基于单片机的空气质量检测系统

佳木斯大学毕业论文佳木斯大学毕业论文 基于单片机的空气质量检测系统 学学 院院 信息电子技术信息电子技术 专专 业业 通信工程通信工程 班班 级级 12 级级 1 班班 学学 籍籍 号号 姓姓 名名 潘琦潘琦 指导教师指导教师 田静田静 佳佳 木木 斯斯 大大 学学 2016 年年 6 月月 10 日日 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 i佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 摘要 随着工业发展 国民经济日益增长 人民生活指数也在不断提高 但是给环境却带 来不可逆的影响 因为空气质量的恶化 使人类引起一系列呼吸道病症 危害身心健康 国家政府出台政策 一方面从源头控制污染源 一方面增加空气质量监控 各大中城市 也将 PM2 5 作为天气预报一项重要指标 时时提醒市民关注环境 本设计就是基于 51 系 列单片机的 PM2 5 监控预警系统 对环境里的 PM2 5 浓度进行实时监控 预警 本设计以 STC89C52 单片机为控制核心 用夏普 GP2Y1010AU0F 传感器实时采集空 气中粉尘情况 然后由 ADC0832 模数转化芯片 将从粉尘传感器采集到的模拟信号转化 成数字信号 然后传给单片机进行精确换算 在 LCD1602 液晶屏显示当前空气粉尘浓度 和显示预置报警阈值 按键可以设置系统粉尘报警阈值 蜂鸣器报警模块可在环境 PM2 5 浓度超过设置值时进行报警 本系统电路稳定性高 抗干扰能力强 处理速度快 功耗 低 操作简便 实时精准显示 实时反馈环境因素 关键字 PM2 5 单片机 粉尘浓度 GP2Y1010AU0F 报警 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 ii佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 Abstract With the industrial development of the national economy growing people living index is also rising But the environment has brought irreversible impact because of the deterioration in air quality weather haze phenomenon increased hazard phenomenon worse National government policies on the one hand to control pollution from the source on the one hand increase the air quality monitoring PM2 5 major cities will also be an important indicator as the weather forecast remind the public concern for the environment This design is based on the 51 computers PM2 5 monitoring system on the environment in the PM2 5 concentration time monitoring early warning This design STC89C52RC microcontroller to control the core Sharp GP2Y1010AU0F sensor to collect dust in the air situation LCD1602 display shows the current air concentration of dust and display the preset alarm threshold size the keys can set the system dust alarm threshold the buzzer alarm module can alarm when the ambient PM2 5 concentration exceeds the set value System works collected by the sensor in the air PM2 5 PM2 5 concentration and then converted to a digital signal through ADC0832 for STC89C52RC microcontroller reads after the system conversion real time display of the current PM2 5 concentration and then set value if less than the set value the system remains if it exceeds the set value the system will alarm to alert the PM2 5 concentration exceeded The system circuit is simple stable highly integrated easy to debug high precision has some practical value Key words Alarm Dust concentration GP2Y1010AU0F PM2 5 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 I佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 目录 摘要 i Abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 课题研究的目的和意义 2 1 3 课题的主要内容 2 第 2 章 设计方案论证 4 2 1 题目解析 4 2 2 方案论证与设计 4 2 2 1 控制部分的方案选择 4 2 2 2 显示部分的方案选择 5 2 2 3 传感器模块的方案选择 5 2 2 4 模数转化模块的方案选择 5 2 3 系统方案论证 6 第 3 章 硬件电路设计 7 3 1 单片机最小系统 7 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 II佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 3 2 ADC0832 模数转化模块 9 3 3 液晶屏显示模块 10 3 4 夏普 PM2 5 传感器 12 3 5 蜂鸣器 14 3 6 按键电路 14 3 7 污染级别提醒电路和程序下载电路 14 3 8 总体原理图 15 第 4 章 软件部分设计 17 4 1 系统流程设计 17 4 2 ADC0832 模数转化部分设计 18 第 5 章 仿真部分 20 5 1 PWM 驱动 20 5 2 Keil 的应用 20 5 3 Protel 99se 的应用 22 5 4 Proteus 的应用 23 结论 25 致谢 26 参考文献 27 附录 1 系统原理图 29 附录 2 元器件清单 30 附录 3 程序清单 31 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 III佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 附录 4 外文参考资料翻译 原文 译文 37 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 1佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 第 1 章 绪论 1 1 课题研究背景 21 世纪的今天 科学技术的发展日新月异 科学技术的进步的同时也带动了测量技 术的发展 现代控制设备不同于以前 我们已经进入了高速发展的信息时代 测量技术 是当今社会的主流 广泛地深入到应用工程的各个领域 随着我国经济的发展 人民的生活质量的提高 人们对环境的问题及健康的问题日 益重视 空气的状况也越来越受到关注 空气质量的好坏反映了空气污染的程度 它是 依据空气中污染物浓度的高低来判断的 来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小 是影响空气质量的最主要因素之一 空气质量检测种类包括装修污染 作业现场所有有 害物质检测 食堂油烟检测 锅炉大气和工业窑炉检测及工厂排放的工业废弃检测等 目前在工业生产当中排放好多的有害工业气体 这些气体对环境的污染是越来越严重 而这些气体的泄露也严重的威胁到了许多操作人员的生命 因此设计一种能够有效的检 测到当地的环境污染的实时数据 也可以有效的遏制这些有害气体泄露的事故的发生 因为空气质量的恶化 阴霾天气现象出现增多 危害现象加重 中国不少地区把阴 霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报 统称为 雾霾天气 雾霾主要由 PM2 5 1 PM10 PM0 1 以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成 在空气动力学和环境气象学中 颗粒物是按直径大小来分类的 粒径小于 100 微米的称为 TSP TotalSuspendedParticle 2 即总悬浮物颗粒 粒径小于 10 微米的称为 PM10 PM 为 ParticulateMatter 缩写 即可吸 入颗粒物 粒径小于 2 5 微米的称为 PM2 5 即可入肺颗粒物 它的直径仅相当于人的头 发丝粗细的 1 20 虽然 PM2 5 只是地球大气成分中含量很少的组分 但它与较粗的大气 颗粒物相比 粒径小 富含大量的有毒 有害物质且在大气中的停留时间长 输送距离 远 因而对人体健康和大气环境质量影响更大 世界卫生组织发布的报告显示 无论是发达国家还是发展中国家 目前大多数城市 和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响 因此 对 PM2 5 的监测与治理便显得越来越 重要 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 2佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 1 2 课题研究的目的和意义 众所周知 在日益发展的 21 世纪 人们对于环境的要求越来越高 不论在国内还是 国外 都需要极佳的环境来提高生活指数 比如在国内 导致环境因素急剧下降的有以 下几点 大气污染问题 水环境污染问题 垃圾处理问题 水土流失问题等严重问题 但大气污染问题迫在眉睫 由于我国目前还处于粗放型经济模式 多地为了追求经济效 益 不顾对环境造成的严重影响 直接往空气中排放 使得国内出现严重雾霭天气 这 不仅给人们带来心理上严重影响 而且对人体也带来严重的病痛影响 在大气污染中 表现最为突出的而且被提上日程的就是 PM2 5 研究表明 PM2 5 日平均浓度增加 会导 致人类出现各种无法想象的严重后果 首先 表现最明显就是医院的呼吸道门诊量增长 迅速 3 导致医疗资源跟不上增长速度 严重的还会引起纠纷 其次 上班一族 会在长 期的雾霭中工作 心理会由于过度的压抑 导致患上抑郁症等精神疾病 一系列不可控 疾病随即而来 严重到可能导致社会动荡 随着国内经济的迅猛发展 工业化 4 水平的越来越高 小康水平的基本普及 人们也 日益追求高质量生活 自然 对于环境的要求也是有着苛刻的要求 在现今 人们使用 的监控设备精度越来越高 空气里 PM2 5 浓度受到了实时关注 在各种严重后果面前 人 们都希望有一个干净 舒适的环境供大家生存 所以也都纷纷加入到保护环境的队伍中 来 一方面发挥监督作用 从源头控制污染源 另一方面实时监控环境因素 做到合理 安排日程 同时也有更多的人加入到植物造林中来 亲自动手参与环境建设 美化环境 创造出一个赖以生存的环境 1 3 课题的主要内容 本课题是基于单片机所设计的空气质量检测系统 由 STC89C52 单片机最小系统 GP2Y1010AU 粉尘传感器 ADC0832 模数转换器模块 LCD1602 液晶模块 蜂鸣器报警 模块和按键等模块组成 主要的设计内容如下 1 使用 GP2Y1010AU 传感器对粉尘颗粒的采集 2 使用 ADC0832 作为采集样品的模拟量转化为数据量 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 3佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 3 采用 STC89C52 单片机作为控制核心 计算其颗粒物浓度 4 LCD1602 作为显示屏显示所有测量值 通过按键设置报警值 作为检测量最高值 当测量值高于报警值 蜂鸣器报警 基于单片机的空气质量检测系统既可以在工业生产实时检测到工业目标气体的浓度 也还可以完成数据的采集 分析 显示 存储 报警等任务 其具有操作简便 检测快 速和便携性强的特点 适用于家庭和社区的医疗健康的保健 能够实时的知道空气中粉 尘颗粒的含量 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 4佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 第 2 章 设计方案论证 2 1 题目解析 本设计要求制作一个基于 51 系列单片机 5 的 PM2 5 实时监控系统 它由控制器模块 ADC0832 模数转化模块 按键模块 蜂鸣器报警模块 LCD 显示模块 PM2 5 传感器模 块电路等组成 当传感器采集到空气中 PM2 5 浓度值后 然后经过 ADC0832 芯片 对 GP2Y1010AU0F 传感器获取到的模拟信号转化成数字信号 然后经过单片机系统运算处 理 在液晶 LCD1602 显示屏上面显示出实时测量到的 PM2 5 的浓度值 根据题目的要求 确定系统框图如 2 1 所示 SCT89C52 单片机 A D 转 换 粉 尘 传 感 器 LCD显示模块键盘电路 报警电路 污染级别提醒电路 图 2 1 系统组成基本框图 2 2 方案论证与设计 2 2 1 控制部分的方案选择 1 采用凌阳 16 位单片机 内存大 处理速度快 编程容易 而且其自身自带音频 处理系统 可以不使用外部器件就可以实现语音报时功能 在一定程度上可以说大大节 约成本比较适合此类规模系统 但是相对来说价格还是比较高 很多资源都被浪费掉了 不适合本设计 所以不采用该方案 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 5佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 2 用 STC89C52 单片机 虽然他没有凌阳 16 位单片机的功能强大 但是他可以满 足该程序编程的需要以及各个功能部分也都可以实现 真正做到资源充分利用 而且在 价格方面也比 16 位单片机的成本少好几倍 所以本设计选用该方案 2 2 2 显示部分的方案选择 1 采用点阵式显示屏显示 点阵式显示屏是由八行八列的发光二极管组成 比较适 合各种信息可以从左到右移动 也可以从右到左显示 给消费者一个真正的视觉冲击 但是对于这种显示方式似乎显得太浪费 对于单片机的扫描速度也是一个考验 且价格也 相对较高 所以也不用此种作为显示 2 采用液晶屏显示方式显示 液晶显示美观性强 一目了然 可以运用菜单项来方 便操作 液晶显示屏的显示功能强大 显示的信息量大 清晰可见 而且 LCD1602 价格低 廉 控制程序简单 稳定性高 使用寿命长等有点 所以 选择液晶屏显示方案 2 2 3 传感器模块的方案选择 1 采用炜盛传感器 该传感器灵敏度高 但是体积大 不方便安装 电流大 不 能使本设计做到低功耗 该方案不适合采用本设计 2 采用夏普 PM2 5 传感器 该传感器使用方便 体积小 方便安装 正常使用时 电流小 可做到电流的低功耗 有利于信号的储量过程 能够实现空气的流通 且利于 AD 转换 所以本设计采用该方案 2 2 4 模数转化模块的方案选择 1 采用 ADC0809 模数转化芯片 ADC0809 是一款 8 位逐次逼近式 A D 模数转换 器 他是通过地址锁存译码后的信号 选通 ADC0809 内部相对应的地址通道 然后进行 A D 信号转换 其一个芯焊接的脚位过多 占用的单片机 IO 口过多 而且目前仅在单片 机初学应用设计中较片就可以有 8 个通道 功能非常强大 但是本设计只需要一个通道 即可 再加上其需要为常见 而且价格也比较昂贵 不适合大规模应用 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 6佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 2 采用 ADC0832 模数转化芯片 ADC0832 是一款双通道 8 位分辨率 A D 转换 芯片 其封装为 DIP 8 或者 SOC 8 方便焊接 调试 同时 其和单片机接口只有四条线 大大减少单片机的 IO 口损耗 同时由于其性价比高 广受消费者追捧 通过学习 ADC0832 我们就可以理解 A D 转化芯片的工作原理 同时 ADC0832 模数转化芯片在本 设计中 完全满足各种性能 自然优先考虑 ADC0832 模数转化芯片 所以本设计采用该 方案 2 3 系统方案论证 综上各方案所述 对此次设计的方案选定为 采用 STC89C52RC 作为主控制系统 以 夏普 GP2Y1010AU0F 为核心传感器 以 ADC0832 作为系统模数转化模块 采用 LCD1602 作为系统的显示电路 采用蜂鸣器电路作为报警电路等 以完成 PM2 5 监控系 统的设计 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 7佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 第 3 章 硬件电路设计 3 1 单片机最小系统 STC89C52RC 6 为宏晶推出的新一代高速 低功耗 超强抗干扰的单片机 指令代码 完全兼容传统的 8051 单片机 单片机为 DIP 40 直插芯片 有四组 I O 口 P0 P1 P2 P3 每 一条 I O 线都能独立地作输出或输入 单片机引脚图如 3 1 所示 图 3 1 单片机引脚图 该增强型 8051 单片机具有可任意选择的 6 时钟 机器周期和 12 时钟 两种机器周期 因为其内核依旧是 51 系列内核所以指令代码完全兼容传统 8051 系列 工作电压为 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单片机 工作频率正常范围 0 40MHz 相 当于普通 8051 的 0 80MHz 实际工作频率可达 48MHz 用户应用程序空间为 8K 字节 片上集成 512 字节 RAM 通用 I O 口 32 个 复位后为 P1 P2 P3 P4 是准双向口 弱上拉 P0 口是漏极开路输出 作为总线扩展用时 不用加上拉电阻 作为 I O 口用时 需加上 拉电阻 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真器 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 8佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 可通过串口 RxD P3 0 TxD P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 具有 EEPROM 功能 具有看门狗功能 共 3 个 16 位定时器 计数器 定时器 T0 T1 T2 外 部中断 4 路 下降沿中断或低电平触发电路 Power Down 模式可由外部中断低电平触发 中断方式唤醒 通用异步串行口 UART 还可用定时器软件实现多个 UART 工作温 度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 PDIP 封装 STC89C52RC 单片机的 省电工作模式有几种 掉电模式 典型功耗 0 1 A 可由外部中断唤醒 中断返回后 继 续执行原程序 空闲模式 典型功耗 2mA 正常工作模式 典型功耗 4Ma 7mA 掉电模式 可由外部中断唤醒 适用于水表 气表等电池供电系统及便携设备 单片机的最小系统 7 就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分 也 可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统 对 51 系列单片机来说 最小系 统一般应该包括 单片机 时钟电路 复位电路 输入 输出设备等 在单片机中复位电 路是必须存在的电路 就像我们开启一台电脑一样 需要打开开机键 在单片机系统中 复位电路是非常关键的 当程序跑飞 运行不正常 或死机 停止运行 时 就需要进 行复位 与复位电路同样至关重要的就是时钟电路 时钟电路就像是整个机器的心脏一 样 控制着单片机的节奏 单片机最小系统框图如 3 2 所示 单片机 复位电路 时钟电路 输入 输出 设备 电源 图 3 2 单片机最小系统 1 时钟电路 时钟电路分为内部时钟方式和外部时钟方式 8 外部时钟电路使用现成的外部振荡器 产生脉冲信号 用于多片单片机同时工作以便于它们之间的同步 所以这个设计采用内 部时钟方式的电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的反相放大器 输入端引脚为 XTAL1 输出端为 XTAL2 两引脚接一个石英晶体和两个电容 每个电容的另一端再接 到地构成一个稳定的自己振荡器 时钟电路用于给单片机工作时产生所需要的时钟信号 而时序所研究的是指令执行中各信号之间的工作关系 单片机的本事就如一个复杂的同 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 9佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 步时序电路 为了确保同步工作方式的实现 电路就应该在唯一的时钟信号控制下进行 严格的工作 电容 C1 C2 的大小会影响振荡器频率的高低 振荡器的稳定性和起振的快 速性 晶体振荡频率的范围通常是在 1 2 到 12MHz 频率越高 系统的时针频率越高 单片机的运行速度也就越快 因为 CPU 完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期 一个机器周期包括 12 个时钟周期 所以选 12MHz 方便计算初值 单片机的内部电路正是 在时钟电路的控制下 严格地按时序指令进行工作 2 复位电路 复位电路就是使单片机的 CPU 或系统中其他部件处于某一确定的初始状态时 并从 这一状态开始工作时 除了进入系统的正常的初始化之外 而由于程序运行错误或操作 错误使当前系统正处于死锁状态时 为摆脱此困境 也需要按复位电路进行系统的重新 启动 复位电路有上电自动复位和按键复位两种方式 9 按键手动电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 VCC 接通来实现 这个设计使用按键电平复位电路 当按键时电容器被 短路放电 5V 直接加到 RST 上面达到高电平 进行复位 按键松开后电源开始对电容 器充电 此时充电电流在电阻上 形成高电平送到 RST 仍然是 复位状态 稍后充电结 束 电流降为 0 电阻上的电压也将为 0 RST 降为低电平 开始正常工作 单片机的复 位电路和时钟电路电路图分别如 3 3 和 3 4 所示 图 3 3 时钟电路图 图 3 4 复位电路图 3 2 ADC0832 模数转化模块 ADC0832 是 8 位分辨率 A D 模数转换芯片 10 其最高分辨高达 256 级 双通道 A D 转换 输入输出电平与 TTL CMOS 相兼容 5V 电源供电时输入电压在 0 5V 之间 一般 功耗仅为 15mW 其封装为 DIP 8 或者 SOC 8 方便焊接 调试 商用级芯片温度范围为 0 C 70 C 工业级芯片温度范围为 40 C 85 C 可以适应大部分场合的模数转换要求 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 10佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 同时 其和单片机接口只有四条线 大大减少单片机的 IO 口损耗 通过学习 ADC0832 我们就可以理解 A D 转化芯片的工作原理 可以帮助我们深入学习单片机其他相关知识 其电路设计图如图 3 5 所示 图 3 5 A D 电路设计图 芯片接口说明 片选使能 低电平芯片使能 CS CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 GND 芯片参考 0 电位 地 DI 数据信号输入 选择通道控制 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 3 3 液晶屏显示模块 LCD 显示器 11 分为字段显示和字符显示两种 其字段显示和数码管显示原理类型 还是通过取模 然后单片机向 LCD 发送数组 方可实现显示要求 这个就无法真正体现 出 LCD 液晶屏的优势点 所以在本设计中 采用自带字库的 LCD 显示模式 与传统的 LED 数码管显示器件相比 控制程序方便 显示内容切换方便 而且不需要外加驱动电 路 同时 LCD1602 显示内容功能也非常强大 每行可以同时显示 16 个汉字 一共可显 示 2 行 其电路设计如 3 6 所示 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 11佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 图 3 6 LCD 管脚图 LCD1602 主要技术参数 显示容量为 16 2 个字符 芯片工作电压为 4 5 5 5V 工作电流为 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压为 5 0V 字符尺寸为 2 95 4 35 W H mm LCD1602 采用标准的 14 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读 信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 16 脚 空脚 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 说明 1 为高电平 0 为低电平 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 12佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S 屏 幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表 示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B 控制光标 是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平 时为单行显示 高电平时双行显示 F 低电平时显示 5x7 的点阵字符 高电平时显示 5x10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 DDRAM 地址设置 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙 此时模块不能接收 命令或者数据 如果为低电平表示不忙 指令 10 写数据 指令 11 读数据 3 4 夏普 PM2 5 传感器 灰尘传感器 GP2Y1010AU 是由日本夏普公司生产的 可以测试环境中的 PM2 5 值 其模块体积小 方便安装 可以适用于各类空气净化器中 作为检测环境因素传感器 12 其灵敏度极高 可以用来测试直径在 8um 以上的烟尘 花粉 粉尘等微小颗粒 造成空 气雾霭等肉眼看不见的颗粒 该传感器都可以方便的测试到 同时 其自带气流发生器 可以吸收外部空气 是自身达到一个清洁的效果 大大增加其使用寿命和灵敏度 而且 在其内部自带 LED 显示灯 减少外界干扰 大大增加灵敏度 准确想外界传递实时空气 质量 夏普灰尘传感器外形图如图 3 7 所示 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 13佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 图 3 7 夏普灰尘传感器 GP2Y1010AU0F 应用领域 1 空气净化器和空气清新机 2 空调 3 空气质量监控仪 4 空调等相关产品 主要参数 灵敏度 0 5V 0 1mg m3 输出电压 0 9V TYP 消耗电流 11mA 工作温度 10 65 存储温度 20 80 粉尘器内部电路图如图 3 8 所 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 14佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 图 3 8 粉尘器内部电路图 根据粉尘传感器 GP2Y1010AU 的规划书中对管脚的描述 对应的管脚如图 3 9 所示 图 3 9 粉尘传感器管脚图 故粉尘传感器的电路设计如图 3 10 所示 图 3 10 粉尘传感器的电路设计图 粉尘传感器 GP2Y1010AU 通过对空气粉尘颗粒浓度进行检测测算 然后输出模拟电 压 故在仿真原理图中 我们用滑动变阻器来模拟粉尘传感器发回的模拟信号 电压值 ADC0832 电路设计仿真图如图 3 11 所示 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 15佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 图 3 11 ADC0832 电路设计图 3 5 蜂鸣器 本设计中采用有源蜂鸣器 相对无源蜂鸣器而言 控制方式简单 无源蜂鸣器需要 一个交变的信号去驱动 实现内部磁场变化 而有源蜂鸣器只需要在蜂鸣器上加直流 就可以驱动蜂鸣器正常工作 而且 2 者在价格上相差无几 所以会优先选择有源蜂鸣器 有源蜂鸣器对电压的适应范围广 寿命长 可以用个调整有源蜂鸣器的电压值 来控制 蜂鸣器的声音响度 所以设计起来很方便 本设计的报警电路的控制输出使用了单片机 的 P1 7 口 设计图如图 3 12 所示 图 3 12 报警电路图 3 6 按键电路 本次设计的按键电路使用了单片机的 P1 3 P1 4 P1 5 三个口 通过按键可以对报警 值进行设置 设计图如图 3 13 所示 图 3 13 按键电路图 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 16佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 3 7 污染级别提醒电路和程序下载电路 根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路 采用了蓝 绿 黄 红四个 LED 灯 使用了单片机的 P3 0 P3 1 P3 2 P3 4 口来实现提醒功能 污染级别显示电路以及单片 机的程序下载电路设计图分别如图 3 14 和 3 15 所示 图 3 14 级别显示电路 图 3 15 程序下载电路图 3 8 总体原理图 本设计包括信号采集模块 信号处理模块 显示模块 报警模块和按键设置模块组 成 以此来完成信号的采集 处理 传输 报警等功能 系统原理图如 3 16 所示 图 3 16 系统原理图 当 PM2 5 传感器采集到空气中 PM2 5 浓度值后 通过 5 号引脚将输出的模拟量经过 ADC0832 模数转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机 13 号引脚 然后单片机对 此信号进行运算处理 单片机 P2 口与 LCD 显示屏相连并在液晶 LCD1602 显示器上面显 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 17佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 示计算出实时测量到的 PM2 5 的浓度值 然后通过与 SCT89C52 单片机 8 号引脚相连的 蜂蜜报警器进行设定值进行比较 通信部分采用 ISP 程序下载器与单片机 10 11 号引脚相 连来实现单片机与上位机之间的数据交换 如果小于设定值 系统保持 如果超过设定 值 系统将报警 提醒 PM2 5 浓度超标 当蓝色灯亮时表示空气质量优 当绿色灯亮时 表示空气质量良好 当黄色灯亮时表示空气质量中等 当红色灯亮时表示空气质量差 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 18佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 第 4 章 软件部分设计 4 1 系统流程设计 软件主程序部分主要是 ADC 模数转化 获取 PM2 5 粉尘传感器发回来的数据 然后 经过数据转化处理后 放入数组里面 然后再和预设值对比 如果实际值大于预设值 那么就会驱动声报警电路 当然 预设值大小可以根据需要进行修改 而且 在正常仿 真过程中 会实时显示环境中 PM2 5 实时浓度 系统流程图如图 4 1 所示 开始 初始化 按键检测是否按下设置键 大于报警值 传感器采集数据 A D转换计算浓 度值 对应浓度范围的LED亮 起 液晶显示当前浓度 显 示报警浓度值 更改报警值 蜂鸣器报警 是 否 否 是 图 4 1 系统流程图 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 19佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 4 2 ADC0832 模数转化部分设计 单片机对 ADC0832 的控制原理 单片机和 ADC0832 之间的接线 分别是 CS CLK DO DI 总共 4 条线 但是在使用过程当中 单片机和 ADC0832 只有进行单 向通信 所以在此过程当中 要将 DI DO 并联在一起使用 当 ADC0832 芯片禁用时 此 时要控制 CS 输入端应为高电平 CLK 和 DO DI 的电平不做要求 当要进行 A D 转换开 始时 必须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直至转换完全结束为止 此时芯片 开始转换工作 同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平 表 示起始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能 其功 能表见下图 4 2 所示 图 4 2 ADC0832 功能表 如表所示 当此 2 位数据为 1 0 时 只对 CH0 进行单通道转换 当 2 位数据为 1 1 时 只对 CH1 进行单通道转换 当 2 位数据为 0 0 时 将 CH0 作为正输入端 IN CH1 作为负输入端 IN 进行输入 当 2 位数据为 0 1 时 将 CH0 作为负输入端 IN CH1 作为正输入端 IN 进行输入 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去 输入作用 此后 DO DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取 从第 4 个脉冲 下沉开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7 随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位 数据 直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0 一个字节的数据输出完成 也正是 从此位开始输出下一个相反字节的数据 即从第 11 个字节的下沉输出 DATA0 随后输 出 8 位数据 到第 19 个脉冲时数据输出完成 也标志着一次 A D 转换的结束 最后将 CS 置高电平禁用芯片 直接将转换后的数据进行处理即可 ADC0832 数据读取程序流 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 20佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 程图如图 4 3 所示 图 4 3 数据程序流程图 开始 结束 将值送人指定寄存器 字节数据校验 读取2字节 数据 输入通道控 制字 产生时钟信 号 使能芯片 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 21佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 第 5 章 仿真部分 5 1 PWM 驱动 粉尘传感器的 LED 指示灯需要由 PWM 13 驱动 所以系统板需要提供一路 PWM 来驱 动 LED 灯 以便粉尘传感器可以正常工作 仿真示意图如图 5 1 所示 图 5 1 PWM 仿真波形监控图 5 2 Keil 的应用 Keil uvision2 C51 软件是目前功能最强大的单片机 c 语言集成开发环境 我们通过图 解的方式来 Keil C51 软件的使用教程 学习最简单的 如何输入源程序 新建工程 工程详细设置 源程序编译得到目标代码文件 它在功能 结构 可读 可维护性上 都有明显的优势 我们很容易学习 它的多数语句生成后的汇编代码我们都很容易理解 它提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接 库管理和一个功能强大的仿真调试程序 完整 的发展规划 通过一个集成开发环境 uVision 将这些元素结合在一起 掌握使用 51 系 列单片机的软件是非常必要的 如果你想使用 C 语言编程 那么 Keil 14 是一种不错的选 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 22佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 择 即使没有 C 语言的基础和汇编语言编程的集成环境 学会使用这个功能强大的仿真 软件调试工具 也会收到事半功倍的效果 Keil c 软件的界面图如图 5 2 所示 图 5 2 Keil 主界面 Keil 软件建立工程过程 第一步 双击 Keil uVision4 的桌面快捷方式 启动 Keil 集成开发开发软件 第二步 新建文本编辑窗 单击工具栏 文件 新建 即可在项目窗口打开一 个新的文本编辑窗 Text1 第三步 编写程序 在新的 Text1 文本编辑窗中编写程序 第四步 保存程序 保存文件时必须加上文件的扩展名 c 第五步 建立 Keil 工程 单击工具栏上的 工程 新建工程 出现保存对话框 一般情况下使工程文件名称和源文件名称相同即可 输入名称后保存 将出现 选择设备 对话框 在对话框中选择 CPU 的型号 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 23佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 第六步 选择 CPU 型号 为工程选择 CPU 型号 本新建工程选择了 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机 第七步 将编号的程序加到工程中 在选择好 CPU 型号后 点击 确定 按钮返回主 界面 此时可见到工程管理窗中出现 目标 1 点击 目标 1 前面的 号展开下一层的 源组 1 文件夹 此时的新工程是空的 源组 1 文件夹中什么文件都没有 必须把刚才输 入的源程序加入到该工程当中 右击工程管理窗中的 源组 1 出现下拉菜单 点击 增 加文件到组 源组 1 命令 将出现添加文件对话框 在添加文件对话框中 找到要添加到 工程中的源程序文件 第八步 编译程序 生成 hex 文件 5 3 Protel 99se 的应用 Protel 99SE 是 PORTEL 公司在 80 年代推出的一款软件软件 Protel 99SE 是在 Windows9X 2000 NT 操作系统下的 EDA 设计的软件 采用设计库管理模式 可以用于网 设计 具有非常强的数据交换能力及 3D 模拟功能 是 32 位的设计软件 也可以完成电 路原理图的设计 印制电路板设计及可编程逻辑器件设计等工作 可以设计 32 个信号层 16 个电源 地层和 16 个机加工层 Protel 99se 软件的界面图如图 5 3 所示 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 24佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 图 5 3 Protel 99se主界面 Protel 99SE 软件还有有以下的特点 1 可以生成 30 多种格式的电气连接网络表 2 具有强大的全局性编辑功能 3 可以在原理图中选择一级器件 同时在 PCB 中同样的器件也将被选中 4 同时运行原理图和 PCB 在已打开的原理图和 PCB 之间允许双向交叉查找元器 件 引脚 网络 5 既可以进行正向的注释元器件的标号 由原理图到 PCB 还可以进行反向的注 释 由 PCB 到原理图 目的是为了保持电气原理图和 PCB 在设计上保持一致 6 满足国际化设计的要求 包括国标标题栏的输出 GB4728 国标库 7 方便数模混合的仿真 8 支持使用 CUPL 语言和用原理图设计 PLD 生成标准的 JED 下载文件 9 PCB 还可设计 32 个信号层 16 个电源 地层以及 16 个机加工层 10 非常强大的 规则驱动 设计的环境 符合在线和批处理的设计性规则检查 11 有智能的覆铜功能 覆铀也可以自动重铺 12 提供大量的工业化标准电路板做为设计模版 13 具有放置汉字的功能 14 可以输入和输出 DXF DWG 格式文件 实现和 AutoCAD 等软件的数据交换 15 智能封装导航 对于建立复杂的 PGA BGA 封装很有用 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 25佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 16 方便的打印预览功能 不用修改 PCB 文件就可以直接控制打印结果 5 4 Proteus 的应用 Proteus 15 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 仿真软件 在学习单片机 过程中 起到极大作用 显而易见 他受到研发工程师 单片机教师 喜爱搞些电子发 明的科学家的青睐 在编译语言方面 它也支持 Keil 和 MATLAB 等软件编译器的编译 它不仅有仿真功能 还能仿真单片机及其外围器件 它是目前比较好的仿真单片机及外 围器件的工具 在本设计中采用了版本 Proteus7 软件进行系统的仿真 主界面及仿真效 果图分别如图 5 3 和 5 4 所示 图 5 4 Proteus 主界面 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 26佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 图 5 5 总体仿真图 1 仿真 16 过程中 发现 PWM 的占空比过小 会导致粉尘传感器在实际工作中异 常 所以通过调整 PWM 占空比来解决粉尘传感器 LED 17 指示灯正常工作 2 蜂鸣器报警电路 使用默认设置导致蜂鸣器电路不正常工作 但是电位检测都 未发现异常 通过调整其参数后 方工作正常 3 仿真电路中 有很多与在实际电路中不一样的地方 所以在仿真的时候务必程 序调整到接近实际 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 27佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 结论 随着雾霾天气的肆虐 我们有理由且必要的做一些措施来注意我们身边空气的 PM2 5 而本设计是基于这点 应用所学的知识 制作一个简单 实用的多功能 PM2 5 浓 度检测系统 在本设计中 主要的难点在于传感器的实用和 A D 转换 需要阅读相应的资料才 能做出设计 对于资料的应用和学习能力是很重要 这也算是这次设计给我带来的锻炼 设计时主要的难点在于传感器的实用和 A D 转换 需要阅读相应的资料才能做出设计 对于资料的应用和学习能力是很重要 在设计完成后 本着一开始设计的实用性的出发 点 进行了检测试验 一方面检测设计是否具有可操作性和实用性 另一方面也是让自 己对 PM2 5 的产生有了直观的了解 可以用来开发新型空调 现代空调都是针对空气温 湿进行调节 可以将本设计加入空调内部 使其既能控制温湿度 还可以对空气中的各 种气体进行检测 并通过控制 新风系统 改善空气各方面的质量 在整个设计过程中 尽管自己查阅了大量的资料 原本也以为自己对于该设计已 经很熟悉了 完成本设计的软件和硬件部分完全没有问题的 但是在实际的制作过程中 发现自己不论在硬件方面还是在软件方面都存在着很大的问题 而且在设计中 最不可 忽视的就是指导老师以及同学给我的帮助 所以无论处在何地 团队的力量是无穷的 这次的设计操作 学习到的东西真不少 此次设计的完成也标志着我的大学生涯即将结 束 它给我带来了一个完美的过渡 佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学学士学位论文 28佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学信息电子技术学院 致致 谢谢 光阴似箭 日月如梭 四年前 我从这里拉开了大学帷幕 而现在即将毕业 回首 四年 我得到了许多师长 朋友的指导与帮助 行将离别之际 在此向他们表示最诚挚 的谢意 首先 要感谢我的导师田静老师 在本次毕业设计中 田老师不辞辛苦细心为 我们指导 老师不仅在设计方案 程序控制思想给了我们很大的指导 还为