基于单片机的雾霾报警器设计

摘要PAGEII基于单片机的雾霾报警器设计

摘要随着社会的发展和科技的进步，环境问题引起人们的重视，空气质量成为大众普遍关心的话题，而雾霾问题备受大家的关注，雾霾报警器成为雾霾防治与预警的重要手段。我们进入科技高速发展的时代，测量技术也在不断发展。本文介绍了一种基于单片机的雾霾报警器的设计，运用单片机和粉尘传感器进行精确检测，该报警器携带方便，监测灵敏，能够满足大众的需求，具有广泛的应用场合，该报警器成本较低，市场前景较好。【关键词】雾霾报警单片机携带方便41.引言随着社会的发展，越来越多的城市长期发展工业，而工业废料等化学试剂的处理不正当，导致空气的质量低下，环境问题成为大众当下最关注的的问题。在新的发展情况下，环保部在2012年制定了新的《环境空气质量标准》。根据空气中污染物的浓度来判断对人类健康以及所处的环境的影响，在这次制定中，PM2.5作为新的指标首次纳入判断空气质量的标准。人们越来越关心空气质量和雾霾指数，政府也需要对城市的雾霾指数有一个掌握，雾霾对人们的身体也有相当大的影响。我国许多城市已经雾霾天气视为灾害性天气的预警。雾霾的主要成分为颗粒直径小于2.5微米的可吸入颗粒物，这些颗粒物我们无法用肉眼观察到，而吸入人体则会对人体造成很大的伤害，实时掌握雾霾指数成为防治与预警今日空气质量的重要手段。我国的空气质量监测工作开始较晚，从上世纪70年代开始了空气质量的监测工作，那时采用手工的监测方法，检测指标也相对单一，监测费时费力且不准确，到八九十年代才开始自动监测。在不断的发展过程中，我国的空气质量监测技术也得到了相当大的发展。在2011年环保部发布了《国家环境监测“十二五”规划》，指出要提升国家环境监测能力，强化环境基本公共服务能力。于是，全国各地根据本地的经济发展情况和环境保护情况，制定了符合当地情况的空气监测方案，加大对空气监测技术发展的支持。与此同时，随着科学技术的不断进步，单片机也在不断发展，单片机和传感器的发展使监测仪器越来越多样化。我国的空气质量监测在近几年发展起来，传感器的种类也越来越多，其中，粉尘传感器的发展对雾霾报警器的设计起到重要作用。这些元器件的发展以及科学技术发展使得监测空气质量不再是耗时耗力的工作，使得空气质量的监测越来越便捷。而雾霾报警器成为防治和预警空气质量的较好选择，便携易操作的报警器会对空气质量的掌握起到重要作用。雾霾报警器的数据准确性能够为环境保护工作提供精确的数据支持，也能对用户所生活的空气质量起到一定的警示作用，在此5基础上，环境保护相关部门也能够提高环境保护工作的效率。报警器的警示作用同时能够辅助应对环境保护突发事件，能够协助推荐环境保护措施的实施，协助相关部门明确环境保护工作的发展方向。雾霾报警器成本低廉、可以作为必备品推广使用，预警信息能够降低雾霾对人体的伤害。62.系统的总体设计2.1系统设计的目的本文主要完成通过单片机与粉尘传感器和数字控制技术相结合而实现对雾霾的检测、报警于一体的报警器设计。本文所介绍的报警器具有成本低廉、操作方便快捷的特点，同时，本文所设计的报警器测量精度高，显示迅速的优点，能更好的实现人机交互。结合对当前空气状况的分析和目前检测科技的发展，通过比较各类型单片机和粉尘传感器以及检测方法的优缺点，本设计基于单片机为系统的微处理器与系统的核心，并与粉尘传感器相结合，通过其他电路，加以显示屏显示和蜂鸣器报警，实现高效的雾霾检测报警系统。2.2系统的总体设计本系统的主要的设计内容为：①STC89S52为系统的控制核心。②夏普粉尘传感器GP2Y1010AUOF作为采集粉尘颗粒大小的模块。③采用LCD1602液晶显示屏来显示所有测量值。④键控设计用以实现更好的人机交互。其中，以单片机为控制系统的模块为系统工作的基础，粉尘检测传感器实现对粉尘颗粒的检测，从而测得空气中的PM2.5指数，A/D模数转换电路实现对传感器输出模拟量的转换，9×9按键输入电路可以完成对报警数值的设置，更好的完成人机交互，液晶显示屏可以实时显示所需要的测量数据。当粉尘传感器的检测值高于用户所设定值时，报警电路驱动蜂鸣器报警，当检测值低于设定值时，报警电路处于关闭状态，复位电路完成用户对系统的复位需求，以便于重新检测。系统的整体设计图如图1所示泰山学院本科毕业论文（设计）7LED指示灯LED指示灯液晶显示屏STC89S52单片机液晶显示屏STC89S52单片机蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路键控电路复位电路键控电路复位电路A/D转换开关电路A/D转换开关电路粉尘传感器粉尘传感器图1：系统的整体设计图83.系统的硬件设计3.1系统的控制模块系统的控制电路由STC89S52单片机和键控电路以及LCD1602液晶显示屏组成。3.1.1单片机模块单片机模块能够让单片机正常工作并且完整的发挥其功能的一个集成在一块芯片上的完整的计算机系统，是系统的重要构成，也是系统控制的核心。现在的单片机技术已经比较先进。本文所采用的单片机为STC89S52单片机，其最小系统引脚图为图2。STC89S52单片机是一种采用CMOS工艺的处理器，该单片机具有功耗低、性价比高、寻址位为8位。同时，该单片机芯片具有Flash存储器，Flash存储器，可以反复擦除和编写代码。同时，该单片机外围电路简单，工作频率相对较低，能够满足本文所设计的报警器需要。图2：单片机引脚图93.1.2显示模块本文的设计采用的显示模块为LCD1602液晶显示模块，该设备可以显示粉尘传感器所测得PM2.5指数，即空气中的粉尘浓度，用以判断此时的空气质量。LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富的优点。LCD1602液晶显示模块可以显示两行，每行有16个字符，且外围电路简单，该显示模块在本文所设计的雾霾报警器中可以得到有效应用。3.1.3键控模块本文所采用的的按键设计主要完成用户对于雾霾报警值的设置，以更好的实现人机交互。对应的有3个按键，分别为自减键、自增键、设置键。对应在电路上为K1、K2、K3。分别对应单片机的P3.3、P3.4、P3.5。相应电路设计如图3所示。键控可以设置报警阈值，配合粉尘传感器和蜂鸣器，若粉尘传感器所采集的PM2.5指数超过用户所设置的阈值，则报警电路开始工作，蜂鸣器报警。图3键控电路3.2系统的采集模块系统的采集模块由粉尘传感器模块和A/D转换器组成。103.2.1粉尘传感器本文所采用的的粉尘传感器为GP2Y1010AUOF传感器，它具有体积小，方便安装维护的特点，常用于环境中粉尘、花粉等有关空气质量指数的浓度检测。该传感器内置气流发生器，可以自行吸入外部空气，可以精确又快速的检测所需检测粒子的浓度。同时，该传感器的寿命长、灵敏度高、精度高、稳定性好等优点。它的Vout引脚输出粉尘浓度的模拟电压信号，该引脚采集的粉尘浓度通过A/D转换器与单片机的P0口连接，将夏普粉尘传感器GP2Y1010AUOF所采集的粉尘浓度转换为数字信号传送给STC89S52单片机。在其内对角位置配置有红外检测收发对管和光电晶体管，能够探测到被测气体中的尘埃物质反射光，可探测0.8μm的细小的固体颗粒。该传感器还具有低功耗的特点，是用户选择雾霾报警器的重要参数，其输出信号为模拟信号，信号电压幅度与粉尘浓度成正比，配合A/D转换器和单片机系统使用，能够得到精确度相对较高的检测数据。主要参数如表1所示表1：GP2Y1010AUOF传感器主要参数主要参数参数值灵敏度/V·（0.1mg/m0.5输出电压/V0.9（TYP）消耗电流/mA11工作温度/℃-10~65存储温度/℃-20~803.2.2A/D转换器本文所设计的雾霾报警器所采用的转换器芯片为ADC0832。该转换芯片是一种双通道、八位分辨率模数转换芯片。该芯片具有兼容性强、体积小、转换时间短、11准确率高、稳定性好等优点。对于本雾霾报警器的设计具有重要的作用。3.2.3采集电路本文所设计的雾霾报警器的采集电路由夏普GP2Y1010AUOF传感器与A/D转换器组成，这里所采用的转换器为ADC0832模数转换器，其连接电路图如图3所示图4：采集模块电路图3.3报警模块本文所设计的系统应用的报警电路为声光报警电路，采用蜂鸣器、三极管9102驱动，和单片机的P15口连接。当采集电路所测得空气中的PM2.5指数超过用户所设置的阈值，P15口为低电平。则报警电路工作，二极管发光，蜂鸣器发出报警声音。当采集电路测得空气中的PM2.5指数没有超过用户所设置的阈值，P15口为高电平，报警电路不工作，二极管不发光，蜂鸣器不报警。报警电路电路图如图512图5：报警电路134.系统的软件设计4.1程序语言简介完成本文所设计的系统的硬件设计以及电路设计后，进行软件设计，采用C语言进行程序的编写，软件的翻译环境采用Keil4。程序的编写包括主函数和子函数，采用模块化结构。主函数包括：对系统初始化、数据缓存、串行通信接口、I/0接口设置、传感器、显示器设置等函数。子函数包括：显示函数、声光报警函数、键控检测函数、模数转换函数、滤波等。4.2软件设计流程在本文的软件设计中，主要的任务是驱动传感器，使得采集电路能够采集到外界的PM2.5指数，再通过单片机的控制，在LCD液晶显示屏上显示出当前所测的PM2.5浓度值并且驱动报警电路工作。14读取并显示当前值开始读取并显示当前值开始读取设置好的阈值读取设置好的阈值键盘按下？键盘按下？选项是选项其他否其他解除警报显示当前设置阈值解除警报显示当前设置阈值超出阈值？超出阈值？否报警是报警图6：软件设计流程图泰山学院本科毕业论文（设计）154.2.1主程序设计首先，进入程序后要初始化，包括对ADC0832的初始化、LCD液晶显示屏的初始化等。程序使用中断处理液晶显示和数据采集，流程图如图6所示。本文所采用的GP2Y1010AUOF粉尘传感器是一款光学空气质量传感器，可以感应空气中的尘埃粒子从而探测空气中的尘埃反射光，以便于监测到空气中的各种颗粒物。（1）LCD1602显示初始化LCD_Init();（2）端口初始化Port_Init();（3）ADC转换初始化ADC_Init();（将模拟信号转化数字信号）（4）定时器中断初始化Timer0_Init();（配置中断函数）（5）数据初始化Port_Init();（对LED、蜂鸣器等部分期间数据初始化）4.2.2采集数据程序设计本文所设计的报警器通过粉尘传感器测得空气中的粉尘浓度为模拟信号，需要经过AD转换后转换成数字信号输出到LCD液晶显示屏上。4.2.3蜂鸣器报警部分程序设计本文所设计的报警其中，蜂鸣器和发光电路为报警模块的主要构成。首先进行系统的初始化，开启定时器用于定时，然后设置缓冲区的初始值，用以保存单片机传输过来的数值，低电平时报警。

165.总结与展望5.1总结通过硬件设计和软件模拟调试，本文所设计的系统达到了前期期待的工作要求。经过不断地系统测试，总结情况具体如下：本文所设计的雾霾报警器系统能够实现对空气中PM2.5的实时浓度检测，并且数据较准确。本文所设计的雾霾报警器系统具有成本低廉、操作简单、方便携带等特点。本文所设计的雾霾报警器系统使用的芯片有单片机芯片STC89S52、模数转换芯片ADC0832、粉尘传感器GP2Y1010AUOF、LCD1602液晶显示设备、另外还有实现声光报警的LED发光二极管、蜂鸣器等硬件。本文所设计的雾霾报警器系统的软件设计包括程序的初始化、传感器的驱动、模数转换的程序、所测得空气质量的显示等。通过本次雾霾报警器系统的设计，我发现自己对专业知识掌握的不够好，很多大二学过的专业课知识记不起来，对知识的理解不够好，自己需要提高的还有很多。

195.2展望雾霾报警器是一个能够提高生活质量的比较方便的器件，近年来科技的不断发展也带动了检测技术的发展，人们对环境保护的意识也越来越强烈，能够及时检测到所处环境中的PM2.5指数成为人们的一大需求。雾霾检测手段的提高可以

实时准确获取环境中的PM2.5指数，以便于采取有效的防雾霾措施，可以减少PM2.5对人类健康的威胁。同时，雾霾报警器能够给相应的政府单位提供数据来源，以便于更好的防治工业污染。

21参考文献[1]曾玲俊陈振良莫小灵.基于单片机控制的PM25值灰尘雾霾测量温湿度报警器设计[J].中外企业家,2018(21):127-127.

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