【基于单片机的PM2.5检测系统设计与实现（论文）8700字】

第1章绪论1.1研究背景及研究现状由于目前我国一些地区比较重视重工业的发展，工业废气大量排放，对其净化治理的程度不够，因此其不合理排放的这些污染物会直接破坏空气环境，其中较为直观的一个数据表现就是会造成PM2.5值显著增大，此外还有其他的一些人为因素。PM2.5不同于其他可见的污染物，这种颗粒物直径非常小，如果吸入到人体的呼吸道或者是肺部的时候，极易引起相应的一些症状，轻者可能会引发咳嗽，更严重的甚至还可能会影响肺部循环并引发相关其他的疾病，对人体的生命安全威胁是非常巨大的REF_Ref5960\r\h[2]。PM2.5污染物也会给社会景观带来很大的破坏，因为由此带来的天气会是灰蒙的现象，会覆盖到一些植物绿化或者是建筑物表面，失去其原有的色彩。因为PM2.5污染的形成通常来说是由于这两个方面，一方面是一些人为的原因带来的，比如说汽车排放的尾气或者是焚烧垃圾或者是吸烟等情况。还有就是由自然因素引发的，比如说火山爆发等，这些也可以危害空气质量。所以无论是人为造成的还是自然灾害造成的，由于PM2.5的污染在各个方面带来的危害都是非常大的，公众必须要足够重视REF_Ref6257\r\h[3]。按照目前世界卫生组织所调查的数据能够发现，每年因为PM2.5浓度超标造成的危害，给一些国家造成的经济损失都是非常巨大的，并且对于人体的身体健康影响也是在每年递增。所以无论是在国内还是在国外，对于PM2.5智能监控系统以及相关的空气污染物制定标准，都有了很大的进步和改善REF_Ref6682\r\h[4]。对于空气污染物这方面的研究，我国相较来说开始的比较晚。因为在改革开放之初，我国比较重视重工业的发展，因此对于环境污染物监测和治理方面来说，并没有进一步得到关注。但是从1982年以后，我国对PM2.5等一些污染物的着重研究逐渐开始提上日程，是因为出台了相关的质量标准REF_Ref6832\r\h[5]。并且在此基础之上，我国更加关注了空气质量健康的监控系统，一些科研人员得到了国家的大力支持，取得了一些研究成果REF_Ref6953\r\h[6]。并且提出了建立完整的PM2.5监测标准的系统。目前我国的市面上也很常见一些智能化的PM2.5监测仪系统，但是这种监测仪系统往往成本造价非常高，还不能广泛的进行推广REF_Ref7021\r\h[7]。目前在国外已经形成了比较智能化的，并且可以远程监控的PM2.5监控系统，这种监控系统往往依托国外的互联网技术或者是精确的传感器技术来进行检测，其检测精度是非常高的，做的产品也在海内外非常的受欢迎REF_Ref7155\r\h[8]。并且国外的智能化的PM2.5监控系统往往集成度非常高，还有一些大量的监控系统，依托单片机技术，实际操作起来更为的简单，但是功能却是非常强大的REF_Ref7227\r\h[9]。1.2本文的研究意义实现智能化的PM2.5监测可以有以下两点意义：（1）可以保护自然环境。近些年在我国的一些城市，比如说北京石家庄等非常发达的城市，经常会出现这种现象，就是白天和黑夜一样昏暗，没有一点阳光。并且有时候会大雾弥漫，形成一些灰霾，这些灰霾就是PM2.5造成的。会给整个城市的各个方面带来很大的破坏，使城市看起来非常的不美观，也不利于人们的出行，对于城市的整体面貌上来说也是不好的。所以如果拥有一款智能方便的PM2.5检测显示系统的话，就能够及时的做出反应，相关的工作人员以及相应的管理部门可以加大对一些企业的整顿，从而保护城市大气环境，减小PM2.5带来的恶劣影响。也有利于树立城市一个环境美好，空气清新的标签REF_Ref7328\r\h[10]。（2）可以保护居民身体健康。人体的呼吸系统，比如说鼻腔口腔等可以抵挡住一些直径比较大的颗粒物，从而避免其影响到呼吸道功能。但是PM2.5是一些非常小的颗粒物，这种颗粒物对于人体呼吸系统来说是没有办法剔除的。所以如果一旦呼入浓度过高的PM2.5的话，这些颗粒物就会直接进入到人体的鼻腔，口腔和肺部，从而影响人体的上呼吸道和下呼吸道。一旦这些颗粒物在肺部堆积的过多，就可能引发一些炎症的反应。更为严重的是，如果这些PM2.5颗粒物的表面上附着很多细菌的话，那么就会加大肺部疾病发生的概率，甚至会诱发肺癌。所以如果拥有一款智能化的PM2.5监控系统的话，就可以时刻的提醒居民注意现在的空气质量。无论是室内封闭场所或者是户外，如果PM2.5数值偏离正常范围，居民都要尽可能离开这个区域，或者是更新空气，使自己避免受到细小颗粒物的污染。从而能确保人体的身体健康，确保人体呼吸系统的健康REF_Ref7423\r\h[11]。综上所述，以单片机为控制核心的PM2.5空气污染物检测显示系统的需求是非常大的，未来市场的前景也非常好。能够使人们自觉提高大气环境保护的意识，也能够时刻的监控和关注居民生活中空气质量的情况REF_Ref7495\r\h[12]。1.3本章小结本章节详细说明了该设计研究的背景与其发展现状，当今国内很多地区PM2.5污染现象极其严重，我国对其重视程度日渐提高，但现有相关监测设备不易安装且不利于大范围普及，针对这些问题，提出本论文的主要研究内容，即基于STM32的智能小型PM2.5监测显示系统，并讨论了本设计对自然环境和人体健康所能实现的现实研究意义。

第2章PM2.5检测系统的整体方案设计2.1PM2.5检测系统的方案设计图2.1为本系统的总体设计框图，其核心控制元器件选择使用STM32单片机，接通电源进行供电之后，就可以使其进行工作，然后PM2.5传感器采集相应的PM2.5值。在单片机的控制之下，借助于蓝牙模块，这些数值就能够被传输给移动手机端的APP，用户不需要去到安装检测装置的场所，只需要在APP端就能够随时的清楚检测区域的PM2.5浓度。整体的设计非常的方便，非常的智能化，可以使用户远程的实时了解到所检测区域的PM2.5数值。并且整体的方案设计本着模块尽可能简单化，成本尽可能低的原则，同时保证功能尽可能丰富。STM32单片机STM32单片机电源模块手机APP蓝牙模块PM2.5传感器图2.1系统的整体框图2.2元器件的选型2.2.1单片机的选型在PM2.5测量显示系统的设计之初，因为需要对控制的主体芯片进行选择，根据功能需求，制定了以下三种方案：方案一：可以通过STC89C52单片机来控制PM2.5传感器测量数据，然后借助于蓝牙模块实现数据传输。由于这种方案设计中STC89C52单片机开发程度是比较大的，并且蓝牙模块的传输距离也会受一定的影响，非常的不稳定，所以没有采取这种方案。方案二：选择使用ZigBee芯片作为主控单元。ZigBee芯片这种芯片具有可以无线数据传送的功能REF_Ref7815\r\h[13]。而且因为其特有的传输协议，即便是在远程数据传送的过程中也依然能够保证稳定。但是这款芯片往往造价成本非常高，对于传统的PM2.5检测系统设计来说并不是十分的适合，所以也没有选取这个方案。方案三：通过STM32单片机来控制PM2.5传感器测量数据，然后借助于蓝牙模块实现数据传输。本设计选用STM32F103RCT6单片机，其外设十分丰富，其工作所需电压范围仅有几伏特，功耗相对来说是比较低的，制作成本也不是很高，使用起来非常容易，适用于本设计的控制电路。综上所述，通过仔细对比以上三种构想方案各自的优劣势，最终选择采用方案3。通过STM32单片机，并且通过负载蓝牙功能来完成本PM2.5检测显示系统设计。其中方案3中的STM32单片机元器件如图2.2所示。图2.2STM32单片机2.2.2蓝牙串口的选型因为要涉及到无线的数据传送功能，把监测出的PM2.5值呈现在手机APP端，所以就需要使用到蓝牙模块。本设计选取的元器件型号是HC-05串口式，该蓝牙模块是极插式的操作模式，只需要将其插入到杜邦线的接口中，就可以使其正常的工作REF_Ref8491\r\h[14]。它的使用是非常简单的，但是它数据传输非常的稳定，并且传输的速度同样非常高，不会有丢包的现象发生，对于本设计来说是非常适合的。该蓝牙模块的实物图如图2.3。图2.3蓝牙模块2.2.3PM2.5传感器的选型本设计中用来测量PM2.5浓度的元器件是GP2Y1010AU0F粉尘传感器，其实物图如图2.4所示。利用其圆形孔，能够把PM2.5粉尘的含量较为准确的测量出来。其原理是当光照射到PM2.5颗粒的时候，会发生相应的散射现象，从而光的信息会发生改变，根据光路的改变信息，经传感器就可以反馈为PM2.5的含量值REF_Ref9382\r\h[15]。在这种检测过程当中，无需对所测试区域的空气样本进行任何处理，操作方便。其次该种传感器的造价成本是非常低的，在市场上可以非常轻易的获得，并且这种传感器的电路连接非常简单，易上手进行操作。图2.4GP2Y1010AU0F传感器2.2.4电源模块的选型本PM2.5检测系统所需的供电电源是直流5V电压，使用移动手机设备的充电头转换器接通电源供电较为合适，因为电流输出比较稳定，避免使用充电宝等设备进行供电，电压可能不是很稳定，无法确保系统正常的工作。另外，需要接入电源指示灯，便于直观了解供给电压是否稳定。2.3本章小结本章节首先根据该检测系统的相关功能需求制定了总体设计框图，然后介绍了需要用到的STM32单片机，PM2.5粉尘传感器模块，蓝牙串口以及电源模块等部件所选取的元器件型号，分别介绍了各模块的功能特点，工作原理以及选型原因。第3章系统的硬件设计3.1单片机电路设计图3.1为本设计中STM32单片机的电路图，其中该单片机设计有3个USART，分别为串口1的USART1_RX和USART1_TX，串口2的USART2_RX和USART2_TX，串口3的USART3_RX和USART3_TX，需要注意的是STM32单片机的40引脚需要接入3.3V的电压。本设计中使用的是STM32单片机的最小电路，系统的复位电路是上电复位REF_Ref9611\r\h[16]。其中内部采用晶振的大小为8MHz，这样能够很方便的配置系统主频为72MHz，达到最高工作频率，对于本设计系统是非常合适的。图3.1STM32单片机电路原理图3.2PM2.5传感器模块设计本设计中用来测量PM2.5浓度的元器件是GP2Y1010AU0F粉尘传感器，这款传感器是基于光学检测的原理，在进行电路图绘制的时候需要测试传感器的引脚REF_Ref9085\r\h[17]。该模块的电路图如图3.2，其中PM2.5传感器会将检测到的数据信号传送到STM32单片机，该过程的实现需要将PM2.5传感器的3引脚与单片机的PA10相接到一起。图3.2PM2.5传感器电路原理图3.3蓝牙串口模块设计本设计中选取HC-05蓝牙串口模块来实现对手机端的无线发送数据功能，该模块的电路图如图3.3。在绘制电路原理图的时候需要注意，蓝牙串口模块中的2引脚要和单片机的PA2引脚相连接，通过USART1进行相关的测试，并与本单片机的PA引脚相连接，移动手机端通过蓝牙串口连接，然后开始检测。图3.3蓝牙串口电路原理图3.4电源模块设计本检测设计的电源是通过5V电压来进行供电的，该模块的电路原理图如图3.4。其中电源座的1和2引脚需要共地，同时还需要将阻值为1K的电阻与电源指示灯串联一同接入，接通电源之后会直观的看到指示灯能否正常的亮起，便于发现是否有供应电源不稳定的情况。整个系统最好使用移动手机设备的充电转换头进行供电，避免使用充电宝，因为充电宝所提供的电压有时候是不稳定的，无法保证正常运行。图3.4电源模块电路原理图3.5转换模块设计在电脑端程序开发软件编译完成之后，需要将对应的程序传送到单片机当中。图3.5为该转换过程的电路原理图，其中一端需要连接到单片机，另一端用USB口与计算机端相连接，本设计中该转换过程主要是借助于CH340，可以把USB中传送过来的数据先转化成TTL逻辑电平，然后再发送给单片机，其中触发该转换过程也需要晶振的参与。图3.5USB转TTL电路原理图

3.6系统总电路图系统总电路图如图3.6所示：图3.6系统总电路图3.7本章小结本章主要介绍该PM2.5监测显示系统设计的硬件部分，详细说明核心单片机的电路设计，PM2.5传感器模块、蓝牙模块和电源模块的电路原理图设计REF_Ref30240\r\h[18]，介绍了各模块的工作原理及其功能和特点，并把单片机与选择好的各个传感器模块结合起来，讨论本设计的总电路图如何连接以及各引脚的注意事项REF_Ref31197\r\h[19]。

第4章系统的软件设计4.1主程序流程图设计图4.1为本论文主要程序的设计流程。对该系统进行供电完成之后，首先要对STM32单片机执行一次初始化操作，然后对其他的各个模块也要初始化。初始化完成之后就可以对环境中PM2.5具体数值进行检测。然后整个系统中的判断是PM2.5检测是否成功，如果能够检测成功的话就会借助蓝牙模块将数据结果传给手机APP端，然后这一次循环就结束。如果PM2.5没有检测成功的话，那么就会重新创建开始任务，重新进行一次PM2.5检测，直到检测成功以后结束整个循环。开始开始结束STM32单片机初始化各个模块初始化创建开始任务PM2.5检测发送到手机APPPM2.5检测成功？是否图4.1主程序流程图4.2PM2.5检测程序流程图图4.2为PM2.5检测过程的程序流程图。首先需要对PM2.5传感器进行预热，一分钟预热完之后就可以进行相关的检测。开启定时器一毫秒，然后定时器就会产生相应的中断，产生中断之后需要判断STM32的单片机的PA10引脚是否为低电平，如果为低电平的话，就会进行30秒周期检测，如果30秒周期已经检测完的话，就会根据STM32内部的计算公式，求出PM2.5的浓度。如果30秒周期没有检测完成的话，就会返回上一步，再一次进行检测，然后直到显示成功，整个程序运行结束。开始开始结束预热一分钟开启定时器1ms定时器产生中断，判断PA10引脚电平30s检测周期已到？求PM2.5浓度NY图4.2PM2.5检测程序流程图4.3本章小结每一个模块的正常工作都需要相对应的程序才能实现，本章简要说明该PM2.5监测显示系统设计的软件部分，主要介绍了本设计的主程序和PM2.5的检测程序，其具体过程使用流程图的方式来加以说明。第5章调试与分析5.1系统的硬件调试5.1.1硬件电路焊接本设计焊接完毕后需要做硬件的调试，其中硬件调试的主要步骤和内容如下：（1）确保焊接正确。在硬件电路图设计完成之后需要进行焊接，通常焊接是一起把所有的元器件进行焊接的，但是这种焊接方法如果不是焊接的太仔细的话，一定会有一些错误的发生，因此首先在焊接的时候需要制定好焊接的顺序，按部就班进行。这样既可以保障焊接过程中不会出现错误，另一方面当出现错误的时候，也非常的有利于寻找焊接的错误在哪里，从而能够及时的修改和调试。（2）对照原理图核对。焊接完成之后需要对照设计的硬件原理图进行每个模块的核对，在本系统核对的时候，就需要认真检测PM2.5传感器模块，蓝牙模块，电源模块以及单片机模块，检测这些模块的焊接是否和PCB图设置的一样，其PCB板图如图5.1所示，如果有焊接不一样或者设计有问题的话就需要及时的进行修改。图5.1PCB板图（3）用万用表进行检测。通过万用表来检测各个模块的引脚焊接是否都完好，因为有些焊接点非常小，很难直接发现。这个时候就需要借助到万用表来检测各个元器件的引脚是否存在虚焊的地方，如果有虚焊一定要及时的重新进行焊接。在重新焊接的时候一定要把以前的焊锡弄掉，避免以前的焊锡产生焊接不牢靠的影响。（4）用示波器进行检测。示波器的检测精度比较高，使用示波器来检测一些传感器的连接引脚，结果相对来说会更加准确。因为有一些器件的引脚是有信号发生的，但是对于数据线来讲就没有信号出现，所以正确的使用示波器能很快并且很准确的发现器件中的错误，极大地减少检测花费的时间，同时也保证准确率。但由于示波器价格较为昂贵且不易获得，如果条件允许，可以在实验中通过示波器进行相关的检测。5.1.2实物组装调试图5.2为整个PM2.5检测系统的焊接实物图，其包括整个设计的硬件组成模块，所有模块都是通过焊接在洞洞板上进行工作的。因为洞洞板相比于其他的电路板来说，更加有利于进行焊接，并且更有利于调试，本设计最终选择的是洞洞板。图5.3是手机端显示数值的软件，利用该监控软件可以实现无线数据监测。利用手机端进行监测的时候，首先要进行蓝牙连接，和电路板中的蓝牙进行连接后，才可以进行正常的工作。本设计上电开始工作之后，要注意电源指示灯的亮灭情况来确保供给电压是否稳定，在使用的时候要首先选择用手机充电头来进行供电。整个检测系统性能设计非常的合理，能够实现对于PM2.5进行智能化监控，并且各个元器件的造价成本比较低，有利于进行试用和推广。图5.2焊接实物图图5.3手机端测试图5.2系统的软件调试系统的软件烧录是通过mcuisp软件实现的，如图5.4所示。其操作的过程是，首先通过Protues软件编写程序和烧录，通过CH430端口来连接电脑和单片机，然后连接完成之后就需要使用到mcuisp应用软件。但是在进行烧录的时候，一定要把单片机上的触点用电烙铁点开，才能够进行正常的烧写。当程序完全收入到单片机中之后，那部分面积就可以进行正常的工作了。如果发现有某个功能不能够正常的实现，就需要重新检查该模块的程序编写是否有问题，通过相关的编译来检查语法的错误并且及时的进行修正REF_Ref10617\r\h[20]。图5.4程序烧录软件5.3实地监测分析5.3.1数据监测该设计完成之后分别对居住的学校宿舍楼内、户外公园以及工厂附近和交通路口进行了实地相关测试，其测试数据如下表所示：表5.1宿舍楼内数据监测表单位：mg/m³日期8:0012:0016:0020:00平均3月30日0.080.130.110.100.113月31日0.100.130.120.110.124月1日0.090.160.110.130.134月2日0.080.150.140.130.13表5.2户外花园数据监测表单位：mg/m³日期8:0012:0016:0020:00平均4月1日0.100.110.080.060.084月2日0.090.110.090.080.094月3日0.100.130.120.070.104月4日0.160.250.180.120.18表5.3工厂附近数据监测表单位：mg/m³日期8:0012:0016:0020:00平均4月3日0.350.380.430.390.394月4日0.440.530.600.410.504月5日0.360.410.400.380.394月6日0.380.390.420.400.40表5.4交通路口数据监测表单位：mg/m³日期8:0012:0016:0020:00平均4月3日0.250.280.240.220.244月4日0.380.460.370.260.374月5日0.230.260.250.240.254月6日0.240.270.260.250.265.3.2数据分析通过在以上4个实际地点进行相关的监测，可以得到以下结果。（1）由表5.1可知，类似于宿舍这种封闭性的室内环境，空气的污染值相对来说是比较小的，并且由于室内空气流通性差，与外界交互不是特别的充足，所以一天之内各个时间段所测量的数值相差不大。（2）由表5.2可知，户外花园中PM2.5是非常低的，不难发现，由于绿化设施建立的非常完善，面积很大的人工湖、各式各样的草木树林以及加湿器等环保设备对周边环境空气质量的提升起了很大的作用，并且通过数据对比可以看到，一天之中夜晚的空气质量相比白天有所提升。因此，尽管花园内的自净能力明显高于其他环境，但是花园里一天之内所承受的游客流量大小仍然会显著影响其空气质量的高低。某个固定范围之内，制造PM2.5的可能因素越小，相对应的空气质量也就越高。（3）由表5.3和表5.4可以得出，大型制造工厂附近和城市繁忙交通路段的PM2.5数值比其他环境中的浓度要高出很多REF_Ref9062\r\h[21]。一方面是因为工业生产发展势头逐年迅猛，近年来高效率高产能发展的背后也对应着高污染滥排放，并且很多企业所投入的环保设施跟所造成的的污染指数不成正比。另一方面，随着汽车行业的日益渗透，小轿车几乎走进了每个家庭的生活，道路上机动车的数量较往年相比成倍数增加，机动车尾气大量产出也加剧了大气污染。并且，综合上述几个调查表发现，在清明节这一天，所测量的各个环境的PM2.5浓度都较其他日期高出很多。由此可见，节假日人流量大幅的增多，其次在很多地方存在焚烧祭品和燃放爆竹的现象，这些都直接引起了PM2.5污染物的含量增多。5.4本章小结本章首先说明该PM2.5监测显示系统设计的硬件电路焊接注意事项及测试过程，然后说明本设计实物的组装原理，从这两个方面来介绍本设计的硬件调试过程。在软件调试部分简单说明了程序使用的开发