GD32F407VE天空星开发板的MQ135的空气质量检测 - 详解

news/2025/11/28 16:13:01/文章来源:https://www.cnblogs.com/yangykaifa/p/19283158

GD32F407VE天空星开发板的MQ135的空气质量检测

一、MQ135传感器深度解析

1.1 传感器概述与应用场景

MQ135是一款高性能的半导体气体传感器，专门设计用于检测空气中的多种污染气体。这款传感器采用二氧化锡(SnO₂)作为核心气敏材料，在清洁空气中具有较低的电导率，而当环境中存在污染气体时，其电导率会随着气体浓度的增加而显著增大。

典型应用场景包括：

  • 家庭环境空气质量监测系统
  • 工业现场有害气体泄漏报警装置
  • 智能家居中的通风控制系统
  • 实验室环境安全监测
  • 公共场所空气质量评估

1.2 技术特性详解

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

MQ135传感器具备多项优秀的技术特性：

电气参数：

环境适应性：

检测性能：

二、硬件系统设计与连接

2.1 模块硬件构成

MQ135空气检测模块是一个完整的检测解决方案，包含以下核心组件：

传感器本体：

信号处理电路：

接口定义：

2.2 工作原理深度分析

在这里插入图片描述

气体检测机制：
当传感器暴露在污染气体环境中时，气体分子与二氧化锡材料发生化学反应，导致材料电导率发生变化。这种变化与气体浓度呈正相关关系，从而实现了气体浓度的检测。

信号输出原理：

  • 数字输出(DO)：通过电压比较器实现。当气体浓度超过设定阈值时，比较器输出低电平，触发LED1点亮
  • 模拟输出(AO)：直接反映传感器当前的电阻状态，通过ADC采集可以获得连续的浓度信息

阈值调节机制：
通过旋转可调电位器，可以改变比较器的参考电压，从而调整触发阈值。顺时针旋转提高阈值，逆时针旋转降低阈值。

三、软件系统设计与实现

3.1 系统初始化配置

bsp_gpio_mq135.c的代码

#include "bsp_gpio_mq135.h"
//初始化的代码我AO的引脚写在adc里面就初始化了，
//DO的引脚可以接在任意的有个io口上，检测引脚的电平就可以触发一些代码
void mq135_init(){
printf("=mq135_init===");
//可以在这初始化DO引脚
}
/*_BSP_GPIO_MQ135_H */
/**
* @brief  检测空气检测传感器情况
* @param  GPIOx：x 可以是 A，B，C等
* @param  GPIO_Pin：待操作的pin脚号
* @retval SET(污染气体浓度未超过阈值)、RESET(污染气体浓度超过阈值)
*/
FlagStatus MQ135_Scan(){
// GD32使用gpio_input_bit_get读取指定GPIO引脚的输入状态
// 返回值为SET(1)或RESET(0)，表示引脚的逻辑电平状态
if(gpio_input_bit_get(MQ135_DO_PIN) == RESET){
return RESET;
}
else{
return SET;
}
// 或者简化为一行：
// return gpio_input_bit_get(GPIOx, GPIO_Pin);
}

bsp_gpio_mq135.h代码：

#ifndef __BSP_GPIO_MQ135_H
#define __BSP_GPIO_MQ135_H
#include "gpio_cfg.h"//这个是我的初始化的函数，可以写下面的这个
#include "gd32f4xx.h"
//任意的io口引脚
#define MQ135_DO_RCU		RCU_GPIOC
#define MQ135_DO_PIN		GPIOC, GPIO_PIN_2
//adc采样的引脚
#define MQ135_AO_RCU		RCU_GPIOC
#define MQ135_AO_PIN		GPIOC, GPIO_PIN_1
void mq135_init();
//判断do的引脚是否触发
FlagStatus MQ135_Scan();
#endif /* __BSP_GPIO_MQ135_H */

3.2 数字信号处理模块

// DO状态监测函数
FlagStatus MQ135_Scan()
{
if(gpio_input_bit_get(MQ135_DO_PIN) == SET){
// 气体浓度超过阈值
printf("⚠️ 警告：检测到空气质量超标！\r\n");
printf("当前时间：%s\r\n", get_timestamp());
return SET;
}
else
{
// 气体浓度在安全范围内
printf("✅ 空气质量正常\r\n");
return RESET;
}
}

3.3 模拟信号采集与处理

app_mq135.c代码

#include "App.h"
#include "app_mq135.h"
#include "bsp_gpio_mq135.h"
#include <math.h>#include "ADC0.h"/*** @brief  MQ135_ADC 任务初始化* @param  mq135_task_cycle: 任务轮询周期 单位ms(可修改系统节拍定时器)* @retval 无*/void MQ135_TaskInit(){printf("==MQ135_TaskInit==");//GPIO_analog(MQ135_AO_RCU, MQ135_AO_PIN); // 模拟输入}/*** @brief  求ppm* @param  adc_value : ADC读取的原始值（0~4095）* @retval ppm* @note* 根据手册提供的各污染气体灵敏度 拟合成幂函数* 需要根据Rs/R0推算ppm，所以拟合函数时，x轴为Rs/R0，y轴为ppm，推导出y=ax^b* 图表没有每个点对应具体数值只能大致估计，所以测量值存在误差，想要完全精确请根据环境做多次标定*/float MQ135_Get_PPM(uint16_t adc_value){float vrl = 0;   /* AO输出的模拟电压 */float Rs;        /* 当前传感器电阻 */float ppm = 0;   /* 污染物平均浓度 *//* 读取AO输出电压 */vrl = (float)adc_value / 4095 * VC;/* 换算Rs电阻 */Rs = (float)(VC - vrl) * RL / vrl;//根据数据手册图表，Rs/R0的范围为0.1~1000，所以需要取log10(Rs/R0)来进行拟合float Rs0 = Rs/R0;  /* Rs/R0 *//* y=ax^b x为Rs/R0，ab的取值根据数据手册图表自行拟合成幂函数 */ppm =  A*pow(Rs/R0,B) ;return ppm;}/*** @brief  MQ135_ADC 任务*/void MQ135_Task(void){float adc_convertedvalue[20] = {0};//转化后的源始值的计算值//将ADC原始值转换为电压值uint16_t value = ADC0_get(1);adc_convertedvalue[0] = value * 3.3/4095;printf("adc_convertedvalue = %.2f",adc_convertedvalue[0]);printf("\r\n/*");//打印分割线for(uint32_t adc_task_i_temp = 0;adc_task_i_temp<80;adc_task_i_temp++){printf("*");}printf("*/");printf("\r\n 当前的值:");printf("\r\n 空气质量检测模块： %f V(0x%04X)",adc_convertedvalue[0],value);printf("\r\n");/* 拟合函数换算出ppm */float ppm = MQ135_Get_PPM(value);if(ppm<10){printf("综合污染气体平均浓度未达到检测范围\r\n");}else if(ppm>1000){printf("综合污染气体平均浓度超过检测范围\r\n");}else{printf("综合污染气体的平均浓度：%fppm\r\n",ppm);}printf("/*");for(uint32_t adc_task_i_temp = 0;adc_task_i_temp<80;adc_task_i_temp++){printf("*");}printf("*/");}

app_mq135.h代码

#ifndef __APP_MQ135_H
#define __APP_MQ135_H
#include "gpio_cfg.h"//或#include "stdint.h"
#define RL                               1     /* 根据硬件原理图可知：RL = 1k */ 
#define R0                               2     /* MQ135在洁净空气中的阻值，官方数据手册没有给出，这是实验测试得出，想要准确请多次测试 */ 
#define VC                               5.0   /* MQ135供电电压,根据实际供电修改，默认接5V */
#define A                                4.17  /* y=ax^b 的 a */
#define B                                -2.28 /* y=ax^b 的 b */
#define MQ135_DO_RCU		RCU_GPIOC
#define MQ135_DO_PIN		GPIOC, GPIO_PIN_2
#define MQ135_AO_RCU		RCU_GPIOC
#define MQ135_AO_PIN		GPIOC, GPIO_PIN_1
typedef struct
{
uint32_t cycle;
uint32_t timer;
uint8_t  flag;
}MQ135_TaskInfo;
extern MQ135_TaskInfo mq135_task;
float MQ135_Ge_PPM(uint16_t adc_value);
void MQ135_TaskReset(void);
void MQ135_TaskInit();
void MQ135_Task(void);
#endif /* __APP_MQ135_H  */

四、浓度换算算法与校准

4.1 理论基础与算法实现

气体浓度换算基于传感器的灵敏度特性曲线，采用幂函数拟合的方法：

/**
* @brief  求ppm
* @param  adc_value : ADC读取的原始值（0~4095）
* @retval ppm
* @note
* 根据手册提供的各污染气体灵敏度 拟合成幂函数
* 需要根据Rs/R0推算ppm，所以拟合函数时，x轴为Rs/R0，y轴为ppm，推导出y=ax^b
* 图表没有每个点对应具体数值只能大致估计，所以测量值存在误差，想要完全精确请根据环境做多次标定
*/
float MQ135_Get_PPM(uint16_t adc_value)
{
float vrl = 0;   /* AO输出的模拟电压 */
float Rs;        /* 当前传感器电阻 */
float ppm = 0;   /* 污染物平均浓度 */
/* 读取AO输出电压 */
vrl = (float)adc_value / 4095 * VC;
/* 换算Rs电阻 */
Rs = (float)(VC - vrl) * RL / vrl;
//根据数据手册图表，Rs/R0的范围为0.1~1000，所以需要取log10(Rs/R0)来进行拟合
float Rs0 = Rs/R0;  /* Rs/R0 */
/* y=ax^b x为Rs/R0，ab的取值根据数据手册图表自行拟合成幂函数 */
ppm =  A*pow(Rs/R0,B) ;
return ppm;
}

五、完整应用系统实现

5.1 主程序框架

// 系统状态结构体
typedef struct {
float current_concentration;
float concentration_threshold;
bool alarm_status;
uint32_t sample_count;
char air_quality_level[20];
} AirQuality_Status_t;
// 主监控循环
void AirQuality_Monitor_Loop(void)
{
AirQuality_Status_t system_status = {0};
system_status.concentration_threshold = 100.0f;  // 设置默认阈值
printf(" MQ135空气质量监测系统启动\r\n");
printf("=================================\r\n");
while (1) {
// 读取当前气体浓度
system_status.current_concentration = Get_Gas_Concentration();
system_status.sample_count++;
// 更新空气质量等级
Update_Air_Quality_Level(&system_status);
// 检查数字输出状态
Monitor_DO_Output();
// 显示当前状态信息
Display_System_Status(&system_status);
// 数据记录
Log_Sensor_Data(&system_status);
// 等待下一次采样
HAL_Delay(2000);  // 2秒采样间隔
}
}
// 空气质量等级评估
void Update_Air_Quality_Level(AirQuality_Status_t *status)
{
float ppm = status->current_concentration;
if (ppm < 50.0f) {
strcpy(status->air_quality_level, "优");
} else if (ppm < 100.0f) {
strcpy(status->air_quality_level, "良");
} else if (ppm < 200.0f) {
strcpy(status->air_quality_level, "轻度污染");
} else if (ppm < 300.0f) {
strcpy(status->air_quality_level, "中度污染");
} else {
strcpy(status->air_quality_level, "重度污染");
}
}

5.2 数据显示与记录

// 系统状态显示
void Display_System_Status(AirQuality_Status_t *status)
{
printf("\r\n 空气质量监测报告\r\n");
printf("----------------------------\r\n");
printf("采样次数：%lu\r\n", status->sample_count);
printf("当前浓度：%.2f ppm\r\n", status->current_concentration);
printf("空气质量：%s\r\n", status->air_quality_level);
printf("报警状态：%s\r\n", status->alarm_status ? "触发" : "正常");
printf("----------------------------\r\n");
}
// 数据记录功能
void Log_Sensor_Data(AirQuality_Status_t *status)
{
// 在实际应用中，这里可以将数据保存到SD卡或发送到服务器
FILE *log_file = fopen("air_quality_log.csv", "a");
if (log_file != NULL) {
fprintf(log_file, "%lu,%.2f,%s,%d\r\n",
(unsigned long)time(NULL),
status->current_concentration,
status->air_quality_level,
status->alarm_status);
fclose(log_file);
}
}

MQ135空气质量检测传感器为环境监测提供了一个成本效益高、可靠性好的解决方案。通过本文介绍的硬件连接方法、软件实现方案以及数据处理算法，开发者可以快速构建一个功能完整的空气质量监测系统。

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