【《基于单片机的发电厂供煤车间环保系统设计》7100字】

绪论研究背景在我国大部分地区的火力发电厂中，供煤车间应该是最脏最累的了，粉碎煤炭的过程中会扬起漫天的灰尘，会严重损坏工人们的身体。因此，需要为工人们提供能够检测温湿度以及PM2.5灰尘浓度等环境参数的专业检测工具。传统测试办法效率低，满足不了人们的需求。使用单片机STC89C52作为控制核心，选用多种传感器硬件模块和软件数据处理模块配合使用，就能对工厂环境的温湿度、光照和PM2.5等作高效便捷地数据采集与剖析，假设环境出现异常情况，以单片机STC89C52作为控制中心的处理系统可以及时报警，还可利用串口在PC机上进行管控。本文是基于STC89C52单片机设计了一款针对发电厂供煤车间的环境监测系统，该系统可对PM2.5、温度进行实时监测。通过不断地调试测试，该车间环境检测系统基本做到了对工厂车间各个标准量的准确测量并进行报警，可应用于发电厂供煤车间环保系统等环境控制领域[6]。研究内容本系统的预备实现的功能是设计一个发电厂供煤车间用，集和了粉尘浓度测量、温度测量和湿度测量的多功能检测系统，更加适用在发电厂供煤车间的室内监测系统。他还需要较高的测量精度，操作更简捷，使用成本更低。在经过多次实践考察，分析了如今社会上使用的多种用来检测发电厂供煤车间空气的方式方法之后，我决定使用单片机作为我的控制核心，将我所需要的各种检测功能全部使用相关的传感器来实现，再加上我们曾用过的LCD显示器件以及实训实现的蜂鸣器作为相关功能的补充。主要完成的设计内容如下:

(1)主控制器模块，使用STC89C52单片机作为控制单元。

(2)温湿度检测模块，使用DTH11传感器采集温湿度数据。

(3)灰尘浓度监测模块，使用GP2Y1010AU0F传感器。

(4)报警模块，使用蜂鸣器进行报警处理。

(5)显示模块，采用数码管显示模块显示测量值。系统总体设计系统硬件设计方案本系统设计主要以STC89C52单片机为核心单元，各种环境检测传感器电路作为分体式探测单元。整体系统工作时，我们所添加的各个环境检测传感器会按时采集和量化周边环境中的灰尘浓度和温湿度，并传输相关数据到单片机中与提前设定的数值区间做一次对比,假设传感器采集到周边环境的数据数值在设定的区间以内，那么只需要使单片机把数据传输到我们所使用的LCD显示器中显示出来，并发出测试命令给传感器系统，再一次执行环境数据的采集工作程序;假设收集的数据信息超出所设定的数值区间,单片机通过设定的输出端口发送报警信号到报警电路模块。总体结构框图如图2.1所示。图2.1系统结构图系统软件设计方案本系统可以通过温湿度模块实时检测当前环境的温湿度，通过PM2.5传感器检测环境的PM2.5值，并且在LCD1602液晶显示屏进行实时显示。同时系统可以通过按键设置报警值，当温湿度或PM2.5值超出设定置时进行声光报警。系统通过模块化的设计使得整个系统工作效率提高了许多，首先系统完成初始化，打开串口中断，温湿度传感器STH11开始工作之后灰尘传感器开始工作在通过按键设置的时，检查按键标致位是否为0，如果不是则进行各个模块参数设置，检测是否超过设定值当按键标致位为0，当串口标致位为0，开始将串口接收到的数据通过单片机发送到显示器LCD1602上，并将串口数据清零，当串口标致位为1则关闭串口中断检测比对结果是否合理如果不合理则进行声光报警，如果合理就进行重复开启串口中断开始重新读取温湿度和灰尘浓度，进行新一轮检测。整体工作流程如图2.2，图2.2工作流程图系统硬件设计在硬件设计中，采用模块设计方法，分别设置了CPU模块、温湿度传感器模块、灰尘传感器模块、LCD液晶显示模块、按键电路模块、报警电路模块。CPU模块该工厂车间环境监测系统选用了STC89C52单片机作为主控芯片，这个单片机是我们在单片机相关课程学习实验过程中所应用最多的一款性能高的处理器，我们在学习中了解到它是电子技术发展过程中功能优秀使用广泛并且相关资料比较健全，操作也是更加简便，具体也是比较熟悉。该单片机可以满足小型系统设计所需功能的的各项检测控制功能。在发电厂供煤车间设计系统中把他作为环境监测系统的核心部分。芯片管脚连接该设计电路中，用单片机I/O接口中的P0接口作为LCD液晶屏的数据接口，运用并口数据传输形式，P2接口中的P2.0、P2.1、P2.2等接口作为信号输出接口，分别接LCD的RS、R/W、E控制端;P2.3口接温湿度传感器SHT11的SCK接口，P2.4口接温湿度传感器SHT11的DATA接口，P2.5、P2.6、P2.7接口衔接按键电路。P1接口的P1.0、P1.1、P1.2接口分别接A/D转换模块ADC0832的控制端，P1.4接口连接起报警作用的蜂鸣器。VCC:电源。GND:接地。PO:这8个管脚构成了单片机四个I/0口中的P0口。P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节[1]。P1:1～8管脚8个管脚构成了单片机I/0口的P1口（P1.0~P1.7），此接口是一个自带片内上拉电阻的输入/输出口，P1口的输出缓冲器的输出电路和输出电压可以驱动4个TTL负载。对端口写入二进制“1”状态时，内部的上拉电阻把端口拉至高电位点，此时该端口作为输入端口。当外部的引脚电平被外围负载拉低时由于内部上拉电阻的存在，引脚就会输出一个电流，此时作为输出口使用[2]。

P2:P2口能有效地扩展单片机储存空间，可以达到256字节，也可以叫作高8位的地址数据信息[1]。P3:P3在做为I/O口时功能和工作原理和P1口相同，同时，在我们设计过程中，我们把P3.0和P3.1口用做串行连接时的信号传输端口，P3.2复用做外部中断0的信号输入口，P3.3复用做外部中断1的信号输入口，P3.4作为定时器0的外部信号输入，P3.5作为定时器1的外部时钟信号输入，P3.6为外部存储器写选通，P3.7为外部存储器读选通REF_Ref477869107\n\h[1]。XTAL1端口：用作震荡放大器以及晶振部分电路的输入端REF_Ref477869107\n\h[1]。XTAL2端口：用作震荡放大器的输出管脚REF_Ref477869107\n\hREF_Ref477869107\n\h[1]。

图3.1STC89C52管脚分布图单片机最小系统复位系统就是在程序运行过程中突然出现问题时，我们可以按下复位键通过我们设定的复位电路重新开机，是程序系统重新初始化。时钟电路是单片机控制系统的核心单元，作为核心自然是必备的一条电路。因为我们选用的单片机型号并没有时钟钟振荡电路，所以我们必须设计加上这条电路。图3.2晶振电路和复位电路温度湿度传感器模块设计DHT11温湿度模块介绍DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程：湿度20-90%RH，温度0~50℃。采用4针单排引脚封装，连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供REF_Ref4738\r\h[9]。DHT11传感器实物图如图3.2所示：图3.2DHT11传感器实物图(1)引脚介绍，如下表3.1表3.1温湿度传感器的引脚说明名称注释VDDDATANCGND电源串行数据空脚接地(2)电气特性：VDD=5V，T=25℃，如表3.2，表3.2DHT11的电气特性参数条件Minmax单位供电DC35.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次温湿度检测电路在本系统中使用的温湿度传感器DHT11，作为我们已经在实验过程中学习的一款数字温湿度传感器。该传感器具备极高的可靠性与卓越的长期稳定性。它使用一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件对环境中的湿度和温度完成采集处理，通过一位引脚实现数据的传输。如图3.4所示。图3.4DTH11硬件连接PM2.5灰尘传感器模块设计PM2.5检测模块介绍在本设计系统中使用惠普光学灰尘传感器检测灰尘浓度PM2.5，它的功能是检测我们肉眼难见的灰尘颗粒的具体浓度，并通过单片机在我们使用的LCD中显示出来具体的数值，是当前社会空气检测比较常用的一款传感器。其功耗极低。为了方便数据转换，输出模拟电压到单片机中作为他的检测结果进行数据比对，模块主要参数如下表3.3所示：表3.3PM2.5模块参数参数参数值电源电压工作温度消耗电流最小粒子检出值灵敏度5-7V-10-65摄氏度20mA最大0.8微米0.5V/(0.1mg/m3)PM2.5检测电路介绍在此模块的内部，一个红外发光二极管和一个光电晶体管，成对角布置，可以检测到空气中漂浮的灰尘所反射过来光，然后根据灰尘的大小或者多少输出模拟的电压值，此电压值与所测得的粉尘浓度成正比，敏感度为0.5V/0.1mg/m3[8]。此模块只有三个引脚引出，除了正极VCC和负极GND以外，只有数据输出口与单片机的P3.0I/O口相连，其电路连接图如下图3.5所示：图3.5灰尘传感器硬件连接图LCD显示模块设计LCD1602液晶模块介绍LCD1602是常用的小型显示器，采用了2x16字点阵字符式液晶显示。LCD1602模块采用16引脚接线,适用了串行口与单片机进行通信，显示屏与单片机的接口线数量明显减少，包括电源正极和负极在内的接口线只有少量，使单片机的I/O口的使用数量更少，效率更高。同时它支持多种通信协议，包括串行通信协议，SPI通信协议，通信速率可以达到达4Mbps，显示数据的速度非常快，几乎没有延迟时间REF_Ref4738\r[9]。LCD管脚设置如下表3.4：表3.4LCD管脚设置管脚名称功能描述VSSVCCV0RSR/WED0-D7RESET电源地电源正对比度数据/命令寄存器选择端读/写选择端使能信号8位双向数据线复位LCD的连接电路因为芯片的管脚非常丰富，所以LCD的连接方式使用并口。LCD的连接方法如图3.5，LCD的VSS端口连接5v电源，VDD接地，RS接STC89C52单片机的P2.2端口上。R/W接STC89C52单片机的P2.1端口上。管脚E接STC89C52单片机的P2.0端口上。如图3.6所示，图3.6LCD连接电路按键电路模块设计如图3.7是按键电路，因为在我们所设计的车监控空气检测系统需要方便工人操作那么我们就必须使用更加简单的设置方式。基于此我们使用了独立按键输入，按键B1(设置）、B2（增加）、B3（减少)断开时，端口P2.5、P2.6、P2.7上的信号为高电平，按键B1、B2、B3闭合时，端口P2.5、P2.6、P2.7上的信号变为低电平。图3.7按键电路报警电路模块设计如图3.8，在发电厂供煤车间环保系统系统中，需要体现声光报警的功能，同时考虑到简洁方便，于是在本次设计中，使用了最常用的声光报警，将单片机中的P1接口作为报警电路输出接口，当接收到报警信号时，LED灯亮，蜂鸣器开启，提醒工人采取相关措施改变车间内环境质量，在未来可以配合智能车间控制系统，就能实现自动化无人操作，方便工人工作又安全环保。图3.8报警电路本章小结本章主要介绍了系统的硬件设计，包括STC89C52单片机、温湿度传感器SHT11、惠普光学灰尘传感器、LCD1602等硬件的选用，以及各个引脚的操作指令，设置独立按键的意义和作用，让我更了解元器件的功能和作用，方便之后进行硬件的总装，完成整个设计的基础。

软件设计软件系统设计本系统的软件设计运用了C语言编程，软件系统全部对应硬件部分，使用模块结构完成所有软件系统的设计。由系统主控制程序、温湿检测子程序、PM2.5值检测子程序、光照强度检测子程序、时钟驱动子程序、液晶显示子程序、声光报警子程序、按键检测子程序等组成REF_Ref25625\n\h[5]。其结构如图4.1所示。图4.1软件结构方框图主程序设计系统工作流程首先进行初始化检测系统功能是否正常，之后检测是否有键按下，如果有则进行按键处理子程序设置温湿度和灰尘浓度的检测报警范围并显示在LCD1602显示器上，如果没有按键按下则开始检测灰尘浓度以及温湿度如果检测结果显示超出理想范围则进行声光报警程序提醒进行处理，如果检测结果正常则进行实时显示。如图4.2所示，图4.2主程序流图显示模块程序设计显示模块进行工作时先对各个管脚进行设置通过传感器采集数据并转换成字符串显示在显示器上，如图4.3所示，InitLcd1602();//初始化液晶str_T[0]='T';定义管脚LcdShowStr(0,0,str_T);//温度显示到液晶屏上LcdShowStr(0,1,str_H);//湿度显示到液晶屏上 图4.3显示程序流图温湿度测量模块程序设计当温湿度监测模块开始工作时，首先程序控制开始启动传输命令，然后传感器进行数据采集，当数据为0时重新检测，当不为0时读取数据进行比对。如图4.4所示，if(U8FLAG==1)break;//判断数据位是0还是1，如果高电平高过预定0高电平值则数据位为1U8comdata<<=1;U8comdata|=U8temp;//0}//rof }设置以下变量均为全局变量温度高8位==U8T_data_H温度低8位==U8T_data_L湿度高8位==U8RH_data_H湿度低8位==U8RH_data_L校验8位==U8checkdata//主机设为输入判断从机响应信号P2_0=1;if(!P2_0) //T! {U8FLAG=2; while((!P2_0)&&U8FLAG++);U8FLAG=2;while((P2_0)&&U8FLAG++);图4.4温湿度测量流图PM2.5检测子程序设计当PM2.5监测子程序开始工作时首先打开数据的传输当采集到的数据在合理范围发送到A/D转换模块进转换。数据处理完成之后进行数据的显示。如图4.5所示，Value1=adc0832(0x00);//PM2.5检测Value1=Value1*(float)(Value1/15);//浓度校准len=IntToString(str_pm,Value1);//转换成字符串while(len<3)//用空格补齐到3个字符长度{str_pm[len++]='';}str_pm[len]='\0';//添加字符串结束符LcdShowStr(8,0,str_pm);//显示烟雾浓度到液晶屏上图4.5PM2.5检测子程序流程图本章小结本章主要进行了整个系统主要软件系统的设计，包括主程序，温湿度监测子程序，PM2.5监测子程序等，完成了整个软件系统的调试并在测试软件上输入进行整个系统功能的模拟测试。我对整个设计系统更加的了解，认真学习实践了大学专业课程的内容，对整个系统的设计更加的感兴趣，养成良好的设计习惯。

系统测试测试环境在完成系统的总体思路设计、硬件电路设计、系统软件程序设计之后，还有一个非常重要的工作就是系统软件和硬件的调试。总的来说系统的调试包括软件仿真与调试、硬件测试与调试、软硬件整体调试等三大部分组成。硬件调试是根据电路图检查电路有没焊接错误，特别是引脚的焊接，软件调试是对的程序进行调试，查看系统执行有没有按照之前规定的执行，系统整体调试是将硬件和软件结合，组成系统之后进行联合调试，检验其整体性能。针对系统的功能分别在高温、潮湿以及灰尘浓度高时进行了测试。测试过程对于硬件测试:(1)断开开关，使用万用表检测线路，同时最重要的是核对元器件的型号和规格是否符合设计要求。(2)重点检测电路正负极，其中是否出现短路现象。(3)通电后观察LED指示灯是否能够闪亮，显示屏是否显示正常数据。对软件的调试：(1)语法出现错误在程序运行中，出现语法错误，应该及时去修正，有一个很实用的方法，通过检测出的问题，进行比较分析，在对程序上下认真查看就会很轻松的看到问题。(2)软件设计后，无法满足设计需求这种情况一般是因为设计的参数无法满足设计的需，必须进行认真的进行排查，进行调试，修改，通过不断的实验，最终实现功能。测试结果·正常环境下系统功能的实现图5.1正常环境显示·高温或潮湿情况下系统功能的实现图5.2潮湿情况下结果显示·灰尘浓度高时系统功能的实现图5.3灰尘浓度高显示本章小结经过几天的测试，整个系统可以通过PM2.5传感器检测环境的PM2.5值，并且通过液晶显示屏进行实时显示，可以通过按键设置报警值，当温湿度浓度或PM2.5值超出设置时进行蜂鸣器报警报警。

结论对于本次毕设课题，主要是实现环境检测的系统。在本系统中，我同样采取模块化的设计方法，使用单片机控制各个传感器做信息的采集，并在显示器上显示，在发现问题是及时报警和信息处理。实现车间内环境温湿度参数、粉尘浓度参数的实时监测。同时在LCD液晶屏上显示采集到的数据，供人们查看并进行操控调整，满足了系统监测的需求。本系统的实用功能可完成对各种室内环境温湿度的全面、及时、自动的监测，及时发现相关问题，并采取一定的报警措施，避免灾难性事故的发生。因为本人知识有限，无法完成更加强大的功能集成，系统还不是非常完善，需要进一步的改进。例如系统硬件电路可以增加无线远程传输的功能，方便在手机上及时关注;系统的监测程序，还是有待进一步优化处理，目前只是简单实现相关功能，需要时间长，不能解决精度问题;系统的检测目前还只能完成对被检测量的实时采集、显示、超限报警等对数据最基本的处理。在接下来的工作中，对本系统的优化，目标将放在室内环境诊断和决策系统，完成预测报警和信息发送的功能，并能与车间原有的人工除尘系统配合联动，实现工作车间环境的自动化场景化控制，提高人们工作的环境质量，减少能源消耗，真正做到人性化和智能化。通过此次毕业设计的学习实践，我对单片机控制系统产生了浓厚的学习兴趣，同时对于温度传感器、LED显示器等都有了一些了解，在设计过程中通过图书馆、网上查阅相关资料，我自己的专业知识也有了一些统合，相信这次设计对于未来走上工作岗位的我会有很