基于单片机的空气质量控制系统设计

论文题目基于单片机的空气质量控制系统设计摘要社会快速发展，环境遭受严重破坏，大气污染显得尤其突出，城市大气污染不但影响人们的日常生活，而且对人们的身心健康产生极大的威胁，特别是室内环境污染物受到了普遍关注。为了控制室内空气环境，设计了本文系统。本文设计了以AT89S52单片机为核心的空气质量控制系统，精准的空气质量检测仪是最重要的手段。本系统是基于单片机的空气质量控制系统，该系统以单片机为微型控制器，A/I串行通信，通过粉尘传感器、温湿度传感器和气体传感器检测到空气中的粉尘与异味浓度和温湿度，通过A/D转化把模拟信号转换为数字信号，然后送入单片机中进行相应的计算与控制，使得执行部件净化模块做出相应动作。另外本系统还有显示，声光报警与无线通信等模块。关键词：空气质量，单片机，粉尘传感器AbstractWiththerapiddevelopmentofsocietyandseriousdamagetotheenvironment,airpollutionisparticularlyprominent..Urbanairpollutionnotonlyaffectspeople'sdailylife,butalsoposesagreatthreattopeople'sphysicalandmentalhealth.Inparticular,indoorenvironmentalpollutantshavereceivedwidespreadattention.Inordertocontroltheindoorairenvironment,thesystemofthispaperisdesigned.ThispaperdesignsanairqualitycontrolsystembasedonAT89S52single-chipcomputer.Accurateairqualitydetectoristhemostimportantmeans.ThissystemisanairqualitycontrolsystembasedonMCU.ThesystemusesMCUasmicrocontrollerandA/Iserialcommunication.Throughdustsensor,temperatureandhumiditysensorandgassensor,dustandodorconcentrationandtemperatureandhumidityinaircanbedetected.ThroughA/Dconversion,analogsignalcanbeconvertedintodigitalsignal,andthensenttoMCUforcorrespondingcalculationandcontrol.Thepurifyingmoduleoftheexecutingparthastodothecorrespondingaction.Inaddition,thesystemalsohasdisplay,acoustoopticalarmandwirelesscommunicationmodules.Keywords:airqualitydetection,AT89S52,dustsensor目录TOC\o"1-3"\u1绪论 绪论1.1背景和意义近年来，随着国家工业化的加快以及用车数量的急剧上升，使得空气问题日益严重，城市空气质量持续恶化。城市大气污染影响人们的日常活动，而且对人们的身体健康产生极大的威胁。据统计，仅在特大城市每年不低于60万人因空气中的微粒物和烟尘感染上呼吸道疾病。室外的环境个人无能为力，空气质量仪器也只能鸣警，让人外出做好防备。但室内就不同了，特别是现在，人的生活几乎都是家，办公室两点一线，我们大部分人一天中的几乎都是在室内呆的，所以，室内保持环境健康对我们来讲是十分必须的。然而室内环境的问题也是我们往往容易忽视的。随着各种呼吸疾病不断涌现，时刻提醒我们，必须要提高室内的环境质量，避免室内环境的污染，在追求健康的室内环境，同时还能保持健康。由于室内环境复杂的污染源头，分类极其多，包括装饰材料本身所释放的有害物质、用电器以及环境本身细菌产生有害物质、室外污染的空气进入到室内造成污染等等。VOC挥发性有机化合物,它包含烃类、卤代烃、氧烃和氮烃，在室内，VOC主要来自做饭时煤气燃放，装饰材料的排放，特别是油漆，装修材料。室内正常VOC浓度在0.1mg/m到0.5mg/m3之间，而在装修作业过程中，甚至可高出几十倍。而更严重的是，装修材料在风干时才释放总量的35%，剩下的会随着时间逐渐流放出来，持续时间排放甚至可以达到3年以上，而人已经呆在室内超过一年时间。PM2.5主要来源于室外。该系统主要由中央处理单元（单片机）、液晶显示模块（ＬＣＤ）、传感器模块，Ａ／Ｄ转换单元、用户输入模块（按键）、报警模块（５Ｖ蜂鸣器）、时钟模块和供电模等组成。主要针对有毒气体，粉尘，温湿度这几个室内环境因子，能检测出浓度，同时能在浓度超出预设值后报警，紧接净化空气，从而保持室内健康。系统能针对多种对人体有害的对象，实时、准确报告空气质量，提醒人们，及时净化空气，集轻便、准确、净化于一身。1.2研究现状与发展最初的系统设计，功能只能检测单一的对象，显示出浓度，随着人们的需求，在基础上演变，根据不同检测对象，更换传感器，单片机，但是都是以基本的原理为基础，不断发展。在目标气体与传感器接触后，产生特定的模拟信号，经过A/D转换器先把模拟转成数字信号，后才给微型处理器，然后其对数据进行先计算，然后处理，最后比较数据，后对产生的气体先开始进行种类识别，后浓度结果测量比较。当测量目标浓度过高，便会超过仪器的警报预设值，显示出各个测量目标浓度，警报响起，并自动存储警报参数如目标种类，浓度和时间等。当然警报的界点是由用户事先设定好，如果没有产生报警信号，便会显示各个气体的成分浓度。根据测试结果，对每个指标进行检测是否合格，最后针对检测结果使得外部执行部件警报模块做出相应动作。该系统能够将室内环境温湿度，目标气体，粉尘微粒物监控，外部执行电路依照控制器发出的信号讯息，逐步做出相应电气动作。系统虽然能检测室内环境目标对象的浓度兼鸣声警报，但发现使用只是用一个或数个传感器采集信号具有限制性，会受到特定情况的干扰，如室内各种环境因子相互影响造成测量误差，传感器的监控目标太少，系统中的警报功能应对并没有真的能调整监控范围内的空气质量，故需要对调整空气质量的工作上作研究，所以该系统还有大部分能进步。希望不仅是单一检测空气中ＰＭ2.5还能同时检测其他TVOC有毒挥发物等对人体无益处的污染物，对人体健康起到预警防护的作用，而且可以时刻调整空气情况。传统的空气质量系统只是检测，追去气体浓度的精确度，却没有调整室内环境。随着经济能力的不断提高，人们也越来越的担忧自己的生活地方，特别是室内环境，舒服，健康的同时，也要求具有保健的功能。检测，报警兼净化的功能空气质量控制系统设计是继承前面检测部分，加入净化空气能力的空气质量控制系统设计。利用各式传感器和选定的显示屏，使用者可以实时了解室内空气质量的好坏。当空气质量程度下降到警戒时，由核心微型控制器控制风机转动，使污染物通过一层层滤网后被过滤、分解，保证室内空气质量始终保持在良好状态，保证为人们提供一个更加健康的生活环境。装置以微控制器为主要控制核心，实现自动化。通过特定传感器监测空气温湿度、粉尘浓度、甲醛等挥发性有有毒浓度，从而确定室内空气情况。单片机先凭借A/D转换器取传感器测得的数据，然后对目标数据作处理后，一方面将数据传输至显示器，另一方面将数据和设定的空气阈值进行对比，控制报警装置和净化装置，使得外围执行部件净化模块做出相应动作，维持在合理的数值域之内。另外用户还可以选择手动设置，根据需要修改空气阈值。1.3本文主要内容大气污染严重时，随着呼吸疾病不断而来，让我们打响了警钟，必须要去优化室内的环境，为了减少室内环境的污染。由于室内环境的污染来源具有的复杂性，并且污染物分类也极其多。外部进入内部，内部本身有的污染源。为了满足人们需求，设计了本系统。目标气体与传感器接触后，产生特定的模拟信号，经过A/D转换后传递给中央处理器，然后其对数据进行运算、比较数据后对产生的目标测量值进行种类分别和浓度结果监测。当针对对象浓度过高，便会突破仪器的报警限，产生特定报警，并自动存储好信息如气体类型、微粒物浓度和时间等，显示各个对象的大小浓度，使得执行部件净化模块做出相应动作。系统功能由只能检测针对某一种，发展到同时检测多种目标，又新添了净化空气功能和无线遥控，发展前景开阔。根据需求，设计本系统，各个部件综合之下，完成系统的功能。先确定系统核心方案，微型控制器的选型，选择系统总体方案，确定好系统的整体框架，最后逐步分析系统某一部分，确定系统部件，正确设计部件，部件功能正常运行，系统才能实现设计的目的。系统的部分器件正确的选型，有利于搭建电路，更容易实现系统设计目的。本文设计的目的是控制空气质量、环境监测控制，能实时有效的监测室内空气质量及温湿度的实时变化情况，并智能控制风机系统，空气处理功能装置，对室内空气质量进行调节，蓝牙无线遥控，自主开关加湿器，对室内温湿度进行调整、控制，始终保持室内环境质量良好状态。空气处理功能装置包括由粉尘微粒物过滤装置、循环风机、构成均安装在风管中，循环风机吹出的风依次经过粉尘微粒物过滤装置、杀菌分解有机物，循环风机不断抽取室内空气，反复循环粉尘微粒物过滤装置、杀菌、分解有机物，从而到降低有毒气体，粉尘浓度，达到净化目的杀菌，消除异味，系统的净化功能的核心。在平时，系统主要是起检测功能，在检测到空气质量略低，则启动净化功能，风机风速能自主调节，能根据个人，通过按键调节。保证空气质量，让保持绿色环境。本系统的有益效果：能精准控制调节空气质量，使室内的有毒气体和粉尘浓度在无需通过大量换气的情况下就能控制在合格的状态，同时转化空气中的污染物质，保护人体健康，提高舒适度。系统实时数字显示室内VOC气体浓度和温湿度数值，让用户可以随时掌控室内空气环境质量。用户也可以根据个人要求自行手动设定VOC浓度及温湿度报警参数，控制器可以根据用户设定的参数智能运行风机设备，使室内空气质量及环境更贴合个人特定要求。分析系统的整体流程，系统内的工作状态，由整体到部分，每一部分硬件的工作是怎么样的一个流程，精准无误的工作过程，才能让整体系统顺畅运行，达到设计的期望。1.4本章小结在选择了经济的飞速发展，大气污染变得越发严重，引发各种呼吸疾病，室内环境污染来源复杂，除了室外进入的，还有室内本身存在的问题，装修材料或装修后空气中存在苯、甲醛的有毒气体等，细菌、花粉等多种来源，为了能检测出污染物浓度，提醒人们，同时自带净化空气功能，而设计本系统。系统的功能发展从检测对象单一，到同时检测多个，从只能检测浓度、警报功能，新增净化、遥控等新功能，实时让用户掌握室内环境情况，自动控制空气质量，保持室内环境健康，无线通信人机信息交流，遥控功能更是便捷，前景良好，潜力巨大。

2总体设计2.1系统的原理针对多种气体，可吸入微粒物和温湿度的传感器在目标气体与传感器接触后，产生特定的模拟信号，在A/D转换后传递给中央微处理器，然后它才对数据进行比较、处理数据后计算，对产生的气体测量值进类型归类，识别和浓度结果计算浓度。当目标物浓度过高，便会越过仪器的警戒线，产生设定好的警报，并自动储存报警数据如气体类型、目标浓度和时间等，并向用户手机上发送报警记录，同时显示浓度，启动净化空气功能，如果没有产生报警信号，便会实时显示各个气体的成分浓度。有测量结果出来，对每个数据进行比较是否合格，最后针对检测结果输出特定脉冲。中央智能控制单元能够将环境中的各气体、湿度、温度、以及微小粒子的浓度监测在合理的范围之内，输出控制信号，依照控制脉冲控制顺序去执行相应电气动作。2.2方案论证方案一：以DSP核心设计，DSP是一款特别的微处理器，芯片的里面是设计程序和数据分开的哈佛结构，设定专门的硬件乘法器.具有巨大数据处理能力和飞快的运行速度，是最顶尖的两大特色。DSP芯片注重在数字信号处理的实时性。DSP拥有数字信号处理器将模拟信号转化成数字信号，特定用于处理器的高速实时处理。它具有快速、灵活、小功耗、可编程的界面功能。方案二：用单片机为系统的设计，单片机是把CPU、RAM、ROM在一块芯片上集成了、定时/计数器、时钟、各种功能的串行的并行I/O口。如MCS-51系列单片机等。在基本功能外，有的还集成有D/A、A/D， 具有位处理功能，注重控制和事务处理功能.本系统设计不需要复杂的逻辑功能，只要一定的集成度。普通速度的CPU，只要足够容量的存储器以及系统对处理数据的速率要求并不高。相比DSP微处理器，单片机拥有足够功能强大的位操作指令，其自带程序空间对于本设计绰绰有余。综合价格低，开发条件完备，开发工具齐全。综上所述，本系统设计的主控制器选择单片机足以。2.3系统的总体设计本设计系统通过单片机实现自动控制，循环风机抽取空气不断经过风管，依次经过pm2.5过滤装置、活性炭过滤网，其中风机的驱动基于PWM技术，温湿度检测设备、气体传感器、粉尘传感器用于检测室内空气气体浓度，粉尘微粒物等浓度，温湿度的变换，净化模块用于改善室内的空气质量，蓝牙装置用于无线控制辅热加湿装置调整温湿度，改善室内环境，使人保持良好心情。净化滤网装置，过滤pm2.5可吸入微粒物烟尘，消菌杀毒净化空气，保证健康的生活环境。本系统利用循环风机不断抽取空气来实现室内空气的流通、过滤、杀菌，按键设置预设值，调整调整风速，液晶显示器显示室内环境的状况，很好的实现人机对话，警报模块，蜂鸣长响，提醒用户要小心，主要防护。图2.1系统总体框图2.4本章小结确认系统方案，系统总体运行，功能实现，由传感器采集数据，单片机计算、比较，显示浓度，最终控制执行警报或净化模块，根据原理设计好系统，由系统要求确认方案，最终确认总体设计。分析系统的整体流程，系统内的工作状态，由整体到部分，每一部分硬件的工作是怎么样的一个流程，精准无误的工作过程，才能让整体系统顺畅运行，达到设计的期望。

3硬件设计本设计系统设计是由单片机中央控制模块，选定A/D转换模块，特定传感器模块空气净化模块，无线遥控模块组成。单片机计算、处理、比较数据，控制风机抽取空气不断经过风管，净化滤网装置净化空气，温湿度传感器、气体传感器、粉尘传感器用于检测室内空气气体浓度，粉尘微粒物等浓度，温湿度的变换，蓝牙装置用于无线控制辅热加湿装置调整温湿度，过滤、杀菌，改善室内环境。本系统利用循环风机不断抽取空气来实现室内空气的流通、按键设置预设值，调整调整风速。3.1单片机的选型以及最小系统3.1.1单片机的选型该系统以单片机为核心，进行传感器进行数据采集，单片机计算、处理后生成浓度结果数据，并将数据结果进行对比。当浓度大于设定室内空气气体浓度，体内可吸入微粒物烟尘等浓度，温湿度的阈值时，系统会自动报警，并在显示器显示此刻的数值，完成对数据的存储发出控制电信号，执行相应的电气动作。最终完成空气质量的控制。AT89S52单片机，功耗不高、性能强、片内设定通用的８位CPU、加上拥有两个空闲和掉电模式、掉电后中断可回复的功能醒、具有8K字节内存大小系统可编程Flash存储器。选STC89C52单片机，很适和本系统，设计操作简单、方便、快捷、经济。3.1.2单片机最小系统最小系统一般由单片机、电源电路、晶振电路与复位电路组成，如图3.1。图3.1最小系统电路图电源电路采用5V蓄电池为该系统供电，电压输出性能稳定。复位电路的用途：单片机复位功能部分就好比电器的重启部分，当电脑在使用中出现卡住，停机，按下重启按键机器内部的一切从头开始运行，工作。单片机同样原理，当单片机系统本来在工作状态中，受到外部各种干扰出现程序跑掉、卡住的时候，按下复位按钮内部各种工作中状态，重新再从头开始执行。51系列单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现单片机里面设有一个高增益反相的放大器，用来搭建振荡器。通常在引脚XTAL2和XTAL1、跨接石英晶体和两个补偿电容一起搭建成自激振荡器，系统里面的时钟电路结构如图2所示，系统使用高12MHz等频率的石英晶体，而补偿电容必定是想选择30pF大小的瓷片电容。3.2A/D转换器选型方案一：ADC0809是结构设计CMOS工艺制造的双列直插式的单片8位A/D转换器。分辨率高达8位，精度达到7位，模拟量输入通道时带8个那么多的，在通道地址上设有译码锁存器，输出带安有三态数据锁存器。选用脉冲启动方式作为启动，误差最大可调节为±1LSB。方案二：ADC0832结构上设有8\t"/item/ADC0832/_blank"位分辨率A/D转换芯片，最高分辨甚至可达256级，几乎能适应一般的模拟量转换所有要求。其内部设计的参考或电压的复用电源输入，芯片的模拟电压输入在使得在0~5V左右。才达到32μS芯片转换时间，在数据输入上具有双数据输出可作为\t"/item/ADC0832/_blank"数据校验，能减少数据误差几率，转换速度快同时稳定性能强。由于在独立的芯片方面使能输入，使与其它器件挂接和控制处理器变换上更加方便。因为DI数据输入端存在，所以轻易能实现通道功能的选择。ADC0832无论是分辨率，还是响应时间都远远超于ADC0809，优选择方案二。由于CS口使能，低电平芯片使能,CH0的两大功能是在模拟输入通道0或是作为IN+/-使用。CH1的重大功能是IN+/-使用，或作为模拟输入通道1。GND芯片参考0电位（地）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。图3.2ADC0832电路图在一般情况下，ADC0832是用4条数据线作为单片机的接口，分别是CLK、DO、CS、DI这4条线。但因为DI引脚端与DO出线端在通信时并未同时有效，与单片机的接口是双向的，所以当初在设计时电路可以用DO线和DI线并联在一根数据线上使用。CS输入端为高电平而ADC0832未工作时，此时芯片没有用，DO/DI出线端处和CLK端口的可任意电平。当A/D转换要进行时，在转换还没完全结束，CS使能端置于低电平并且要一直保持低电平。此时里面的芯片要开始进行转换工作，在此同时是由处理器向CLK时钟芯片输入端进行输入时钟脉冲，DI/DO端口则将使用DI端作为输入通道功能选择的数据信号输入通道。DI端必须是保持高电平，直到在第1个时钟脉冲的下沉之前，用于表示启始信号。但在第2、3个脉冲下沉之前，是用来选择通道功能。3.3传感器采集模块3.3.1粉尘传感器的选型是利用光散射吸收原理来工作的，将光照射过被检测区域的范围，由于被空气中的粉尘吸收，光散射，而导致光强减弱，我们可以利用通过测定光在照射过的检测区域范围后，将前后的光强再用来作比较，来测定环境空气中粉尘的浓度，由于光源不同，类别主要分红外粉尘传感器和激光粉尘传感器。方案一：红外粉尘传感器GP2Y1010AU0F，用来检测粉尘烟雾等可吸入微粒物可测量最小到0.8微米或以上的微小颗粒物灵敏度：由输出电平时间的变化前后的程度来看，0.5.5V/0.15mg/m3从输出的电平的大小的变化来看，可以知道检出对象物是什么。结构和电路比较简单，光源为红外LED光源，在内部设立有光电晶体管在对角位置上放置着，还有红外射线发光二极管，由于光敏探测器检测到反射光的光强不一，根据脉冲信号的大小判断粉尘的浓度。方案二：激光粉尘传感器的结构和电路相对复杂，根据激光散射原理来设计，能够得到空气中最小0.3到10微米悬浮可吸入颗粒物浓度，仪器内部用的是进口激光器与感光部件，所以数据稳定可靠；里面还装有风扇，输出数字化，集成度高，快速准确响应数据，更新数据频率高到1Hz分辨率：最小直径达0.3微米可以分辨颗粒。该系统不需要太高的分辨率，较高的相应速度，红外粉尘传感器GP2Y1010AU0F足以满足系统需求，并且可测量微小粒子的量程够广泛，结构和电路比较简单，利于系统设计，成本低。所以选择红外粉尘传感器GP2Y1010AU0F。图3.3粉尘传感器GP2Y1010AU0F电路图引脚1、6接入电压5V,2、4引脚接地，输出引脚5接到ADC的输入通道上，同时3引脚输入端要接到AT89C52的IO口P3.4，由51给输入端提供所要求的脉冲.。3.3.2气体传感器的选型方案一：即使MQ135气体传感器可同时监测多种有害气体，且监测到的结果是很理想，是一个适合能多种环境工作的低成本传感器。二氧化锡(SnO2)电导率较低，是MQ135气体传感器用来作为气敏材料，空气中污染气体浓与度它的电导率成正比。根据这一特性，即可用在电导率的变化时，使用简单的电路转换，电导率的变化为与该气体浓度变化时，相对应的输出电压变化方案二：SGA700D适用于检测气体，如苯、甲醛、VOC等1000多种的有机挥发性毒性气体，集有多种检测原理在仪器中，如红外线，电化学等，最小检测量程能达到0-1.5，分辨率最小到0.001，家庭常见的可燃性气体如甲烷，甲醛分辨率都能达到0.001。高精度，稳定性强，误差率低反应灵敏，寿命长，抗外界扰乱能力强。最方便的是支持热拔插操作功能，兼容不同原理芯片，输出信号多样，配有信号转换板，最多能同时插上4个传感器，统一输出RS485，RS232，USB转TTL串口信号，而且易于更换。SGA700D不但在检测对象这方面较广，分辨率高，更重要的是它兼有多种检测原理，不会因为温湿度等环境因子影响，引起较大误差，操作方便，成本不高。所以选择SGA700D。图3.4气体传感器SGA700D电路图1、2引脚是+5V电压的正负极，PUTOUT端口用于模拟信号输出，RX端口是用作TTL接收端（5V电平），TX是作为TTL发送端（5V电平），2、1端口接线接单片机的电源正负极口处，RX接TXD，TX分别接RXD,OUTPUT接入A/D转换器的模拟输入通道。3.3.3温湿度传感器的选型方案一：是瑞士Scnsirion公司生产出SHT11，一款用于测量温湿度数字传感器芯片，高度集成的特点，将湿度监测、温度检测、自主信号变换、能进行A／D转换和加热器多种功能集成到一个芯片上；可靠的传输性能，中央处理器是用二线串行数字的接口与SHT11进行通信的，通过5个5位命令代码，智能的微处理器能实现对SHT11的控制。方案二：数字式温湿度传感器DHT11的内部结构由图1所示。其中部分是由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，用一个高智能的单片机与DHT11相连接。因为该传感器具有抗干扰能力强、响应速度快、性价比好等优点。DHT11传感器每当要出产时，都要在极为精确的湿度校验室中进行预校准。把校准系数按程序的方式储存在OTP传感器内部，在处理检测信号的过程中，要调用哪些校准系数，就直接取出来。DHT11串行接口方式是采用单线制，所以让系统集成变得简单快速。用4针单排引脚方式来封装产品。其引脚说明如图3.5所示。图3.5DHT11数字式温湿度传感器引脚图DHT11数字温湿度传感器灵敏度，响应时间能够满足系统需要，校准后，是选用程序的形式将校准系数存在OTP内存里面，所以能减少了误差，能与单片机相连，电路简单，连接方便。所以选择方案二。图3.6DHT11数字式温湿度传感器连接电路图数字式温度传感器DHT11选择双向接口方式是用串行单线方式，而在微处理器与DHT11之间，选择用DATA来实现通信与同步，因为单总线数据格式的采用，40bit大小为一次完整的数据传输，先是高位，后低位。DHT11将采集温湿度信息集转交给单片机进行分析和计算处理，通过使用一个传感器，将所测数据并分别纯粹在不同数组以便显示。ADC0809是运用CMOS工艺制造的，8位双列直插式单片A/D转换器。分辨率能达到8位，精度有7位，设有8条模拟量输入通道，带有通道地址译码锁存器，而且输出带三态数据锁存器。运用脉冲启动方式来作为启动信号，最大误差甚至能达到调节为±1LSB3.4输入输出模块3.4.1按键按键部分是本系统中一个必不可少的组成部分，按键电路在本系统应用设计中能够实现向单片机输入数据、传送命令等各种不同的功能，使人们可以更方便快捷的控制单片机，是人机信息交流的重要部分。单片机键盘分别有矩阵式键盘和独立键盘两种选择：虽然矩阵式键盘式接法程序比后者较复杂，但是有占用的I/O少等优点，有两种方式用于程序扫描，一种是全行全列扫描，另一种则称为逐行全列扫描。独立按键式的单个按键电路是选用直接用I/O口线构成，其突出点的是每一根I/O口线则被一个按键单独占用，每个I/O口线的状态不会被按键的工作影响，也不被相邻的I/O口线，独立式按键拥有软件上结构简单，电路上配置灵活等优点，但因为每个按键必须占用一个I/O口线，因此，按键数目会较多，I/O口线要求数目多，浪费就会较大，但该系统设计数目按键不多，所以根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。实现独立式键盘的方法，是根据利用单片机I/O口读取口的电平高低变化，来判断是否有键按下。将按一端接一个I/O口，另一实现常开按键的一端接地，先必须将此I/O口置于高电平，当程序将开始时，在平时I/O口保护高电平，当无键按下时。当有键按下时，由于将I/O口与地短路，所以迫使I/O口变为低电平。在按键释放后，智能控制器内部的设有的上拉电阻，使得I/O口依然保持在高电平。系统所要做的就是，根据在程序中查寻此I/O口的电平状态变化，就可以知道是否有人动作按键动作了。理想的波形是当独立键盘按下去时，端口保持低电平，在上升沿或下降沿的实际操作过程中（即当按键和离键时，一段微小时间内）会出现抖动。通常那是因为通常我们选用按键所用的开关是机械弹性开关，在机械触点断开、闭合那瞬间，由于开关的机械触点的弹性作用下，当要闭合时，一个按键开关不会马上就接通、稳定，在断开时也不会瞬间就彻底断开，而是在闭合和断开的那段时间里，伴随了一连串的抖动，而现有的消抖的方法有两种，一种是通过硬件：利用电容的充放电特性的原理，来对抖动过程中产生的电压毛刺进行平滑处理，但是实现消抖效果往往不是如人所愿，因为还增加了成本，使系统电路变得更复杂。另一种方法是选用软件消抖：最简单的消抖原理，就是当单片机检测到按键状态有变化后，先等待一个10ms左右的延时时间，让抖动消失后，再进行一次按键状态检测的动作，如果现在检测到与刚才检测到的状态相同，就可以确认按键已经稳定的动作了，不会出现抖动。图3.7键盘部分电路图3.4.2显示LCD1602先接收来自单片机系统处理后的信号，随后将处理后的结果显示，显示当前的空气质量，系统的运行情况，是人机信息交流不可缺少的一部分。LCD1602做为一款字符型点阵式LCD，用于显示字母、数字、符号等是最好的选择，其显示容量为为16×2个字符大小，1602LCD一般有采用16脚（带背光）货标准的14脚（无背光）的接口方式，VL是液晶显示器用于对对比度调整端，在接地时对比度最高，而接正电源时对比度最弱，当对比度过高时屏幕会产生“鬼影”特别现象，可以通过选用一个10K的电位器用作调整对比度。RS功能是寄存器选择，不同电平选用不一，当低电平时则选择指令寄存器，而高电平时就会选择数据寄存器、。R/W是用作读写信号线，会有两种情况，在低变为读写信号线，在高电平时则会进行读操作，反之，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。RS和R/W出现不同电平时，功能不一，R/W为高电平时，可以读忙信号当RS为高电平，当RS和R/W共同为低电平时，可以显示地址或者写入指令，当RS为低电平，R/W为低电平时可以写入数据，E端作为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。表3.1LCD1602引脚说明符号引脚说明符号引脚说明VSS电源地D2数据VDD电源正极D3数据VL液晶显示偏压D4数据RS数据/命令选择D5数据R/W读/写选择D6数据E使能信号D7数据D0数据BLA背光源正极D1数据BLK背光源负极LCD1602最先显示每7s检测到浓度与温湿度的平均值，当超过预设值时，启动净化功能后，显示当前值。图3.8LCD1602电路图3.4.3警报当检测到空气质量不达标时，蜂鸣器间息鸣叫，同时亮起LED灯，提醒人们注意。主要是由蜂鸣器、PNP三极管、发光二极管以及单片机组成。正常情况下，当空气的质量不好时，在C52单片机端口处，处于P2.6I/O端口处输出的信号为低电平时，系统电路中三极管开始导通，蜂鸣器开始工作产生蜂鸣声，同时在同一系统电路中的发光二极管开始点亮，起到警报警示作用。当单片机输出为高电平时，蜂鸣器和发光二极管分别不响和不亮，报警部分不工作。图3.9蜂鸣器电路图3.5通信与控制模块3.5.1通信模块运用蓝牙通信技术和红外通信技术进行通信是单片机比较常见的常用的无线通信技术。红外线接收部分和发射部分是红外通信组成的主要部分，红外线发射部分由信息输入部分键盘、单片机信息处理部振荡器、和发射出去部分红外发光二极管组成。输入信息指令主要是键盘，振荡器的作用是产生可靠、稳妥的频率信号，智能控制器通过检查键盘上按键的状态变化，并进行对红外信号的调制，发射出红外线的是发光二极管。而能有将接收的红外线转换成电信号功能的是红外接收器，能进行解码的是微控制器，就是通过这样的途径，从而能接收、解读发送的指令或数据，无线通信的目标才能达成。红外线电磁波因为不能穿透物体，所以不能被挡住，被遮挡，就不能通信，而在使用红外线的时候，通信仪器的输入端输出两者间应保持水平，不能斜，但是由于房间四壁和天花板会反射红外线，但是不同电子设备是使用不同的编码，所以不会干扰到同一环境的各式电子产品。中心处理器普通I/O端口可被红外线接收头直接接入上，利用程序通信扫描的方式进行通信，电路结构简单、成本低、具有性价比较优秀的优点，在通信过程使用中，非常依赖红外光进行信息传递，这也是红外线传播数据信息的核心所在。这一技术的使用局限性，所以对于外界环境出现了特定的限制。其次，这项通信技术的使用，还有一个关键点，必须应该保证持续的信号传播。万一信号被中断或干扰的情况出现在信息传递的过程，那么最后的数据信息接收到的也是不完整的，降低了最终信号的传播质量。蓝牙通信技术的通信距离一般来说较短，大概在10M左右，拥有低功耗、低成本无线电通信优点。能运用在包括手机、无线耳机、PDA、笔记本电脑等等相关外设之间通信，无声无息在众多设备之间完成无线信息交换。它利用短程无线电波通道取代专用电缆通道，不但免去仪器相互之间直接连接的麻烦，而且便于人们无时无刻操控，在任意位置地点流动操作。手机终端下载专用APP软件，通过手机蓝牙功能，可以直接连接到集成板上的蓝牙集成电路中，从蓝牙集成电路的端口，将信息传送到中央处理器上以无线的方式，成功使用手机终端可以直接有效地对单片机及控制电路进行准确的控制，实现了手机蓝牙和单片机的串口间的信息交流的目的。本系统设计蓝牙通信选用HC-06蓝牙模块。蓝牙接收信息的集成电路是由和射频（RF）、链路管理(LM)和基带（BB）几个部分组成。单片机作为终端，设计的蓝牙接收集成模块电路，一般由两个端口接电源，四个接线端，通信蓝牙板上端口中RXD与单片机TXD方相连接相连，蓝牙板上通信端口中TXD与单片机RXD反相连，应相互交叉反连接读写端。在正确连接电源后，并先要保证不能接反正负极。决定蓝牙模块自动连接工作后的角色是可以先预设好的，想要会自动搜索配对连接的角色，那就是主角色（Master），只被动接受连接的角色，则是从角色（Slave），特点是不会主动搜索，只能被动连接的角色是回环角色（Loopback），能够拥有接收远程蓝牙主设备数据功能，并能将数据原封不动返回给远程蓝牙主设备。如果两个HC06模块之间要建立信息连接，必须先将其中一个HC06设置为主角色，而另外一个HC06设置可以从角色或回环角色之中选，如果选用一个HC06模块用于手机蓝牙与或者电脑蓝牙连接交换信息，通常情况下，用手机或电脑作为主动连接角色，所以HC06一般被设置为从角色，出厂默认也是设置为从角色的。图3.10HC06电路图3.5.2控制风机运转风机的作用是不断抽取空气，让空气中的污染物经过风管上的滤网，大直径的污染物被分解，过滤，从而改善空气，达到净化最终目的，控制好风机的风速，就能更有效的净化空气。方案一：交流电机，设计的结构简单，方便制造产品，质量比较牢固，方便制造转速快、大电流、电压高，拥有大容量的电机，但是存在启动性和调速性较差的问题。方案二：直流电机是调速很方便、维修工作量小、比较便宜、带有较强过载能力，而且电磁干扰的问题几乎没有，但是制造成本比较高，设有碳刷，可靠性较低、寿命不长、保养维护工作量大、难度较大。直流电机良好的调速性较符合系统要求，所以选择方案二。单片机需要使用专门的驱动芯片来驱动电机。驱动芯片的作用就是把单片机的小电流的控制信号转成逻辑上相同的大电流的驱动源，弱电控制强电。用电机驱动芯片来驱动直流电机。L298N是一种用于驱动电机非反相半桥型驱动芯片，具有双H桥结构，每一个H桥可以单独提供2A大小的电流，供电电压范围达到2．6～48．0V的是功率部分的，选用5V用于逻辑部分供电，TTL电平接到5V大小，内部结构设立4通道电路用作逻辑驱动。无论是单个两相步进电机还是选用多个直流电机，L298N都能做到简单驱动的效果，达到实验所要求的效果。驱动芯片L298N上共有15个脚，包括ENA、ENB、IN1～IN4、VCC、GND及OUT1～OUT4等重要驱动引脚。直流电机旋转的条件必须通过引脚的高低电平来控制。图3.11L298N电路图风机使用PWM调速，PWM波的形成可以看作是由单片机通过编程输出的，也可以看作是脉宽调制专用芯片的作用，具有无需进行A/D或D/A转换，具有强大的对噪声抵抗力等优点。用PWM来控制直流电机转速，系统主要功能是：实现对直流电机的速度各式调控如快慢，启动停下，能够很便捷对电机进行智能控制。微型控制器C52是用于控制直流电机PWM控制模块。这部分电路功能是由由中央控制器上的I/O端口、用于外部中断扩展、数个定时计数器等实现，控制直流电机速度的快慢，起停，之所以能实现智能电机的调速。其间是通过中枢处理器产生脉宽可调的脉冲信号，并把脉冲输入到驱动电机L298N芯片的电路中，所以能控制直流电机的工作状态。采用蓝牙模块调整PWM波的占空比来调整运行速度。AT89C52选用了HC-06蓝牙模块，其TXD、RXD分别连接在单片机的RXD(P3.0)、TXD(P3.1)接口，利用智能手机自带的蓝牙连接直接通过相应的串口助手直接发送指令进行通信，能够及时进行加减速操作。我们利用T0定时器每隔0.5ms产生一次中断，设定每40次中断为一个周期，即20ms为一个周期，使P2.6、P2.7产生高电平或低电平。在一个周期内PWM为高电平的时间与周期时长之比为占空比，占空比越趋近于1则小车速度值愈高，越趋近于0速度值愈低。3.5.3滤网滤网主要是用来过滤、分解污染物，灭菌改善空气。一层活性炭过滤网，解决的是一部分的粉尘颗粒和异味，另一层HEPA高效过滤网，主要是过滤0.3微米直径的微粒物。带有非常出色的气体动力性能是活性炭过滤网的特点，\t"/item/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD%E8%BF%87%E6%BB%A4%E7%BD%91/_blank"密度较小的体积，\t"/item/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD%E8%BF%87%E6%BB%A4%E7%BD%91/_blank"却大于表面积好几倍、本身带有吸附效果很高，\t"/item/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD%E8%BF%87%E6%BB%A4%E7%BD%91/_blank"风阻系数不大，微乎其微，活性炭的吸附性能是很出色的，常用在改善空气方面，对挥发性有毒化合物甲醛、\t"/item/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD%E8%BF%87%E6%BB%A4%E7%BD%91/_blank"苯，还有环境中本身有的污染物。\t"/item/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD%E8%BF%87%E6%BB%A4%E7%BD%91/_blank"空气阻力非常弱，耗能少，可在调整好的风量下，进行除臭、除异味等工作，第二层由HEPA高效过滤网构成，对大于0.1微米以上直径的微粒物，过滤的效果几乎可算是百分百，HEPA网的优点是在范围内直径的微粒物，几乎都被过滤掉，而空气气流却没有阻碍的通过。这两层滤膜是净化空气功能的核心，当使用时间过长，网上就会积累大量污垢，导致净化能力下降，必须定时更换清洗。3.5.4控制加湿器加湿器一方面用来降温，一方面用来调节室内温度，是为了保持室内良好的温湿度环境。单片机要想控制加湿器的开关，必须间接控制，利用继电器来实现，控制继电器作为一种自主电器，它适用于在较远的距离进行遥控，电路的接通和分断交，是控制电路直流小容量的一种，在电力驱动系统中，拥有供控制、信号转换用及保护功能。控制继电器的输入量可以选用电压、电流等电量，也可以选用是湿度、张力、速度等非电量，触点动作时，输出量则是处理器发出的电信号，或输出电路各处的参数变化。单片机作为一个弱电器件，通常工作的情况是，它们大都工作在5V左右，可能更低。选mA级或以下一般作为驱动电流。要是想把它选用在些大功率场合工作，比如控制电动机或仪器，显然是没法工作的。所以，就要间接设计有一个环节来衔接，这个环节就是被叫做“功率驱动”。继电器驱动就是一个模板的、简洁的功率驱动环节。在这个设计里，继电器驱动主要提供两个功能：一是对继电器进行驱动，因为单片机功率小，继电器本身对于单片机来说就是一个大功率器件;还有使动其他负载可以选继电器去，例如继电器用作中间继电器的驱动，可以直接进行驱动接触器工作，综上所述，继电器驱动用于单片机与其他大功率负载间接接口。继电器更像一个开关，单片机像一只手，控制加湿器的启停。图3.12单片机控制继电器电路图3.6本章小结依据系统的设计，选出最适合的方案，在器件上的选择不单只看器件的优越性能，还要考虑成本，结构，电路的设计。AT89C52为系统核心，比较、处理、计算数据，控制输出PWM脉冲，粉尘传感器GP2Y1010AU0F、气体SGA700D、温湿度DTH11传感器把环境的模拟信号传入ADC0832转换器中，把模拟信号转换成数字信号，AT89C52处理信息，取每7s的平均值，显示浓度和温湿度，与预设值比较，大于