【《基于单片机的空气质量监测器设计与实现》17000字（论文）】

基于单片机的空气质量监测器设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u35591.1课题研究背景 图4.1整体软件设计流程图所示。开始开始初始化初始化PM2.5检测PM2.5检测按键扫描按键扫描是是否否设置临界值设置临界值是否超过临界值是否超过临界值是是否报警否报警显示显示图4.SEQ图\*ARABIC\s11软件设计流程图4.2PM2.5采集软件设计GP2Y1010AUOF传感器和单片机通过串口进行通信，所以在软件设计部分主要是对串口进行控制。串口控制最主要的是波特率，单片机串口的波特率和GP2Y1010AUOF传感器的波特率要一致。这里设计为9600波特率，可以通过PC先验证单片机和蓝牙的通信是否正确，在进行单片机和蓝牙之间的通信。GP2Y1010AUOF传感器的波特率设置指令是AT+UART=9600，设置GP2Y1010AUOF传感器波特率为9600。串口的初始化，第一步设置工作方式，确定波特率，第二步设置计数器工作方式，第三步设置波特率不加倍，第四步为定时器装入初值，也是实现波特率的关键一步，第五步打开接收中断，第六步打开总中断，第七步打开计数器，整个单片机串口初始化完成。之后通过寄存器SBUF进行数据接收和数据发送即可。他的程序设计如图4.2所示。图4.SEQ图\*ARABIC\s12PM2.5采集软件设计流程图4.3按键软件设计按键的人软件代码设计很重要，如果按键判断错误，那整个系统的控制就会有问题。按键动作的检测主要在软件代码设计上，首先要分析按键动作机制，了解清楚按键动作才可以更好的设计软件代码。理论上按键就是开关动作，但是由于实际情况是机械动作转换为电信号，机械动作难免存在摩擦等情况，因为人手按下按键的机械动作存在抖动以及摩擦，所以在按按键的时候，真实情况是抖动的，所以导致按键开关是抖动开关，输出的电信号也是抖动状态，即为高低电平抖动，等人手按下按键稳定后，才输出稳定的低电平，这个抖动过程一般是3到5毫秒，因此在单片机扫描按键电信号的时候，需要在按键按下状态稳定后检测电信号，在软件代码扫描中第一次扫描到按键有效信号，此时并非真正的稳定信号，而是抖动开始或者干扰信号，所以待3到5毫秒后继续扫描，如果仍然是稳定信号，则表示按键按下。按键软件设计如图4.3所示。图4.3按键扫描软件设计流程图4.4显示软件设计LCD1602是专用的字符显示液晶屏，能够显示的内容包括字母、数字、符号等字符内容。可以满足大部分项目开发的需求。驱动芯片中有存储器，存储器有三种功能，DDRAM用于存储液晶需要显示内容的数据，包括所有能显示内容的数据，在控制的时候调用对应显示内容的数据到液晶屏，完成显示。液晶屏单个字符显示单元是5×7点阵式，需要显示任何字符，都可以在5×7点阵上显示出来，每个字符对应的数据都可以计算出来。DDRAM一共有80个字节的数据，作为液晶屏显示内容数据存储器，但是在显示的时候，液晶屏无法将80个字节数据全部显示，这样就需要应用移动指令控制显示数据，通过移动将未显示出来的内容进行移动显示。因此只需要把显示的内容数据写入到DDRAM，就可以完成显示。如果要显示数字1，直接将1对应的Ascll数据0x31输入到DDRAM中，就可以在液晶屏上显示出数字1。LCD1602是专用的字符显示液晶屏，能够显示的内容包括字母、数字、符号等字符内容。可以满足大部分项目开发的需求。驱动芯片中有存储器，存储器有三种功能，DDRAM用于存储液晶需要显示内容的数据，包括所有能显示内容的数据，在控制的时候调用对应显示内容的数据到液晶屏，完成显示。在代码中通过写命令写入要显示的数据，完成系统要求的显示内容，首先选择并口数据输入方式，然后设置基本的指令，对液晶屏进行清屏操作，对液晶屏光标进行复位控制，开启液晶屏的显示功能，设置光标不显示灯操作。清除显示存储器DDRAM。设置液晶屏显示内容地址，进行写地址操作，输入液晶屏显示内容，进行写数据操作。液晶显示软件设计及流程图如图4.4所示。图4.4LCD1602显示流程图4.5本章小结本章介绍了PM2.5测量报警仪软件部分，由系统框图、程序流程图为主，从设计的GP2Y1010AUOF传感器开始，根据GP2Y1010AUOF传感器的工作时序，阐述GP2Y1010AUOF传感器工作过程并用图形辅助、C语言编程实现PM2.5检测信号的传输转变过程与实施，后续完善PM2.5信号转化的信号平稳，从STC89C52的基础模块开始驱动获取原始数据，经过一系列的系统转化传递，产生了驱动信号，转而引入串口通信系统，从采用串口通信，阐述其在本设计中优点以及使用方式和介绍完善串口通信。由于PM2.5测量报警仪部分数据需要进行掉电保存，开始引入FLASH，用指针的方式读取、存储数据，由程序开始一步步实现该功能。最后由液晶LCD显示结尾，由屏幕显示各种需要的数据，液晶LCD的驱动流程出发，到界面显示。5系统测试5.1实物组装经过对系统进行软件代码设计之后，需要对软件代码的设计正确性进行验证。可以借助Keil开发环境对软件代码进行验证，Keil可以对软件代码进行编辑、编译、执行等操作。如果设计软件代码有语法错误，Keil会进行提示，加快项目开发周期。保证软件代码没有语法错误之后，对功能进行调试，实现系统所有的功能。Keil还带有BUG模式，能够更深入的对软件代码进行调试，在前期发现一些开发问题，尽早解决软件设计问题。Keil会对错误信息作出详细的提示，直接定位到错误所在位置，更加直接的调试代码，完成系统软件代码设计。系统的软件代码设计完成，可以借助Keil对代码进行验证，Keil可以完成系统的代码设计，同时也可以对代码进行验证，Keil支持大量品牌的单片机，可以开发对应的代码，完成代码的编写、测试等。Keil可以对代码进行编译，如果出现错误，可以对代码进行修改，知道编译出现0错误，就表示代码没有语法错误。Keil会准确的判断出代码错误的位置，具体在哪一行，然后分析代码后，对代码做出正确的修改。通过Keil可以在进行实物调试前对代码进行一定程度的测试，保证在实物测试前代码的正确性，减少不必要的错误带来额外的工作量，加快开发进度。最终通过硬件和软件设计制作出实物进行实验。在进行实物焊接制作前，需要先按照电路图置办所有的器件以及相关工具。相关工具包括烙铁、万用表、焊锡丝、飞线等工具。按照电路图的设计，先进行电源接口电路的焊接，因为电源是其他电路部分必须的部分，只有有了电源才可以进行测试。之后进行单片机系统电路的焊接，其他部分需要通过单片机进行控制，所以有了单片机这部分才可以测试其他功能，在制作好单片机部分后，要进行测量，保证这部分电路没有问题，才可以进行接下来电路的制作，在测量时首先要测量电源，用万用表导通档位测量电源是否短路，如果正常，通电后用万用表测量电源电压是否正确。进行其他电路功能部分焊接的时候，进行一个功能电路之后，就要结合单片机系统进行测试，测试是否有短路，测试电压是否正确，测试功能是否正确。最终完成实物的焊接制作，即可进行系统各项功能的测试。软件和硬件设计完成后，就可以采购器件进行实物组装，实物装需要按照电路图进行焊接，各个模块之间也有组装顺序，首先是电源、主控制器电路、其他模块。电源需要保证没有短接，在进行其他模块的焊接，实物如图5.1所示。图5.1实物组装图5.2液晶显示上电测试上电测试时必须保证系统电源没有短路的情况，如果出现短路，系统的很多器件都可能被烧坏，甚至整个系统都要从新制作。使用万用表测试系统是否短路，在上电之前保证系统不短路，上电后首先观察电源指示灯是否正常，如果没有正常点亮，马上关闭电源，进行测量。如果电源指示灯正常，观察液晶显示状态，一步步观察各个功能状态，如果所有可观的功能状态正常，就可以对系统各项功能进行操作演示，验证系统各个功能是否达到最终的要求。液晶上需要显示PM2.5浓度。如图5.2所示，液晶显示第一行显示0.000μg/m3表示设置当前PM2.5浓度值，液晶第二行显示250μg/m3，表示设置报警值。图5.2液晶显示图5.3报警值设置上电测试系统启动后默认PM2.5报警值为250μg/m3，这个数据能够通过按键进行调试，如图5.3所示。图5.3报警值上电测试5.4PM2.5检测上电测试PM2.5浓度采集，此时液晶显示320μg/m3，报警值为250μg/m3，此时PM2.5浓度大于报警值，红色指示灯亮，蜂鸣器响。如图5.4所示。图5.4PM2.5检测上电测试5.5本章小结本章介绍了PM2.5测量报警仪测试部分，由仿真和实物测试为主，从设计仿真电路图开始，根据系统电路设计绘制仿真电路图，阐述仿真运行工作过程并对各个功能进行验证，通过仿真验证系统设计功能，包括PM2.5检测功能、液晶显示功能、按键控制功能、报警功能。然后采购器件，组装焊接实物，动手焊接调试，通过实物验证系统设计功能，包括PM2.5检测功能、液晶显示功能、按键控制功能、报警功能。最终实现PM2.5测量报警仪。6结论本设计主控制器选用的是STC89C52，控制系统是PM2.5测量报警仪的核心单元，该单元一定程度上直接影响PM2.5测量报警仪的性能。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。外部复位电路的设计可以实现让用户进行手动复位单片机的功能。PM2.5浓度数据采集模块选用的传感器是日本夏普公司生产的GP2Y1010AUOF传感器，此传感器内部成对角分布的红外发光二极管和光电晶体管，利用光敏原理来工作。用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘。依靠输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。显示模块选用的是LCD1602,它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。报警模块选用的是蜂鸣器报警以及LED灯报警。由GP2Y1010AUOF传感器采集当前被测环境的PM2.5浓度值，产生模拟电压信号，传送给ADC0832模数转换器进行模数转换，输出数字信号传送给单片机，再由单片机内部进行处理，且当前浓度值会实时在LCD1602上显示，如果超过设定的阈值，单片机就会发送一个低电平信号给蜂鸣器和继电器，蜂鸣器会进行报警功能，继电器会打开开关，接着风扇会启动，继而实现净化空气的功能。该产品未来可以不单单只检测PM2.5，还可以检测PM10，在一个显示屏上可以同时显示两种不同微粒的浓度值。参考文献[1]ZhangYu;ChenXi;MaoYanying;ShuaiChenyang;JiaoLiudan;WuYa.AnalysisofResourceallocationandPM2.5pollutioncontrolefficiency:evidencefrom112Chinesecities[J].EcologicalIndicators,2021(127)[2]SantiagoJ.L..Estimatesofpedestrianexposuretoatmosphericpollutionusinghigh-resolutionmodellinginarealtraffichot-spot[J].ScienceoftheTotalEnvironment，2020，(14):10[3]ChenBuwei;MaWen;PanYu;GuoWei;ChenYunsong.PM2.5exposureandanxietyinChina:evidencefromtheprefectures[J].BMCPublicHealth,2021(21):1[4] \t"/kns8/defaultresult/knet"何强,\t"/kns8/defaultresult/knet"文卉.基于单片机和DSM501测量PM2.5[J].环境科学与资源利用，2014(16):27-28[5] 兰冰芯,谌海云,陈东,吉宁.基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现.[J].环境科学与资源利用，2014(11):32-34+38.[6]陈曦.基于单片机的PM2.5检测系统设计[J].电子技术与软件工程，2018(11):253.[7]姚展.基于单片机的PM2.5检测仪设计[J].价值工程,2019(07):154-156.[8] 董昭,张玮玮,王胜琰.基于单片机的PM2.5浓度检测装置设计[J].安阳工学院学报,2018,17(06):28-32.[9] 曾玲俊,陈振良,莫小灵.基于单片机控制的甲醛值灰尘雾霾测量温湿度报警器设计[J].中外企业家,2018(21):122.[10]张恒奕.基于单片机的PM2.5检测报警系统的设计[J].电子制作,2018(22):11-12+14.翟龙涛,李庆才,高勇善.基于单片机控制的甲醛空气净化器的设计与研究[J].电子世界,2016(22):55+57.[11]文彪,明立娟.基于单片机的空气质量检测仪设计[J].科技创新与应用,2018(13):