PM25检测系统毕业设计

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摘要

大气颗粒物污染对人类健康和生态环境造成了很大的影响，这让人们逐渐重视起对细颗粒物PM2.5检测技术的研究。本文阐述了PM2.5浓度检测的五种方法，在对上述各方法分析总结的基础上针对日常生活中PM2.5污染检测的实际需求，设计了一种PM2.5浓度检测的方案。本设计通过GP2Y1010AU0F粉尘传感器采集周边环境空气中PM2.5的浓度值，由ADC0832模数转换芯片将传感器输出的模拟电压转信号转换成数字信号，并将数据传送给单片机STC89C52。单片机分析处理数据得到最终的检测结果，将其显示在LCD1602液晶屏上。当检测到的PM2.5浓度值大于预先设置的PM2.5浓度值时，蜂鸣器和发光二极管发出声光报警。本论文对这些功能模块进行了设计，并制作电路实现了相应的功能。通过进一步的调试与集成，实现整个系统的功能，达到检测目的。

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移位等多种控制命令，很适合作本次设计的显示器。因此，本设计采用液晶LCD1602进行显示。

2.2.4模数转换芯片

本设计需要转换传感器输出的0-5V的模拟电压，ADC0832为8位分辩率的A/D转换芯片，其最高分辩可达256级，当输入信号最大值为5V时，此AD可以区分的信号的最小电压为0.01953V，能满足对本次设计模拟电压转换要求。另外ADC0832转换时间仅为32us，转换速度快且稳定，而且本次设计对转换时间的要求并不是很严格。此外ADC0832具有独立的芯片使能输入，使得处理器控制起来很便利。因此，本设计选择ADC0832模数转换芯片来对传感器输出的模拟电压信号进行转换。

2.2.5电源

本设计采用的单片机、传感器、A/D转换芯片、显示器等都是在5V电压下正常工作，所以本设计采用输出电压为5V的USB数据线供电，USB供电具有持续且稳定的电压输出性能，而且使用起来很便利。用5V蓄电池供电也是可取的。

2.2.6按键

本设计采用的按键并不是太多，只有1个参数增加按键和1个参数减少按键，不会占用太多的I/O口，因而采用独立式按键。每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响。这样可以使电路设计简单、编程也相对比较简单。

2.2.7报警装置

本设计报警系统由两部分组成，一是LED灯光报警，二是蜂鸣器声音报警。

2.3本章小结

本章主要介绍了PM2.5检测系统的总体方案设计和主要的硬件选择。采用5VUSB数据线供电；STC89C52单片机进行数据处理；GP2Y1010AU0F传感器采集PM2.5浓度值；ADC0832芯片进行模数转换；LCD1602进行数据显示；蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。

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三硬件电路设计

3.1主控制器模块

主控制器模块采用单片机最小系统。单片机最小系统能让单片机正常工作和实现其功能。单片机具有体积轻、重量轻、功耗低、功能强、性价比高等特点，在本设计的整个系统中起到了统筹作用，可以控制按键和接收传感器的各种参数，同时还能驱动液晶显示相关数据。单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路、输入/输出设备等构成。

本设计选用的单片机是STC89C52。STC89C52是STC公司生产的一种8位微控制器，具有8K字节的Flash程序存储器和512字节数据存储空间。共有40个引脚，4个八位并行I/O口，1个全双工串行口，5个中断源，2个优先级，3个十六位定时/计数器。STC89C52单片机的时钟电路引脚为XTAL1和XTAL2；控制信号引脚为RST，ALE，PSEN和EA；输入/输出端口为P0，P1，P2和P3［11］。

复位电路确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞（运行不正常）或死机（中止运行）时，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。一般有自动复位和外部按键手动复位，本设计为编程简单采用的是外部手动按键复位。STC89C52单片机P0端为开漏输出，内无上拉电阻。P0口在本设计中做输出用，为加大输出驱动能力加上拉电阻，本设计采用的上拉电阻为4.7K的排阻。

与复位电路同样重要的还有时钟电路。时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。本次设计外接石英晶体振荡器的振荡频率为11.0592MHZ。

STC89C52单片机的工作电压范围为3.8V-5.5V,所以本设计给单片机外接5V直流电源。主控制模块系统电路如图3-1所示：

图3-1单片主控电路

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3.2传感器模块

传感器模块主要是采集PM2.5浓度并输出一个模拟量。本次设计采用的粉尘传感器的工作原理是单片机给传感器LED端输入一个脉冲信号，粉尘传感器内部NPN三极管驱动此传感器的红外线发光二极管开始工作，发出检测光线。当检测光照射到粉尘上会发生折射。再由传感器内部的光电晶体管采集经粉尘折射后的检测光，转换成电压信号输入到A/D转换芯片中，经A/D转换芯片转换为数字信号传送给单片机。

本设计选择的是GP2Y1010AU0F粉尘传感器，它是一个采用光学传感系统的粉尘传感器。该设备由红外线发光二极管和一个光电晶体管成对角布置而成。它能够有效地检测到像香烟、烟雾等十分细的粒子，还可以通过脉冲模拟输出区分烟雾和灰尘。其接线端V-LED接电源正极，LED-GND端接地，接通这两个电源接口才能带动传感器内部发光二极管工作LED工作。LED端为串口数据输入端，Vo端为粉尘浓度模拟量输出端，S-GND接地，VCC接电源正极。GP2Y1010AU0F粉尘传感器插上电源1秒之内就会稳定，可以进行正常的检出工作。检出方法是从输出的电压来做判定。粒径较大的粉尘输出电压表现为间隔的、较高的脉冲信号。微弱粒子的输出电压表现为连续的、较高的脉冲信号［12］。

传感器的第一脚接了一个220uF的电解电容和150Ω的限流电阻。第三脚LED端接到单片机的P3^2外部中断0口，传感器是否开始工作是通过单片机P3^2口是否给LED端输入一个脉冲信号来控制的。第五脚Vo端是粉尘浓度的模拟量输出脚，接在模数转换器ADC0832的通道1上，传感器产生的模拟电压就是通过这个口传送给ADC0832的。第一脚和其次脚接电源正负极是给传感器内部发光LED供电的。具体电路图如图3-2所示：

图3-2粉尘模块电路

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3.3模数转换模块

模数转换部分在单片机控制系统中主要用于数据采集。通过转换粉尘传感器输出的电压信号提供PM2.5的各种实时参数，以便单片机对PM2.5浓度进行检测。模数转换器是架设在单片机和传感器之间的桥梁，在单片机控制系统中占有极为重要的地位。

本次设计采用ADC0832，它是一个8位分辩率A/D转换芯片，其最高分辩可达256级。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加便利

［13］

。ADC0832作为单通道模拟信号输入时的输入电压是0～

5V且8位分辩率时的电压精度为19.53mV。假使作为由IN+与IN-输入的输入时，可将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。

正常状况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。因此ADC0832的DO和DI都接单片机的P1^0，DI端输入通道功能选择的数据信号，D0端输出数据；时钟输入端CLK接单片机的P1^1；使能端CS接单片机P1^2；通道一CH1端是与传感器模拟电压输出端相连的。模数转换电路如图3-3所示：

图3-3A/D转换电路

3.4液晶显示模块

单片机接收到数字信号后，经过运算处理，在液晶显示器上面显示出最终的检测结果。在单片机系统中液晶显示器为主要显示器件。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加便利。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

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本次设计采用的是液晶LCD1602。字符型LCD1602的显示容量为16*2个字符，芯片工作电压为4.5～5.5V。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符图数字、字母、常用符号等，每一个字符都有一个固定的代码［14］。液晶VL端为对比度调整端，接电源正极对比度最弱，接地对比度最高；RS端为寄放器选择，高电平日选择数据寄放器、低电平日选择指令寄放器；RW端为读写信号线，高电平日进行读操作，低电平日进行写操作；E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平日，液晶模块执行命令；D0～D7端为8位双向数据线端。

液晶的命令操作脚是RS、RW、EN，分别接在单片机的P1^4、P1^5、P1^6脚。数据脚DB0～DB7分别接单片机的P0^0～P0^7口。VOL端串联一个2K的电阻接地，使液晶保持一个较高的亮度。具体电路图如3-4所示：

图3-4液晶显示电路

3.5电源模块

系统采用输出电压为5V的USB数据线为系统供电。电源接口电路如图3-5所示，其中DC5V为电池接口，SW1为电源开关，R6为二极管的限流电阻，POWER为电源指示灯，C5和C6为电源的滤波电容，当电源电压出现波动时电容的充放电可以减小电源电压的波动。

图3-5电源模块电路

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3.6按键模块

系统采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响。PM2.5浓度检测系统的浓度报警限值可以通过按键进行设置。一个参数加键，一个参数减键。具体电路图如图3-6所示：

图3-6按键模块电路图

3.7报警模块

系统采用声光报警。由于单片机驱动不足，所以本设计采用NPN型S8550三极管增加单片机驱动能力。当单片机的P1^3口输出低电平日，三极管的VE>VB>VC>0，三极管的发射结正偏，集电结反偏，三极管饱和导通，此时发光二极管和蜂鸣器发出声光报警。当单片机的P1^3口输出高电平日，三极管截止，声光报警中止工作。具体电路图如图3-7所示：

图3-7报警模块电路图

3.8本章小结

本章根据已设计好的系统方案和选定的硬件设计了包括单片机最小系统电路、传感器接口电路、A/D模块接口电路、液晶显示电路、电源接口电路、按键模块电路、声光报警电路的系统电路原理图。

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四系统软件设计

4.1程序功能分析

本设计的系统软件设计主要包括对主程序，ADC0832转换子程序、LCD1602显示子程序和定时器0中断子程序的设计。主程序主要负责浓度的实时显示和报警装置的报警；定时器0中断子程序负责驱动传感器工作；ADC0832转换子程序负责对传感器传送过来模拟信号进行转换，转换成数字信号；LCD1602显示子程序负责显示单片机处理分析过的PM2.5浓度值。主程序调用了ADC0832转换子程序、LCD1602显示子程序、定时器0中断子程序。

4.2系统程序设计

从系统要实现功能的角度来看，主程序的流程为：在完成各部分初始化之后，采集模拟输出电压，再根据采集到的电压值，通过拟合计算出PM2.5浓度值，显示在液晶上。拟合关系近似为y=0.5x+0.9（y为浓度值/mg?m，x为模拟电压值

［15］/V）。系统主程序流程图如4-1所示：

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图4-1系统主程序流程图

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系统初始化，所有I/O口都初始化为高电平，代码如下：P0=0xFF;P1=0xFF;P2=0xFF;P3=0xFF;

本设计系统采用的定时器0中断是为了驱动粉尘传感器，定时器0中断设定工作为方式1，每次进入中断后需要不断地重新赋值。在程序设计中，需要单片机产生周期为9ms脉宽为0.30ms的脉冲来驱动传感器内部的LED发光，并在0.28ms对信号进行采集。其流程图如图4-2所示：

图4-2定时器0中断程序流程图

定时器0中断函数赋初值，中断周期100us，代码如下：TH0=0xFF;TL0=0xA4;TR0=0;

count_100us++;

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ADC0832的主要作用就是把传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号，再由单片机处理。由于传感器的采集是从传感器工作0.28ms之后开始的，因此A/D转换也应在传感器工作0.28ms后开始。A/D转换开始后，开始选择转换通道，在DI端输入的两位数据为“1、1〞表示选择只对CH1进行单通道转换。A/D转换流程图如图4-3所示：

图4-3A/D转换程序流程图

ADC0832转换通道选择通道一，代码如下：Clk=0;DATI=1;_nop_();Clk=1;_nop_();Clk=0;DATI=1;_nop_();Clk=1;_nop_();

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液晶LCD1602显示首先自定义字符库，设置好DDRAM地址后在第一行显示，根据程序中的数据设置显示数据的首地址并设置循环量，在循环过程中不断取字符代码直至终止，其次行的显示过程与第一行的显示过程一样，两行显示完毕便终止子程序。流程图如图4-4所示：

图4-4液晶显示程序流程图

4.3本章小结

本章主要介绍了检测系统的主程序及主要子程序的设计，分别画出了它们的流程图。程序的编写是根据系统所要实现的功能和所选择硬件来编写的，是整个检测系统的灵魂所在。

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五安装与调试

5.1硬件安装

本次设计先进行电路原理图的设计，然后根据设计好的电路原理图列出元器件清单，并依照清单买回了元器件。在安装元器件之前首先检查了元器件的好坏，把每个元器件都检查了一遍，确保它们都是可使用的，这样防止了元件焊接好了才发现元器件本身是坏的现象的发生。在设计元器件在电路板上的位置时，做到了每个元器件都可以放置在上面，并且还做到焊接便利，接线不重复。在焊接过程中先焊接的是较低的元件，再焊接才是较高的元件。特别简单损坏的元件是在最终焊接的。在焊集成芯片时连续焊接时间都在5-8秒，没有超过10s，所以芯片都没有出现烧坏的问题，另外还特别注意了芯片的安装方向，免除了在接通电路后烧坏芯片。另外还特别关注了开关、三极管的接线，由于这些元器件的接口较多，因此在接线时单独制作了接线图。还有就是有的元件需要分正负极，也是特别注意的地方。由于检查知道元器件自身不存在问题，那么造成硬件设备的无法正常工作的原因一般来说就是焊接了。焊接造成的缺陷主要有以下几种：（1）焊锡连桥。即由于焊锡量过多使元器件之间发生短路现象。（2）冷焊。即焊接时焊锡没有充分地溶化使焊锡产生疏松的现象。（3）产生突尖。即焊接技术不够熟练造成焊点表面形成尖锐的突尖。（4）虚焊。即焊锡过少不足以包裹焊点。

焊接过程中依次排除了以上现象，最终成功焊接好了检测装置实物，如图5-1所示，（a）为正面，（b）为后面。

a

图5-1检测装置实物图

b17

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5.2程序调试

本次设计检测系统的控制程序是采用C语言编写的，对程序的调试是通过keilC51软件进行的。每次编写完程序，都要从头运行一次，若是出现错误，软件系统会发出警示并显示错误出现的地方。根据箭头的提醒，在对应的地方找出错误，改正后继续运行。重复这个步骤直到编译器不提醒程序还存在错误或者警示。把设计好的程序烧入液晶显示程序，看显示器是否正常显示。假使不正常，检测LCD1602液晶的各引脚的焊接状况，有没有虚焊，短焊，错焊的状况。显示正常之后，再参与粉尘检测程序，看粉尘检测是否正常。最终参与按键进行整机调试。最终的程序调试结果如图5-2所示：

图5-2程序调试结果图

5.3本章小结

系统的调试是设计过程中很重要的一环，不管是程序的编写还是硬件的安装，只有不断发现问题，解决问题才能完善系统，做出合格的检测系统。

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六结论与展望

6.1结论

本次设计完成了设计之初的所有要求，所设计的检测系统简单实用，适合群众对PM2.5浓度检测的需要。最终完成的装置所使用的材料价格低廉，检测装置简单便携，操作精度较高，还具有浓度限值可调理的优点。本设计是通过单片机与传感器技术相结合实现了对PM2.5浓度的检测。此次设计用单片机STC89C52作为控制中心，传感器GP2Yl010AU0F采集的颗粒物浓度，转换芯片ADC0832进行模数转换，液晶LCD1602进行结果显示，发光二极管和蜂鸣进行声光报警，按键设定报警浓度最大限值。通过这次设计将单片机与传感器技术应用在检测环境的质量上，提醒人们做出相应的安