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1. 从一个灰尘传感器说起：为什么选STM32做PM2.5监测

前阵子帮朋友做一个室内空气质量监测的小盒子，需求很明确：实时读取PM2.5浓度，超标就亮红灯，数据能通过串口发到电脑上看。预算有限，不可能上激光散射式传感器，最后选了市面上最常见的红外PM2.5传感器，主控用的是手头现成的STM32F103C8T6最小系统板。整套方案下来成本不到三十块，精度虽然比不上专业设备，但用来做室内空气趋势判断、触发新风或者净化器，完全够用。

这篇文章就把整个从选型、接线、写代码到调试排错的过程完整梳理一遍。如果你手上正好有STM32开发板和红外PM2.5传感器，想快速跑通数据采集，或者正在做基于STM32的环境监测类项目、毕业设计，这篇内容可以直接拿来参考。我会把每个环节为什么这么做、参数怎么算、坑在哪里都讲清楚，不是那种贴一段代码就完事的教程。

红外PM2.5传感器的原理其实不复杂。它内部有一个红外发光二极管和一个光电接收管，空气通过传感器内部的采样腔时，颗粒物会散射红外光，接收管检测到散射光的强度变化，输出一个脉冲信号。颗粒物浓度越高，单位时间内脉冲越多。传感器内部或者外部MCU需要统计一段时间内的脉冲占空比，再通过一个经验公式换算成浓度值。市面上常见的型号比如GP2Y1010AU0F、PM2.5红外粉尘传感器（带风扇或不带风扇的都有），输出方式主要有两种：模拟电压输出和数字脉冲输出。模拟输出直接接ADC读取电压，简单但受温度漂移影响大；数字脉冲输出需要MCU用定时器或者外部中断统计低电平时间占比，精度相对好一些，也是我更推荐的方式。

STM32在这里的角色就是“大脑”：负责给传感器提供合适的驱动时序（有些传感器需要周期性点亮内部红外LED）、采集脉冲信号、做滤波和换算、驱动显示或者上报数据。为什么不用Arduino？说实话Arduino也能做，但STM32的定时器资源丰富、中断响应快、ADC精度高，做脉冲宽度测量和实时性要求高的场景更稳。而且STM32价格现在也很便宜，F103系列几块钱一片，性能绰绰有余。

2. 硬件选型与接线：别小看那几根线

2.1 传感器型号确认与引脚定义

红外PM2.5传感器型号挺多，我手上这块是常见的五pin数字输出型，引脚定义如下：

这里要特别注意：LED引脚不是给传感器供电的，而是用来控制内部红外发光管的开关。传感器工作时需要周期性地点亮红外LED，一般是每10ms点亮一次，每次持续几百微秒。如果你直接把LED脚接高电平常亮，传感器也能输出，但寿命会缩短，而且功耗偏高。正确做法是用STM32的一个GPIO或者定时器PWM来控制这个脚，按照传感器手册给的时序来驱动。

我用的这块传感器手册给出的推荐时序是：周期10ms，其中LED点亮时间约0.32ms。也就是说占空比大概3.2%。这个时序很关键，后面代码里会体现。

2.2 STM32最小系统板资源分配

STM32F103C8T6最小系统板，48脚封装，资源足够。我的分配方案：

• PA0：接传感器LED控制脚，配置为推挽输出，用定时器TIM2的PWM通道或者软件延时控制
• PA1：接传感器OUT脚，配置为浮空输入或者上拉输入，用外部中断或者定时器输入捕获来测量脉冲
• PA9/PA10：USART1，接USB转TTL模块，用于串口打印数据
• PC13：板载LED，用于超标报警指示
• SWD接口：PA13/PA14，用于下载和调试

供电方面，传感器需要5V，STM32最小系统板一般有5V输入和3.3V输出。传感器VCC接5V，OUT脚输出的是5V电平，而STM32的GPIO耐压是3.3V，直接接上去可能会损坏引脚。我在这里踩过坑，第一次直接接上去，PA1读数一直不正常，后来查手册才发现需要电平转换。简单做法是用两个电阻分压，比如10k和20k，把5V降到3.3V左右。或者用一块电平转换模块，更省事。

注意：如果你用的是3.3V供电的传感器版本，那就不需要分压，直接接就行。买传感器的时候一定要看清楚供电电压和输出电平。

2.3 电源与滤波电容

红外PM2.5传感器内部有风扇或者加热元件（部分型号），启动瞬间电流可能达到100mA以上。如果和STM32共用一路5V，建议在传感器VCC和GND之间并一个100uF电解电容加一个0.1uF陶瓷电容，滤掉低频和高频噪声。我实测不加电容的时候，传感器输出脉冲偶尔会抖动，加了之后稳定很多。

另外，STM32的ADC参考电压如果也用5V，那ADC读数会受电源波动影响。不过我们这个方案用的是数字脉冲输出，不依赖ADC，所以电源要求相对宽松。但如果你用的是模拟输出型传感器，那最好给STM32的VDDA和VREF+加独立的LC滤波，或者用一颗低压差稳压器单独给模拟部分供电。

3. 驱动时序与脉冲采集：核心逻辑拆解

3.1 传感器工作时序详解

红外PM2.5传感器的数字输出逻辑是这样的：内部红外LED周期性点亮，每次点亮时，如果采样腔内有颗粒物，接收管就会输出一个低电平脉冲，脉冲宽度与颗粒物浓度相关。传感器OUT脚在LED点亮期间输出低电平，其余时间输出高电平。MCU需要做的是：

1. 按照固定周期（比如10ms）触发LED点亮
2. 在LED点亮期间，测量OUT脚低电平的持续时间
3. 计算低电平时间占整个周期的比例，即占空比
4. 通过公式换算成PM2.5浓度

这里有个关键点：低电平脉冲的宽度很窄，通常在几十微秒到几百微秒之间。如果用普通的GPIO轮询去读，很容易错过。所以必须用定时器输入捕获或者外部中断加定时器计数的方式。

我一开始用HAL_GPIO_ReadPin在循环里读，结果读到的全是高电平，偶尔跳一下低电平，根本测不准。后来改用TIM3的输入捕获功能，配置为上升沿和下降沿都捕获，就能精确测量低电平宽度了。

3.2 定时器输入捕获配置要点

以STM32F103的TIM3为例，配置步骤：

• 使能TIM3和GPIOA时钟
• 配置PA1为复用推挽或者浮空输入（取决于具体引脚复用功能）
• TIM3预分频器设为71，这样计数频率为72MHz/(71+1)=1MHz，即每个计数代表1微秒
• 自动重装载值设为65535，避免频繁溢出
• 通道1配置为输入捕获模式，触发边沿先设为下降沿
• 开启捕获中断和更新中断

在中断服务函数里，第一次捕获到下降沿时记录当前计数值，然后把触发边沿改为上升沿；第二次捕获到上升沿时，再次记录计数值，两者之差就是低电平持续时间。如果中间发生了溢出，还需要加上溢出次数乘以65536。

这个逻辑听起来简单，但实际写的时候要注意：中断里不要做太多事情，只记录时间戳，把计算和换算放到主循环里做。否则中断响应不及时，会丢脉冲。

3.3 LED驱动时序的实现方式

LED控制脚需要每10ms产生一个约0.32ms的高电平脉冲。有两种实现方式：

方式一：软件延时。在主循环里用HAL_Delay或者delay_us来控制。优点是简单，缺点是占用CPU，而且延时精度受中断影响。

方式二：定时器PWM。用TIM2的通道1输出PWM，频率设为100Hz（周期10ms），占空比设为3.2%。这样硬件自动产生时序，CPU完全不占用。我推荐这种方式，稳定可靠。

配置TIM2：

// 假设系统时钟72MHz // PWM频率 = 72MHz / ((PSC+1)*(ARR+1)) // 目标频率100Hz，周期10ms // 设PSC=71，则计数频率1MHz // ARR = 10000 - 1，对应10ms周期 // CCR = 320，对应0.32ms高电平 TIM2->PSC = 71; TIM2->ARR = 9999; TIM2->CCR1 = 320; TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM模式1 TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能通道1输出 TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器

这样PA0就会自动输出周期10ms、高电平0.32ms的方波，直接接传感器LED脚即可。

4. 数据换算与滤波：从脉冲到浓度值

4.1 浓度换算公式推导

不同厂家的传感器换算公式略有差异，但基本形式都是：

PM2.5浓度 = K × 低电平占空比 + B

其中K和B是经验系数，需要根据传感器手册或者实测标定来确定。以我手上这块为例，手册给出的参考公式是：

浓度(ug/m3) = (低电平时间 / 总周期) × 1000

也就是说，如果低电平占空比是0.1%，那浓度大约是1ug/m3。但这个公式是线性的，实际传感器在低浓度和高浓度段都有非线性。更准确的做法是分段拟合或者用查表法。

我实测下来，在洁净空气中（PM2.5约10-20），占空比大概在0.01-0.02之间；点燃一根烟后，占空比能到0.3-0.5，对应浓度300-500。这个量级和公式基本吻合。

4.2 滑动平均滤波的实现

传感器原始数据跳动比较大，直接显示会闪得厉害。我用了滑动平均滤波，窗口大小设为10。具体做法是维护一个长度为10的数组，每次新数据进来就替换最旧的数据，然后求平均。

#define FILTER_SIZE 10 float pm_buffer[FILTER_SIZE] = {0}; uint8_t pm_index = 0; float filter_pm(float new_val) { pm_buffer[pm_index] = new_val; pm_index = (pm_index + 1) % FILTER_SIZE; float sum = 0; for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) { sum += pm_buffer[i]; } return sum / FILTER_SIZE; }

窗口大小可以根据需要调整。窗口越大，数据越平滑，但响应越慢。10个样本在10ms周期下就是100ms的响应时间，对于室内监测足够了。

实操心得：如果发现数据偶尔出现极大值或者极小值，可以在滤波前先做限幅，比如超过1000的当作无效值丢弃。我遇到过传感器附近有强光干扰时，输出脉冲异常，加限幅后稳定很多。

4.3 串口数据上报格式设计

数据算出来后，通过USART1发送到电脑。我用的格式是：

PM2.5: 35.2 ug/m3

简单直接，方便用串口助手查看。如果要接上位机做曲线显示，可以用更结构化的格式，比如：

$PM,35.2,OK#

其中$是帧头，PM是数据类型，35.2是浓度值，OK是状态，#是帧尾。上位机解析起来方便。

串口配置：波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验。STM32的USART1挂在APB2总线上，时钟72MHz，配置的时候注意波特率计算。

// 波特率 = fCK / (16 * USARTDIV) // 115200 = 72000000 / (16 * USARTDIV) // USARTDIV = 39.0625 // 整数部分39，小数部分0.0625*16=1 USART1->BRR = (39 << 4) | 1;

5. 常见问题与排查实录

5.1 串口无输出或者乱码

这是新手最常遇到的问题。排查顺序：

1. 检查波特率：STM32和串口助手的波特率必须一致。我遇到过有人设了9600但助手用115200，出来的全是乱码。
2. 检查时钟配置：如果系统时钟没配好，比如外部晶振没起振，默认用的是内部8MHz RC，那波特率就会偏。用示波器或者逻辑分析仪测一下USART_TX引脚，看波形周期对不对。
3. 检查TX/RX接线：STM32的TX接USB转TTL的RX，RX接TX，别接反了。
4. 检查串口助手是否打开了对应COM口：有时候电脑识别到多个COM口，选错了。

5.2 传感器读数一直为零或者满量程

可能原因：

• LED驱动时序不对：如果LED脚一直低电平，传感器不工作，输出恒高；如果一直高电平，传感器可能过热保护。用示波器测PA0，确认有10ms周期、0.32ms高电平的波形。
• OUT脚电平不匹配：5V输出直接接3.3V引脚，可能被钳位导致读不到低电平。加电阻分压或者电平转换。
• 传感器镜头脏了：红外传感器的光学腔如果积灰，散射光被遮挡，读数会偏低甚至为零。用洗耳球吹一下，别用嘴吹，口水汽会污染镜头。
• 供电不足：传感器启动电流大，如果USB供电不足，传感器可能反复重启。换一个输出能力强的USB口或者外接电源。

5.3 数据跳动大、不稳定的处理

除了前面说的滑动平均滤波，还可以从硬件上改善：

• 在传感器VCC和GND之间加100uF+0.1uF电容
• 传感器远离风扇、空调出风口，避免气流扰动
• 避免强光直射传感器光学腔
• 如果用的是带风扇的传感器，风扇电源和信号地分开走线，避免共地噪声

我实测在加了电容和滤波之后，洁净空气下读数波动在±3ug/m3以内，点烟后能稳定上升到300以上，响应时间大约2-3秒。

5.4 常见问题速查表

6. 项目扩展与个人体会

这套方案跑通之后，可以做的扩展挺多。比如加一个OLED屏幕，用I2C接口，直接显示实时浓度；加一个蜂鸣器，超标报警；加一个ESP8266或者ESP32模块，把数据传到手机或者云平台；甚至可以用STM32的USB虚拟串口功能，直接通过USB线把数据发给电脑，省掉USB转TTL模块。

我在实际使用中发现，红外传感器的精度虽然有限，但用来做趋势判断非常合适。比如室内抽烟、炒菜、扫地，浓度都会明显上升，净化器开启后能肉眼可见地下降。如果你需要更精确的数值，那还是得上激光散射式传感器，比如攀藤PMS5003系列，但价格会贵不少。

最后分享一个小技巧：调试阶段可以用STM32的SWD接口配合ST-Link Utility实时查看变量，比串口打印方便。把PM2.5浓度值放到一个全局变量里，在ST-Link Utility的Watch窗口里直接看，不用改代码重新烧录。这个技巧在调滤波参数的时候特别有用，改一个参数，看波形变化，很快就能找到合适的窗口大小。

代码方面，我建议用标准库或者HAL库都行，关键是理解定时器输入捕获和PWM输出的配置逻辑。如果你用HAL库，HAL_TIM_IC_Start_IT和HAL_TIM_PWM_Start这两个函数要熟悉。标准库的话，直接操作寄存器效率更高，但可读性差一些。我个人习惯用标准库，因为代码量小，烧录快，调试的时候心里更有底。