基于单片机的pm2.5值检测仪

-基于单片机的pm2.5值的检测仪【摘要】：本论文基于单片机的原理开发的pm2.5值检测仪。该仪器通过集合单片机的控制技术和传感技术相结合的一套设备。传感器接收pm2.5的浓度信息通过AD采样转换由单片机进行读取最后由LCD屏幕的实时数据体现形成的一套系统，使人们能简单清晰实时的了解本地的pm2.5值的情况。【关键词】：单片机，pm2.5，传感器；-i-Abstract:DeployingIPtelephonyorvoiceoverIP(VoIP)isamajorandchallengingtaskfordatanetworkresearchersanddesigners.Thispaperoutlinesguidelinesandastep-by-stepmethodologyonhowVoIPcanbedeployedsuccessfully.Themethodologycanbeusedtoassessthesupportandreadinessofanexistingnetwork.PriortothepurchaseanddeploymentofVoIPequipment,themethodologypredictsthenumberofVoIPcallsthatcanbesustainedbyanexistingnetworkwhilesatisfyingQoSrequirementsofallnetworkservicesandleavingadequatecapacityforfuturegrowth.Asacasestudy,weapplythemethodologystepsonatypicalnetworkofasmallenterprise.Weutilizebothanalysisandsimulationtoinvestigatethroughputanddelaybounds.Ouranalysisisbasedonqueuingtheory,andOPNETisusedforsimulation.Resultsobtainedfromanalysisandsimulationareinlineandgiveaclosematch.Inaddition,thepaperdiscussesmanydesignandengineeringissues.TheseissuesincludecharacteristicsofVoIPtrafficandQoSrequirements,VoIPflowandcalldistribution,definingfuturegrowthcapacity,andmeasurementandimpactofbackgroundtraffic.Keywords:NetworkDesign，NetworkManagement，VoIP，PerformanceEvaluation，Analysis，Simulation，OPNET-ii-目录前言.2第1章绪论.3第1.1节课题背景.3第1.2节国内外PM2.5值现状及发展趋势.3第1.3节本课题主要工作.4第2章系统设计总体选择.5第2.1节总体设计选择方案.5第2.2节开发语言选择.5第2.3节传感器选择.6第2.4节MCU选择.7第3章检测仪设计.8第3.1节硬件设计.8第3.2节软件设计.11第4章系统测试.15第4.1节测试条件.15第4.2节测试过程.15第4.3节测试数据.16第4.4节测试分析.16结论.17参考文献.17致谢.18附录1：实物照片说明.19附录2：部分源程序.20-0-前言随着今年中国国家经济的高速发展，环境问题也逐一暴露和产生。其中pm2.5的问题则是最近一段时间大规模爆发的。Pm2.5也叫作细颗粒，细粒，等等。是指空气成分的，微粒物理直径小于等于2.5微米的颗粒。虽然pm2.5只是大气成分中非常少的一部分。但它相比于其他颗粒物质具有更小的半径，能轻易进入人体呼吸道及肺泡，而人体是对其没有任何抵抗能力的，一但人体吸收了pm2.5，这是不可逆的。Pm2.5颗粒小，相对大小表面积比更大，活动性强，易沾毒性物质，而且在空气中存在时间长，不容易消除，因此对环境和人体健康影响更大，危害更大。Pm2.5的化学成分主要包括有机碳（OC),元素碳（EC)，硫酸碳，硝酸碳，钠盐，铵盐等。颗粒物的成分很复杂，主要取决于其来源。主要有自然源和人为源两种，但危害较大的是后者，在学术界的分为一次气溶胶（Primaryaerosol）和二次气溶胶（Secondaryaerosol）两种。细颗粒物的标准，是由美国在1997年提出的，主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。细颗粒物指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。到2010年底为止，除美国和欧盟一些国家将细颗粒物纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对细颗粒物的监测，大多通行对PM10进行监测。Pm2.5的来源十分广泛，有自然来源，人为来源和大气化学反应形成的2次颗粒，其中人为来源更为广泛和严重，人为来源来自工厂，发电站，烧荒和汽车，如发电，冶金，石油，化学，和纺织等各种国内工业大家过程中排放的烟尘；自然来源来自土壤扬尘，火山爆发，钠盐等，如大规模的火山爆发和森林燃烧；大气中的气态签体污染物会通过大气反应生成二次颗粒物，如Pm2.5的问题非常的严重，不知不觉我们已经无可避免，所以说pm2.5的问题重视和推进不容缓慢，本论文也就此问题进行一些可提供的探讨和研究。本文的核心思想就是通过单片机控制技术和传感器技术相结合，以AT89S52单片机为核心控制系统，通过GP2Y1010AUOP夏普粉尘传感器对实时pm2.5的情况的采集、传输和读取。利用LCD显示技术实现数字化显示。-1-第1章绪论第1.1节课题背景随着近来的pm2.5的问题的愈加严重，而pm2.5则是一个刚兴起的环境问题研究，本人表着研究问题的心态去探究pm2.5的危害和如何检测pm2.5的浓度。全球210万人死于pm2.5浓度的上升，伦敦也在1952年12月5日发生了全球瞩目的事件，即所谓的毒物事件，那场毒物造成了约4000人的死亡，2013年10月17日，世界卫生组织下属的国际癌症研究机构也发布报告，首次认为大气污染对人类可致癌，并且视其为普遍和主要的环境致癌物质。所以这是一个可不容缓的问题研究，我们应该重视其发展和未来，为我们能解决和防止问题再次发生做积极的行动。而本文也会对pm2.5的检测做出一些贡献。第1.2节国内外PM2.5值现状及发展趋势1.2.1.PM2.5发展现状首先先是中国的情况，在中国的大部分，特别是工业集中的地方，比如华北地区，pm2.5占空气悬浮颗粒重量的大半。自从中国大规模爆发pm2.5问题后，2012年2月，国务部发布的环境空气质量标准也增加了pm2.5的监测指标，它采用了世界卫生组织设定的最宽限值，pm2.5年平均浓度和24小时平均浓度分别为35微克每立方米和75微克每立方米。2012年3月5日，国务院总理温家宝在政府工作报告中指出，中国绝对不靠牺牲环境和人民健康来换取发展和经济增长，也被称为“pm2.5新政”。空气质量等级24小时pm2.5平均标准值(ug/m3)优0-50良50-100轻度污染100-150中度污染150-200重度污染200-300严重污染大于300表1pm2.5值24小时平均值标准国外也十分注重pm2.5的问题，早在20世纪外国也爆发了一系列的pm2.5的问题，但随着国家政策大刀阔斧的改革，问题也逐渐好转。但在最近也有些问题。-2-项目年均值日均值准则值35u/m375ug/m3表2世界卫生组织（WHO)2005年空气质量准则1.2.2.PM2.5发展趋势Pm2.5是一个严重的环境问题，我国也准备拟定一系列法律法规来解决这些问题。环境保护部副部长吴晓青在2012年3月2日的国务院新闻发布会上的也表态，环保部正在组织编制重点区域大气污染防治规划，从2011年2015年，在改善城市空气质量的基础上，重点解决pm2.5的区域大气污染问题。区域大气污染防治规划出台后，大气污染治理的整体需求和方向会很明确，任务也会很明确了。国家也会在2016年拟定新的空气质量准则。项目年均值日均值准则值10ug/m325ug/m3过度目标135ug/m375ug/m3过度目标225ug/m350ug/m3过度目标315ug/m337.5ug/m3表3中国拟于2016年实施的空气质量准则我国也会学习外国的经验，外国在这一条治理pm2.5的路上走的更远，我们应该学习。国外的一些经验和实践会让我国受益匪浅。国外也正在进行一系列的研究和探讨，期望找到更规范的定义和更准备的解决方案。第1.3节本课题主要工作Pm2.5的问题如此严重，而pm2.5值的测定却有很大的局限性，纵使国家也对pm2.5十分重视，地方也会有各种各种的pm2.5的检测报告，我们在网上也能找到各种各样各地的pm2.5值的实时数据，但这就像天气预报一样有很大的局限性，就像北京面积这么大，而pm2.5测值的地方却也有局限性，更不用说，民众对国家某些数据的不信任。我也表示十分遗憾，所以我拟定一个课题。即可以便携测量pm2.5的仪器。在这里我会学以所用，通过我大学4年来学习的各种技能和知识，来自己解决这个问题。也符合我校学以致用的校训。-3-第2章系统设计总体选择第2.1节总体设计选择方案本次课题的总体设计便是利用传感器检测pm2.5的实时数据，经过a/d转换，由芯片进行处理数据，再由d/a转换由显示器显示实时数据。再通过一系列的额外配置，及电源和开关的细节处理，总体设计出符合要求和功能基本完整的一套设计。图2-1总体设计方案第2.2节开发语言选择2.2.1.方案一：采用java开发环境Java是一种可以跨平台的一种程序设计语言，具有卓越的通用性和简单安全性和高效率性，同时拥有全球最大的开发者专业群和交流平台。但java还是拥有其明显的缺点，其一就是本专业没有接触过java重头开始学也比较时间和人力，而且运行速度慢，不能更接近操作系统，有时候比别的代码语言长。有明显的缺点。2.2.2.方案二：采用c+开发环境VC+它使用C语言编程，程序结构主要由分支语句、顺序语句和循环语句等构成。一个庞大的软件系统主要是由一个主程序和若干个子程序组成。而使用C语言编程，编译效率高，对于学过的人来说比较方便，但是当程序写到足够长时，结构不够清晰，不仅容易出错还不易检查除语法之外的错误原因。另外，人机界面的也设计需要相对来说较长的开发周期，后期维护也存在一定困难。相比于其他的开发环境，有一定的优越性。-4-所以我选择了c+作为上位机的软件选择。第2.3节传感器选择2.3.1.方案一：使用KFC-A1/V1/R4系列使用KFC-A1/V1/R4系列。能测量0.5um/1um/2.5um以上颗粒物，供电电压为DC24V（22V到26V）。传感器稳定时间为接通电源约1分钟，不能相对的实时测量，价格相对较高，难入手。2.3.2.方案二：使用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器使用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器。SharpsGP2Y1010AU0F是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光。该传感器具有非常低的电流消耗。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。可测量0.8微米以上的微小例粒子。体积小，重量轻，便于安装。所以我选择夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器。图2-2便是夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器。图2-3是该款夏普粉尘传感器的原理图。灵敏度0.5V/0.1mg/m3尺寸46.030.017.6mm)图2-2夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器图2-3夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器内部结构图-5-第2.4节MCU选择2.4.1.方案一：采用ARM系统使用基于ARMCortex-M3为内核的EasyARM1138单片机，它有八个通道的10位ADC，使用简单且功耗低，体积小，高性能。大量使用寄存器，执行指令速度更快，指令长度固定，寻址灵活，执行效率高等一系列优点。但其加个相对来说比较高，一个简单的功能虽然也能实现，但总有点大材小用。2.4.2.方案二：FPGA,CPLD等大规模可编程逻辑控制器件使用FPGA,CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率高，运算速度快，但不合适该制作。无论成本还是其他操作控制上的问题其都与单片机无明显竞争力，所以本方案不采用。2.4.3.方案三：采用52单片机系统52单片机是51单片机的升级强化版本。52单片级它从内部的硬件到软件有一套完整的处理器，它的处理对相不是字、节而是位。其成本相对较低，而且操作简单，但速度慢，片内空间不足，资源少，难以实现复杂的操作，而本设计不需要复杂的程序来运行，而且考虑本设计所以要的成本，故我选择52单片机作为系统。-6-第3章检测仪设计第3.1节硬件设计3.1.1.总体规划该系统采用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器进行测量，得出模拟信号，再进行放大，然后送入单片机进行A/D转换处理和数据的处理。再有D/A转换通过LCD显示。3.1.2.主控制器电路主控电路是51单片机，其外围电路非常的简单，只需要加上电源和晶振电路就行了。图3-1引脚结构-7-图3-2晶振结构3.1.3.显示电路我们用到的是1602液晶模块。它的连线引脚如图3-1-3-1.第1脚：VSS为电源地该引脚接总系统地线。第2脚：VDD为接5V电源正极可接移动电源的5Vusb电源脚。第3角：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。图3-31602液晶引脚液晶模块的读操作时序图如图3-4。-8-图3-4读操作时序图液晶模块的写操作时序图如图3-5。图3-5写操作时序图3.1.4.传感器连线使用夏普GP2Y1010AU0F_粉尘传感器。SharpsGP2Y1010AU0F是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光。该传感器具有非常低的电流消耗。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比，其连线图如图3-6。-9-图3-6夏普GP2Y1010AU0F_粉尘传感器连线图粉尘传感器引脚如图3-7。图3-7粉尘传感器引脚第3.2节软件设计3.2.1.软件结构该程序主要有5个模块，初始化模块，显示模块，开关模块，AD模块和数据处理模块块。各个模块都有它们自个的功能和应用。-10-图3-8软件结构3.2.2.软件设计在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus有较高的推广利用价值。-11-目前Proteus的最新版为8.0,ARMcortex处理器被增加，在7.10中已经增加DSP系列（TMS320）。Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。经过反复的调试和检查汇编没有错误的情况后，将生成的51单片机的可执行的HEX文件。然后用51开发板想匹配的烧录软件把hex写入51单片机中。图3-9protuse仿真过程-12-图3-10单片机烧录软件界面-13-第4章系统测试第4.1节测试条件由便携带的电源提过的一个5V的直流电压来保证工作电压，为了检测仪器的正确性，我制造了几个密闭的透明盒子，保证其密闭性和可感测性和充分的氧气。里面分别有不同质量的秸秆燃烧后的空气残留，并进行逐一的检测。图4-1密闭的玻璃箱图4-2移动电源第4.2节测试过程测试过程非常的重要，这关乎到该仪器的精确度。经过研究和探讨我会一次按照下面的步骤进行测试。-14-连接电路和测试设备打开电源控制开关分别燃烧5个不同质量的秸秆在密闭玻璃箱内依次放入pm2.5测试仪分别记录数据处理数据关闭电源第4.3节测试数据随着正确和有效的测量方法和过程。取得了很多重要的数据和结果，我实时的记录了各次测量的数据。下面的图便是多次测量取得的数据和结果。不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4868130213289370表4第1次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4771139216288373表5第2次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4876136218292379表6第3次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4581142223295384表7第4次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4672144231301392表8第5次测量第4.4节测试分析随这进行了多次的测量，产生了大量的数据，我们必须对这么数据进行分析和探讨，实验的测量和进行必不可少的便是误差的存在，无法改变的系统误差和可改进的人为误差都会存在。多次测量后，仪器的误差不大，在可以接受的范围之内，可以使用。而出现的数据-15-越来越大，可能是上次燃烧的残留空气没有清干净，会注意到这些问题，以后多加该进。-16-结论本设计中，对基础电子原件各种方面的连接和使用的基础上，进行了可接受的组合，使其可以符合本设计的要求，这种组合是可以模仿学习和参考的，我们可以通过去体会生活中的一些问题，来提出解决方法和思考，这样我们会收益很多。PM2.5是一个中国新兴的环境问题，我们需要迫切的关注，当然我所设计的pm2.5值的检测仪器也基本能满足生活中的实时测量pm2.5的值，虽然有一点不完美，但是我相信在未来，在我们大家共同的学习研究下，没有攻不破的难题，会解决这些问题，让我们的生活更加完美，让环境越来越来好，让身体越来越健康。-17-参考文献1.中华人民共和国国家标准，GB30952012.环境空气质量标准.2012-02-29发布.2.张俊漠.单片机中级教程:原理与应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2006，10.3.赵娜.基于51单片机的温度测量系统M.西南石油大学，2009：6669.4.郑德忠.红外吸收粉尘传感器的设计M.燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，2012.5.韩铮.黑龙江省PM25监测现状及结果分析M.黑龙江大学，2013-01-12.6.刘睿鑫、张云、曹贯强.基于单片机的家庭CO和甲烷泄漏的检测、报警与排气D.中国矿业大学.2010.7.张灿.浅析PM2.5检测标准的制定D.华人时刊，2013，7.8.徐海霞.上海某高校学生宿舍楼内外PM2.5浓度的检测与分析M同济大学环境科学与工程学院，2013.9.商景林.PM2.5的呼吸防护M.第二十届海峡两岸及香港、澳门地区职业安全健康学术研讨会论文集，2013.10.张俊匠人手记一一个单片机工作者的实践与思考M北京：北京航空航天大学出版社，2008-18-致谢历时2个多月，本人终于将这一篇论文完成，心中真是感慨万千，过程中碰到了万千的困难和障碍，也无数次想到放弃，但都在同学，老师和父母的帮助下度过了，真是冷暖自知。尤其感谢我的论文指导老师丁建强老师，他在我无助的时候给与了我无私的指导和帮助，不厌其烦的进行论文的修改和改进。另外，在我查阅图书馆资料时，图书馆里的老师也给我提过了很多方向和帮助，在此我向帮助过我的老师和指导过我的老师表示由衷的感谢。感谢这骗论文所涉及到的各位专家和学者，本文引用了各位学者的幸苦的研究成果，如果没有各位的启发和帮助，我将很难完成这篇论文的完成，在此再次由衷的表示感谢。最后我也要感谢我的学校，苏州大些应用技术学院。感谢您对我4年的培养，让我有独自完成这篇论文的实力和知识，让我学习到了这么多宝贵的经验。由于我的学术水平有限，所写的论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友指正和批评。-19-附录：中英文文献翻译名称以太网网络电话传送调度：方法论和案例分析-20-附录1：实物照片说明图1传感器图2pm2.5工作图-21-附录2：部分源程序Adc源程序功能：将模拟信号转换成数字信号sbitADC0832_CS=P12;sbitADC0832_CLK=P10;sbitADC0832_DIO=P11;unsignedintA_D(bitflag)unsignedchari;unsignedchardat;ADC0832_CS=1;/一个转换周期开始ADC0832_CLK=0;/为第一个脉冲作准备ADC0832_CS=0;/CS置0，片选有效ADC0832_DIO=1;/DIO置1，规定的起始信号ADC0832_CLK=1;/第一个脉冲ADC0832_CLK=0;/第一个脉冲的下降沿，此前DIO必须是高电平ADC0832_DIO=1;/DIO置1，通道选择信号ADC0832_CLK=1;/第二个脉冲，第2、3个脉冲下沉之前，DI必须跟别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0ADC0832_CLK=0;/第二个脉冲下降沿if(!flag)ADC0832_DIO=0;/DI置0，选择通道0elseADC0832_DIO=1;/DI置1，选择通道1ADC0832_CLK=1;/第三个脉冲ADC0832_CLK=0;/第三个脉冲下降沿ADC0832_DIO=1;/第三个脉冲下沉之后，输入端DIO失去作用，应置1ADC0832_CLK=1;/第四个脉冲for(i=0;i#includeADC0832.H-22-/#includeLCD1602.H#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitGP2Y_LED=P37;uintPM_dat=0;uintk,p,a;uchartime_num1=0;bitflag1=0;sbitRS=P25;sbitRW=P26;sbitEN=P27;ucharLCD1602_Table=0123456789;/LCD1602显示标尺/0123456789abcdefucharcodeDIS