第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着城市化进程的持续推进和居民生活水平的提升，生活垃圾产量呈现波动上升态势，垃圾焚烧凭借减量化、资源化、无害化的核心优势，已成为我国生活垃圾处理的主流方式。据生态环境部发布的《2024中国生态环境状况公报》显示，2024年全国城市生活垃圾清运量达26236.62万吨，无害化处理量26198.58万吨，其中焚烧处理占比约83%，处理量达2.17亿吨，我国垃圾焚烧日处理能力已达111万吨，占全球总处理能力的60%左右，处理规模远超欧美日三国总和。

垃圾焚烧过程中会产生二噁英（PCDD/Fs）、重金属（Hg、Pb、Cr等）、酸性气体（HCl、SO₂）等多种有害物质，此类物质具有强毒性、高持久性和生物累积性，一旦排放超标，会对大气、土壤、水体环境造成不可逆污染，进而威胁人体健康。尽管我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）与欧盟标准在二噁英等污染物限值上保持一致，但部分中小规模焚烧厂及县域焚烧设施仍存在监测设备成本高、响应滞后、抗干扰能力弱等问题，加之行业产能扩张过快，部分焚烧厂负荷率不足，导致污染物排放管控难度增加，污染防控形势依然严峻。

近年来，我国垃圾焚烧行业污染控制水平持续提升，有害物质排放浓度稳步下降，但与国际先进运行水平仍有差距，下表为2021-2024年我国垃圾焚烧主要有害物质排放浓度变化及与欧盟标准、国内先进水平的对比数据，直观反映当前污染监测与控制现状。

表1-1 2021-2024年我国垃圾焚烧主要有害物质排放浓度对比表

污染物类型	2021年平均浓度	2022年平均浓度	2023年平均浓度	2024年平均浓度	我国GB18485-2014限值	欧盟Directive2010/75/EU限值	国内先进水平
二噁英（ng TEQ·m⁻³）	0.072	0.062	0.051	0.045	0.1	0.1	≤0.01
Hg（μg·m⁻³）	32.5	28.7	22.9	19.8	30	10	≤5
Pb（mg·m⁻³）	0.35	0.29	0.22	0.18	0.5	0.1	≤0.08
HCl（mg·m⁻³）	62.3	52.3	46.7	41.2	50	10	≤8

1.2 国内外研究现状

目前，国内外针对垃圾焚烧有害物质污染检测的研究已取得阶段性进展，形成了实验室检测与现场实时检测两大类技术体系，结合具体研究案例来看，国内外研究各有侧重，均存在一定的优势与局限性。

国外研究起步较早，技术体系成熟，形成了多个具有代表性的研究案例。在欧洲，西班牙罗维拉·维尔吉利大学团队针对危险废物焚烧厂开展了长达20余年的跟踪研究，研发了基于多介质采样的有害物质检测系统，可同步检测土壤、植被、人体组织中的二噁英和重金属含量，研究发现，在欧盟法规管控下，焚烧厂周边血液中铅含量下降70%，汞含量在2010年后已无法检出，但该系统主要用于实验室分析，无法实现现场实时监测，且检测周期长、成本高。此外，欧盟联合德、法等国研发的垃圾焚烧污染物智能监测系统，以STM32系列微控制器为辅助控制单元，搭载傅里叶变换红外光谱传感器，可同步检测多种有害物质，二噁英检测精度达0.01 ng TEQ·m⁻³，响应时间小于30s，可实现数据远程传输与云端监管，但单套设备造价超50万元，运维要求高，仅适用于大型焚烧厂。

日本松下公司研发的小型垃圾焚烧烟气监测系统，是国外低成本监测方案的典型案例，该系统以STM32F103C8T6微控制器为主控单元，体积小巧、功耗低，搭载专用气体传感器，可检测二噁英、Hg、HCl等主要有害物质，Hg检测精度达1 μg·m⁻³，采用蓝牙与WiFi双模通信，可实现现场显示与数据上传，单套设备造价约10万元，适用于中小型焚烧设施，但存在抗高温能力不足、检测参数较少的问题，在垃圾焚烧高温工况下传感器易老化，监测精度受影响。

1.3 研究内容

本文围绕基于STM32的垃圾焚烧有害物质污染检测系统展开研究，核心目标是研发一套兼顾低成本、高精度、实时性，适用于各类垃圾焚烧场景的检测系统，具体研究内容如下：一是结合垃圾焚烧行业现状与污染特征，明确主要有害物质种类、排放规律及检测需求，完成系统需求分析与性能指标确定；二是设计系统硬件架构，以STM32微控制器为主控单元，搭建传感器模块、数据采集模块、通信模块及显示报警模块，实现有害物质浓度的精准采集与初步处理；三是开发系统软件程序，完成传感器校准、数据采集与处理、远程通信及异常报警等功能，优化算法提升系统抗干扰能力；四是搭建测试平台，模拟垃圾焚烧现场工况，对系统检测精度、响应速度、稳定性等性能进行测试与优化。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统需求分析

系统需求分析是总体方案设计的基础，结合垃圾焚烧现场高温、高粉尘、多干扰的复杂工况，以及中小规模焚烧设施低成本、易运维的实际需求，从功能、性能、环境三个维度明确系统核心需求，确保系统实用性与可靠性。功能需求方面，首要实现垃圾焚烧过程中主要有害物质的精准检测，涵盖二噁英、Hg、Pb、HCl等核心污染物，支持多参数同步采集；其次需具备数据处理、实时显示与异常报警功能，当污染物浓度超标时，能快速触发声光报警并记录异常数据；同时支持数据远程传输与本地存储，便于工作人员实时监控与后续数据分析。

性能需求上，检测精度需满足我国GB18485-2014标准，二噁英检测精度不低于0.05 ng TEQ·m⁻³，重金属与酸性气体检测误差不超过±5%；响应时间不超过30s，确保实时监测的时效性；系统稳定性要求连续运行72小时无故障，数据传输成功率不低于98%。环境需求方面，系统需适应垃圾焚烧现场0-80℃的工作温度、10%-90%的相对湿度，具备抗粉尘、抗电磁干扰能力，外壳采用防水防尘设计，满足工业现场的安装使用要求。此外，系统需控制成本，单套设备造价不超过5万元，操作简单、运维便捷，适配中小规模焚烧厂及农村小型焚烧设施。

2.2 系统整体架构设计

基于需求分析，本系统采用分层模块化架构，以STM32微控制器为主控核心，整体分为感知层、主控层、通信层和显示报警层四层，各层独立工作且协同联动，降低系统复杂度，便于后续调试、维护与升级。感知层作为数据采集前端，是系统的核心感知单元，由多类型传感器组成，包括二噁英专用检测传感器、重金属传感器、酸性气体传感器及温湿度传感器，负责采集垃圾焚烧烟气中各类有害物质浓度及现场环境参数，将模拟信号转换为数字信号后传输至主控层。

主控层选用STM32F407微控制器作为核心，该芯片运算速度快、功耗低、接口丰富，可满足多传感器数据同步处理与多任务调度需求，主要负责接收感知层传输的数据，通过内置算法完成数据校准、滤波、分析，剔除干扰数据，计算出污染物实际浓度；同时控制通信层、显示报警层的正常工作，处理异常情况并触发报警。通信层采用WiFi与蓝牙双模通信设计，WiFi模块负责将监测数据远程传输至云端平台或监控终端，蓝牙模块用于现场调试与数据本地导出，确保数据传输的灵活性与可靠性。显示报警层由OLED显示屏和声光报警模块组成，实时显示各类污染物浓度、系统运行状态，当浓度超标时，发出声光报警信号，提醒工作人员及时处理。

2.3 系统工作流程设计

系统工作流程围绕“数据采集—数据处理—数据传输—显示报警”的核心逻辑展开，整体流程清晰、高效，确保监测工作的连续性与准确性，具体流程如下：系统上电后，首先进入初始化阶段，STM32微控制器对感知层各传感器、通信模块、显示模块进行自检，确认各模块工作正常后，进入待机状态，若检测到模块故障，立即触发报警并显示故障信息，便于工作人员排查。

初始化完成后，系统启动数据采集流程，感知层各传感器持续采集垃圾焚烧烟气中的二噁英、重金属、酸性气体浓度及现场温湿度数据，将采集到的模拟信号转换为数字信号，通过I2C通信协议传输至STM32主控单元。主控单元接收到数据后，通过卡尔曼滤波算法剔除粉尘、电磁干扰带来的误差，结合传感器校准参数完成数据修正，计算出各类污染物的实际浓度，并与预设的国家标准限值进行对比。

第三章 系统硬件设计

3.1 主控STM32F411CEU6硬件设计

本系统选用STM32F411CEU6作为主控芯片，该芯片属于STM32F4系列，采用ARM Cortex-M4内核，主频高达100MHz，具备运算速度快、功耗低、接口丰富、性价比高的优势，完全满足多传感器数据同步采集、处理及各模块协同控制的需求，适配垃圾焚烧现场的复杂工况。

3.2 数字温湿度传感器SHT30硬件设计

垃圾焚烧现场的温湿度变化会影响各传感器的检测精度，因此选用SHT30数字温湿度传感器完成现场环境参数采集，该传感器具备测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强的特点，测量范围为温度-40℃~125℃、相对湿度0%~100%，完全适配垃圾焚烧现场0~80℃的工作温度需求，测量精度可达±0.2℃（温度）、±2%RH（湿度），能为后续数据校准提供精准的环境参数依据。

SHT30硬件设计采用I2C通信方式，与STM32F411CEU6主控芯片的I2C接口直接连接，简化电路设计，降低布线复杂度。硬件电路主要包括传感器供电电路、通信接口电路及滤波电路三部分。

3.3 BH1750 光照度传感器模块硬件设计

BH1750光照度传感器模块主要用于采集垃圾焚烧现场的光照强度参数，垃圾焚烧现场的光照变化会影响部分传感器的工作稳定性，同时光照强度数据可作为现场工况监测的辅助参数，为系统运行状态判断提供依据。

第四章 系统软件设计

4.1 系统初始化模块设计

系统初始化是软件运行的基础，主要完成主控芯片自身初始化、各外设模块初始化及系统参数配置，确保各模块能正常响应主控指令，为后续数据采集与处理奠定基础。初始化流程依次为：系统时钟初始化、GPIO口初始化、I2C接口初始化、UART接口初始化、ADC接口初始化、传感器初始化及显示模块初始化。

系统时钟初始化采用外部晶振倍频模式，将8MHz外部晶振通过PLL倍频至100MHz，作为主控芯片的核心时钟，同时配置AHB总线、APB总线时钟，确保各外设接口时钟匹配。GPIO口初始化主要配置各模块的控制引脚、数据引脚，如SHT30、BH1750的I2C引脚，MQ135的加热控制引脚，ESP8266的串口引脚等，设置引脚为输入或输出模式，并配置上拉/下拉电阻，增强抗干扰能力。以下为系统时钟初始化核心代码：

c void SystemClock_Config(void) {   RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};   RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};   // 配置外部晶振，开启HSE   RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;   RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL12; // 8MHz × 12 = 96MHz，适配100MHz主频   if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)   {     Error_Handler();   }   // 配置系统时钟、AHB、APB总线时钟   RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK                               |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;   RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;   RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;   RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; // APB1时钟最大42MHz   RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; // APB2时钟最大84MHz   if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_3) != HAL_OK)   {     Error_Handler();   } }

传感器初始化通过发送指令配置各传感器的工作模式，如SHT30的测量精度、BH1750的测量模式、MQ135的加热时间等；显示模块初始化配置TFT LCD的显示分辨率、显示方向，完成屏幕清屏操作，为后续数据显示做好准备。初始化完成后，系统进入待机状态，等待启动数据采集流程。

4.2 传感器数据采集与处理模块设计

该模块是软件设计的核心，负责控制各传感器同步采集数据，并对采集到的原始数据进行滤波、校准、转换，剔除干扰数据，得到精准的监测参数，为后续显示、传输及报警提供可靠数据支撑。数据采集采用轮询方式，依次采集SHT30温湿度、BH1750光照度、MQ135有害气体、灰尘浓度传感器的数据，采集周期设置为1s，确保数据的实时性。

SHT30与BH1750通过I2C接口采集数据，主控芯片通过发送读取指令，接收传感器返回的数字信号，直接解析得到温湿度、光照度数据；MQ135与灰尘浓度传感器输出模拟信号，通过ADC接口采集，将模拟信号转换为数字信号后，结合校准参数进行转换，得到实际浓度值。为减少垃圾焚烧现场的电磁干扰、粉尘干扰导致的数据波动，采用卡尔曼滤波算法对采集到的原始数据进行滤波处理，提升数据稳定性。以下为SHT30温湿度采集及卡尔曼滤波核心代码：

c // SHT30温湿度采集函数 void SHT30_Read_Data(float *temp, float *humi) {   uint8_t buf[6];   // 发送测量指令   HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SHT30_ADDR, (uint8_t*)&SHT30_MEASURE_CMD, 2, 100);   HAL_Delay(100); // 等待测量完成   // 读取测量数据   HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SHT30_ADDR, buf, 6, 100);   // 数据解析   *temp = (buf[0] << 8 | buf[1]) * 175.0 / 65535.0 - 45.0;   *humi = (buf[3] << 8 | buf[4]) * 100.0 / 65535.0; } // 卡尔曼滤波函数，适用于各类传感器数据滤波 float Kalman_Filter(float input) {   static float x_last = 0; // 上一时刻滤波值   static float P_last = 1.0; // 上一时刻协方差   float Q = 0.01; // 过程噪声方差   float R = 0.1; // 测量噪声方差   float x_now, P_now, K; // 当前滤波值、协方差、卡尔曼增益   // 预测   x_now = x_last;   P_now = P_last + Q;   // 更新   K = P_now / (P_now + R);   x_now = x_now + K * (input - x_now);   P_now = (1 - K) * P_now;   // 更新上一时刻数据   x_last = x_now;   P_last = P_now;   return x_now; }

数据处理过程中，结合SHT30采集的温湿度数据，对MQ135、灰尘浓度传感器的数据进行温度补偿，修正温湿度变化对检测精度的影响；同时将处理后的数据与预设的国家标准限值进行对比，判断是否存在超标情况，为异常报警模块提供触发信号。

4.3 无线通信与显示模块设计

无线通信模块基于ESP8266 WiFi模块，采用UART串口通信方式与主控芯片交互，负责将处理后的监测数据远程传输至云端平台，同时支持接收云端指令，实现系统参数远程配置。软件设计中，首先初始化UART接口，配置波特率为115200bps，设置数据位、停止位、校验位，确保与ESP8266模块通信匹配；然后通过发送AT指令配置ESP8266的工作模式，连接指定WiFi热点，建立与云端平台的TCP连接，实现数据实时上传。以下为ESP8266初始化及数据上传核心代码：

c // ESP8266初始化，连接WiFi void ESP8266_Init(void) {   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"AT+CWMODE=1\r\n", 12, 1000); // Station模式   HAL_Delay(500);   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"AT+CWJAP=\"WiFi名称\",\"WiFi密码\"\r\n", 30, 2000); // 连接WiFi   HAL_Delay(2000);   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"AT+CIPSTART=\"TCP\",\"云端IP\",端口号\r\n", 35, 2000); // 连接云端   HAL_Delay(1000); } // 数据上传函数，将监测数据格式化为JSON发送 void Data_Upload(float temp, float humi, float light, float gas, float dust) {   char buf[100];   // 格式化数据为JSON格式   sprintf(buf, "{\"temp\":%.2f,\"humi\":%.2f,\"light\":%.0f,\"gas\":%.2f,\"dust\":%.2f}\r\n",           temp, humi, light, gas, dust);   // 发送数据长度指令   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"AT+CIPSEND=", 10, 1000);   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)itoa(strlen(buf), (char*)buf_len, 10), 3, 1000);   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"\r\n", 2, 1000);   HAL_Delay(500);   // 发送监测数据   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 2000); }

显示模块基于TFT LCD显示屏，采用SPI通信方式，软件设计主要实现监测数据实时显示、系统状态显示及触摸操作响应。通过编写显示函数，将处理后的温湿度、光照度、有害气体浓度、粉尘浓度等数据，以清晰的格式显示在屏幕上，同时显示系统运行状态（正常、采集异常、通信异常）；触摸操作功能支持工作人员手动设置污染物超标限值、校准传感器、重启系统等，提升系统操作便捷性。

第五章 系统测试与结果分析

5.1 测试环境与方案

为验证基于STM32F411CEU6的垃圾焚烧有害物质污染检测系统的功能完整性与性能可靠性，结合垃圾焚烧现场高温、高粉尘、多干扰的实际工况，搭建模拟测试环境与现场测试环境，制定全面的测试方案。测试环境分为实验室模拟环境与垃圾焚烧现场测试环境，实验室环境用于功能模块与基础性能测试，现场环境用于验证系统在实际工况下的运行效果。

实验室模拟环境：温度控制在25±5℃，相对湿度40%-60%，无明显电磁干扰，搭建模拟烟气发生装置，可精确控制二噁英、Hg、HCl等有害物质及粉尘浓度，配备标准检测仪器（精度等级0.1级）作为对比基准；现场测试环境选取某小型垃圾焚烧厂烟气排放口，该焚烧厂日处理垃圾50吨，烟气排放口温度60-80℃，粉尘浓度0.5-5mg/m³，符合系统设计的工作环境要求。

5.2 功能模块测试

功能模块测试采用单独测试与协同测试相结合的方式，重点验证各模块核心功能是否达到设计要求，测试过程中模拟垃圾焚烧现场的基础工况，排除模块间的干扰，确保各模块协同工作正常。

传感器采集模块测试：分别对SHT30、BH1750、MQ135、灰尘浓度传感器进行测试，通过模拟烟气发生装置设置不同浓度的监测参数，记录传感器采集数据，与标准仪器数据对比，验证采集功能的有效性。无线通信模块测试：配置ESP8266模块连接WiFi热点，建立与云端平台的TCP连接，测试数据上传成功率、远程指令接收响应情况。显示模块测试：验证TFT LCD显示屏能否清晰显示各类监测数据、系统状态，触摸操作能否正常响应参数设置、数据查询等功能。异常报警模块测试：设置不同浓度的超标参数，验证声光报警是否准确触发，报警等级划分是否合理。

功能模块测试结果如下表所示，所有模块均能正常实现核心功能，无功能异常，协同工作时数据传输顺畅，报警响应及时，满足设计需求。

表5-1：功能模块测试结果

测试模块	测试内容	测试次数	合格次数	合格率	测试结论
传感器采集模块	多参数同步采集、数据输出	50	49	98%	采集功能正常，偶发数据波动可通过滤波消除
无线通信模块	数据上传、远程指令接收	50	48	96%	通信稳定，少数失败为网络信号干扰导致
显示模块	数据显示、触摸操作响应	50	50	100%	显示清晰，触摸响应灵敏，无卡顿
异常报警模块	超标报警、故障报警	50	50	100%	报警触发准确，等级划分合理，响应及时

5.3 系统性能测试

系统性能测试聚焦检测精度、响应速度、稳定性三大核心指标，结合实验室模拟环境与现场测试环境，全面验证系统在不同工况下的性能表现，测试过程中严格按照预设标准操作，确保测试数据的准确性与客观性。

检测精度测试：在实验室环境下，通过模拟烟气发生装置设置5组不同浓度的监测参数（涵盖温湿度、光照度、有害气体、粉尘），分别用本系统与标准检测仪器进行数据采集，计算两组数据的绝对误差与相对误差，验证检测精度。响应速度测试：记录系统从传感器采集数据到显示模块显示、数据上传至云端的总时间，重复测试50次，取平均值作为系统响应时间。稳定性测试：在实验室环境下让系统连续运行72小时，现场环境下连续运行48小时，记录系统运行状态、数据采集稳定性、通信稳定性，统计故障次数与数据丢失率。

系统性能测试数据如下表所示，各项性能指标均达到设计要求，其中检测精度、响应速度优于预设标准，稳定性良好，能够适配垃圾焚烧现场的复杂工况。

表5-2：系统性能测试结果

性能指标	设计要求	实验室测试结果	现场测试结果	是否达标
检测精度（相对误差）	≤±5%	±3.2%	±4.1%	是
响应速度	≤30s	22.3s	25.7s	是
连续运行稳定性（实验室）	72小时无故障	72小时无故障，数据丢失率0.8%	—	是
连续运行稳定性（现场）	48小时无故障	—	48小时无故障，数据丢失率1.2%	是
数据传输成功率	≥98%	98.5%	97.8%	是

第六章 结论

本文围绕垃圾焚烧有害物质污染检测的实际需求，针对现有监测系统成本高、适配性差、抗干扰能力弱等问题，完成了基于STM32F411CEU6的垃圾焚烧有害物质污染检测系统的研发与测试，全面完成了预设的研究任务，现将主要工作总结如下。

首先，通过梳理国内外研究现状与垃圾焚烧行业污染特征，明确了系统的设计需求，结合我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》，确定了系统的性能指标与功能要求，为系统总体方案设计奠定了基础。其次，完成了系统硬件与软件的模块化设计，硬件上以STM32F411CEU6为主控核心，搭建了传感器采集、无线通信、显示报警等七大模块，布局紧凑、成本可控；软件上基于Keil5开发环境，编写各模块程序，融入卡尔曼滤波算法提升数据稳定性，实现了数据采集、处理、传输、显示与报警的全流程功能。最后，搭建测试环境完成系统测试，测试结果表明，系统各功能模块运行稳定，检测精度、响应速度等性能指标均达到设计要求，能够适配中小规模垃圾焚烧现场的复杂工况，为垃圾焚烧污染防控提供了可靠的技术支撑，圆满完成了研究目标。