【《基于单片机的空气环境中的粉尘检测和收集系统设计》7200字】

第第I页基于单片机的空气环境中的粉尘检测和收集系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u240401绪论 2146451.1研究背景和意义 2235521.1.1研究背景 2149061.1.2研究意义 3239761.3设计的主要内容及要求 4172091.3.1设计的主要内容 4175131.3.2设计要求 417582设计方案介绍 567482.1STC89C51单片机介绍 521742.2总体设计方案 6227122.3系统硬件方案设计 668733工业车间空气净化系统的硬件选取 8296943.1mq2烟雾传感器 887403.2DHT11温湿度传感器 9251823.3oled12864液晶显示屏 1070073.4车间净化系统模块介绍 11138843.4.19110风扇 11151573.4.2电源模块 11302193.4.3LED电路模块 12186793.4.4按键模块 12255593.4.5复位模块 12159973.5单片机最小系统 13148924系统设计流程 14153364.1系统程序设计流程概述 14208094.2设计流程图 1457884.3程序开发流程图 15303875.1电路检查 17176465.2硬件调试 17211625.2.1按键电路调试 17134015.2.2显示电路调试 17210145.3软件调试 18179705.3.1显示电路调试 182125.3.2dht11传感器电路调试 18202816实物展示 1916454总结 201绪论1.1研究背景和意义1.1.1研究背景如今这个时代，很多行业生产车间的加工精度一升再升,伴随着车间零件加工精度的提升，车间内的员工健康和精密机械也因为碎屑更加微小而增加了风险。因此,由于车间生产对环境的要求已经不再局限于对温度、湿度的管理,工厂对于车间内空气的清洁程度也提出了明确的规定,车间内部的空气洁净与否直接关系到了人们的身体健康和企业生产安全。目前工业车间环境一直都是十分恶劣,但是我们可以通过空气净化器对室内车间的空气进行改良,空气净化器有很多种，可以满足不同群众的不同需求。随着人们对自身健康意识的增强以及生活需要,未来的工业车间空气净化器必定呈现突飞猛进的发展趋势,设计该车间空气净化系统正是大势所需。1.1.2研究意义我们日常生活在一个空气质量并不良好的环境中，室内空气的洁净正是人们所需要的。由于现代社会的高压,车间的员工每天至少有以上的时间待在车间内。不仅仅是每天身在一线的员工，很多精密仪器也忍受不了每天都在各种各样的粉尘之中,空气中的某些金属微粒会对设备造成致命的损坏和影响。其中一种微粒是含有化学物质的炭黑金属粉尘小颗粒,其直径约为0.01-0.5μm,这种金属微粒能够直接经过呼吸或是与皮肤的直接接触而迅速地进入人体；其中直径小于0.1μm的微小颗粒对于人体的健康危害性最大,这些微小的粉尘可以很容易地深入到肺里并且有可能会直接进入到血液中,对于人们的身体健康会造成很大的威胁和影响[1],而且这种物质也能进入精密仪器内部,对电路进行破坏。而且多数工厂在进行生产的过程中往往都会不可避免地产生出各种细微的化学粉尘,这些细微化学粉尘也被我们统称为可吸入颗粒物。这种细微化学粉尘通常都能在我们日常生活中的空气中漂浮很长一段时间,当我们的身体长期处于这样的环境中时,这些颗粒物就有机会直接随着我们的呼吸而直接地进我们体的呼吸道和我们的肺部,并且不易随着我们的身体新陈代谢而被我们排出体理机能将有很大的危害。现代社会正在进入一个机械科技日新月异的时代,越来越多的机械加工企业都开始要求实现高品质、高精度、高标准的无尘化作业。显然,现代高精度的制造工艺已经远远地离不开干净的环境。空气净化除对于科技、经济十分重要外,而且还是保证人体健康的基本前提。空气净化尤为重要，目的是减少精密仪器损坏,保护车间内人员生命健康安全。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内净化器市场上目前现有活性碳过滤、静电吸附、化学吸附、HEPA滤网、等技术。粉尘是车间空气净化器中比常见的词，有的厂家宣传粉尘去除率可以高达99%。但是真正的测试下来，粉尘去除率可能连60%都达不到。目前工业车间环境一直都是十分恶劣,越来越多的品牌对车间净化器进行改良。市场上空气净化器有很多种，可以满足不同车间的不同需求。随着人们对自身健康意识的增强以及生活需要,工业车间空气净化器正呈现突飞猛进的发展趋势。1.2.2国外研究现状近年来，国外许多家电企业及专门研究空气净化器的公司均不同程度的的增加各种净化器的产能，种类相比于国内更加完备。据统计，美国家庭拥有空气净化器占比在30%以上，一年销售在500万台左右。1.3设计的主要内容及要求1.3.1设计的主要内容空气环境中的粉尘检测和收集系统主要由单片机作为控制核心、粉尘传感器的检测、粉尘浓度的调节和控制模块、排气扇模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、按键和输出模块、ADC0832模数转换器模块、液晶显示模块、数据处理模块一同实现空气质量检测和清理的功能[2-4]。一般优化空气质量的技术处理方式主要有:过滤和吸附法以及净化处理技术。过滤式吸附技术是指使用活性炭以及其他各类具有吸附作用特性的物质来对空气中细菌和微粒进行吸附;简单的方法有:通风法,需要经常开窗通风,简单方便,省时省力,而且无需花费金钱,但是效果一般[5]。根据以上思路,总结有以下几点,整个系统需要的感官系统是传感器,进行信号检测随后将信号转化并传递给单片机;整个系统的核心部件是单片机,进行程序输入和核心计算;单片机输出信号后,控制显示屏数据变化,再经单片机数据比对后将输出信号传递给电机进行空气净化,之后也可再经物理方法进行吸附。综上所诉,最终确定了这是一种新型设计,它是一款以51单片机控制系统和光照传感器为主要技术核心的新型工业车间空气净化系统,最终确定使用51单片机控制系统作为核心和主控制电路,之后再结合mq2传感器、光照传感器、dht11温湿度传感器等对车间的空气质量进行实时检测和监测。输出端连接电机来实现空气的自动净化。再经过逻辑分析设计出系统逻辑框图,并据此写出程序,来实现本设计的功能。1.3.2设计要求(1)系统设计应包括电源模块、复位模块、键盘模块等。(2)为实现本系统设计，根据控制要求选择相应的元件。(3)实现仿真结果或制作出实物。(4)传感器模块（粉尘等颗粒物PM2.5）可用mq2传感器，dht11温湿度传感器等。要求颗粒物浓度以及温湿度传感器的数值需要在显示屏上显示。(5)显示屏数据与传感器相连，传感器可控制系统运行。(6)根据空气质量的等级，继而控制空气净化系统的运行，并配有手动起动系统。(7)根据设计方案画出电路原理图。(8)(编写程序实现相应功能。(9)软件硬件相结合。（造出实物）实物要求：(1)传感器查出污染物浓度超过要求数值，系统需自动工作，数值降低后可自动关闭。(2)配有手动操作，在传感器故障时使用。(3)传感器接在单片机输入端，输出端接9110风机、二极管等作为输出模块。2设计方案介绍2.1STC89C51单片机介绍图2.1STC89C51单片机引脚图（左）实物图（右）经调查资料，STC89C51对于我们学生来说学习入门很快。成本比较低，封装大可以直接插入万用板中直接使用，适合我们自己开发使用。高抗静电、轻松通过2KV/4KV快速脉冲干扰,不怕电源抖动；温度使用范围,-40℃~85℃；性能及功耗:（1）空闲模式:功耗2mA（2）正常工作模式:功耗4mA-7mA2.2总体设计方案经学习总结,最终确定设计一个基于单片机为基础的空气检测净化系统,能够实时监测和检测，液晶显示屏上将会显示颗粒浓度是否超标。注：本设计可通过按键电路改变设定值。经过多次的综合评估和比较最终筛选出了该系统的核心部件采用的是一种型号为stc89c51的单片机,检测仪器分别选择了dht11温湿度传感器、选择oled12864液晶显示器作为显示屏幕,选择adc0832采集系统作为模数转换器,其它模块例如9110风扇模块,设置电路中的按钮等。在必须时要确保软件上的程序和电路检测成功后将hex文件输入并送到万用单片机中,最终以已设计好的工作原理框图为基础依据继续在万用电路板上对各种元器件进行焊接最后再次对零部件和软硬件进行调试直到成功[6]。2.3系统硬件方案设计本次设计主要包括复位模块、电源模块、按键模块、a/d转换模块、单片机、自动检测电路和相应的控制按键四个组件所构成。检测电路会对车间的空气情况进行检测,最终在oled12864液晶显示屏上直接显示。例如,当烟雾浓度和温湿度实测值中任意一种高于其设定值,51单片机会驱动9110风扇自动运行,下图是本次设计的总体设计框图。温湿度传感器mq2烟雾传感器复位电路设置键电机（9110风扇）显示屏51单片机图2.2系统设计框图温湿度传感器mq2烟雾传感器复位电路设置键电机（9110风扇）显示屏51单片机

3工业车间空气净化系统的硬件选取3.1mq2烟雾传感器本设计中的mq2烟雾传感器，是一种基于光学浓度检测的传感器。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电（0V），此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平（Vcc），LED熄灭。电路图如下图所示。图3.1adc0832AD采集（mq2)ADC0832不仅能够将外部的数字模拟信号直接地切换或者转化为数据传输出来成为内部的数字信号,内部的模拟电源信号的输入和外部模拟参考信号的输出和电压相互地转换或者复用,使得该数据传输芯片的内部模拟参考信号输出和电压及其输入功率范围从0-5v之间，芯片的数据转换速度持续时间只有32μs。图3.2mq2烟雾传感器实物图MQ2的主要特点:响应快和速率快、驱动灵敏度高、运行性和稳定性强、使用寿命长、电路简单。MQ2对于一部分有毒气体也具有灵敏的识别功能，比如CO，为了净化系统的更实用性以及多功能性，采用这种功能性更全更加灵敏的传感器模块。3.2DHT11温湿度传感器对于本设计的温湿度采集模块以及系统能更加灵敏的监控周围环境情况,本设计选取DHT11温湿度测量的传感器。DHT11温湿度传感器采用温湿度传感技术和数据采集技术，由NTC测温元件和感湿原件两部分构成，可以同时测量温度和感应周围环境湿度，适合本系统的功能拓展。DHT11温湿度传感器可以和其他传感器同时使用，采用并联的方式将DHT11和其他传感器放到同一个电路中，可以进行更多方面的检测。（注：最多8个传感器并联）DHT11温湿度传感器，其工作特性为：湿度测量范围值：空气湿度20％-90％，前后略有误差（5%以内）温度测量范围值：0度-50度，前后误差2度工作电压值3.3V-5V尺寸为3.20CM-1.0CM图3.3dht11温湿度传感器电路图图3.4dht11温湿度传感器实物图3.3oled12864液晶显示屏表3-1oled12864液晶显示屏参数工作电压显示容量（字符）显示分辨率工作电流（mA）工作温度3V-5V16×8128×64点200-55℃图3.5oled12864液晶显示屏实物图图3.6oled12864液晶显示屏电路原理图采用oled12864液晶显示粉尘测量浓度和设定浓度；显示屏幕显示如下：表3-2oled12864液晶显示样式检测类别设定值实测值是否报警PM2.5100（ug/m3)90（ug/m3)否（电机不转）温度30℃35℃是（电机转）3.4车间净化系统模块介绍3.4.19110风扇L9110是一种控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，L9110将所有分散独立的电路集成在一个独立的模块之中，大大降低了设计成本和使用成本。规格参数产品尺寸:50×26×15mm螺旋桨直径:75mm图3.79110风扇实物图（左）9110风扇电路图（右）表3-29110风扇参数工作电压驱动直流电机驱动步进电机工作电流（mA）电路板尺寸（mm)5V2个1个2050.8×193.4.2电源模块电源模块是整个系统的动力源，没有电源提供动力各个系统将不能正常运行。考虑到每个元器件的不同额定电压，尤其是核心部件51单片机额定电压为5V，为了不破坏器件并保证系统正常运行，故电源模块选择低于5V，本系统采用充电宝为电源模块。图3.8电源模块电路图3.4.3LED电路模块本模块作为输出显示，能够直观地表现出空气质量是否达标，在风机故障时作为提示，并由操作人员进行手动操作。图3.9LED电路模块电路图3.4.4按键模块本系统在按键上采用了四个独立按键，按键S1为开关电源的控制按键，按下S1后系统通电；S2，S3，S4三个按键分别进行功能的手动模拟的启动、停止及设定值的设置。S2、S3和S4，分别连接P1.1、P1.2和P1.3，最后一端与地相连。S2、S3和S4按键的原理图如图3.10所示。图3.10按键模块3.4.5复位模块系统程序设计在调试以及后期长时间的使用中难免会产生一些想象不到的错误，一旦程序运行出错会给整个系统带来无法估量的损失。故系统要采用复位模块，复位模块可以让电路重新工作，程序运行从头开始。复位形式；手动复位。手动按下复位按键将单片机的电路状态，恢复到初始值。3.5单片机最小系统要实现系统功能需要掌握传感器技术、C语言编程、单片机技术、电子技术。本设计采用单片机为51单片机为主要控制中心来实现电路控制。下面是单片机最小系统电路图，其包括三个部分，一个直流电源，一个复位电路，一个单片机芯片。其中复位电路能保证系统运行不出错误，因为系统运行一旦出错将给整个系统带来很大的风险，这时就用到了复位电路，复位电路可以避免程序跑飞，使系统工作不出差错。图3.8单片机最小系统电路图

4系统设计流程4.1系统程序设计流程概述程序设计是一个单片机设计系统的核心，各种各样的程序设计及不同人的逻辑实现多样的操作和功能。单片机能实时准确的接收处理从各个传感器接收的模拟信号、使显示器能及时的显示当前实际测量的粉尘浓度、再通过读取比较从按键电路处的设定浓度值，最终通过程序运算确定是否驱动电机风扇装置。主程序主要由dht11温湿度传感器采集程序、mq2传感器采集程序、按键输入程序、oled12864显示程序、单片机控制的主程序五部分组成[7]。主程序风扇按键输入oled1286显示程序传感器主程序风扇按键输入oled1286显示程序传感器采集程序程序是该设计的核心模块之一，正确的设计流程图是写程序的前提，逻辑清晰才能保证程序不会出错。下面是对接口定义分配、数据定义的设置，以及设计流程图的设计。接口定义：9110风扇（FS）接p2.0；二极管（LED）接p2.4；AD采集0832接p1.0、p1.1、p1.2；oled1286液晶显示scl接p0.6、sda接p0.7;三个按键分别接在p0.0、p0.1、p0.2；温湿度传感器dht11接p3.5。数据定义：温度25℃（可调，设定温度用于车间降温）；湿度可根据需要自行调节；烟尘mg/m3；PM2.5（目前，我国的pm2.5标准值为24小时平均浓度小于75μg/m³为达标，低于50μg/m³为最佳。）下面为本设计系统的设计流程图：时间间隔时间间隔读取设定报警值接口定义显示报警值数据定义开始串口初始化手动驱动风扇驱动风扇显示当前浓度NOYES当前浓度>设定值A/D转换是否能采集当前浓度YESNO图4.1设计流程图4.3程序开发流程图本设计中采用KeilC51软件进行程序编写，程序编写共有四个步骤编写，编译，下载和调试。由于C语言运用广泛，效率更高，该设计的程序用C语言来编写。开始开始建立工程文件根据设计需求，编写C语言编译是否正确下载到单片机检查是否正确结束测试YESNOONOYES图4.2程序开发流程图

5设备调试5.1电路检查经学习了解所有元器件功能以及在本设计中的作用时，根据所设计原理图，依次完成元器件焊接。（1）先用万用表测量正负极是否短接，若无短接则通电测试，通电成功则电路板设计焊接无误。（2）若焊接失败，应先主体用眼观察每个元器件引脚是否衔接，若无法观察出来，则用万用表按照电路依次检测，发现错误则进行二次修正焊接。再进行通电调试。（3）若用万用表检查引脚和线路均无误，应着重检查元器件是否烧坏，若有烧坏则更换元器件。（4）若以上三种都无法检测合格，则应检查设计原理图或者重新设计。最后将元器件进行拆卸，进行二次焊接，再次进行通电调试，直到成功为止。5.2硬件调试5.2.1按键电路调试在对电路板中的三个按键进行调试时，首先要保证按键质量无误，电路引脚都可接通，再进行通电测试。检查过程中发现一个按键无法实现想要的功能，第一，应对按键的焊接引脚进行排查，确保引脚焊接无误。第二，结果发现焊接引脚和按键品质均无问题，更换新的按键也没作用后。最后检查出按键与屏幕端口衔接部分出了问题，改正这一方面问题后按键电路调试成功。5.2.2显示电路调试在进行显示电路调试时，首先确认程序中语言是否编译正确，通电调试时，oled12864液晶显示屏出现了不满屏显示，只占用了一部分屏幕，考虑oled12864液晶显示屏有关的程序不会出现问题，硬件焊接检查后也没问题，更换新的显示屏重新焊接，问题并未得到解决。可能是程序出现问题，因为只是显示不全，考虑到硬件无误，暂时不影响使用，硬件调试完成。5.3软件调试5.3.1显示电路调试在硬件调试过程中，发现oled12864通电，但文字显示不完全。在向同学讨论后，确定硬件电路设计没有问题，最后发现是程序未写完整，缺少了一个满屏指令。最终对程序进行添加修改后，再次编译无错误后，把程序烧入单片机，发现oled12864液晶显示正常，这一部分软件调试完成。5.3.2dht11传感器电路调试在进行DHT11传感器模块电路调试时，发现温度显示没有问题，确定了传感器无质量问题，但是湿度显示长时间为一个数值，不灵敏且驱动较慢这并不贴切实际情况，电路板的焊接也无问题。考虑到程序书写出现了问题，再一次检查程序，并查阅相关书籍，最后发现问题出在延时程序上，书写延时程序时间单位应该是毫秒写成了秒，最后则导致了数据采集较长，显示出现问题，经程序更改，使得设备正常工作。

6实物展示经过硬件选取，程序编写，电路调试，最终完成了本次系统设计。毕业设计最好的结果就是能造出实物，将自己的想法实现。下图是本设计的实物图。图6.1车间空气净化系统实物图操作演示：（1）实物图中电源模块采用5V，2.1A充电宝进行供能。（2）DHT11温湿度采集模块可用手指放到DHT11传感器上来快速改变周围温度湿度，让显示更加直观。（3）显示屏幕上左侧为实测值，右侧为设定值。无论四组数据那一组实测数据大于设定值，系统都会