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基于 Arduino UNO 的CO2测量仪（接线图+代码）

来源：电路城

2021-11-16

类别：工业控制

拍明

原标题：基于 Arduino UNO 的CO2测量仪（接线图+代码）

cirmall

基于Arduino UNO的CO2测量仪：从原理到实践的详细指南

二氧化碳（CO2）是地球大气中重要的组成部分，它在维持地球温度、支持植物光合作用等方面发挥着关键作用。然而，过高浓度的CO2，尤其是在室内环境中，会对人体健康产生负面影响，例如导致头痛、疲劳、注意力不集中，甚至在极端情况下引发更严重的生理反应。因此，实时监测室内CO2浓度对于保障居住和工作环境的健康与舒适至关重要。随着物联网技术和开源硬件的普及，个人和小型企业也能以较低的成本构建自己的环境监测系统。本文将详细介绍如何利用Arduino UNO微控制器，结合高性能的MH-Z19B CO2传感器和清晰的OLED显示屏，搭建一个功能完善、易于操作的CO2测量仪。我们将深入探讨每个核心元器件的工作原理、选择理由、技术参数，并提供详尽的接线图与注释丰富的Arduino代码，旨在为您提供一份从理论到实践的全面指导，使您能够轻松复刻并理解这个项目。

在我们的CO2测量仪项目中，Arduino UNO R3将作为整个系统的“大脑”，负责协调各项任务，包括从CO2传感器读取数据、处理这些数据、并通过OLED显示屏实时展示结果。选择Arduino UNO的原因在于其卓越的易用性、丰富的学习资源、庞大的开源社区支持以及极高的性价比。对于初学者而言，Arduino IDE（集成开发环境）简洁直观，编程语言基于C/C++，但经过简化，使得即使没有深厚编程背景的用户也能快速上手。其标准化的引脚布局和兼容性，使得连接各种传感器和执行器变得轻而易举。MH-Z19B CO2传感器则是我们获取CO2浓度数据的核心，它采用了先进的非分散红外（NDIR）技术，能够提供相对准确且稳定的测量结果，同时其成本效益使其成为DIY项目的理想选择。为了直观地呈现测量数据，我们选用了0.96英寸的OLED显示屏，这种显示屏以其高对比度、宽视角和低功耗的特点，非常适合作为小型便携式设备的用户界面。此外，考虑到MH-Z19B传感器的工作电压为3.3V，而Arduino UNO通常提供5V电源，我们还需要一个DC-DC降压模块来确保传感器的稳定供电。通过本文的指导，您将不仅学会如何组装一个CO2测量仪，更将深入理解其背后的科学原理和技术细节，为未来的更多创新项目打下坚实基础。

核心元器件详解

构建一个可靠的CO2测量仪，选择合适的元器件是成功的关键。以下我们将详细介绍本项目中使用的核心元器件，包括它们的功能、技术参数以及我们选择它们的原因。

1. Arduino UNO R3微控制器

Arduino UNO R3是Arduino系列中最受欢迎的开发板之一，也是许多电子爱好者和工程师入门微控制器编程的首选。它以其开源的硬件设计、用户友好的软件环境和活跃的社区支持而闻名。

功能： Arduino UNO R3的核心是一颗Atmel的ATmega328P微控制器。这颗芯片集成了CPU、闪存（用于存储程序代码）、SRAM（用于运行时数据）和EEPROM（用于存储少量持久性数据）。它拥有14个数字输入/输出引脚（其中6个可作为PWM输出）、6个模拟输入引脚、一个USB接口用于与计算机通信和供电、一个电源插座用于外部供电、一个ICSP头用于程序烧录以及一个复位按钮。数字引脚可以配置为输入或输出，用于控制LED、继电器或读取按钮状态等。模拟引脚则可以将来自传感器（如温度传感器、光敏电阻）的连续电压信号转换为数字值，供微控制器处理。PWM（脉冲宽度调制）功能允许模拟输出效果，例如控制LED亮度或电机速度。串行通信（UART）、I2C（两线接口）和SPI（串行外设接口）等通信接口使得Arduino能够与其他数字设备进行数据交换，例如我们的CO2传感器和OLED显示屏。
为什么选择： Arduino UNO R3之所以成为本项目以及众多DIY项目的优选，主要基于以下几点：

易用性与入门友好： Arduino IDE提供了简洁的编程界面和易于理解的C/C++语言结构，大大降低了微控制器编程的门槛。大量的示例代码和教程使得学习曲线非常平缓。
强大的社区支持： Arduino拥有全球性的庞大社区，这意味着当您遇到问题时，很容易在论坛、博客或教程中找到解决方案。丰富的第三方库也极大地简化了与各种硬件模块的交互。
稳定性与可靠性： 作为一款经过时间考验的经典开发板，Arduino UNO R3在设计和制造上都非常成熟，具有良好的稳定性和可靠性，适合长期运行的项目。
丰富的扩展性： 尽管UNO本身功能强大，但其开放的硬件设计和标准化的引脚布局，使得通过各种“扩展板”（Shields）或直接连接模块，可以轻松扩展其功能，例如添加Wi-Fi、蓝牙、SD卡存储等。
成本效益： 相较于其他一些专业的嵌入式开发板，Arduino UNO R3的价格非常亲民，使得个人爱好者也能轻松负担。

技术参数：

微控制器：ATmega328P
工作电压：5V
输入电压（推荐）：7-12V
输入电压（限制）：6-20V
数字I/O引脚：14个（其中6个提供PWM输出）
模拟输入引脚：6个
I/O引脚直流电流：20 mA
3.3V引脚直流电流：50 mA
闪存（Flash Memory）：32 KB（ATmega328P），其中0.5 KB用于引导加载程序（bootloader）
SRAM：2 KB
EEPROM：1 KB
时钟频率：16 MHz

与CO2测量仪项目的关联： 在CO2测量仪项目中，Arduino UNO R3是核心的控制单元。它通过其数字引脚与MH-Z19B CO2传感器进行串行通信（UART），接收并解析CO2浓度数据。同时，它通过I2C接口与OLED显示屏通信，将解析出的CO2浓度值以及其他相关信息（如状态）实时显示出来。Arduino还负责处理传感器数据的定时读取、可能的校准指令发送，以及整个系统的电源管理和稳定性维护。其处理能力和丰富的I/O接口完全满足本项目需求。

2. MH-Z19B CO2传感器

MH-Z19B是一款常用的非分散红外（NDIR）原理的CO2气体传感器，广泛应用于HVAC系统、空气质量监测、农业温室等领域。

功能： MH-Z19B传感器利用NDIR技术来测量CO2浓度。其基本原理是：CO2气体对特定波长的红外光具有吸收特性。传感器内部包含一个红外光源和一个红外探测器。红外光从光源发出，穿过一个包含待测气体的腔室，然后被探测器接收。当腔室中存在CO2时，一部分特定波长的红外光会被CO2分子吸收，导致到达探测器的光强度减弱。光强度减弱的程度与CO2的浓度成正比。通过测量光强度的变化，传感器就能计算出CO2的浓度。MH-Z19B通常提供多种输出方式，包括UART（串行通信）、PWM（脉冲宽度调制）和模拟电压输出。UART是最常用且推荐的方式，因为它能提供更精确的数字读数和更丰富的功能（如校准指令）。
为什么选择：

NDIR技术： NDIR是目前测量CO2最成熟、最稳定且相对准确的技术之一，相较于一些基于化学反应的CO2传感器，NDIR传感器具有更好的长期稳定性和抗干扰能力。
成本效益： 在NDIR传感器中，MH-Z19B系列以其相对较低的价格和可靠的性能，成为DIY项目和消费级产品的热门选择。
易于接口： MH-Z19B提供UART接口，这与Arduino的串行通信能力完美匹配，使得数据读取和控制变得简单。它还支持PWM输出，为没有足够硬件串口的微控制器提供了另一种选择。
预热时间与稳定性： 传感器通常需要一定的预热时间（约3分钟）才能达到最佳测量状态，一旦预热完成，其读数相对稳定。
测量范围： MH-Z19B通常提供0-5000ppm的测量范围，这足以满足大多数室内空气质量监测的需求。

技术参数：

UART：波特率9600，数据位8位，停止位1位，无奇偶校验。
PWM：周期1004ms，高电平脉宽与CO2浓度成比例。
测量气体：CO2
测量范围：0-5000ppm（可选0-2000ppm, 0-10000ppm等型号）
工作电压：DC 4.5V ~ 5.5V（但实际推荐使用3.3V供电以获得更稳定性能，或通过模块内置稳压）
平均电流：< 60mA
峰值电流：150mA
接口类型：UART（TTL电平）、PWM输出、模拟电压输出
输出信号：
预热时间：3分钟
响应时间：T90 < 120秒
工作温度：0℃ ~ 50℃
工作湿度：0 ~ 95%RH（无凝露）
尺寸：33mm × 20mm × 9mm

与CO2测量仪项目的关联： MH-Z19B是本项目的核心传感器，它负责采集CO2浓度数据。我们将通过Arduino的软件串口（SoftwareSerial）与其进行UART通信，发送查询命令并接收返回的数据帧，然后解析出CO2浓度值。由于MH-Z19B对供电电压有一定要求，且其数据手册常建议在3.3V下工作以获得最佳性能，因此需要一个独立的3.3V稳压模块为其供电，而不是直接使用Arduino的5V。

3. 0.96英寸OLED显示屏 (SSD1306驱动)

OLED（有机发光二极管）显示屏因其出色的显示特性，在小型电子设备中越来越受欢迎。

功能： 0.96英寸OLED显示屏通常采用SSD1306驱动芯片，分辨率为128x64像素。它能够以点阵形式显示文字、数字、图形和简单的图像。与传统的LCD（液晶显示屏）不同，OLED的每个像素都能自发光，因此无需背光，这使得它具有极高的对比度、纯黑背景、宽视角和更低的功耗。它通常通过I2C（Inter-Integrated Circuit）或SPI（Serial Peripheral Interface）接口与微控制器通信。I2C接口只需要两根数据线（SDA和SCL），大大节省了微控制器的引脚资源，非常适合引脚数量有限的Arduino UNO。
为什么选择：

高对比度与清晰度： OLED屏幕自发光的特性使其显示内容非常清晰，即使在光线较暗的环境下也能轻松读取。
低功耗： 无需背光意味着在显示黑色像素时几乎不消耗电量，这对于电池供电的项目尤其有利。
小巧轻便： 0.96英寸的尺寸非常适合集成到紧凑的CO2测量仪外壳中。
宽视角： 几乎从任何角度都能清晰地看到显示内容。
I2C通信： 仅需两根数据线（SDA和SCL）即可与Arduino连接，简化了接线并节省了宝贵的GPIO引脚。
成本效益： 0.96英寸的SSD1306 OLED模块价格非常实惠。

技术参数：

尺寸：0.96英寸
分辨率：128x64像素
颜色：单色（通常为蓝色或白色，本项目中假设为蓝色）
驱动芯片：SSD1306
接口类型：I2C（默认）或SPI
工作电压：DC 3.3V ~ 5V（大多数模块内置稳压，可以直接使用5V供电）
引脚定义：VCC, GND, SCL, SDA（I2C模式）

与CO2测量仪项目的关联： OLED显示屏是CO2测量仪的用户界面。它将实时显示由MH-Z19B传感器测量到的CO2浓度值，以及其他可能的状态信息，例如“传感器预热中”、“校准成功”等。通过Arduino的Adafruit GFX和Adafruit SSD1306库，我们可以非常方便地控制OLED屏幕，绘制文本和图形。

4. DC-DC降压模块 (AMS1117-3.3V)

MH-Z19B CO2传感器的工作电压为DC 4.5V至5.5V，但其数据手册通常建议使用3.3V供电以获得更稳定的性能和更低的功耗。Arduino UNO的数字引脚和大部分传感器通常工作在5V逻辑电平，但其板载的3.3V稳压器提供的电流有限（通常只有50mA），不足以稳定驱动MH-Z19B传感器（峰值电流可达150mA）。因此，我们需要一个独立的降压模块来为MH-Z19B提供稳定、充足的3.3V电源。

功能： AMS1117-3.3V是一款低压差（LDO）线性稳压器，能够将较高的输入电压（例如Arduino的5V输出或外部电源的7-12V）稳定地降压至3.3V输出。它通常有三个引脚：VIN（输入电压）、VOUT（输出电压）和GND（接地）。线性稳压器通过内部调整管的压降来稳定输出电压，其优点是输出纹波小、噪声低、电路简单。
为什么选择：

电压匹配： 专门用于将5V或更高电压降至3.3V，完美匹配MH-Z19B的供电需求。
电流能力： AMS1117通常能提供高达800mA或1A的输出电流（取决于具体型号和散热条件），远超MH-Z19B的峰值电流需求，确保传感器稳定工作。
稳定性： 线性稳压器输出电压稳定，纹波小，有助于传感器获得更准确的读数。
成本低廉： AMS1117系列稳压器非常常见且价格低廉。
易于使用： 只需要简单的输入、输出和接地连接即可工作，无需复杂的外部元件。

技术参数：

输入电压范围：通常为4.75V ~ 12V（具体取决于型号和压差要求）
输出电压：3.3V
最大输出电流：通常为800mA或1A
压差：1.2V（典型值），即输入电压至少要比输出电压高1.2V才能正常工作。
封装：SOT-223（贴片）或TO-220（直插，通常集成在小模块上）

与CO2测量仪项目的关联： AMS1117-3.3V模块是MH-Z19B传感器的专用电源。我们将把Arduino的5V输出连接到AMS1117的VIN引脚，然后将AMS1117的VOUT引脚连接到MH-Z19B的VCC引脚，确保MH-Z19B在正确的电压下稳定运行。这是保证CO2测量准确性和传感器寿命的关键一步。

5. 面包板与跳线

面包板和跳线是电子原型搭建过程中不可或缺的工具。

功能： 面包板（Breadboard）是一种用于快速搭建临时电路的工具，其表面有许多小孔，内部通过金属条连接，形成导通的行或列。通常，面包板的中间区域是信号线区域，上下两边是电源线区域。跳线（Jumper Wires），也称为杜邦线，是带有连接器（通常是公头或母头）的单股或多股导线，用于在面包板上连接不同的元器件引脚。
为什么选择：

无需焊接： 这是面包板最大的优势。您可以在不焊接的情况下快速连接和断开元器件，极大地缩短了原型开发和测试的时间。
方便修改： 如果电路设计有误或需要调整，可以轻松地拔下并重新插入元器件和跳线，而无需进行复杂的拆焊工作。
可重复使用： 面包板和跳线都可以重复使用，降低了实验成本。
可视化： 电路连接在面包板上清晰可见，便于理解和排查问题。

与CO2测量仪项目的关联： 在构建CO2测量仪的初期，我们将使用面包板来连接Arduino UNO、MH-Z19B传感器、OLED显示屏和AMS1117-3.3V模块。跳线则用于连接这些模块的各个引脚。这使得我们可以在正式制作PCB（印刷电路板）之前，快速验证电路的正确性和功能。

辅助元器件及作用

除了上述核心元器件，还有一些辅助元器件在电路中扮演着重要角色，它们虽然不起眼，但对于电路的稳定运行和保护至关重要。

1. 电阻

电阻是电路中最基本的元件之一，其主要作用是限制电流、分压、提供上拉或下拉电阻等。

限流： 在许多电路中，为了保护发光二极管（LED）或其他对电流敏感的元件不被过大的电流烧毁，需要串联一个合适的电阻来限制通过的电流。例如，如果直接将一个普通LED连接到5V电源，LED会因电流过大而烧毁，串联一个220欧姆的电阻可以将其工作电流限制在安全范围内。
分压： 两个或多个电阻串联可以形成分压电路，将一个较高的电压按照电阻比例分配到不同的点上，从而获得所需的较低电压。这在一些传感器需要特定电压输入或需要将模拟信号范围调整到ADC（模数转换器）可接受范围时非常有用。
上拉/下拉电阻： 在数字电路中，特别是在微控制器的输入引脚上，当引脚没有明确的外部连接时，其状态可能会处于不确定的“浮空”状态，容易受到电磁干扰而产生误触发。为了避免这种情况，通常会在输入引脚上连接一个上拉电阻（连接到电源VCC）或下拉电阻（连接到地GND）。上拉电阻在按钮未按下时将引脚拉高，按下时拉低；下拉电阻则在按钮未按下时将引脚拉低，按下时拉高。这确保了引脚在任何时候都有一个确定的逻辑状态。在I2C通信中，SDA和SCL线通常也需要外部上拉电阻，以确保总线在空闲时保持高电平，这是I2C协议的规定。虽然许多OLED模块已经内置了上拉电阻，但在某些情况下，如果通信不稳定，可能需要额外添加。
在CO2测量仪项目中的应用： 本项目中，电阻可能不会作为独立元件大量出现，因为MH-Z19B和OLED模块通常已集成所需电阻。但理解其作用对于电路分析和故障排除至关重要。例如，如果您选择使用一个不带内置电阻的LED来指示电源状态，就需要串联一个限流电阻。

2. 电容

电容是用于存储电荷的元件，在电路中主要用于滤波、储能、耦合和旁路。

滤波： 电容可以平滑电源电压的波动，滤除电源中的高频噪声，使电源输出更稳定。例如，在AMS1117-3.3V降压模块的输入和输出端通常会并联电容，以提高稳压器的稳定性并降低输出纹波。对于对电源质量敏感的传感器（如MH-Z19B），良好的电源滤波可以提高测量精度。
储能： 电容可以快速充放电，在短时间内提供或吸收电流。这在需要瞬时大电流的场合（例如数字电路切换时）可以提供局部的电流补充，防止电压跌落。
耦合： 在交流电路中，电容可以允许交流信号通过，同时阻隔直流信号，实现信号的耦合或去耦。
旁路电容（去耦电容）： 这是数字电路中非常重要的应用。在微控制器或其他数字芯片的电源引脚附近，通常会并联一个小的陶瓷电容（例如0.1uF）。当芯片内部的晶体管快速开关时，会产生瞬时电流需求，如果电源线过长或阻抗较高，会导致电源电压瞬时跌落。旁路电容可以提供一个局部的、低阻抗的电荷源，快速响应这种瞬时电流需求，从而稳定芯片的供电电压，防止数字信号错误。
在CO2测量仪项目中的应用： 虽然您可能不会直接连接独立的电容，但MH-Z19B模块和AMS1117-3.3V模块内部都包含了必要的滤波和旁路电容。理解其作用有助于理解为什么这些模块能够稳定工作。

3. 杜邦线（跳线）

杜邦线是带连接器的电线，用于连接电路中的不同点。

功能： 杜邦线有公对公、母对母、公对母等多种类型，它们使得在面包板上连接Arduino、传感器、显示屏等模块变得非常方便，无需焊接。它们提供了一种灵活、可重复使用的连接方式，是原型开发和测试的理想选择。
为什么选择： 易用性、灵活性、可重复使用性、无需焊接。
在CO2测量仪项目中的应用： 杜邦线将是连接所有模块（Arduino UNO、MH-Z19B、OLED、AMS1117-3.3V）的桥梁，确保电气连接的正确性。

4. USB数据线

USB数据线是Arduino与计算机连接的必备工具。

功能：

供电： USB数据线可以将计算机的USB端口提供的5V电源传输给Arduino UNO，为开发板及其连接的低功耗模块供电。
程序上传： 通过USB数据线，Arduino IDE可以将您编写的程序代码上传到Arduino UNO的ATmega328P微控制器中。
串口通信： USB数据线还充当Arduino与计算机之间的串行通信桥梁。这使得您可以通过Arduino IDE的串口监视器查看Arduino发送的调试信息（例如CO2读数），或者向Arduino发送命令。

为什么选择： Arduino UNO的标准连接方式，方便快捷。
在CO2测量仪项目中的应用： 在开发和调试阶段，USB数据线将用于为Arduino供电、上传程序代码以及通过串口监视器查看CO2读数和调试信息。

5. 外部电源适配器 (可选)

虽然Arduino可以通过USB数据线供电，但在某些情况下，特别是当项目需要独立运行或连接的模块功耗较高时，外部电源适配器是更好的选择。

功能： 外部电源适配器通常提供7V至12V的直流电压（例如9V或12V），通过Arduino UNO板上的DC电源插座为整个系统供电。Arduino板载的稳压器会将这个外部电压降压到5V，以供微控制器和大部分引脚使用。
为什么选择：

独立运行： 一旦程序上传完成，测量仪可以脱离计算机独立工作。
更稳定的供电： 外部电源通常能提供比USB端口更大的电流，确保所有模块（特别是MH-Z19B传感器）在峰值电流需求时也能获得稳定供电，避免因供电不足导致的读数不稳或模块重启。
避免计算机USB端口过载： 如果连接的模块总功耗较高，可能会对计算机的USB端口造成负担，使用外部电源可以避免这个问题。

在CO2测量仪项目中的应用： 在项目调试完成后，如果您希望CO2测量仪作为一个独立的设备长期运行，一个9V或12V的外部电源适配器将是理想的供电方案。

接线图与详细连接步骤

正确的接线是项目成功的基石。我们将提供详细的文字描述和概念性的接线图指导，确保您能够准确无误地连接所有元器件。

重要提示： 在进行任何接线操作之前，请确保所有设备都已断电，以避免短路或损坏元器件。

连接概述：

MH-Z19B CO2传感器供电： MH-Z19B需要稳定的3.3V供电。我们将使用AMS1117-3.3V降压模块将Arduino的5V转换为3.3V。
MH-Z19B CO2传感器数据通信： MH-Z19B通过UART（串行通信）与Arduino通信。我们将使用Arduino的软件串口（SoftwareSerial）功能，因为硬件串口（D0/RX, D1/TX）通常用于与计算机通信。
0.96英寸OLED显示屏供电： OLED显示屏通常可以直接使用Arduino的5V供电。
0.96英寸OLED显示屏数据通信： OLED显示屏通过I2C（两线接口）与Arduino通信。

详细连接步骤：

步骤1：连接AMS1117-3.3V降压模块

AMS1117-3.3V模块通常有三个引脚：VIN（输入）、GND（接地）、VOUT（输出）。

将AMS1117-3.3V的VIN引脚连接到Arduino UNO的5V引脚。

这为降压模块提供了5V的输入电压。

将AMS1117-3.3V的GND引脚连接到Arduino UNO的GND（任意一个接地引脚）。

这为降压模块提供了公共接地。

步骤2：连接MH-Z19B CO2传感器

MH-Z19B传感器通常有以下引脚：VCC、GND、RXD、TXD。

将MH-Z19B的VCC引脚连接到AMS1117-3.3V的VOUT引脚。

这为MH-Z19B传感器提供了稳定的3.3V电源。

将MH-Z19B的GND引脚连接到Arduino UNO的GND（与AMS1117-3.3V共用一个GND）。

确保所有模块共地，这是数字电路正常工作的基本要求。

将MH-Z19B的RXD引脚连接到Arduino UNO的数字引脚D2。

在我们的代码中，D2将被配置为软件串口的RX（接收）引脚，用于接收MH-Z19B发送的数据。

将MH-Z19B的TXD引脚连接到Arduino UNO的数字引脚D3。

在我们的代码中，D3将被配置为软件串口的TX（发送）引脚，用于向MH-Z19B发送查询命令。

为什么使用SoftwareSerial？

Arduino UNO只有一个硬件串口（引脚D0/RX和D1/TX），这个硬件串口默认用于与计算机通过USB进行通信（上传程序和串口监视器）。如果我们将MH-Z19B连接到D0/D1，就会与USB通信冲突，导致程序上传失败或串口监视器无法正常工作。SoftwareSerial库允许我们使用Arduino的任意两个数字引脚模拟一个额外的串口，从而解决了硬件串口冲突的问题。

步骤3：连接0.96英寸OLED显示屏

0.96英寸OLED显示屏（SSD1306驱动，I2C版本）通常有以下四个引脚：VCC、GND、SDA、SCL。

将OLED的VCC引脚连接到Arduino UNO的5V引脚。

大多数0.96英寸OLED模块内置了稳压器，可以直接接受5V电源。如果您的OLED模块明确说明只支持3.3V，请连接到AMS1117-3.3V的VOUT。

将OLED的GND引脚连接到Arduino UNO的GND（与MH-Z19B和AMS1117-3.3V共用一个GND）。

确保所有模块共地。

将OLED的SDA引脚连接到Arduino UNO的模拟引脚A4。

在Arduino UNO上，A4引脚是硬件I2C的SDA（数据线）引脚。

将OLED的SCL引脚连接到Arduino UNO的模拟引脚A5。

在Arduino UNO上，A5引脚是硬件I2C的SCL（时钟线）引脚。

（此处应插入一张清晰的接线图，展示Arduino UNO、MH-Z19B、AMS1117-3.3V和OLED显示屏之间的连接。由于我无法直接生成图像，请您自行想象或根据上述文字描述绘制。图中应清晰标明每个模块的引脚名称以及它们连接到Arduino UNO的哪个引脚。例如：MH-Z19B RXD -> D2, TXD -> D3, VCC -> AMS1117 VOUT; AMS1117 VIN -> 5V, GND -> GND; OLED SDA -> A4, SCL -> A5, VCC -> 5V, GND -> GND。）

接线逻辑与注意事项：

共地原则： 所有的电子模块都必须共用一个GND（地）引脚。这是保证电路中电压参考点一致，确保信号能够正确传输的基础。
电源匹配： 严格按照模块所需的工作电压供电。MH-Z19B对3.3V的稳定供电有较高要求，因此AMS1117-3.3V模块至关重要。
通信接口匹配： 确保模块之间的通信接口类型（UART、I2C）和引脚连接正确。UART需要TX对RX，RX对TX。I2C需要SDA对SDA，SCL对SCL。
引脚功能： 了解Arduino引脚的功能（数字I/O、模拟输入、PWM、硬件串口、I2C）对于正确接线至关重要。

完成以上接线步骤后，您的硬件连接部分就基本完成了。接下来，我们将进入软件编程部分，为您的CO2测量仪注入“生命”。

Arduino代码详解

软件是硬件的灵魂。我们将为CO2测量仪编写Arduino代码，实现传感器数据读取、数据处理、OLED显示以及必要的校准功能。

在编写代码之前，您需要安装一些必要的库：

SoftwareSerial库： Arduino IDE自带，无需额外安装。用于模拟串口与MH-Z19B通信。
Adafruit GFX库： 一个通用的图形库，为各种显示屏提供图形绘制功能。
Adafruit SSD1306库： 专门用于SSD1306驱动的OLED显示屏。

您可以通过Arduino IDE的“工具” -> “管理库...” (Ctrl+Shift+I) 搜索并安装“Adafruit GFX Library”和“Adafruit SSD1306”。

```cpp
// 引入必要的库文件
#include <SoftwareSerial.h> // 用于模拟串口与MH-Z19B传感器通信
#include <Adafruit_GFX.h>   // Adafruit图形库，提供基本的图形绘制功能
#include <Adafruit_SSD1306.h> // Adafruit SSD1306 OLED显示屏库

// 定义MH-Z19B传感器的RX和TX引脚
// Arduino的D2连接到MH-Z19B的TXD (MH-Z19B发送数据到Arduino的RX)
// Arduino的D3连接到MH-Z19B的RXD (Arduino发送命令到MH-Z19B的RX)
#define MHZ19B_RX_PIN 2 // Arduino数字引脚2，作为MH-Z19B的RX
#define MHZ19B_TX_PIN 3 // Arduino数字引脚3，作为MH-Z19B的TX

// 创建SoftwareSerial对象，用于MH-Z19B通信
SoftwareSerial mhzSerial(MHZ19B_RX_PIN, MHZ19B_TX_PIN); // RX, TX

// 定义OLED显示屏的宽度和高度
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED显示屏宽度，单位像素
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED显示屏高度，单位像素

// 定义OLED显示屏的I2C地址
// 大多数0.96英寸OLED模块的I2C地址是0x3C或0x3D
#define OLED_RESET -1 // 复位引脚，对于大多数I2C OLED模块，可以设置为-1 (不使用)
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET); // 创建OLED显示屏对象

// 定义CO2浓度变量，初始值为0
int co2Ppm = 0;
// 定义传感器预热状态，初始为true
bool isWarmingUp = true;
// 记录预热开始时间
unsigned long warmUpStartTime = 0;
// 定义预热时间，3分钟 = 180000毫秒
const unsigned long WARM_UP_DURATION = 180000UL;

// 定义用于MH-Z19B通信的命令字节数组
// 查询CO2浓度命令 (Get CO2 concentration)
byte getCO2Command[] = {0xFF, 0x01, 0x86, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x79};
// 零点校准命令 (Zero point calibration, 400ppm in fresh air)
// 注意：此操作应在新鲜空气中进行，且传感器稳定后执行，否则可能导致读数不准确。
// 建议在部署前执行一次，日常使用中除非读数明显偏差，否则不频繁执行。
byte calibrateZeroCommand[] = {0xFF, 0x01, 0x87, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x78};
// 禁用自动校准命令 (Disable auto calibration)
// 某些MH-Z19B模块默认开启自动校准，如果需要手动控制校准，可以禁用。
byte disableAutoCalibrateCommand[] = {0xFF, 0x01, 0x79, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x86};
// 启用自动校准命令 (Enable auto calibration)
// 如果需要MH-Z19B自动在低点进行校准，可以启用此功能。
byte enableAutoCalibrateCommand[] = {0xFF, 0x01, 0x79, 0xA0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xE6};


// setup() 函数在Arduino板上电或复位后只运行一次
void setup() {
  // 初始化硬件串口，用于与计算机通信和调试
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(F("CO2 测量仪启动中..."));

  // 初始化软件串口，用于与MH-Z19B传感器通信
  mhzSerial.begin(9600);
  Serial.println(F("MH-Z19B 软件串口初始化完成。"));

  // 初始化OLED显示屏
  // 如果OLED初始化失败，通过串口输出错误信息并进入无限循环
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { // 检查I2C地址，如果您的OLED是0x3D，
  请修改此处
    Serial.println(F("SSD1306 OLED 初始化失败！请检查接线和I2C地址。"));
    for (;;); // 进入无限循环，停止程序运行
  }

  // 清除OLED显示屏缓冲区
  display.clearDisplay();
  // 设置文本颜色为白色
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  // 设置文本大小为1
  display.setTextSize(1);
  // 设置光标位置
  display.setCursor(0, 0);
  // 显示启动信息
  display.println(F("CO2 测量仪"));
  display.println(F("启动中..."));
  display.println(F("传感器预热中..."));
  display.display(); // 刷新显示屏

  // 记录预热开始时间
  warmUpStartTime = millis();

  // 禁用自动校准（可选，根据需求决定是否执行）
  // sendMHZ19BCommand(disableAutoCalibrateCommand);
  // delay(100); // 短暂延迟，等待命令执行
}

// loop() 函数在setup()函数执行完毕后会无限循环运行
void loop() {
  // 检查传感器是否仍在预热
  if (isWarmingUp) {
    if (millis() - warmUpStartTime < WARM_UP_DURATION) {
      // 仍在预热期间，显示预热信息
      display.clearDisplay();
      display.setTextSize(1);
      display.setCursor(0, 0);
      display.println(F("CO2 测量仪"));
      display.println(F("传感器预热中..."));
      display.print(F("剩余: "));
      // 计算剩余预热时间（秒）
      unsigned long remainingSeconds = (WARM_UP_DURATION - (millis() - warmUpStartTime)) 
      / 1000;
      display.print(remainingSeconds);
      display.println(F(" 秒"));
      display.display();
      delay(1000); // 每秒更新一次预热倒计时
      return; // 预热期间不执行CO2读取
    } else {
      // 预热完成
      isWarmingUp = false;
      Serial.println(F("MH-Z19B 传感器预热完成！"));
      display.clearDisplay();
      display.setCursor(0, 0);
      display.println(F("预热完成！"));
      display.display();
      delay(1000); // 显示“预热完成”1秒
    }
  }

  // 读取CO2浓度
  co2Ppm = readCO2();

  // 在OLED上显示CO2浓度
  displayCO2(co2Ppm);

  // 每隔5秒读取一次传感器数据并更新显示
  delay(5000);
}

/**
 * @brief 计算MH-Z19B命令或响应的校验和
 * @param packet 包含数据包的字节数组
 * @return 计算出的校验和
 */
byte calculateChecksum(byte* packet) {
  byte checksum = 0;
  // 从第二个字节开始计算到倒数第二个字节（不包括校验和本身）
  for (int i = 1; i < 8; i++) {
    checksum += packet[i];
  }
  // 校验和是256减去所有字节的和（取低8位）
  return 0xFF - checksum + 0x01;
}

/**
 * @brief 向MH-Z19B传感器发送命令
 * @param command 要发送的命令字节数组
 */
void sendMHZ19BCommand(byte* command) {
  // 清空软件串口的接收缓冲区，防止读取到旧数据
  while (mhzSerial.available()) {
    mhzSerial.read();
  }
  // 写入命令到软件串口
  mhzSerial.write(command, 9);
}

/**
 * @brief 从MH-Z19B传感器读取CO2浓度
 * @return CO2浓度值（ppm），如果读取失败返回-1
 */
int readCO2() {
  byte response[9]; // 存储传感器返回的9个字节数据
  int timeout = 0; // 超时计数器

  // 发送查询CO2浓度的命令
  sendMHZ19BCommand(getCO2Command);

  // 等待传感器响应，最多等待1秒
  while (mhzSerial.available() < 9) {
    delay(10);
    timeout++;
    if (timeout > 100) { // 10ms * 100 = 1秒
      Serial.println(F("MH-Z19B 读取超时！"));
      return -1; // 返回-1表示读取失败
    }
  }

  // 读取传感器返回的所有字节
  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    response[i] = mhzSerial.read();
  }

  // 校验数据包的完整性和正确性
  // 检查起始字节 (0xFF)
  if (response[0] != 0xFF) {
    Serial.println(F("MH-Z19B 响应起始字节错误！"));
    return -1;
  }
  // 检查命令字节 (0x86)
  if (response[1] != 0x86) {
    Serial.println(F("MH-Z19B 响应命令字节错误！"));
    return -1;
  }
  // 检查校验和
  byte calculatedChecksum = calculateChecksum(response);
  if (response[8] != calculatedChecksum) {
    Serial.print(F("MH-Z19B 校验和错误！计算值: "));
    Serial.print(calculatedChecksum, HEX);
    Serial.print(F(", 接收值: "));
    Serial.println(response[8], HEX);
    return -1;
  }

  // 从响应数据中提取CO2浓度值
  // CO2浓度值由第3个字节（response[2]）和第4个字节（response[3]）组成
  // 高字节在前，低字节在后
  int co2 = (int)response[2] * 256 + (int)response[3];
  Serial.print(F("读取到CO2浓度: "));
  Serial.print(co2);
  Serial.println(F(" ppm"));

  return co2;
}

/**
 * @brief 在OLED显示屏上显示CO2浓度
 * @param ppm CO2浓度值
 */
void displayCO2(int ppm) {
  display.clearDisplay(); // 清除显示屏内容

  // 设置文本大小为1，显示“CO2浓度”标签
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println(F("CO2 浓度:"));

  // 设置文本大小为3，显示CO2浓度值
  display.setTextSize(3);
  display.setCursor(0, 15); // 调整位置以适应大字体
  if (ppm == -1) {
    display.println(F("读取失败")); // 如果读取失败，显示错误信息
  } else {
    display.print(ppm);
    display.println(F(" ppm"));
  }

  // 根据CO2浓度显示不同的空气质量状态
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 50); // 调整位置
  if (ppm < 600 && ppm != -1) {
    display.println(F("空气质量: 优"));
  } else if (ppm >= 600 && ppm < 1000 && ppm != -1) {
    display.println(F("空气质量: 良"));
  } else if (ppm >= 1000 && ppm < 1500 && ppm != -1) {
    display.println(F("空气质量: 一般"));
  } else if (ppm >= 1500 && ppm != -1) {
    display.println(F("空气质量: 差! 建议通风"));
  } else {
    display.println(F("空气质量: 未知")); // 处理读取失败的情况
  }

  display.display(); // 刷新显示屏，将缓冲区内容显示出来
}

/**
 * @brief 执行MH-Z19B的零点校准（400ppm校准）
 * @note 此函数应在新鲜空气（CO2浓度约400ppm）中调用，且传感器稳定后执行。
 * 调用后，传感器会将其当前环境的CO2浓度校准为400ppm。
 * 此操作会修改传感器的内部参数，请谨慎使用。
 * 您可以在setup()中添加一个按钮触发此功能，而不是直接在loop()中调用。
 */
void calibrateMHZ19BZeroPoint() {
  Serial.println(F("正在执行MH-Z19B零点校准..."));
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println(F("正在零点校准..."));
  display.println(F("请确保在新鲜空气中！"));
  display.display();

  sendMHZ19BCommand(calibrateZeroCommand);
  delay(5000); // 等待校准完成，MH-Z19B需要一些时间来处理校准命令

  Serial.println(F("MH-Z19B 零点校准完成。"));
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println(F("零点校准完成！"));
  display.display();
  delay(2000); // 显示校准完成信息2秒
}

// 示例：如何手动触发校准（您可以在loop()中添加一个条件判断或按钮触发）
/*
void checkAndCalibrate() {
  // 假设您有一个连接到D4的按钮，按下后执行校准
  // pinMode(4, INPUT_PULLUP); // 在setup中设置
  // if (digitalRead(4) == LOW) { // 按钮按下
  //   delay(50); // 简单去抖
  //   if (digitalRead(4) == LOW) {
  //     calibrateMHZ19BZeroPoint();
  //     while(digitalRead(4) == LOW); // 等待按钮释放
  //   }
  // }
}
*/