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文档简介
基于单片机的空气质量检测目录TOC\o"1-3"\h\u31587一、前言 124061二室内空气质量检测系统方案设计 229389(一)系统需求分析 212277(二)设计要求 212648(三)基本框架原理 216192三室内空气质量检测系统硬件电路设计 426710(一)单片机最小系统模块 465681单片机的选用 4211562时钟模块硬件电路 522523单片机晶振电路 511055(二)显示操作模块 6319711独立控制键电路 617542LCD显示模块的电路设计 7119463报警电路 723888(三)传感器模块 8147391温度传感器 873882光电传感器 9145193粉尘传感器 9189914烟雾传感器 1010555红外传感器 1129436四室内空气质量检测系统软件设计与实现 1222859(一)系统软件总设计 12130161主流程程序设计 12207882温度测量模块程序设计 12173483PM2.5传感器监控子程序 1322297(二)系统硬件调试 1482561时钟模块调试 14119762湿度模块调试 14109833光线模块调试 15200544系统运行环境温湿度读取测试 1812246(三)测试结果分析 1911865五、结论 2030326参考文献 213676附录 23基于单片机的空气质量检测一、前言到如今目前国内外的空气质量检测系统的研究成果取得了很大的进展,空气质量检测系统被广泛应用在各种领域。但是我们国家的国土面积较大、人口分布范围广和监测坏境复杂,现有的检测站不能满足现阶段的监測需求。国有站点之间的分布距离较远疏于对工厂、乡镇、学校等较为分散地点的检測。而且需要检測的地点的数量众多,建立国有站点的检測设备成本高,因此不可能在这些地点建立单独的监测站点。所以现在使用经济实惠实用的室内环境实时监测系统也越来越有必要。室内环境检测系统不仅仅只局限于大气污染的雾霾,还可以对生活中的温度、湿度及空气质量的度进行调节和把握。比如说,需要一个适宜的湿度,适合我们居住,避免各种有损身体健康的空气进入身体,影响健康。所以,为了人们的身体健康,且为了有一个更健康的生活环境,利用所学知识设计了一个微型的室内空气质量检测系统,经济适应还方便,一个小的空气质量检测仪会给我们带来很大的便利,可以随时得到身边空气质量的数据,注意身边安全。本设计根据现代的家庭的当务之急和生活环境设计基AT89C51单片机的实用性的智能空气质量控制器,并利用光强度传感器BH1750FVI,温湿度传感器和红外线传感器管。其取代了传统的手动操作,以一种人性化的工作模式适应人们日益追求简单、方便、舒适的生活方式。因此,空气质量监测系统的设计具有重要意义,具有良好的应用前景。本论文就是从各个角度来编写设计这个软件和程序,利用在学校里学到的知识,最后设计出该作品。
二室内空气质量检测系统方案设计(一)系统需求分析在总体方案设计中以各子系统的传感器作为信号传感器,使得设计的检测部分稳定、准确。以空气质量检测各用电器作为信号输出的执行原件,操作简单,容易实现。AT89C51单片机作为主要的控制原件,经济实用方便容易携带,减少了软件硬件的复杂性。并且应用了按键控制以及显示电路,极大的提升了本设计的方便性。本设计的主要原理是光敏电阻和温度传感器受到外界条件影响后,经过A/D转换,传送给单片机一个电信号,在由单片机经过处理后,将信号传给执行设备,控制设备做出相应的动作,最终实现控制设备的开闭。在实现一般应用的基础上,又添加了定时元器件电路,用户可以自己设定开关时间,使空气质量检测系统自动化性能得到进一步提升。通过室内空气质量检测系统建立安全有效的防御体系,实现防火、防盗、防毒等方面的安全防范;提供智能化,方便灵活的生活方式,实现监控和高效可靠的工作模式,实现信息采集、整理、分析的数据自动化处理平台。(二)设计要求以单片机为基础通过传感器和显示器获得室内的温度、光电、粉尘等各项数据。(三)基本框架原理(1)设计主要包括硬件和软件的设计两部分。硬件模块包括:单片机最小系统模块、显示操作模块、传感器模块。其中传感器模块包括温度传感器、光电传感器以及粉尘传感器。软件系统包括:主流程序设计、温度测量模块程序设计、键盘子程序设计、PM2.5传感器监控子程序。(2)用户可以按键盘的指示和按钮实现自己的目标,很好的实现人机交互。(3)显示屏主要显示用户按下按钮所对应的数字,以便用户在当前情况下更清楚地了解遥控器的工作情况。(4)AT89C51是红外报警器的核心控制部分。单片机的可编程和运算特性决定了AT89C51的核心控制功能。检测火灾、环境信号,如果有危情发生会自动触发传感器,实现危情报警通知。智能控制报警系统是智能化家居的重要组成部分,其能够在第一时间检测到危险信号并对其进行报警。其具体的工作原理为,无线控制报警系统利用智能传感器信号采集,采集宏处理器的信号处理和传输,触发程序实现声光报警功能。具体框架如如下所示。。开始开始程序初始化判断检测系统初始化状态打开关闭是否有强光或者较大湿度,毒气是否有弱光或者湿度低,毒气否否向红外模块发射关窗信号向红外模块发射开窗信号执行图2.1智能室内环境网络化控制系统三室内空气质量检测系统硬件电路设计(一)单片机最小系统模块1单片机的选用本文以AT89C51单片机微处理器作为主控制器,采用美国ATMEL公司生产的低电压,特殊的程序存储器,随机存取存储器,高性能的CMOS八位单片机4K字节的读写数据和128字节(RAM)装置,采用ATMEL公司的高密度的非挥发性存储器的技术和生产标准的MCS-51的命令,八的芯片一般单片机中央处理单元(CPU)和闪光灯单位互换。如果RST继续高水平,单芯片,周期,以重置状态。复位后,宏处理机的程序从最初开始。宏处理程序系统说明图3.1。目前的宏系统开发系统只不过是模拟系统,但用户提供的最小系统不能提供。根据设计要求,小型的控制单元。单片机系统硬件电路原理图如图3.1所示。图3.1单片机系统硬件电路原理图图3.2AT89C51单片机系统的硬件电路原理图2时钟模块硬件电路DS1302和微控制器连接只需要三行,采用三线SPI接口与CPU同步通信发送时钟信号或多个字节的RAM中的数据。本次系统设计中系统时钟所采用的晶振为50MHz的有源晶振,活跃的晶体主要使用3.3V直流电源,该电源系统时钟电路。如果采用锂电池或组扣电池当作电源,会导致系统功耗増加,电源转化效率低。为减小功耗,提升电源转化效率,经过多种方案对比,采用明纬电子该时钟电路是单片机最小系统中常用的系统时钟电路,这样的话稳定性好,减少损耗。图3.3时钟模块硬件电路3单片机晶振电路各电路使用振动电路发生的信号。图3.5所示,XTAL1相反的放大器的输入,理想状态下,在如图所示的电路中,输入端的电压值应该保持一致,但在电路在实际工作过程中,输入端和输出端电压值存在一定的误差,为消除两者之间的误差,需要对输入端和输出端的电压进行拟合矫正。其电路图如下3.5所示。图3.5单片机晶振电路(二)显示操作模块1独立控制键电路本文的键盘可以根据设置的温度的阈值来观察报警灯的工作状态,使调节的过程中更加安全可靠。键盘是人机交互的重要部件。本设计用主板的独立键盘实现了这两个功能。与单片机的PO口相连,八个键盘分别控制插板的时间运行情况,其中P0.0控制插座的开启和停止,P0.2控制插座的定时加,P0.4控制插座定时开,每按一次,时间增加一个等级。P0.6控制插座减,若定时为最低等级,则定时保持不变,否则每按键一次,定时减少一个等级。键盘操作模块有一个4x4的小矩阵键盘对系统硬件的基础部分,可以设置温度和感光值、烟度、时间和其他系统设置。按键电路图如图3.6所示。图3.6按键控制原理图2LCD显示模块的电路设计显示电路主要通过键盘,实现家庭基本需求功能的设定、电流参数等。12864液晶模块的这十六常用字行表示。为了更直观的观测检测到的数据,采用显示屏显示是一种最有效方式之本文采用GT911的7寸显示屏模组,它的分辨率为800*500,支持RGB888输出格式,自带白色背光电路。7寸屏显示模组具有50脚,其中24脚用于RGB数据的传输,其他引脚包括电源线、地线、SDA、SCL、RESET和INT。其中SDA和SCL作为C总线的接口,最高速率可达400Kbps,单片机可以通过IIC接口对GT911的内部寄存器进行配置。RESET用于系统复位,NT引脚为中断控制引脚,可对GT911的中断进行控制与同一类型的黑客帝国液晶模块,该模块的液晶模块方案更简单,价格也稍微下一点是同点图形液晶模块。图3.7数据显示部分3报警电路当温湿度或气体浓度超出正常阈值时,及时为人们提供报警是非常重要的,因此本系统设计了如下图所示的报警电路。单片机对IO口P3.0和3.1进行控制,E12和D9接在单片机的引脚上,当检测数值超出正常值时保持低电平。当检测数据高于正常值时,单片机给高电平,此时,电路会发出警报,蜂鸣器工作,达到报警的功能。报警电路如图3.8:图3.8蜂鸣器与单片机的接口电路图(三)传感器模块1温度传感器特殊的单总线技术,串口线的两侧,通过网络I/O口线与计算机接口,脚,具有单总线和IC两种不同的通信方式,可通过SCL信号线来选择,当SCL信号线上电后的电平值保持为低电平时,通信方式为单总线模式。上电时SCL保持高电平则为IIC通信方式。由于单总线方式通信协议简单且满足系统设计需要,因此本系统选择单总线通信方式,温湿度传感器和单片机的连接方式如图3-9所示。在硬件上,DS18B20与单片机有两种连接方式。一个是VCC,GND连接外部电源,另一种是由寄生电源供电。图3.9DS18B20管脚图2光电传感器为了根据自动控制系统的照明控制功能使用光的强弱自动控制系统的打开关关,感光元件。在本设计中,使用照片阻力。采用光控制原理。利用电压反转输入感光的光收集外部环境,暗的感光的抵抗特性,对亮抵抗少,确定逆电压输入值。图3.11光敏传感器光电传感器简单易用,从输入3.3V线和残疾时的低电平输出信号正确地检测到高电平。当有光线发生变化时,系统能捕捉到这一信号从而做出反应。3粉尘传感器本文采用P2Y1010AUOF粉尘传感器,可以检测到细小的颗粒,散射光经过光电转换器转换成光电流,从输出的电压来进行分析和判定,用来测量0.8微米以上的微小粒子。再通过内置的处理器把数据用串口发出来。图3.12PM2.5粉尘传感器接线图由于设计使用的粉尘传感器检测输出信号是模拟信号不能被单片机处理,则需要将测得的模拟信号通过转换成数字信号后送入单片机。这里的PCF8591模数转换芯片采用四个单端输入,并将PCF8591的AIN0引脚接传感器的5号(VO模拟信号输出)引脚,利用程序模拟I2C总线协议通讯过程,通过的SDA(P3^2)和SCL(P3^1)引脚读取数字模拟量转换值后送入单片机进行读取。4烟雾传感器烟雾传感器、气电转换器,它将空气中的可燃气体含量(或浓度)转换成电压或电流信号,模拟到数字的转换通过A/D转换电路以AT89C51单片机,然后由单片机AT89C51完成数据处理、报警处理和集中控制。MQ-2型烟雾传感器的设计采用了这两个锡氧化物半导体气敏材料,属于表面离子型N型半导体。图3.12有毒气体检测电路图5红外传感器红外传感器工作原理与红外线有关,当环境温度改变时,这样可以相互抵消,避免出现检测误差。热释光的200B型热释电红外传感器晶体可以防止不必要的红外或其他光进入传感器。另外,当环境温度发生变化时,两个晶体的参数同时发生变化,相互抵消,避免了检测误差。在数据采集模块中,采用AT89C51单片机作为前端报警采集中心的控制单元,主要完成采集数据的处理,实现对单片机外围电路的控制。红外采集电路如图3.13:图3.13红外采集电路四室内空气质量检测系统软件设计与实现(一)系统软件总设计1主流程程序设计图4.1主程序流程图2温度测量模块程序设计系统温度数据采集、显示、上传至串口的程序流程图如图4.2所示。数字温度传感器DS18B20将模拟温度信号转换成数字信号,并通过串行通信输出。经过多次实验调试,验证系统功能实现的可行性。图4.2数据采集、显示、上传至串口的程序流程图3PM2.5传感器监控子程序本文研制的基于多传感的空气质量检測设备采用ZH03B传感器测量户外颗粒物的含量,MHZ14有两种输出方式,PWM输出和UART输出。本设备选择UART输出方式,不使用奇偶校验,先输出1位起始位,接着输出8位数据,最输出1位停止位,无奇偶校验位。波特率设置为9600H列。当环境温度改变时,这样可以相互抵消,避免出现检测误差。热释光的200B型热释电红外传感器晶体可以防止不必要的红外或其他光进入传感器。另外,当环境温度发生变化时,两个晶体的参数同时发生变化,相互抵消,避免了检测误差。该传感器可以通过主动上传和应答式两种不同方式返回颗粒物浓度值,本设备采用主动上传方式更加简单快速。如果没有按键按下,则执行PM2.5的检测和判断PM浓度值是否过大,超过设定值时则报警并通过LED显示出来。如果检测到有按键按下,则通过加减按键改变PM的设定值,并判断设定值是否要保存下来,当保存按键按下后,则将设定值保存过后执行PM2.5的检测和判断PM浓度值是否过大,超过最大值报警后通过LED显示,程序依次循环执行。(二)系统硬件调试硬件系统的正常工作是设备功能实现的基础,因此在进行硬件模块组装前需要进行硬件測试,调试。芯片引脚的短接、虚焊和引脚的对应位置错放,元器件的正负极放错都可能会引起硬件模块的供电的异常,造成器件的短路。因此对硬件系统进行测试至关重要,需要一步步不断的测试,调试,达到预期的结果。1时钟模块调试空气质量检测设备采用7寸LCD显示屏模组将温度和湿度检测等信息显示出来,显示屏数据以每秒1次的频率不断刷新,达到实时更新的mudi。LCD显示程序如图下图所示,系统上电后。显示屏会自动初始化。通过开始界面,显示提示信息,调用温度子程序,设置温度。通过模数转换器采集A\D值并求其平均值。调用BCD码转换子程序将其转换为十进制温度值;调用显示子程序,如果温度高于实际温度,就加热,反之拨动开关关闭,停止加热。在此过程中,还可以重复设置温度值。完成初始化后进行相关GP1O的配置工作。这些配置过程包括时钟、片选和相关引脚定义。编写主函数和接口函数主函数表示LCD屏显示的流程,通过调用接口函数完成显示相关的功能。经过24小时多的时间测试,测出和网络时间吻合,如图4.3时钟电路和程序正常。(a)测试前的走时(b)24小时之后的走时图4.3时钟模块调试2湿度模块调试图4.4所示湿度传感器模块通常用来比较室内湿度和湿度和湿度传感器的湿度(湿度值为55%湿度到81%湿度),达到了预期的效果。(a)室内湿度值(b)加湿器后的湿度值图4.4湿度传感器调试3光线模块调试在对着窗子较强的光线强度和室内灯光调试对比(光线强度由224Lx减少到148Lx),表示测试的功能是正常的,数据跟着情况的发生在不断的发生改变。测试图如图4.5所示。图4.5光线强度传感器测试调试如图4.6所示,系统原本的运行参数是室内温度界限29℃和室内湿度界限99%。若需要将系统的参数设置为室内温度界限28℃和室内湿度界限85%,设置对应的阈值。图4.6系统原本的运行参数将数据输入命令信息计算软件,其中VER和CID1两个数据与上节中一致分别为21和80,ADR系统默认值为FF,可得到设置系统参数的编码为49H则在CID2处输入的数据为49,参数数据的信息包含在INFO项中,参数的格式为温度传感器数量、室内温度界限高八位、室内温度界限低八位、湿度传感器数量、室内湿度界限高八位和室内湿度界限低八位,室内温湿度的数据均以16位的数据表示,如28℃则为280用十六进制表示为0x0118,同理可得室温度界限16℃用十六进制表示为0x00A0,室内湿度界限85%用十六进制表示为0x0352,所以INFO项数据分别为02、01、18、00、0A、02、03和52,综上可得输入软件中的数据位21FF804902011800A0020352,按下回车键即可的命令信息的数据,如下图3.5所示。图4.7计算设置系统参数的命令信息将SCAII码格式的数据输入串口调试助手,发送至下位机系统中,同时调试助手接收窗口中就会收到返回信息,如下图4.8所示。图4.8将设置系统参数命令发送至系统再次查看系统显示面板中的系统参数,如下图4.9所示,从图中可以看出系统的运行参数已经设置成功。图4.9系统参数设置后的界面4系统运行环境温湿度读取测试按本章前两节的测试方法,在命令信息计算软件中输入数据21FF8042,按回车计算命令信息数据,如下图4.10所示。图4.10计算读取面板温湿度的命令信息将SCAII码格式的数据输入串口调试助手,发送至下位机系统中,同时调试助手接收窗口中就会收到返回信息,如下图4.11所示,从返回的信息中可以看到以十六进制表示的温湿度,经换算后与面板显示的温湿度数据一致,说明面板温湿度读取成功。图4.10将读取环境温湿度命令发送至系统(三)测试结果分析图4.11实物测试通过以上的测试可以看出该系统运行正常,将命令信息发送至系统,系统能够正确的返回响应信息为了避兔误触报警的发生,在语音报警模块需要进行一些数据处理。在语音报警程序中需要连续三次循环读取气体浓度值和温湿度值,每次都和设定的上限值进行比较,只有读取数据三次都超过上限值时,才会触动语音报警,所以表示桌管情况是正确的。管理员可以对室内的仪器设备信息和系统报警阀值进行适当的修改。当室内环境出现异常时,系统将自动发送报警信息到管理员的手机上进行报警。通过测试结果可知,系统基本完成了预期目标。
五、结论目前,空气质量的安全在居民的生活中正占据着越来越重要的地位,因此空气质量检测具有良好的发展前景和广阔的发展空间,在不远的将来,必将拥有更为强大的功能并且占据更为广阔的市场。本课题首先从整体上对该系统进行设计,对系统按照功能实现的不同进行模块的划分。本文的工作大致分成三个部分。(1)第一部分主要是依据环境来达到数据的采集,在这部分内,主要工作集中在选择传感器并且对数据进行采集的功能的实现、硬件的设计实现、完成系统的调试。(2)主要是环境数据的处理,在这部分内通过设计的软件程序构建数据的显示体系并包括报警反馈机制。(3)第三部分主要是对整体硬件和软件体系进行测试,对各个模块的功能、数据处理、数据传输、显示等进行测试,对整体功能进行测试,并根据测试反馈进行完善。本论文是基于多气体传感器的空气质量检测仪设计,论文的研究内容包括电子系统、传感器和空气质量检测等多个方面去设计。经过不断的检测,不断的去调试己经完成了设计目标。
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致谢时光如流水,转瞬即逝来到了毕业季。很荣幸的加入南昌理工学院之中的电子与信息学院这个大家庭,在这个我敬爱的母校中度过了我那最美好的青春。在这个学校里,不止学习到了知识,还教会了我人数中重要的为人处事,还认识了很多可爱的同学,敬爱的师长们!在这个几年里面,磕磕绊绊中慢慢长大,中间遇到了很多有意思的事情,也遇到了不少的挫折,但是因为有可爱的同学,敬爱的老师,在其中给了我很多的帮助,不断的鼓舞我去往前走,告诉我不要害怕。正是因为有老师同学们的帮助与鼓舞,让我积极向上,往前看。很舍不得这个母校,舍不得敬爱的师长们,可是人总是要长大,要走向社会,走向属于自己的人生。学习给了我知识,给了我人生的道理,教会我长大,让我去成为一个对社会有贡献的人!谢谢在我可爱的同学,敬爱的师长们!老师们的教诲,家人们的期望,带着青年人应有的自信与从容面对今后的未来,也愿自己能不负众望,砥砺前行,带着此间获得的收获走向自己新的人生旅程。
附录附录A:总体原理图设计开始开始程序初始化判断检测系统初始化状态打开关闭是否有强光或者较大湿度,毒气是否有弱光或者湿度低,毒气否否向红外模块发射关窗信号向红外模块发射开窗信号执行附录B:部分程序源代码#include<reg52.h>#include"eepom52.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#include<intrins.h>//液晶段选定义012345 6 7 8 9 ucharcodesmg_du[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff}; //断码//液晶位选定义ucharcodesmg_we[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef};//ucharcodesmg_we[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};uchardis_smg[8]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8}; ucharsmg_i=3;//显示液晶的个位数sbitSCL=P3^4; //SCL定义为P1口的第3位脚,连接ADC0832SCL脚sbitDO=P3^3; //DO定义为P1口的第4位脚,连接ADC0832DO脚sbitCS=P3^2; //CS定义为P1口的第4位脚,连接ADC0832CS脚sbitdq=P3^5; //18b20IO口的定义sbitbeep=P3^6;//蜂鸣器IO口定义uchardengji,s_dengji;//烟物等级ucharshoudong;//手动报警键uinthuoyan;bitflag_300ms;ucharkey_can; //按键值的变量ucharmenu_1;//菜单设计的变量bitflag_lj_en; //按键连加使能bitflag_lj_3_en; //按键连3次连加后使能加的数就越大了ucharkey_time,flag_value;//用做连加的中间变量bitkey_500ms;ucharflag_clock;ucharzd_break_en,zd_break_value;//自动退出设置界面uchara_a;/**************开机自检eepom初始化*****************/voidinit_eepom(){ read_eepom(); //先读 if(a_a!=1) //新的单片机初始单片机内问EEPOM { s_temp=50; s_dengji=5; a_a=1; write_eepom(); } }/***********************18b20初始化函数*****************************/voidinit_18b20(){ bitq; dq=1; //把总线拿高 delay_uint(1); //15us dq=0; //给复位脉冲 delay_uint(80); //750us dq=1; //把总线拿高等待 delay_uint(10); //110us q=dq; //读取18b20初始化信号 delay_uint(20); //200us dq=1; //把总线拿高释放总线}/*************写18b20内的数据***************/voidwrite_18b20(uchardat){ uchari; for(i=0;i<8;i++) { //写数据是低位开始 dq=0; //把总线拿低写时间隙开始 dq=dat&0x01;//向18b20总线写数据了 delay_uint(5); //60us dq=1; //释放总线 dat>>=1; } }/*************读取18b20内的数据***************/ucharread_18b20(){ uchari,value; for(i=0;i<8;i++) { dq=0; //把总线拿低读时间隙开始 value>>=1; //读数据是低位开始 dq=1; //释放总线 if(dq==1) //开始读写数据 value|=0x80; delay_uint(5); //60us 读一个时间隙最少要保持60us的时间 } returnvalue; //返回数据}/****************按键处理液晶显示函数***************/voidkey_with(){ if(key_can==4) //紧急报警键手动报警 { if(menu_1==0) shoudong=1; } if(key_can==1) //设置键 { menu_1++; if(menu_1>=3) { menu_1=0; } if(menu_1==0) { dis_smg[0]=smg_du[temperature%10]; //取一氧化碳浓度的显示 smg_i=3; } if(menu_1==1) { dis_smg[0]=smg_du[s_temp%10]; //取个位显示 dis_smg[1]=smg_du[s_temp/10%10];//取十位显示 dis_smg[2]=0xbf; dis_smg[3]=smg_du[10]; //显示A smg_i=4; } if(menu_1==2) { dis_smg[0]=smg_du[s_dengji%10]; //取个位显示 dis_smg[1]=0xbf; dis_smg[2]=0xbf; dis_smg[3]=smg_du[11]; //显示B smg_i=4; } } if(menu_1==0) { if((key_can==2)||(key_can==3)) shoudong=0;//取消手动报警 } if(menu_1==1) //设置高浓度报警 { if(key_can==2) { if(flag_lj_3_en==0) s_temp+
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