基于15F2K60S2单片机的雾霾监测系统

(2017)届本科生毕业论文题 目： 基于 STC15F2K60S2 的雾霾监测系统专 业： 电子信息科学与技术院 部： 信息工程学院姓 名： *学 号： *指导教师： *答辩时间： 二一七年五月论文工作时间 2016 年 11 月 至 2017 年 5 月绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）基于 STC15F2K60S2 的雾霾监测系统学 生：*指导老师：*摘 要：本文使用单片机完成了空气污染监测系统的软硬件设计。系统使用STC15F2K60S2 作为中央处理控制单元，负责系统中驱动控制传感器，采集传感器感知的连续电量并转换为数字量，以及软件通信处理的联级调用。灰尘传感器 GP2Y1010AU0F 利用光散射原理测量空气粉尘浓度。其内部发光二极管按驱动周期发光，通过测试光的衰减程度产出对应线性关系的模拟电信号以供外部检测。下位机得出结果后通过串口通讯传输给上位机显示当前空气中粉尘浓度或记录数据。该设计工作结构稳固、电路简单、测试结果准确、实用性较高。关键词：PM2.5；单片机；STC15F2K60S2 ；空气质量；GP2Y1010AU0F ；自动检测绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）Haze Monitoring System Based on MCUUndergraduate: Zhang YiSupervisor: Xiao MinAbstract：In this paper, the software and hardware design of the air pollution monitoring system is completed by using micro control process unit. The system uses STC15F2K60S2 as the central processing control unit, which is responsible for driving the sensor in the system, collecting the continuous voltage of the sensor and converting it into digital. Dust sensor GP2Y1010AU0F measurement of airborne dust concentration using light scattering principle. The internal light emitting diode is driven according to the driving period, and the analog electrical signal corresponding to the linear relationship is produced by testing the attenuation degree of the light for the external detection. The results show that the current air dust concentration or record data is transmitted to the host computer through serial communication. The design has the advantages of stable structure, simple circuit, accurate test result and high practicability. Keyword：PM2.5；MCU；STC15F2K60S2；Air Quality；GP2Y1010AU0F；Automatic Detection绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）目录1 绪论 .11.1 研究背景及其目的意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 课题研究的主要内容 .12 雾霾监测总体设计 .22.1 系统设计的基本要求 .22.1.1 方案选择 .22.2 雾霾监测系统结构功能及简介 .22.2.1 15F2K60S2 最小系统 .32.2.2 GP2Y1010AU0F 灰尘传感器 .33 硬件部分 .33.1 单片机 STC15F2K60S2 基本介绍及特性 .33.1.1 集成 AD 模块 .33.1.2 GPIO 配置模块 .53.1.3 定时器资源 .53.1.4 串口资源 .63.2 GP2Y1010AU0F 灰尘传感器模块 .73.3 CH340G 串口转 USB 模块 .83.4 电路原理图及电路图 .94 下位机软件 .104.1 KEIL UVISION4 编辑编译集成开发环境介绍 .104.2 程序示例 .114.2.1 程序流程图 .114.2.2 main()调用介绍 .125 软硬件联合调试 .13参考文献 .15致 谢 .16附录 1 实物图 .17附录 2 程序清单 .18绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）11 绪论1.1 研究背景及其目的意义世界文明前行至 21 世纪，科学理论日新月异，技术突飞猛进的同时也造成了环境的破坏。特别是雾霾天气的增多，空气污染恶化愈演愈烈。雾霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1 以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成 1。在相关的气象学科中，颗粒物是以内径长短来区别的，粒径小于 100um 的即是总悬浮物颗粒 TSP (Total Suspended Particle)；粒径小于 10um 的即是吸入颗粒物 PM10 (Particulate Matter)；粒径小于 2.5um 的即是 PM2.5，即可入肺颗粒物。由上述得知可入肺颗粒虽然不多，但它干扰区域广，悬存久，降低可视度从而危害出行安全，且侵蚀暴露在空气中的物体。大气中众多的悬浮物，扰乱太阳与地球表层的辐射，由此对气候产生未知的影响。无论是国内还是国外 PM2.5 导致平均寿命减少，致癌、引发呼吸道疾病的危害都越来越大。所以，雾霾的监测便愈来愈必要。1.2 国内外研究现状现在国内外通常采纳的可吸入颗粒监测方法大多是以下三种：重量法、射线吸收法及微量振荡天平法。重量法，顾名思义就是将截留于滤膜上的可吸入颗粒用质量测定装置称重。重量法虽然是作为标准的方式但却必须人工称重，过程十分耗时与复杂。所以，这种方法多使用于周期性长期性的环境污染调查研究。用 射线穿过有可吸入颗粒的滤纸，射线穿过滤纸与颗粒物会因为散射而衰减，衰减程度与可吸入颗粒之质量有线性关系。由此得出雾霾的浓度，即是所谓的 射线吸收法。基于微量振荡天平法工作原理如下。空气从一特制空心玻璃管粗头进，细头出，可吸入颗粒就被截留在内部安置滤芯上。细头由于电场驱动会以相应频率振荡，而该频率和细头质量的平方根成反比，由此关系得出 PM2.5 浓度 2。以上方法操作复杂，不适合家庭个人使用，因此本系统采用利用光散射原理测定颗粒物浓度的方法。该测定方法的原理是：大气中的颗粒物浓度会影响光的散射，浓度越高，散射衰减越严重，由此可得雾霾浓度。1.3 课题研究的主要内容利用光散射原理测定灰尘浓度的方法设计系统实现对空气中 PM2.5 浓度的测定。首先使用 PM2.5 粉尘传感器将周围环境中的 PM2.5 浓度值从非电量转化为电量，再利用 15F2K60S2 自带的 AD 转换模块将采集到的模拟量转化为数字量，微控制器对数据进行处理分析后将结果利用串口通信方式传输给上位机软件进行显示，当空气质量正常时会进行提示。若 PM2.5 浓度过高，会加快检测速度，以确认周围空气质量。绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）22 雾霾监测总体设计2.1 系统设计的基本要求能正确实时显示出空气中的灰尘浓度（单位：mg/m3）； 1当空气情况优良时，上位机进行简单报告； 2环境空气中霾浓度较高时，进行反应迅速的检测和上位机显示； 32.1.1 方案选择方案一：以 AT89S52 单片机为基本核心，主要包含粉尘传感器，A/D 模数转换 ADC0832 模块，单片机作为控制部分，1602 液晶显示屏作为显示部分。设计系统通过传感器电路检测 PM2.5 粉尘信息，由 AD 模数转换，经过单片机的计算，最后在液晶上面显示 3。方案二：以 ARM Cortex-M3 内核处理器 STM32F103 系列为核心，使用双电源供电，以及 PM2.5 检测模块和声光报警模块以及 LCD 显示模块组成。使用 STM32F103 内置 AD 采集传感器浓度后，进行数据处理及显示 4。方案三：以 STC15F2K60S2 单片机为基本核心，主要包括粉尘传感器GP2Y1010AU0F 采集模块， CH340 串口转 USB 作为串口通信模块，STC15F2K60S2 单片机使用 I/O 强推挽输出模式驱动传感器检测周围环境PM2.5 粉尘信息，转换为电量，经过 15F2K60S2 单片机自带 AD 模块的采集并做数据处理后，最后传输给上位机显示。PM2.5 检测仪工作环境多为灰尘多，温湿度不稳定场合，为使得电路可靠性更大，所使用的电路应越简洁越合理。故本系统不采用前两个方案，使用方案三。2.2 雾霾监测系统结构功能及简介本系统的框架结构如图 2-1。输出可采集 GPIO 强推挽输出的电信号 驱动传感器 LED图 2-1总体结构GP2Y1010AU0F 灰尘传感器15F2K60S2 最小系统CH340 串口转 USB 模块供电电路上位机显示绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）32.2.1 15F2K60S2 最小系统15F2K60S2 最小系统是包含单片机以及能使单片机正常发挥其功能的外围电路的整个电路板。2.2.2 GP2Y1010AU0F 灰尘传感器系统使用 GP2Y1010AU0F 来检测空气中的灰尘，输出模拟信号量以供外部检测。工作电路如图 2-2。图 2-2 GP2Y1010AU0F工作电路3 硬件部分3.1 单片机 STC15F2K60S2 基本介绍及特性本系统选用的 STC15F2K60S2 是由宏晶科技生产的以 51 单片机内核为基础的功能更强大的单片机。其内置 ADC,DAC,PWM,多个异步串口，多个定时器，内置 RC 振荡电路，因此可以去除坠余的晶振电路，且可不进行分频，则可比传统 51 单片机快 12 倍以满足反应更迅速的控制场合。另外 I/O 口有四种工作类型，使得单片机适应更复杂的输入输出环境。兼容 8051 指令系统，可使用keil 开发环境进行软件制作，虽然可以使用“reg51.h”，但为了使用其内部丰富的功能通常还是应引入“stc15f2k60s2.h”头文件。3.1.1 集成 AD 模块AD 转换器（Analog to Digital Converter）即是模数转变。顾名思义，即是把模拟的连续电压转换成处理器可使用的数字电平。本系统采用的中央控制单元自带的模拟数字转换器是逐次比较型模拟数字转换器。该转换器由数字模拟转换元件和比较器组成。从最高位开始，顺序地将输入电压与每一级内置 D/A 转换器输出进行比较，通过逐次比较逻辑按位数次数比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值 5。逐次比较型模拟数字转换器有着速度快，功耗低等优势。本系统采用的 STC15 系列单片机 ADC(模数转换器)的结构如图 3-1 所示绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）4图 3-1 数模转换器结构图由图 3-1 可以知道，ADC07 的连续电压信号通过模拟多路开关送给比较器。将输入的连续电压与数模转换器转换的电压信号以比较器相鉴别。转换结果通过保存在逐次比较寄存器以供给外部使用。模拟数字转变结束后，数据存留在 ADC 转换结果寄存器 ADC_RES 与 ADC_RESL，同时，置位 A/D 转换结束标志位 AD C_FLAG（ADC 控制寄存器 ADC_CONTR_register4）,以供中断申请或指令查询。ADC 控制寄存器 ADC_CONTR（ CHS2CHS0）确定模拟通道的选择控制 6。SPEED1 和 SPEED0 位（ADC 控制寄存器中）确定 ADC 的转换速度。使用 ADC 前需要给 ADC 上电，即置位 ADC_POWER 位（ADC 控制寄存器中）。当 CLK_DIV.5(PCON2.5) /ADRJ=0 时， A/D 转换结果寄存器格式如下图 3-2：图 3-2 A/D采集结果寄存器公式计算：当 ADRJ=0 且取 10 位结果时 10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0, ADC_RESL1:0) = 1024 * Vin / Vcc 当 ADRJ=0 且取 8 位结果时 8-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)= 256 * Vin/Vcc 当 ADRJ=1 时且取 10 位结果时 10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES1:0, ADC_RESL7:0) = 1024 * Vin /Vcc 各公式之中，Vin 是需要采集以供数模转换的输入电信号，Vcc 是本系统的电源电压，用系统电源电压作为模拟参照电平。另需注意：AD 采集的复用 I/O应设置为高阻模式（详细见下节），防止单片机被外电压损坏。绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）53.1.2 GPIO 配置模块宏晶 15 系列单片机最多有 46 个 I/O 口(如 48-pin 单片机 )：P0.0-P0.7,P1. 0- P1.7, P2.0-P2.7, P3.0-P3.7, P4.0-P4.7, P5.0-P5.5。其所有 I/O 口都可由程序配置使用四种工作类型之一，如下图：图 3-3 I/O工作类型各个 I/O 口由相应的两个寄存器 P*M1 和 P*M0 来控制每个口的输出模式，位一一对应。强推挽上拉每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA（40-pin 及 40-pin以上型号整个芯片电流最大不超过 120mA，16-pin 及以上/32-pin 及以下型号最大不超过 90mA）3.1.3 定时器资源系统中驱动传感器时需要准确的脉冲周期 10ms,串口也需要定时器作为通信的时钟基准，因此定时器是必要的资源之一。定时器在单板机里是一个实在的器件，是处理器芯片出厂时即存在的一个十分实用的计数器,传统 51 单片机上定时器来源是最小系统上必须的晶振电路，而本系统采用的 STC15F2K60S2上计数的是内置 RC 振荡电路振荡周期脉冲。因此单片机各计数方波之间的时间差也是非常准确的 1 微秒。当 RC 电路振荡产生一次脉冲，则定时器内的计数寄存器计数加一，直到加到最大值（16 位时是 65536,8 位时是 256）触发定时器中断，进入中断服务程序，由此设计出对于电路有时间或状态机要求的系统设计。STC15F2K60S2 中内置 5 个 16 位定时器，T0，T1，T2，T3 ，T4。相关寄存器如下。TCON 是定时器或计数器 T0 与 T1 的控制寄存器，同时也包含有 T0与 T1 溢出中断源和外部请求中断源等，TCON 详细如下图：图 3-4 TCON寄存器SFR name 指本寄存器在“reg51.h ”头文件被宏定义为 TCON。Address 指寄存器地址是 88H。Bit7 的 TF1 是定时器 1 中断标志位，定时器计数满时触发该中断，TF1 由硬件控制置为 1。中断被 CPU 响应后由硬件控制清 0。Bit6 是TR1，定时器 1 的开启关闭位，由程序员设定运行或停止。 Bit5 的 TF0 是定时器 0 中断标志位，功能与 TF1 同，但控制作用定时器 0。Bit4 是 TR0，是定时绵阳师范学院 2017 届本科毕业设计（论文）6器 0 的开启关闭位，功能与 TR1 同，但控制作用定时器 0。Bit3 的 IE1 是外部中断 1 的标志位，为1时，外部有中断需 CPU 响应。Bit2 的 IT1 是外部中断 1 触发方式的控制位，为1时上下降沿都可触发，为0则只能是下降沿。Bit1 的 IE0 是外部中断 0 的标志位，为1时，外部有中断需 CPU 响应。Bit0 的 IT0 是外部中断 0 触发方式的控制位，为1时上下降沿都可触发，为0则只能是下降沿。TMOD 寄存器各位的控制功能如下表。表 3-1 TMOD寄存器位 符号 功能TMOD.7 GATE 定时器或计数