温度 + 光照 + 超声波防碰撞三路监测、超温自动风扇、低光自动照明、距离过近蜂鸣报警

矿工、消防员、电力巡检属于高危作业场景，头盔是作业人员贴身防护载体，本设计将各类传感器集成于头盔，实现环境监测与防碰撞预警功能。系统以 STM32 为主控，完成温度、光照、障碍物距离三路数据采集；实现温度超标自动开启风扇散热、光照偏低自动开启照明 LED、障碍物距离过近蜂鸣器报警，搭配 OLED 屏幕数据显示，ESP8266 通过 MQTT 协议将数据上传阿里云平台，实现远程监控。

一、系统功能拆解

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功能域	模块	说明
环境监测	DS18B20 温度传感器	采集头盔头部环境温度，温度超过设定阈值自动启动风扇降温
环境监测	GL5528 光敏电阻	检测环境光照，光照不足自动点亮 LED 照明灯
安全预警	HC‑SR04 超声波模块	检测前方障碍物，距离小于设定阈值触发蜂鸣器报警
人机交互	OLED12864 显示屏	实时展示温度、光照等级、障碍物距离数据
人机交互	按键	完成各项报警阈值的调整设置
远程通信	ESP8266‑01S（MQTT 阿里云）	采集数据上传云端，支持后台、手机 APP 远程查看监测信息
执行机构	风扇、照明 LED、蜂鸣器	完成散热、照明、碰撞报警自动控制

主逻辑：系统上电初始化，循环采集温度、光照、障碍物距离三项参数，OLED 刷新显示采集数据，按照 2 秒周期通过 MQTT 上传数据至云端；判断传感器数值，温度超阈值开启风扇、光照低于阈值开启 LED 灯、障碍物距离过近触发蜂鸣器报警；扫描按键，完成阈值参数修改。

设计说明：本系统以传感器环境监测、近距离防碰撞预警为核心功能，论文描述应当贴合实物实现功能，不虚构 AR 增强现实、人工智能等未实现的业务。

二、器件选型对比

2.1 主控：STM32F103C8T6 vs NXP LPC1768

STM32F103C8T6 主频 72MHz，资源可以满足 1 路 ADC 采集、1 路单总线、定时器输入捕获、I2C 通信、串口通信的项目全部需求，网络资料丰富，开发便捷。NXP LPC1768 主频 96MHz，硬件资源更高，但硬件成本更高，网络参考资料较少，因此本项目选用STM32F103C8T6 最小系统板。

2.2 光照检测：GL5528 光敏电阻 vs BH1750 数字照度计

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对比项	GL5528（光敏电阻）	BH1750（数字照度计）
输出	模拟分压电压	I2C 数字信号，直接输出 lux 照度值
线性特性	对数非线性	线性度良好
参考价格	≈2 元	≈6 元

本项目仅做光照阈值判断、实现天黑自动开灯，GL5528 光敏电阻可以满足需求；光敏电阻输出为相对电压等级，无法直接换算标准 lux 照度，OLED 只展示光照相对等级，不标注 lux 单位。如果需要获取真实照度数值，可选用 BH1750 数字照度传感器。

2.3 测距模块：HC‑SR04 超声波 vs VL53L0X 激光 ToF

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对比项	HC‑SR04 超声波	VL53L0X 激光 ToF
量程	2‑400cm	最大 200cm
精度	静止正对障碍物 ±3mm	误差约 ±3%
环境影响	不受光线干扰	强光环境会产生一定干扰
参考价格	≈3 元	≈15 元

头盔防碰撞 1‑4 米量程需求，HC‑SR04 超声波模块完全适配，成本低廉。VL53L0X 激光模块量程上限仅 2 米，适合短距离检测场景。

2.4 温度检测：DS18B20 vs TMP36

选用 DS18B20 数字温度传感器，不锈钢防水探头版本，可贴装在头盔内侧，适应作业恶劣环境，测量精度 ±0.5℃；SMD 贴片版本适合电路板测温，本系统采用不锈钢探头款式。

2.5 BOM 成本清单

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器件	参考价格
STM32F103C8T6 最小系统板	≈15 元
GL5528 光敏模块	≈2 元
HC‑SR04 超声波模块	≈3 元
DS18B20 不锈钢探头	≈6 元
OLED12864（I2C）	≈10 元
ESP8266‑01S	≈10 元
5V 小风扇 + MOS 管驱动电路	≈10 元
蜂鸣器、LED 照明灯、按键、洞洞板、连接线	≈10 元
合计	≈66 元

三、硬件接线

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模块	引脚	说明
GL5528 光敏电阻	PA1（ADC1_IN1）	分压输出，光照越强输出电压越高
DS18B20 温度传感器	PA3	DQ 引脚，外接 4.7kΩ 上拉电阻至 3.3V
HC‑SR04 超声波	PA2(Trig) / PA0(Echo)	Echo 接 TIM2_CH1 输入捕获；Echo5V 输出经 1k+2k 电阻分压降压到 3.3V 接入单片机引脚
OLED12864	PB6 / PB7	I2C1，SDA、SCL
ESP8266‑01S	PA9 / PA10	USART1 串口，波特率 115200
风扇驱动	PB0	MOS 管驱动，高电平风扇开启
照明 LED	PB1	高电平点亮
蜂鸣器	PB5	高电平触发报警鸣叫
阈值调节按键	PB12、PB13	按键加减阈值参数

硬件注意事项：

1. HC‑SR04 的 Echo 引脚输出为 5V 电平，不能直接接入 STM32F103，必须使用电阻分压，将电压降低至 3.3V 以内，防止 IO 口烧毁。
2. 头盔整机供电采用 18650 锂电池，升压模块输出 5V 给风扇、超声波模块供电；AMS1117‑3.3 为单片机、OLED、ESP8266 供电；ESP8266 瞬时发射电流大，电源位置增加储能电容，保证供电稳定。
3. Echo 回波时间测量，使用定时器输入捕获方式，硬件自动记录电平跳变时刻，减少 CPU 资源占用。

四、软件设计

4.1 主程序框架

int main(void) {
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    delay_init();
    OLED_Init();
    Adc_Init();                  /* PA1 光敏 */
    DS18B20_Init();              /* PA3 */
    HCSR04_Init();               /* PA2 Trig / PA0 TIM2捕获 */
    Fan_Init(); Led_Init(); Beep_Init(); Key_Init();
    ESP8266_Init();              /* USART1, MQTT 阿里云 */

    while (1)
    {
        temp  = DS18B20_Read();          /* 1s 一次读取温度 */
        light = Light_GetLevel();        /* ADC均值获取光照相对等级 */
        dist  = HCSR04_GetDist_cm();     /* 100ms一次，中值滤波处理距离 */

        OLED_ShowAll(temp, light, dist);
        MQTT_Report(temp, light, dist);  /* 2s一次上传云端 */

        Control_Loop(temp, light, dist); /* 执行风扇、LED、蜂鸣器控制，带迟滞 */
        Key_Scan();                      /* 扫描按键，修改各项阈值 */
    }
}

4.2 HC‑SR04 超声波测距子程序

定时器配置为1MHz 计数频率，1 微秒每计数脉冲，保障测距分辨率；采集 5 组数据使用中值滤波，过滤环境带来的测量毛刺。

void HCSR04_Init(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef tb;
    tb.TIM_Prescaler = 72 - 1;          /* 72分频，定时器计数1MHz，1us/tick */
    tb.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &tb);
    /* CH1配置输入捕获，捕获上升沿、下降沿，开启定时器中断 */
    TIM_ICInit(...);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

float HCSR04_GetDist_cm(void) {
    u16 p[5]; u8 i, j; u16 t;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        Trig_High_10us();                /* 输出≥10us触发脉冲 */
        p[i] = Echo_GetWidth_us();       /* 捕获Echo高电平持续时间，单位us */
        delay_ms(60);                    /* 间隔防止回波干扰 */
    }
    /* 冒泡排序，取中值滤波 */
    for (i = 0; i < 4; i++)
        for (j = 0; j < 4 - i; j++)
            if (p[j] > p[j+1]) { t = p[j]; p[j] = p[j+1]; p[j+1] = t; }
    return p[2] * 0.01715f;             /* 根据声速换算距离，单位cm */
}

说明：HC‑SR04 标称毫米级精度为实验室静止正对障碍物条件，头盔佩戴晃动使用，实际误差约 ±1‑2cm，论文描述保留实际误差余量。

4.3 光照采集，输出相对光照等级

GL5528 光敏电阻输出为非线性模拟量，多次 ADC 采样取平均值，输出 0‑9 的相对光照等级，不换算 lux 照度。

u8 Light_GetLevel(void) {
    u32 sum = 0; u8 i;
    for (i = 0; i < 10; i++) { sum += Get_Adc(CH_LIGHT); delay_ms(2); }
    u16 adc = sum / 10;
    return (u8)((u32)adc * 10 / 4096);
}

4.4 DS18B20 传感器复位子程序（标准时序）

u8 DS18B20_Reset(void) {
    DQ_OUT(); DQ_LOW();
    delay_us(480);                 /* 主机拉低总线480‑500us复位 */
    DQ_IN();                       /* 释放总线切换为输入模式 */
    delay_us(70);
    if (!DQ_READ()) {
        delay_us(420);             /* 等待传感器应答时序结束 */
        return 0;                  /* 传感器正常在线 */
    }
    return 1;                      /* 传感器未检测到 */
}

读取流程：发送跳过 ROM 指令0xCC，启动温度转换0x44，等待转换完成；再次发送0xCC，读取温度寄存器0xBE，读取高低字节，12 位模式下 temp = ((th<<8)|tl)*0.0625。

4.5 联动控制，增加迟滞，消除临界点抖动

直接阈值对比会出现设备频繁启停，设置迟滞区间，避免风扇、LED 频繁开关。

void Control_Loop(float temp, u8 light, float dist) {
    /* 温度迟滞2℃ */
    if (temp > g_temp_th)      Fan_On();
    else if (temp < g_temp_th - 2.0f) Fan_Off();

    /* 光照迟滞 */
    if (light < g_light_th)    Led_On();
    else if (light > g_light_th + 1) Led_Off();

    /* 距离报警 */
    if (dist < g_dist_th)      Beep_On();
    else                        Beep_Off();
}

五、系统调试验证

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测试项	测试方法	预期结果
测距精度	30cm、50cm、100cm、200cm 卷尺对比测试	测量误差≤±2cm，读数无大幅度跳变
测距稳定性	静止正对墙面连续采集 10 秒	中值滤波后数据波动≤±1cm
温度采集	和标准温度计对比	误差控制在 ±0.5℃以内
光照联动	遮光、强光交替切换	环境变暗自动点亮 LED，环境光亮自动熄灭，无频繁闪烁
风扇联动	加热升温、自然降温测试	在迟滞区间内风扇不会反复启停
防碰撞报警	手掌由远至近靠近超声波模块	距离小于阈值蜂鸣器报警，远离障碍物报警停止
Wi‑Fi 云端上传	观察阿里云后台数据	2 秒刷新一次数据，断网具备自动重连逻辑

六、系统拓展方向

1. 增加 VL53L0X 激光测距模块，使用多颗 ToF 传感器实现左、中、右多方向障碍物检测，增大预警覆盖范围；
2. 增加 MPU6050 加速度陀螺仪模块，增加人员跌倒检测功能，发生跌倒后云端推送报警信息；
3. 更换 BH1750 数字照度传感器，获取真实 lux 照度，实现 PWM 渐变调光照明；
4. 增加 LoRa 通信模块，适配矿井等无 Wi‑Fi 作业环境，多台头盔设备数据汇总至地面网关。

八、资料内容完整工程资料（原理图、PCB、代码、元件清单）

九、资料获取方式