气污染对于人体的危害是无声无息的。近年来，人们为了获得更好的安静舒适的环境，都会选择呆在室内并关上门窗，开上空调。但长时间不通风会导致室内的二氧化碳浓度显著升高，二氧化碳浓度达到 0.1%（1000ppm）时，会有个别敏感者有不舒适感,而人们长期居住在这样的室内,就会感受到不舒服、提不起精神，乃至危害健康。当二氧化碳浓度超0.1%（1000ppm），但在0.15%（1500ppm）范围时属于空气污染的临界浓度，大部分人都会感觉到不适；当二氧化碳浓度介于0.15%（1500ppm）至0.2%（2000ppm）时，空气质量处在轻度污染，超过0.2%（2000ppm）则是严重污染了。若人们长期吸入浓度过高的二氧化碳的空气时，会影响人体生物钟紊乱，因为二氧化碳浓度高时能抑制呼吸中枢，当浓度再升高时会麻痹呼吸中枢^[1]。长时间待下去会对人们造成气血虚弱、呼吸苦难、低血脂等症状，且很容易感到大脑疲劳，从而影响人们的生活，例如上班的人们在工作时会感到没有力气，学生在学习时也会受到影响。本设计以STM32单片机为核心，利用蓝牙实现用手机可以实时观测到室内二氧化碳的浓度。随着科技的发展，手机逐渐成为人们必不可少的工具，所以实现上述所说的功能可以被人们所使用，人们可以更方便的观测到自身所处环境的状态。如图1.1所示，长期处于高度二氧化碳浓度的下人的状态。

图1.1高二氧化碳浓度环境下人的状态

事实上，由于近年来的发展，无线传输的应用也越来越多，包括无线图像传输，无线数据传输。无线传输技术也逐渐被人们所熟知，被广泛的应用在各领域。无线传输方式拥有方

便、使用简单、灵活性强、性价比高等特性让许多行业的监控系统采用无线传输方式，用来连接站点与监控地点。无线监控技术已经在现代化的社会中无所不在，水运、航运、铁道、森林、公园、住宅等地点都有使用^[2]。

所以本设计的最终目的是通过单片机与无线传输技术结合来对二氧化碳进行检测，监控。这种检测系统具有生产成本低，容易操作，检测准确，以STM32单片机为主控核心，采用CC2541蓝牙模块，实现对室内二氧化碳浓度的监控。

1.2 国内外研究现状

近年来，由于CO₂对人们生活还是对工业都有着影响，有关CO₂检测的产品也是有许多种。如国内深圳市逸云天电子有限公司生产的MIC-800便携式二氧化碳检测仪^[3]。MIC-800便携式二氧化碳检测仪可用作对二氧化碳浓度检测及对二氧化碳泄漏的报警，可以对二氧化碳含量的检测更加准确。这种检测仪器采用的是红外二氧化碳传感器，采集信号稳定，检测的灵敏度和精度高等优点。该检测仪运用的是大容量的锂电池，可进行充电使用，可以进行长时间的连续工作，同时该检测仪具有数字LCD背光显示，以及振动报警等功能。其检测范围：0～2000ppm、5000ppm、10000ppm、50000ppm、20%Vol、50%Vol、100%Vol可选，能够在温度-20℃~ 70℃；相对湿度≤95%RH的环境下工作，如图1.2所示。

图1.2便携式二氧化碳检测仪MIC-800-CO2 图1.3美国EST-3020二氧化碳检测仪

国外也有着许多这样的产品，如EST-3020二氧化碳检测仪^[4]如图1.3所示。EST-3020固定式二氧化碳检测仪是拥先进的传感技术来检测环境空气中的CO₂智能型变送器。该检测仪通过RS485的信号来连接GPRS的无线传送系统、上位机或相关仪表来进行数据的下载和分析。于此同时该产品拥有防爆的功能，具有优越的性能、稳定的运行模式、简单的安装与维修、可以测量许多种类的气体、也有光报警指示、免开盖安全维护等特点。该产品还带背光LCD，可以直接显示浓度。还有四个高亮LED灯，分别来提示电源、低、高报警的功能，可以对低浓度的限制和高浓度的限制报警进行编程。同时具有数字和模拟两种输出信号，模拟信号产生4-20mA的电流；而数字信号为RS485，可与上位机进行通信。测量量程：0-9999PPM。

综上这两种检测仪都不拥有本设计的蓝牙实时传输效果，必须人在现场才能进行测量，而本设计可以达到人不在现场即可完成对二氧化碳的检测。

1.3 本文的研究内容与章节安排

本文主要研究了一种基于STM32F103ZET6单片机的二氧化碳检测系统。该系统中以IRM300红外二氧化碳传感器作为测量数据的手段，以STM32F103ZET6单片机作为主控核心，蓝牙CC2541模块作为传输手段，将采集到的二氧化碳浓度实时通过蓝牙模块传送到手机端，从而在手机端接收到发送过来的浓度，了解所处环境的状态。

由于人们生活品质的提高，以及越来越多的人愿意呆在室内，CO₂对人体的影响也逐渐被人们所重视，随着科技的不断进步，手机成为人们必不可少的工具。所以研制该系统能让人们更方便的观测CO₂的浓度。

第一章绪论主要介绍了本次设计的背景以及目的，由于生活水平的提高，CO₂对于人体的影响也逐渐被人们所重视，轻则昏昏欲睡，无法进行正常的工作，学习，严重则会危害到人的生命。本设计就是让人们观测到室内的二氧化碳浓度。目前国内外对于CO₂检测的研究也有着进一步的发展，设备逐渐便捷化，准确化，智能化。

第二章，主要是介绍本系统的总体设计，介绍了根据需求选择了最优的模块，选择了STM32F103ZET6单片机作为主控核心，IRM300红外CO₂传感器，CC2541蓝牙透传模块等。还介绍了系统中各个应用模块的组成和设计的该单片机的硬件原理图。还介绍了相应原理图以及PCB版图的制作过程以及运用到的软件。

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