一、设计背景与目标
现代室内环境中，甲醛、PM2.5、VOC等污染物易影响人体健康，传统空气净化器缺乏精准监测与智能联动能力。基于STM32的室内空气净化监测系统，通过多参数感知与自动控制技术，实现污染实时监测与净化设备智能调控，适合电子与环境工程专业毕设课设，帮助学生掌握复合传感与智能控制技术，兼具健康防护价值与教学意义。
本设计以STM32F407IGH6为核心，目标明确：监测PM2.5（0-500μg/m³，精度±10μg/m³）、甲醛（0-1mg/m³，精度±0.05mg/m³）、TVOC（0-6mg/m³）、温湿度（0-50℃，20%-90%RH）；自动联动净化器（风机三档调速、负离子开关）；3.5英寸TFT屏显示参数与净化状态，支持触摸设置阈值；具备超标声光报警与手机APP远程查看功能，适配家庭、办公室等室内场景。
二、系统硬件设计
系统硬件采用“感知-控制-执行-交互”架构，核心控制模块以STM32F407为核心，通过SPI、I2C、UART等接口连接多传感器与执行设备，处理数据并协调工作。
感知模块包含四类传感器：PMS5003粉尘传感器（UART接口，激光散射法测PM2.5）、ZE08-CH2O甲醛传感器（UART接口，电化学原理检测）、SGP30 TVOC传感器（I2C接口，金属氧化物检测）、AHT20温湿度传感器（I2C接口，高精度测量）。传感器信号经滤波电路处理后输入STM32，确保数据稳定。
执行模块通过继电器与PWM驱动电路控制空气净化器：继电器控制负离子发生器开关，STM32输出PWM信号经电机驱动芯片（L298N）调节风机转速（低速30%占空比、中速60%、高速90%），实现三档净化强度自动切换。
交互与通信模块：3.5英寸TFT触摸屏（SPI接口）显示实时参数与净化模式，支持触摸设置各污染物阈值；RGB LED灯环直观指示空气质量（绿-优、黄-中、红-差）；ESP8266 WiFi模块（UART接口）实现与手机APP通信，支持远程查看与控制。
电源模块采用12V直流供电，经DC-DC转换器输出5V与3.3V，为各模块供电，总功耗<15W，内置过流保护，确保安全运行。
三、系统软件设计
软件基于STM32CubeIDE开发，采用FreeRTOS实时操作系统，划分数据采集、控制逻辑、显示交互、WiFi通信四个任务，通过消息队列实现数据交互，保证实时性。
数据采集任务：每2秒轮询读取四类传感器数据，PM2.5与甲醛数据采用滑动平均滤波（连续8次采样），TVOC数据结合SGP30自校准功能优化精度；处理后的数据存入共享内存，同时计算空气质量综合指数（AQI）。
控制逻辑任务：根据实时参数与阈值对比结果，自动调节净化设备：PM2.5>75μg/m³或甲醛>0.1mg/m³时启动风机（按污染程度自动选档），TVOC>1mg/m³时开启负离子；所有参数达标后延时5分钟关闭设备，避免频繁启停。
显示交互任务：TFT屏主页面显示四参数实时值、AQI指数与设备状态，次级页面展示24小时趋势曲线；触摸设置阈值时，弹出数字键盘，输入值经范围校验后存储于EEPROM；RGB灯环随AQI变化自动切换颜色，直观反馈空气质量。
WiFi通信任务：通过MQTT协议与手机APP建立连接，每30秒上传一次数据；接收APP下发的手动控制指令（如强制开启高速模式），执行后返回状态确认；检测到参数超标时，主动推送报警信息至APP。
四、系统测试与优化
系统在装修后房间与雾霾天气测试，初始存在两个问题：一是PM2.5测量受气流影响大（误差±20μg/m³）；二是WiFi在多设备环境下连接不稳定（断连率12%）。
优化方案：硬件为PMS5003加装气流缓冲罩，软件增加气流补偿算法，PM2.5测量误差降至±8μg/m³；WiFi模块采用自动重连机制（间隔5秒），并优化天线布局，断连率降至2%以下。
优化后测试：各参数测量精度符合设计要求，净化设备联动响应时间<2秒；APP远程控制延迟<1秒，数据同步准确；连续运行30天无故障，报警触发及时；不同污染程度下，设备调节逻辑合理。成本约220元，适合毕设课设制作，可扩展CO2监测、自动换气功能，提升室内环境调控能力。
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