基于51单片机的空气质量检测仪改稿

毕业设计用纸共 28 页 第 I 页摘要随着电子信息的快速发展，越来越多的电子设备应用在我们生活中。本次设以 STC89C52 单片机为控制核心，通过使用 PM2.5 检测传感器模块、LCD 液晶显示模块、按键控制模块、报警模板，实现基于单片机的空气质量检测系统。本次设计主要针对的是解决检测空气中 PM2.5 的值，设计分为硬件设计和软件设计两个部分，软件设计主要是根据硬件需要实现的功能，按照软件流程图进行编码设计，硬件设计主要是按照不同的模块进行，把整体的硬件分成模块电路设计。软件设计中使用 C 语言作为单片机的开发语言，由于 C 语言是偏向于底层硬件语言，其比汇编更加通俗易懂，比高级语言更加适合对硬件的直接控制，而且具有很好的移植性。通过硬件和软件的设计系统可以实现对空气质量 PM2.5 的检测和显示，当系统检测空气中 PM2.5 的的浓度值高于正常标准时，报警模块将发出报警，当空气 PM2.5 浓度值低于报警阈值时，报警停止。本次设计空气检测仪操作简单、成本低、性能稳定、是只能家居的首选。关键字：单片机；PM2.5 传感器；报警器；LCD 显示器； 毕业设计用纸共 28 页 第 II 页ABSTRACTWith the development of high and new technology, SCM has been used more and more in daily electronic products. With the STC89C52 microcontroller as control core, through the use of PM2.5 sensor module, LCD LCD module, key control module, alarm template, implementation of air quality detecting system based on mcu. The design of the air quality detection instrument based on MCU is mainly divided into the design of hardware circuit and software program of the preparation of the two part, the hardware design according to the overall plan of system diagram design, the overall design of the hardware circuit is divided into modules. In the software design uses the monolithic integrated circuit C language realization system that that the entire procedure writes, uses the C language to carry on the programming to be possible to make the program readability good, and the procedure is easy to transplant. Through the design of hardware and software can achieve the measurement of air quality in PM2.5 and showed that when the concentration of the detection system of PM2.5 in the air was higher than the normal standard, the alarm module will give an alarm when the air PM2.5 concentration below the alarm threshold, the alarm stops. The design of the air detector is simple, low cost, stable performance, is the only choice for home.KEYWORDS: MCU; PM2.5 sensor; Alarm; LCD display; 毕业设计用纸共 28 页 第 III 页目 录摘要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪论 .51.1 课题背景 .51.2 设计任务和基本要求 .5第二章 整体方案设计 .62.1 设计内容介绍 .62.2 控制器选择 .62.3 显示模块选择 .62.4 系统整体方案设计 .7第三章 系统硬件设计 .83.1 单片机电路设计 .83.1.1 单片机的最小系统组成 .83.1.2 单片机的时钟电路设计 .93.1.3 单片机时钟复位电路设计 .93.2 显示电路设计 .103.3 PM2.5 传感器电路设计 .123.4 报警电路设计 .133.5 按键电路设计 .13第四章 系统流程设计 .154.1 系统主流程设计 .154.2 按键流程设计 .16第五章 仿真与调试 .175.1 硬件调试 .175.2 软件调试 .195.3 仿真 .20毕业设计用纸共 28 页 第 IV 页5.3.1 仿真软件介绍 .205.3.2 仿真结果 .20第六章 总结 .22参考文献 .23附录 A 电路原理图 .24附录 B 程序 .25附录 C 原件清单 .27致谢 .28毕业设计用纸共 28 页 第 5 页第一章 绪论1.1 课题背景现在，关于单片机的使用非常普遍。很多系统控制过程都把单片机当成主计算机，或者把它当成分布式的控制系统里的前端计算机。这样，可以达到模拟量收集、统计和计算、数据输出等任务，之后还可输出系统的控制信息。很多仪器仪表都使用单片机，它们被连接在不一样的传感器上，达到一些测量目的，比如频率、速度、压力等等一些测量。另外，单片机还可以用在家庭设备上并且很普遍，比如说，现在的物联网、智能家居中的一些设备，包括现在很多的儿玩家，很多都有单片机的应用。在一些重要领域，单片机也有应用，比如，在航空航天领域内应用，或者商业界应用。技术发展日新月异，关于空气质量检测技术也越来越微型化、可视化而且智能化了。该研究的主要想法为：下位机使用单片机，上位机使用 PC 机，同时把单片机与 PC 机连接到一起，然后测量空气质量情况。这个研究需要更加智能、可操作并且稳定性强。我们国家的工业日新月异，空气的质量逐渐受到污染，能够快速的检测到周围的环境质量显得尤为重要，能够快速准确的检测到周围环境中的空气质量也是最有效的方式。空气的变化、室内装修残留的甲醛气体、粉尘的污染等，这将无时不刻的威胁这人们的呼吸道疾病的发生，因此，一款可以实时检测 PM2.5 的测试仪越来越受到人们的重视。1.2 设计任务和基本要求设计任务：掌握单片机的基本应用，软件设计的编程设计、硬件的设计、系统的调试和需求分析等。基本要求：设计出一款能够实时检测空气中 PM2.5 情况的测试仪，同时当检测的 PM2.5 值大于阈值则启动报警，可以通过手动按键设置报警阈值大小，在设计过程中按照分模块的方法进行，在每次焊接一个模块，则测试一个模块，最后进行系统测试。毕业设计用纸共 28 页 第 6 页第二章 整体方案设计2.1 设计内容介绍具体功能，即到实时检测空气中的 PM2.5 值，达到阈值报警，设计内容主要包含以下几个方面：（1）选择适合本次设计的单片机；（2）系统软件设计；（3）系统软件硬件的连接调试。（4）系统仿真分析2.2 控制器选择控制器是本次设计的 PM2.5 检测控制系统的主要的核心部分。用户通过在控制器中编写单机控制程序，使控制器具有类似人体大脑一样的逻辑功。在进行控制器的选择时,我们设计了如下的二种方案。方案一：采用可编程逻辑阵列（FPGA）作为系统的主控制器。FPGA 是最近几年逐渐兴起并在相关领域广泛使用的器件，能够很好的进行接口扩展的功能，同时也可以进行程序算法的控制 3，除此之外 FPGA 还具有优良的高速性。可以说 FPGA 的功能是非常强大的。但是对于初学者来说，使用 FPGA 需要掌握的知识内容繁多而复杂，最大的难关便是编程环境的学习以及对于 FPGA 编程语言 Verilog 语言的学习。对于初学者来说不但困难，而且在有限的毕业设计期间内还难以保证效率。方案二：使用 STC89C52 单片机设计。单片机采用 CMOS 工艺进行制作而成，同时选用了来自宏晶公司所设计，具有很好的存储性能。在引脚的兼容性上也做的十分好，编程难度适中，并可以良好地完成设计中的各项要求。综合上面的分析讨论，在两种设计方案中，本次设计采用方案二作为方法。2.3 显示模块选择顾名思义，显示电路将信息以可视化的形式展现给使用者的。在本次设计中，我们需要显示当前检测到的 PM2.5 值，也需要显示设定的报警阈值。根据此需求得到了如下两种设计方案：方案一：使用 LED 数码管实现对 PM2.5 值信息的显示。数码管按照原理可以分为共阴和共阳毕业设计用纸共 28 页 第 7 页数码管。数码管的主要的特点是显示亮度高，工作稳定性好，而且数码管的工作所需电流很小并可显示 0-F 等字符字样的数据。方案二：使用液晶显示器显示 PM2.5 值的相关的信息。显示器型号为 LCD1602，该型号的液晶显示器可以分成两行来显示数据信息，支持对于数字和字母的显示，但是不支持对中文的显示，每行可以显示 16 个字符。但是液晶显示有一个缺点就是显示的亮度不够好。经过对方案一和方案二的对比，本次设计中我们选用方案二进行对显示模块的设计。2.4 系统整体方案设计对空气中的 PM2.5 进行检测是本次设计的主要任务，我们所选用的单片机型号为STC89C52，PM2.5 经过检测电路模块检测以后，将信息传给单片机进行处理，进而在 LCD 液晶显示器上进行显示出来，显示器对检测出来的 PM2.5 的值进行显示，然后再去判断该值是否大于报警设置的阈值，如大于阈值，则会启动报警电路。下图 2-1 即是空气质量检测系统：单片机晶 振 电 路复 位 电 路阈 值 按 键 电 路报 警 电 路LCD显 示 电 路PM2.5检 测 电路图 2-1 系统整体框图设计毕业设计用纸共 28 页 第 8 页第三章 系统硬件设计3.1 单片机电路设计该 单 片 机 是 主 要 是 有 STC 公 司 进 行 研 发 生 产 的 一 款 基 于 51 内 核 的 8 位 单 片 机 ， 在 优 点 方面 该 单 片 机 具 有 功 耗 低 和 性 能 稳 定 的 特 点 ， 在 处 理 数 据 运 行 方 面 比 较 快 ， 是 其 他 普 通 单 片 机 的数 倍 。 在 51 单 片 机 上 能 够 运 行 的 程 序 ， 在 该 单 片 机 一 样 可 以 运 行 ， 对 于 程 序 的 开 发 和 移 植 具有 很 好 的 帮 助 。 STC89C52 单 片 机 具 有 40 个 引 脚 ， 其 中 可 以 供 用 户 开 发 使 用 的 有 32 个 IO 引脚 ， 在 内 存 方 面 具 有 8K 字 节 的 Flash 和 512 字 节 的 RAM， 同 时 具 有 4 个 外 部 中 断 和 2 个 内 部定 时 器 中 断 。 单 片 机 的 最 高 的 运 行 的 频 率 为 35MhZ， 可 以 通 过 串 口 进 行 程 序 的 下 载 使 用 。 如下 图 3-1 所 示 ， 为 STC89C52 单 片 机 的 引 脚 示 意 图 。图 3-1 单片机的引脚图3.1.1 单片机的最小系统组成本 次 设 计 中 采 用 的 单 片 机 为 STC89C52 单 片 机 ， 单 片 机 最 小 的 电 路 设 计 中 最 少 需 要 包 含 晶振 电 路 、 复 位 电 路 、 电 源 电 路 。 其 整 体 电 路 图 如 下 图 3-2 所 示 。毕业设计用纸共 28 页 第 9 页DQkhighklowt-flagP20P21P2P23AFBEDDPCGP14P15XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0./AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P1.01P1.2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3./INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2./A1023P2.3/A1 24P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1STC89C52DBG_FETCH=0SRCFILE=温 度 控 制 系 统 .hexX112MC12pFC22pFC310ufR110K图 3-2 单片机的最小系统构成原理图3.1.2 单片机的时钟电路设计STC89C52 单 片 机 内 部 有 高 增 益 反 向 放 大 器 构 成 的 振 荡 器 ， 输 入 /输 出 端 为XTAL1/XTAL2， 对 应 单 片 机 的 Pin19/Pin18 引 脚 ， 在 这 两 个 引 脚 两 端 跨 接 石 英 晶 体 和 微 调 电 容 ，构 成 稳 定 的 自 激 振 荡 器 ， 图 3-3 是 STC89C52 工 作 在 内 部 时 钟 方 式 的 电 路 。 所 设 计 的 电 路 中 晶振 频 率 值 为 12MHz， 微 调 电 容 器 值 为 20pF。图 3-3 时钟电路3.1.3 单片机时钟复位电路设计复 位 电 路 是 单 片 机 不 可 缺 少 的 重 要 部 分 之 一 ， 其 主 要 功 能 是 为 单 片 机 系 统 在 运 行 中 出 现 问题 以 后 ， 能 够 及 时 提 供 复 位 功 能 ， 让 单 片 机 进 入 初 始 化 的 过 程