基于STM32的矿井环境监测系统设计（完整项目）

基于STM32的矿井环境监测系统设计

摘要

矿井作业环境复杂多变，温度异常、粉尘浓度超标易引发安全事故，严重威胁井下作业人员的生命安全和矿井生产安全。本文设计并实现了一套基于STM32F103C8T6单片机的矿井环境监测系统，旨在实现矿井环境中温度、粉尘（PM2.5）浓度的实时监测、异常报警及智能调控，为矿井安全生产提供可靠的技术支撑。该系统以STM32F103C8T6单片机为主控制器，采用DS18B20温度传感器采集井下环境温度，粉尘传感器采集PM2.5粉尘浓度；通过OLED显示屏实现监测数据的本地可视化显示，方便现场作业人员实时查看；配备按键模块用于现场手动设置各环境参数阈值；集成声光报警模块，当温度超出预设上下限或粉尘浓度超过设定最大值时，自动触发声光报警；通过继电器控制加湿器实现自动喷雾降尘，同时支持蓝牙模块（BT04A）与手机端通信，手机端可远程接收监测数据、保存数据，并远程控制喷雾功能的启停。本文详细阐述了系统的总体设计、硬件电路设计、软件程序开发及系统测试过程，测试结果表明，该系统数据采集准确、报警响应及时、控制可靠，操作便捷，能够有效监测矿井环境参数，及时处置异常情况，满足矿井安全生产的实际需求，具有较强的实用性和应用价值。

关键词：STM32F103C8T6；矿井环境监测；DS18B20；粉尘传感器；蓝牙通信；智能报警；自动喷雾

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

矿井作业属于高危行业，井下环境封闭、通风条件有限，温度波动、粉尘堆积等问题突出，是引发矿井安全事故的主要诱因之一。井下温度过高易导致作业人员中暑、设备过热损坏，温度过低则可能造成管道冻裂、机械故障；而粉尘（尤其是PM2.5细颗粒物）长期积累，不仅会危害作业人员的呼吸系统健康，还可能引发粉尘爆炸，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，实现矿井环境参数的实时监测、异常预警及智能调控，是保障矿井安全生产、保护作业人员生命健康的关键举措。

传统的矿井环境监测多采用人工巡检方式，存在监测效率低、实时性差、数据误差大、异常处置不及时等弊端；现有矿井环境监测系统多存在结构复杂、成本高昂、操作繁琐、维护不便等问题，难以适应中小型矿井的实际使用需求。基于此，本文设计一套基于STM32F103C8T6的低成本、高性能、易操作的矿井环境监测系统，实现温度、粉尘浓度的实时采集、显示、报警及智能调控，同时支持手机端远程监测与控制，不仅能提升矿井环境监测的自动化水平，及时发现安全隐患，还能降低监测成本，为中小型矿井安全生产提供可靠保障，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

国外矿井环境监测技术起步较早，欧美等发达国家已形成较为完善的矿井安全监测体系，其监测系统多采用高精度传感器、无线通信技术（如LoRa、WiFi）及物联网技术，实现环境参数的精准监测、数据远程传输及多设备联动控制，且系统稳定性高、抗干扰能力强，但此类系统成本高昂、技术门槛高，维护难度大，难以在发展中国家的中小型矿井中普及。

国内近年来随着煤矿安全生产要求的不断提高，矿井环境监测技术得到快速发展，众多科研机构和企业纷纷投入相关系统的研发。目前国内系统多以STM32、51单片机为核心，集成温度、粉尘等传感器实现环境参数采集，结合显示模块、报警模块实现基本的监测与报警功能，但部分系统存在数据采集精度低、报警响应滞后、缺乏远程控制功能、抗干扰能力弱等问题，难以适应矿井复杂的恶劣环境（如强电磁干扰、高湿度、高粉尘）。此外，现有系统多未实现手机端数据保存与远程控制，现场操作灵活性不足，无法满足矿井作业的实际需求。

1.3 研究内容与目标

1.3.1 研究内容

本文围绕基于STM32F103C8T6的矿井环境监测系统展开研究，主要研究内容如下：

• 系统总体方案设计：明确系统的功能需求、性能指标，结合矿井环境特点，设计系统的总体架构，确定各模块的选型、连接方式及控制逻辑，制定合理的硬件布局与软件流程。

• 硬件电路设计：设计STM32F103C8T6核心控制电路、DS18B20温度采集电路、粉尘传感器采集电路、OLED显示电路、按键阈值设置电路、声光报警电路、继电器驱动电路、BT04A蓝牙通信电路，完成电路原理图绘制与PCB制作。

• 软件程序开发：基于Keil MDK开发环境，编写STM32主控程序，包括传感器数据采集与处理程序、OLED显示程序、按键阈值设置程序、声光报警程序、继电器控制程序、蓝牙通信程序；开发手机端接收、保存数据及远程控制程序。

• 系统测试与优化：搭建模拟矿井环境测试平台，对系统的参数采集精度、显示功能、阈值设置功能、报警功能、自动喷雾功能、蓝牙通信功能等进行全面测试，针对测试中出现的问题进行优化，确保系统满足矿井安全生产的实际需求。

1.3.2 研究目标

本研究的目标是设计并实现一套基于STM32F103C8T6的矿井环境监测系统，具体目标如下：

• 实现环境参数精准采集：能够实时采集矿井环境中的温度、PM2.5粉尘浓度数据，温度测量误差不超过±0.5℃，粉尘浓度测量误差不超过±10μg/m³，采集响应时间小于3秒。

• 实现数据可视化显示：通过OLED显示屏清晰显示温度、粉尘浓度的实时测量值，以及各参数的预设阈值、系统工作状态（报警、喷雾、蓝牙连接），更新及时、显示准确。

• 实现阈值灵活设置：支持通过按键现场手动设置温度上下限、粉尘浓度最大值，阈值设置范围合理，操作便捷，设置后立即生效。

• 实现异常声光报警：当温度超出预设上下限或粉尘浓度超过设定最大值时，系统自动触发有源蜂鸣器发声、LED灯闪烁，报警响应时间≤1秒，提醒现场作业人员及时处置。

• 实现智能喷雾降尘：当粉尘浓度超过设定最大值时，系统自动控制加湿器（喷雾设备）启动，进行喷雾降尘；粉尘浓度降至阈值以下时，自动停止喷雾；同时支持手机端远程开关喷雾。

• 实现蓝牙远程通信：通过BT04A蓝牙模块实现系统与手机端的通信，手机端可实时接收温度、粉尘浓度数据，支持数据保存，可远程控制喷雾功能的启停，通信稳定、无丢包现象。

• 保证系统稳定可靠：系统具备较强的抗干扰能力，能够适应矿井高湿度、高粉尘、强电磁干扰的环境，长期运行稳定，故障率低，满足井下长期监测需求。

1.4 论文结构安排

本文共分为6章，具体结构安排如下：

第1章为绪论，阐述研究背景与意义、国内外研究现状、研究内容与目标及论文结构安排。

第2章为系统总体方案设计，明确系统功能需求与性能指标，设计系统总体架构，完成各模块的选型及材料清单梳理，确定控制逻辑。

第3章为系统硬件电路设计，详细设计各模块的硬件电路，包括核心控制电路、传感器采集电路、显示电路、按键电路、报警电路、驱动电路、蓝牙通信电路等，绘制电路原理图与PCB图。

第4章为系统软件程序开发，介绍软件开发环境，编写各模块的软件程序，阐述阈值设置、报警控制、自动喷雾、蓝牙通信的核心逻辑。

第5章为系统测试与结果分析，搭建测试平台，对系统各功能、性能进行测试，分析测试结果，验证系统的可行性与稳定性。

第6章为总结与展望，总结本文的研究成果，分析系统存在的不足，并对未来的改进方向进行展望。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统功能需求分析

结合矿井环境监测的实际需求，本系统需实现监测、显示、阈值设置、报警、智能控制、蓝牙远程通信六大核心功能，具体如下：

2.2 系统性能指标

结合矿井环境的特殊性和实际使用需求，制定以下系统性能指标：

• 采集精度：温度测量范围-55℃~125℃，精度±0.5℃；粉尘浓度测量范围0~500μg/m³，精度±10μg/m³。

• 显示性能：OLED显示屏分辨率128×64，显示刷新频率1次/秒，显示清晰、无残影，适应井下弱光环境。

• 响应速度：传感器采集响应时间≤3s，报警响应时间≤1s，喷雾控制响应时间≤1s，蓝牙通信响应时间≤2s。

• 蓝牙通信：BT04A蓝牙模块通信距离≥10m（井下封闭环境），通信稳定，数据丢包率≤1%，支持手机端数据保存。

• 阈值设置：温度上下限可在0℃~60℃范围内设置，粉尘浓度最大值可在0~300μg/m³范围内设置，按键操作便捷，设置后立即生效。

• 工作环境：适应矿井井下环境，工作温度-10℃~60℃，相对湿度≤95%（无凝结），具备抗电磁干扰、抗粉尘干扰能力。

• 工作电压：系统工作电压为5V，可通过USB供电或锂电池供电，功耗低，适合井下长期连续运行。

• 稳定性：系统连续运行72小时无死机、无数据异常、无控制失效，故障率≤0.5%。

2.3 系统总体架构设计

本系统采用“感知层-控制层-交互层”三层架构设计，各层协同工作，实现系统的全部功能，总体架构如图2-1所示（此处省略图表，论文中可插入架构图）。

2.3.1 感知层

感知层是系统的数据采集核心，负责采集矿井环境中的温度、粉尘浓度参数，主要由DS18B20温度传感器、粉尘传感器组成。各传感器将采集到的模拟信号或数字信号传输至控制层，为系统的控制决策提供精准的数据支持，是实现矿井环境监测的基础。

2.3.2 控制层

控制层是系统的核心控制单元，以STM32F103C8T6单片机为核心，负责接收感知层传输的数据，进行数据处理、分析与决策；同时控制交互层的显示、报警、喷雾等模块工作，处理按键操作信号和蓝牙通信信号，实现阈值设置、异常报警、自动喷雾、远程控制等功能，是系统的“大脑”。

2.3.3 交互层

交互层主要为用户提供人机交互接口，分为本地交互和远程交互两部分。本地交互包括OLED显示屏（显示数据与系统状态）、按键模块（设置阈值）、声光报警模块（异常提醒）、加湿器（喷雾降尘）；远程交互包括BT04A蓝牙模块和手机端APP，实现远程数据接收、数据保存、远程控制喷雾功能。

2.4 系统核心模块选型及材料清单

根据系统总体方案和性能指标，结合矿井环境特点、成本、兼容性、实用性等因素，对系统各核心模块进行选型，梳理详细材料清单，具体如下：

2.4.1 材料清单

2.4.2 核心模块选型说明

• 核心控制模块：选用STM32F103C8T6单片机，该单片机基于ARM Cortex-M3内核，最高工作频率达72MHz，具有64KB闪存和20KB SRAM，具备丰富的外设资源（ADC、GPIO、UART、I2C等），可满足多传感器数据采集、显示控制、报警控制、蓝牙通信、继电器驱动等需求。其成本较低、功耗低、稳定性高、抗干扰能力强，适合矿井恶劣环境下的长期运行，是嵌入式系统设计中常用的核心器件。

• 温度传感器：选用DS18B20传感器，该传感器为数字式温度传感器，采用单总线接口，无需复杂的信号调理电路，可直接与STM32单片机通信。其测量范围广（-55℃~125℃），精度高（±0.5℃），响应速度快，抗干扰能力强，适合矿井温度波动较大的环境，且接线简单、成本低廉。

• 粉尘传感器：选用GP2Y1014AU0F光学粉尘传感器，主要用于检测空气中的PM2.5颗粒物，测量范围0~500μg/m³，精度±10μg/m³，工作电压5V。该传感器通过红外LED发射光线，检测散射光强度来测量颗粒物浓度，输出模拟信号，经STM32的ADC模块采集处理，响应时间快，适合矿井粉尘浓度的实时监测，且体积小、安装方便。

• 显示模块：选用128×64分辨率的OLED显示屏，采用I2C通信接口，具有功耗低、对比度高、响应速度快、显示清晰、体积小等优点，无需背光即可在弱光环境下清晰显示，适合井下弱光作业环境，可实时显示各类监测数据和系统状态。

• 蓝牙模块：选用BT04A蓝牙模块，该模块工作电压3.3V，通过UART接口与STM32单片机通信，支持蓝牙4.0协议，通信距离远（室内≥10m，井下封闭环境≥5m），通信稳定，功耗低，可实现系统与手机端的双向通信，支持数据传输和指令接收，满足远程监测与控制需求。

• 执行器与驱动模块：选用5V单路继电器模块驱动加湿器，继电器模块工作可靠，可将STM32单片机的弱信号转换为强信号，驱动加湿器启停；加湿器选用5V小型加湿器，体积小、功耗低，喷雾效果好，适合矿井局部区域的降尘作业。

• 报警模块：选用5V有源蜂鸣器和LED灯组成声光报警模块，有源蜂鸣器无需额外驱动电路，通过STM32的GPIO引脚直接控制，发声响亮；LED灯选用红色高亮款，在井下弱光环境下醒目，两者配合实现声光同步报警，确保异常情况能够及时被发现。

• 按键模块：选用3个独立按键，分别用于阈值的增加、减少、确认操作，按键操作便捷，响应灵敏，可实现温度上下限、粉尘浓度最大值的现场手动设置，满足井下现场操作需求。

2.5 系统控制逻辑设计

系统上电后，首先完成各模块初始化（单片机初始化、传感器初始化、OLED显示初始化、蓝牙模块初始化、继电器初始化），初始化完成后，系统进入正常工作状态，具体控制逻辑如下：

• 若温度＜温度下限或温度＞温度上限，触发声光报警（蜂鸣器发声、LED灯闪烁），直至温度恢复至阈值范围内或手动关闭报警；

• 若粉尘浓度＞粉尘浓度最大值，触发声光报警，同时通过继电器控制加湿器启动，进行喷雾降尘；当粉尘浓度降至阈值以下时，停止声光报警，控制加湿器停止工作。

第三章 系统硬件电路设计

3.1 硬件电路设计原则

结合矿井环境的特殊性（高湿度、高粉尘、强电磁干扰）和系统功能需求，硬件电路设计遵循以下原则：

• 可靠性：选用抗干扰能力强、性能稳定的元器件，优化电路设计，减少电磁干扰、粉尘干扰和湿度干扰，确保系统在矿井恶劣环境下长期稳定运行。

• 实用性：电路设计符合系统功能需求，布局合理，接口清晰，便于安装、调试和维护，适合井下现场使用。

• 低成本：在满足性能要求和可靠性的前提下，选用性价比高的元器件，降低系统整体成本，适合中小型矿井推广使用。

• 抗干扰性：在电路中加入滤波、隔离等设计，减少电源噪声、电磁干扰对传感器采集和单片机控制的影响，确保数据采集准确、控制可靠。

• 安全性：电路设计符合电气安全标准，加入限流、保护电路，防止元器件损坏和短路，确保系统运行安全，避免引发井下安全隐患。

3.2 核心控制电路设计

核心控制电路以STM32F103C8T6单片机为核心，主要包括电源电路、复位电路、晶振电路，是系统的控制中枢，负责协调各模块工作，确保系统正常运行。

3.2.1 电源电路

系统工作电压为5V，可通过USB接口供电或5V锂电池供电，为确保各模块获得稳定的电源，电源电路采用AMS1117-3.3稳压芯片，将5V输入电压稳压至3.3V，为STM32F103C8T6单片机、OLED显示屏、BT04A蓝牙模块提供稳定的3.3V电源；同时，直接为DS18B20温度传感器、粉尘传感器、继电器模块、有源蜂鸣器、加湿器提供5V电源。电路中加入100nF电容和10μF电容组成滤波电路，减少电源噪声干扰，提高电路稳定性；加入二极管防止电源反接，保护电路元器件。

3.2.2 复位电路

复位电路采用手动复位方式，由复位按键、10kΩ电阻和10μF电容组成。当按下复位按键时，STM32F103C8T6单片机的复位引脚（NRST）接低电平，实现系统复位；松开按键后，复位引脚通过电阻拉为高电平，系统正常启动。复位电路的设计确保系统在出现异常时能够快速复位，恢复正常工作，适应矿井复杂环境下的使用需求。

3.2.3 晶振电路

晶振电路采用外部晶振，选用8MHz晶振和32.768kHz晶振，为STM32F103C8T6单片机提供稳定的时钟信号。8MHz晶振用于系统主时钟，经倍频后可达72MHz，满足单片机高速运行、数据处理和多模块控制的需求；32.768kHz晶振用于实时时钟（RTC），实现时间计时功能，便于记录环境参数的采集时间，为数据追溯提供支持。晶振电路中加入22pF电容，确保晶振稳定振荡，减少时钟信号干扰。

3.3 传感器采集电路设计

传感器采集电路负责将温度、粉尘浓度信号转换为单片机可识别的数字信号或模拟信号，传输至STM32F103C8T6单片机进行处理，各传感器电路设计如下：

3.3.1 温度传感器电路（DS18B20）

DS18B20传感器采用单总线接口与STM32F103C8T6单片机连接，传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，DQ引脚（数据引脚）通过4.7kΩ上拉电阻连接至STM32的GPIO引脚（如PA0），确保信号稳定性，防止信号失真。DS18B20传感器内部集成温度采集、A/D转换模块，可直接输出数字信号，无需额外的信号调理电路，STM32单片机通过精确的时序控制（初始化、ROM指令、功能指令）读取传感器输出的温度数据，并进行校验和转换，得到实际的温度数值。为提高抗干扰能力，传感器与单片机之间的接线尽量短，且在DQ引脚与GND之间并联100nF电容，减少电磁干扰。

3.3.2 粉尘传感器电路（GP2Y1014AU0F）

GP2Y1014AU0F传感器为模拟输出型粉尘传感器，工作电压5V，传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，LED引脚（红外LED控制端）连接至STM32的GPIO引脚（如PA1），用于控制红外LED的启停；OUT引脚（模拟输出端）通过RC低通滤波器（1kΩ电阻和100nF电容，截止频率10Hz）连接至STM32的ADC输入通道（如PA2），消除高频噪声，确保采集到的模拟信号稳定。该传感器通过红外LED发射光线，当空气中有PM2.5颗粒物时，部分光线被散射，光电晶体管检测散射光强度，输出相应的电压信号（电压与粉尘浓度成正比），STM32单片机通过ADC模块将模拟电压信号转换为数字信号，再通过校准公式转换为实际的PM2.5粉尘浓度值。传感器安装时需设置进风口和出风口，确保空气流通，避免粉尘堆积影响检测精度，同时在传感器引脚处涂抹三防漆，增强抗湿度、抗粉尘能力。

3.4 OLED显示电路设计

OLED显示屏采用I2C通信接口与STM32F103C8T6单片机连接，显示屏的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，SCL引脚（时钟线）连接至STM32的GPIO引脚（如PB10），SDA引脚（数据线）连接至STM32的另一个GPIO引脚（如PB11）。I2C通信接口具有接线简单、占用IO口少、功耗低的优点，适合小型显示模块的连接。电路中在SCL和SDA引脚分别串联1kΩ电阻，增强抗干扰能力，同时在VCC与GND之间并联100nF电容，滤波降噪，确保通信信号稳定。STM32单片机通过I2C协议向OLED显示屏发送控制指令和显示数据，实现温度、粉尘浓度、阈值、系统状态的实时显示，显示界面分为多个区域，布局清晰，便于井下作业人员快速查看。具体引脚连接如下：

• OLED_VCC → 3.3V

• OLED_GND → GND

• OLED_SCL → PB10

• OLED_SDA → PB11

3.5 按键阈值设置电路设计

按键阈值设置电路采用3个独立按键，分别实现阈值增加、减少、确认功能，按键一端接地，另一端通过10kΩ上拉电阻连接至STM32的GPIO引脚（如PB0、PB1、PB2），同时在按键两端并联100nF电容，消除按键抖动，确保按键操作的准确性。当按下按键时，对应的GPIO引脚接低电平；松开按键时，GPIO引脚通过上拉电阻拉为高电平，STM32单片机通过检测GPIO引脚的电平变化，识别按键操作，进而实现阈值的调整与保存。按键电路设计简单、可靠，操作便捷，适合井下现场手动设置阈值，具体按键功能分配如下：

• 按键1（PB0）：阈值增加键，按下时当前设置的阈值递增（温度每次递增1℃，粉尘浓度每次递增10μg/m³）；

• 按键2（PB1）：阈值减少键，按下时当前设置的阈值递减（温度每次递减1℃，粉尘浓度每次递减10μg/m³）；

• 按键3（PB2）：确认保存键，按下时保存当前设置的阈值，并退出阈值设置模式，返回正常监测模式。

3.6 声光报警电路设计

声光报警电路由有源蜂鸣器、红色LED灯和限流电阻组成，用于当温度异常、粉尘浓度超标时发出声光报警提示。有源蜂鸣器的VCC引脚接5V电源，GND引脚通过1kΩ限流电阻连接至STM32的GPIO引脚（如PA3）；LED灯的阳极通过220Ω限流电阻接5V电源，阴极连接至STM32的GPIO引脚（如PA4）。当系统检测到异常时，STM32单片机输出低电平，有源蜂鸣器通电发声，LED灯通电点亮，实现声光同步报警；当异常解除或手动关闭报警时，STM32单片机输出高电平，蜂鸣器停止发声，LED灯熄灭。电路中加入限流电阻，防止电流过大损坏蜂鸣器和LED灯，确保报警模块稳定工作。

3.7 继电器与加湿器驱动电路设计

由于STM32F103C8T6单片机的GPIO引脚输出电流较小（最大20mA），无法直接驱动加湿器，因此需要通过继电器模块进行驱动。继电器模块选用5V单路继电器，继电器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，IN引脚（控制端）连接至STM32的GPIO引脚（如PA5），继电器的公共端（COM）接5V电源，常开端（NO）连接至加湿器的VCC引脚，加湿器的GND引脚接地。当STM32单片机输出高电平时，继电器吸合，加湿器通电启动，进行喷雾降尘；当输出低电平时，继电器断开，加湿器停止工作。电路中在继电器线圈两端并联一个二极管（1N4001），用于保护继电器线圈，防止反向电动势损坏电路元器件；同时在加湿器供电回路中串联一个保险丝，防止短路，确保电路安全。

3.8 蓝牙通信电路设计

蓝牙通信电路采用BT04A蓝牙模块，该模块通过UART接口与STM32F103C8T6单片机通信，实现数据传输和指令接收。BT04A模块的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，TX引脚（发送端）连接至STM32的UART接收引脚（如PA10），RX引脚（接收端）连接至STM32的UART发送引脚（如PA9）。由于BT04A模块的逻辑电平为3.3V，与STM32单片机的逻辑电平一致，无需额外的电平转换芯片，简化了电路设计。电路中在VCC与GND之间并联100nF电容，滤波降噪，减少通信噪声干扰；同时在TX、RX引脚与STM32单片机之间串联1kΩ电阻，增强抗干扰能力，确保蓝牙通信稳定。BT04A模块上电后自动进入配对模式，手机端打开蓝牙搜索并配对成功后，即可实现与系统的双向通信，传输数据和控制指令。

3.9 PCB设计

根据上述硬件电路设计，使用Altium Designer软件绘制电路原理图和PCB图，PCB设计结合矿井环境特点，遵循以下原则：

• 布局合理：将核心控制模块（STM32单片机）、传感器模块、显示模块、按键模块、报警模块、继电器模块、蓝牙模块分开布局，减少模块间的干扰；传感器模块尽量靠近PCB边缘，便于安装和采集环境参数；蓝牙模块远离继电器模块，避免电磁干扰。

• 布线优化：电源线和地线尽量粗（电源线≥1mm，地线≥1.5mm），减少线阻和电压降，降低电源噪声；信号线尽量短、直，避免交叉布线和过长布线，减少电磁干扰；模拟信号（粉尘传感器输出信号）与数字信号分开布线，防止数字信号干扰模拟信号采集。

• 抗干扰设计：在PCB上增加接地铜箔，将所有GND引脚连接至接地铜箔，增强抗干扰能力；在各模块电源引脚附近放置滤波电容，就近滤波，减少电源噪声；对传感器、蓝牙模块的引脚进行防护，涂抹三防漆，增强抗湿度、抗粉尘能力。

• 安装与维护：PCB预留安装孔，便于固定在矿井现场的支架上；接口清晰，预留测试点，便于后续调试和维护；元器件布局紧凑，缩小PCB体积，适应井下狭小的安装空间。

PCB图采用双面板设计，提高电路的稳定性和可靠性，绘制完成后进行PCB打样、元器件焊接和电路调试，确保各模块电路工作正常。

第四章 系统软件程序开发

4.1 软件开发环境

本系统的软件程序开发基于Keil MDK5开发环境，该环境是ARM Cortex-M系列单片机常用的开发工具，支持C语言编程，具有强大的编译、调试功能，可实现程序的编写、编译、下载和调试，同时支持STM32固件库，为程序开发提供丰富的函数接口，简化程序开发流程，提高开发效率。

手机端程序开发采用Android Studio开发环境，基于Java语言编程，实现与BT04A蓝牙模块的通信，完成环境数据的接收、显示、保存，以及远程控制喷雾功能的启停，APP界面设计简洁、易用，适合井下作业人员操作。

软件开发过程中，采用模块化编程思想，将程序分为多个功能模块，每个模块负责实现特定的功能，模块间通过函数调用实现数据交互，提高程序的可读性、可维护性和可扩展性，便于后续功能优化和升级。

4.2 软件总体设计思路

系统软件总体流程如下：系统上电后，首先进行各模块初始化，包括STM32F103C8T6单片机初始化（系统时钟、GPIO、ADC、UART、I2C等外设初始化）、DS18B20温度传感器初始化、粉尘传感器初始化、OLED显示初始化、按键模块初始化、声光报警模块初始化、继电器模块初始化、BT04A蓝牙模块初始化；初始化完成后，系统读取默认阈值（若有手动设置的阈值则读取保存的阈值），进入正常监测模式。

在正常监测模式下，系统周期性采集温度、粉尘浓度数据，进行滤波、校准处理后，将数据显示在OLED显示屏上；同时将数据通过蓝牙模块上传至手机端（若蓝牙已连接）；系统实时将采集到的数据与预设阈值进行对比，判断是否存在异常，若存在异常则触发声光报警，并根据异常类型执行相应的控制操作（如粉尘超标启动喷雾）；系统实时监听按键操作，若有按键按下则进入阈值设置模式，完成阈值设置后返回正常监测模式；系统实时监听蓝牙指令，若收到手机端的控制指令（开启/关闭喷雾），则执行相应操作，并将操作结果反馈至手机端。系统循环执行上述流程，确保各功能正常实现，直至系统断电。

4.3 各模块软件程序开发

4.3.1 系统初始化程序

系统初始化程序是系统运行的基础，负责对各模块进行初始化配置，确保各模块能够正常工作，初始化程序主要包括以下内容：

• STM32单片机初始化：配置系统时钟（72MHz），初始化GPIO引脚（设置输入/输出模式，如按键引脚为输入模式，报警、继电器、蓝牙引脚为输出模式），初始化ADC模块（用于采集粉尘传感器模拟信号），初始化UART模块（用于与蓝牙模块通信，波特率设置为9600bps），初始化I2C模块（用于与OLED显示屏通信），开启中断（如按键中断、UART接收中断）。

• 传感器初始化：对DS18B20温度传感器进行初始化，发送复位指令和存在脉冲检测指令，确认传感器正常工作；对粉尘传感器进行初始化，设置红外LED的启停时序，确保传感器能够正常采集粉尘浓度信号。

• OLED显示初始化：发送OLED初始化指令，配置显示模式、亮度、对比度等参数，清屏处理，在显示屏上显示系统标题（“矿井环境监测系统”）和初始界面（默认阈值、等待采集数据提示）。

• 其他模块初始化：初始化按键模块（开启按键中断，消除按键抖动），初始化声光报警模块（设置报警初始状态为关闭），初始化继电器模块（设置继电器初始状态为断开，加湿器关闭），初始化蓝牙模块（设置蓝牙通信参数，进入配对模式）。

4.3.2 传感器数据采集与处理程序

传感器数据采集与处理程序负责实时采集DS18B20温度传感器、粉尘传感器的输出信号，进行滤波、校准等处理，得到准确的温度、粉尘浓度数值，为系统控制决策提供数据支持。

• 温度数据采集与处理：通过STM32的GPIO引脚向DS18B20传感器发送采集指令，读取传感器输出的16位数字信号，经过校验（判断数据是否有效）后，解析出温度数据（整数部分和小数部分），转换为十进制数值。为提高采集精度，采用多次采集（每次采集间隔100ms，共采集5次）取平均值的方式，消除随机误差；同时对采集到的数据进行范围判断，若数据超出DS18B20的测量范围（-55℃~125℃），则视为无效数据，丢弃并重新采集。

• 粉尘浓度数据采集与处理：通过STM32的GPIO引脚控制粉尘传感器的红外LED启动，延迟一段时间（确保传感器稳定工作）后，通过ADC模块采集传感器OUT引脚的模拟电压信号，将模拟信号转换为12位数字信号（0~4095）。根据传感器的校准公式（浓度=（数字信号/4095）×500μg/m³），将数字信号转换为实际的PM2.5粉尘浓度值。同样采用多次采集取平均值的方式减少误差，同时加入滑动平均滤波算法，消除高频噪声，确保数据稳定；若采集到的浓度值超出传感器测量范围（0~500μg/m³），则视为无效数据，丢弃并重新采集。

数据处理完成后，将温度、粉尘浓度数值存储在指定的变量中，用于后续的显示、报警判断和蓝牙上传。

4.3.3 OLED显示程序

OLED显示程序负责将采集到的温度、粉尘浓度数据，预设的阈值，系统工作状态实时显示在OLED显示屏上，显示内容清晰、直观，更新及时，适合井下作业人员查看。程序采用模块化设计，包括OLED初始化函数、显示字符函数、显示数字函数、显示汉字函数、显示界面更新函数等，具体实现如下：

• OLED初始化函数：向OLED显示屏发送一系列初始化指令，包括设置显示模式（页地址模式）、亮度（默认中等亮度）、对比度等参数，完成显示屏的初始化，清屏后显示系统标题。

• 显示字符/数字函数：通过I2C协议向OLED发送字符、数字的点阵数据，支持不同位置、不同大小的显示，可显示0~9、A~Z、常用符号等，用于显示温度、粉尘浓度的数值和阈值。

• 显示汉字函数：预先存储常用汉字的点阵数据（如“温度”“粉尘浓度”“上限”“下限”“报警”“喷雾”“蓝牙连接”等），通过函数调用，将汉字显示在OLED屏幕上，用于标识显示内容。

• 显示界面更新函数：周期性（1次/秒）更新显示内容，将处理后的温度、粉尘浓度数值，预设的温度上下限、粉尘浓度最大值，以及系统工作状态（正常、温度报警、粉尘报警、喷雾中、蓝牙已连接/未连接）显示在对应的区域，确保显示内容与系统实际状态一致。

OLED显示界面布局设计：屏幕上方显示系统标题“矿井环境监测系统”；中间左侧显示温度相关信息（“温度：XX.XX℃”“温度上限：XX℃”“温度下限：XX℃”），中间右侧显示粉尘浓度相关信息（“粉尘浓度：XXμg/m³”“粉尘上限：XXμg/m³”）；屏幕下方显示系统工作状态（如“正常”“温度报警”“粉尘报警+喷雾中”“蓝牙已连接”）。

4.3.4 按键阈值设置程序

按键阈值设置程序负责处理按键操作，实现温度上下限、粉尘浓度最大值的手动设置与保存，程序通过检测按键的电平变化，识别按键操作，具体实现如下：

• 按键中断处理：开启按键中断，当有按键按下时，触发中断，进入中断服务函数，通过延时消抖（10ms）确认按键有效，避免按键抖动导致的误操作。

• 阈值设置模式切换：默认状态下系统处于正常监测模式，当长按确认键（3秒）后，系统进入阈值设置模式，OLED显示屏显示当前设置的阈值，并提示“设置温度上限”，此时可通过增加、减少键调整温度上限；按下确认键，保存温度上限，切换至“设置温度下限”，同理调整并保存温度下限；再次按下确认键，切换至“设置粉尘上限”，调整并保存粉尘浓度最大值；最后按下确认键，退出阈值设置模式，返回正常监测模式，所有设置的阈值自动保存到STM32的Flash中，断电后不丢失。

• 阈值范围限制：在阈值设置过程中，对温度上下限、粉尘浓度最大值进行范围限制，温度上限范围为0~60℃，温度下限范围为0~温度上限（确保下限不大于上限），粉尘浓度最大值范围为0~300μg/m³，若调整超出范围，阈值保持不变，并在OLED显示屏上提示“超出范围”。

4.3.5 声光报警程序

声光报警程序负责根据传感器采集的数据与预设阈值的对比结果，触发声光报警，提醒用户异常情况，具体实现如下：

• 报警判断逻辑：系统实时将采集到的温度、粉尘浓度数值与预设阈值进行对比，若温度＜温度下限或温度＞温度上限，触发温度报警；若粉尘浓度＞粉尘浓度最大值，触发粉尘报警，同时启动喷雾功能。

• 报警控制：当触发报警时，STM32单片机控制对应的GPIO引脚输出低电平，有源蜂鸣器通电发声，红色LED灯闪烁（闪烁频率为1次/秒）；当温度恢复至阈值范围内、粉尘浓度降至阈值以下时，自动停止报警（蜂鸣器停止发声，LED灯熄灭）；同时支持手动关闭报警（短按确认键），手动关闭报警后，若异常仍未解除，10秒后重新触发报警。

• 报警优先级：若温度异常和粉尘浓度异常同时发生，系统优先触发粉尘报警（因为粉尘超标可能