基于单片机的黑板粉尘监测清除装置

绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景在教室内部，黑板作为知识传递的主要媒介，教室和学生在使用过程中存在显著的粉尘污染问题。粉笔书写产生的粉尘颗粒物长期悬浮于教室空气中，容易造成构成多重危害。从健康角度而言，长期暴露于高浓度粉尘环境会导致师生群体出现职业性呼吸道疾病，临床表现为慢性支气管炎、咽炎等典型症状，尤其对处于生长发育期的学生群体危害更为显著；从教学效果方面，粉尘积聚不仅影响黑板可视度，还会分散学生注意力，降低知识传递效率；从设施管理维度方面，粉尘堆积会加速教学设备老化，增加维护成本。当前，随着教育现代化建设进程的推进和健康校园标准的提升，传统人工清洁模式已难以满足教学环境治理需求。在国家大力推进教育信息化建设的政策背景下，开发一款针对黑板粉尘检测清除装置可以成为改善教学环境质量的重要技术路径。这类装置的应用将有效解决传统黑板使用中的卫生隐患，也符合智慧教室建设的发展趋势。现代电子控制领域中，单片机技术凭借其集成度高、性价比优良、运行稳定及功能可扩展性强等优势，已成为不少设备系统的核心控制单元。本研究设计了一种基于单片机技术的黑板粉尘检测清除装置。该系统采用高精度粉尘传感器对黑板工作面及周边环境进行实时监测，通过预设的粉尘浓度阈值判断机制，当检测数据超过安全标准时，主控单元自动启动由吸尘装置、气流循环系统来实现粉尘清除动作。这种智能化解决方案实现了粉尘污染的实时监测与自动处理。一方面显著降低了教学环境中的粉尘污染，保障师生呼吸健康；另一方面通过自动化清洁减轻了教师的工作负担，提升了教学环境的卫生管理效率。1.1.2研究意义随着现代教育理念的发展，教学环境健康问题日益凸显。传统黑板使用过程中产生的粉尘污染已成为影响师生健康的重要隐患。研究表明，长期暴露于黑板粉尘环境可导致多种呼吸系统疾病，包括慢性支气管炎、过敏性鼻炎等，尤其对处于发育阶段的青少年呼吸系统危害更为显著。本次设计的基于单片机的黑板粉尘监测清除系统为解决这一问题提供了有效方案。该系统通过实时监测粉尘浓度，在超标时自动启动清洁程序，显著降低了空气中可吸入颗粒物的浓度和悬浮时间。这一技术应用不仅能够改善师生的呼吸健康，还能有效解决因粉尘积聚导致的黑板可视度下降问题，从而保障教学过程的顺畅进行，提升课堂教学质量和学习效率。本研究表明，基于单片机的黑板粉尘监测清除系统具有显著的应用价值和社会效益。该装置通过实时监测和自动清除粉尘，有效改善了教学环境质量，保障了师生健康，同时推动了教育装备的智能化发展。从更广泛的视角来看，该技术的应用不仅提升了社会对教学环境健康的关注度，也为相关产业的技术升级提供了新的发展方向。随着智能教育装备需求的持续增长，此类系统有望成为现代化教室的标准配置，为教育事业的可持续发展提供技术支撑。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状对于粉尘清除治理邻域国外发达国家凭借先发优势已建立起相对完善的工业粉尘监测与处理技术体系。然而，针对教育场景中黑板粉尘问题的专项研究国外的学者发表内容相对有限，但其技术路线仍具有重要参考价值。在监测技术方面，发达国家的研究主要聚焦于高精度检测与智能分析两大方向。典型技术包括基于虚拟冲击原理的可吸入颗粒物分级监测系统，该系统可实现PM2.5等细颗粒物的连续分离与精确计量。同时，人工智能技术在粉尘预测领域的应用取得显著进展。在清除设备研发方面，国外学者已开发出若干创新性解决方案。其中，采用静电吸附技术的光能驱动无尘黑板擦具有代表性，该设备通过静电场作用实现粉尘定向收集，有效抑制了二次扬尘现象。更前沿的研究将机器视觉技术应用于粉尘污染评估，建立了基于图像识别的粉尘扩散动态监测系统。1.2.2国内研究现状随着教育信息化建设的深入推进，我国在智能黑板粉尘治理领域的研究取得了显著进展。目前国内关于这一课题的主要研究方向包括：粉尘监测方法、粉尘设备设计和智能控制应用。在粉尘检测技术方面，国内学者系统比较了多种监测方法的适用性。其中，光散射法因其良好的实时性和经济性，成为教育场景下的优选方案。基于此，国内高校的研究人员开发了以MSP430单片机为核心的高精度监测系统，实现了教学环境中粉尘浓度的实时检测与数据分析。在系统设计领域，创新性成果不断涌现。典型代表包括基于51系列单片机的全自动黑板清洁装置，该装置采用PWM调制技术精确控制直流电机运转参数，实现了黑板表面的高效清洁。另有研究团队开发了基于光学折射原理的智能传感器，通过光电转换技术将粉尘浓度信息转化为可处理的电信号。在智能控制方面，国内关于粉尘清除设备的研究突出了人机交互体验的优化。通过可编程阈值设定、多模态状态提示（LED指示灯与声频报警结合）等功能设计，显著提升了系统的易用性和可靠性。这些技术创新为构建智能化教学环境提供了重要的技术支撑。当前，基于单片机的黑板粉尘监测清除系统在国内已形成初步技术积累，但在监测精度、智能控制等方面和发达国家相比还是存在着一定的差距。本次课题的设计就是通过借鉴国际先进的粉尘治理技术和智能化理念，优化系统性能，实现精准的黑板粉尘监测和自动清除动作。1.3课题研究内容本次设计需要完成一个基于单片机的黑板粉尘检测清除装置，它可以完成室内的PM2.5浓度检测采集等功能。以单片机为主要控制单元，采用粉尘传感器完成对现场空气中PM2.5浓度采集，最终实现对周边环境的监控。课题应完成的主要内容如下：1.系统电路部分设计：对整个系统的电路部分进行选型和设计以及外部接线图的绘制；2.系统代码部分设计：对系统各个部分的代码进行编写和烧录；3.产品设计：做出成品实物。做出的实物可以完成PM2.5浓度检测、模式切换以及系统报警、阈值修改等功能。1.4全文结构设计基于实际研究内容和项目开展情况，本论文共分为六个章节，各章节具体内容安排如下：第一章为绪论部分。本章首先阐述了课题的研究背景及其重要意义，系统分析了当前交通灯控制系统的技术现状及存在的不足之处。同时，对国内外黑板粉尘监测清除装置的技术发展历程和研究进展进行了全面梳理，为后续研究奠定理论基础。最后，对全文的章节结构和内容安排作了简要说明。第二章着重论述系统的总体结构设计与关键器件选型。本章首先通过系统结构框图直观展示整体设计方案，并对各功能模块的作用进行详细说明。随后，针对系统主控模块及各类传感器模块，从功能实现、性能参数、成本控制等多个维度对备选方案进行综合评估，最终确定最优的器件选型方案，为后续具体设计提供依据。第三章详细阐述系统硬件设计。本章不仅对各外部功能模块的核心元器件工作原理进行深入分析，还对其接口特性进行详细说明。完成了系统整体电路原理图的绘制，并对关键电路模块的设计思路和工作原理进行专业解读。第四章重点介绍系统软件设计。本章采用模块化设计思想，首先对主程序的控制流程进行详细说明，然后针对各功能子程序的设计思路和实现方法进行具体阐述。通过程序流程图的方式，清晰呈现系统软件的逻辑架构和运行机制。第五章为系统测试与验证。本章制定了详细的测试方案，包括电路板焊接完成后的质量检测方法和标准。通过对实物的功能测试，验证系统的功能完成情况，并对测试结果和过程中出现的问题进行分析和讨论。第六章对全文工作进行总结与展望。本章首先对研究成果和创新点进行系统归纳，客观评价设计方案的优势所在。同时，针对系统存在的不足之处进行深入分析，并提出具有可行性的改进方向，为后续研究提供参考。2系统总体设计2.1系统控制方案确定本次设计的黑板粉尘监测清除装置根据相关功能绘制的总体结构图如图2-1所示：图2-1总体设计框图对结构框图中的各个模块加以介绍：传感器：用于检测空气中的粉尘浓度，并将数据转换后上传到单片机中进行处理，在由单片机上传到显示模块加以显示。数模转换芯片：在工作中可以完成传感器内部的模拟量数据转换，在经过内部处理后可以通过串口上传到单片机模块进行处理。按键模块：负责进入和修改系统的设定阈值。电源模块：对整个系统中的所有用电模块供能。单片机核心控制器：本次黑板粉尘检测设备的核心控制模块，可以对外部各个传感器采集来的信号数据进行整合传送，达到控制系统显示模块和外部执行模块的目的。显示模块：接收到单片机送来的信号后显示当前的、PM2.5信息和设置定时模式时间、PM2.5阈值范围。报警模块：用于在系统对比后发现采集数据不在设定阈值范围内进行报警提示。外部执行设备：用于实现粉尘过高时的清除动作。2.2系统需求确定2.2系统器件选型2.2.1单片机选型方案一：采用DSP。DSP是一种微型的处理器，它通过接受各个元器件发来的数字信号进行问题事件的处理，在线路的设计和连接上DSP十分的简单，而且在使用中该控制器可以重复的使用，共享性也很好，作为一款集成性较高的元器件，刚刚入行的新手小白使用它做为核心模块是十分合适的。但是对于本次设计来说，首先是它的价格比较高，对于本次设计不是很划算，同时它需要一个独立的电源模块对其进行供电，一旦出现了能源不够的情况，它就变的那么可靠了，所以本次设计不适用该方案。方案二：AVR单片机。AVR单片机作为一种新兴的嵌入式控制器，近年来凭借其高速运算、低功耗和强大处理能力等优势，在精密仪器领域获得了广泛应用。然而，但是这款单片机存在两个较大的问题：首先它的开发环境仅支持C语言编程，这种中低级语言的复杂性对初学者构成了较高的学习门槛；其次这款单片机内部的寄存器控制采用字节级操作方式，缺乏位操作功能，这种设计在特定应用场景下可能导致控制精度不足的问题。尽管AVR单片机在性能上优于传统型号，但这些技术特性限制了其在某些对开发友好性和操作精度要求较高场景中的应用。方案三：STC89C52单片机。52单片机作为传统的老牌单片机它的性能上不必多说。在控制上，52单片机是采取总线控制，简单来说就是将各个功能部件同时集成在一块板子上共同对其进行功能上的调用，在方便控制的同时也使它的抗干扰性变强了。同时由于其功能较多，它的拓展性也十分的优异，很多别的单片机难以单独实现的功能控制它都可以完成。在价格上52单片机也很便宜，用来进行本次设计的话性价比很强。综上所述：在对这三种方案的单片机介绍和比对，在考虑了设计难度和性价比问题上。使用方案三的STC89C52单片机作为本次设计的主控模块。2.2.2显示模块选型方案一：晶体数码管。晶体数码管是由发光二极管横竖排列组合的。其演示效果好，设计简单，目前很常见的运动在各个商业活动的宣传当中。不过晶体管的问题也是很明显的，首先晶体管的体积很大，用在本次设计中明显不可能，同时晶体管的价格较高，在本次空气质量检测器的设计中没有很好的性价比，所以本次不适用晶体管作为显示模块。方案二：LED数码管，通常LED数码管都需要配合一个寄存器进行移位扫描显示。在安装设计时需要设计一个74LS164寄存器进行移位，功能和体积上都可以满足本次设计，但是由于多了一个寄存器的存在，在软件设计上没有数码管来的方便，同时也更容易出现错误。排查时也不是很好找出原因，所以本次设计也不考虑这一方案。方案三：LCD1602液晶，LCD1602液晶是一种常见的显示液晶，它的功能强大，稳定性号、耗能不高。所以在各个小型的系统中都可以看见它的身影，它的成像原理使通过内部的发光点收到电信号后就可以保持长久稳定的发光，这样显示出的字符就十分的清晰。同时其内部的数字式即可接口传速度快，插拔方便。综上所述：在考虑到本次设计的显示数据类型、性价比、设计难度。最终选择了1602液晶作为本次系统的显示模块。2.2.3蜂鸣器选型方案一：采用无源蜂鸣器。无源蜂鸣器内部不含振荡源，需要控制信号来控制其振荡，将控制信号转换为声音信号输出，其控制难度较有源蜂鸣器更大，但因内部不含有振荡源，该蜂鸣器成本较低。方案二：采用有源蜂鸣器。它和无源蜂鸣器正好相反，它的内部有一个振荡源。在使用时只需要给其进行供电，内部的振荡源就会发出声音。在控制上只需要一个信号即可驱动，原理简单、稳定性强。综上所示，考虑到设计需求和稳定性等问题，采用方案二。3系统硬件设计3.1单片机模块设计主控模块作为系统的核心数据处理单元，采用高度集成的微型计算机架构，承担着类似生物大脑的中枢控制功能。本设计选用STC89C52单片机作为主控芯片，负责接收传感器传输的信号，进行数据处理后输出相应的数值至显示模块。同时，系统内部预设浓度阈值，当检测值超过安全限值时，主控模块向报警模块发送触发信号，驱动报警装置工作，直至检测值回落至安全范围内。主控模块的硬件结构如图3-1所示，主要由单片机最小系统构成，包括STC89C52芯片、复位电路、晶振电路、上拉电阻及功能按键。其中，单片机负责执行核心运算任务，并通过内部烧录的程序实现逻辑控制。复位电路采用RC复位设计，通电时10μF电容与下拉电阻配合，使RST引脚（9号引脚）短暂维持高电平后恢复低电平，确保系统正常启动；手动触发复位按键时，RST引脚将接收至少2μs的高电平脉冲，强制系统重启。此外，单片机18、19号引脚外接晶振电路，为系统提供稳定的时钟信号以控制运行速度。由于P0端口仅支持低电平和高阻态输出，需外接排阻以增强驱动能力，确保其能够有效驱动显示模块。图3-1单片机最小模块外部电路图本次系统的复位模块，采用按键复位的方式来执行，当按下复位按键后，复位端口RST会得到一个低电平信号，当单片机检测到低电平信号后，就会执行复位动作。晶振模块，主要是为单片机提供内部中断和时钟频率而放置的，通常它放置在离单片机较近的位置中，这样可以提高单片机的运行速度。3.2显示模块设计本次使用的显示模块采用LCD1602液晶显示屏，它的显示功能强大，可显示大量的字符，连接简单，它通过接收单片机模块的信号对显示区域进行控制显示出当前的湿度系数。1602液晶的引脚介绍如表3-1所示。表3-1LCD1602引脚介绍引脚号引脚名称引脚功能1GND电源接地端2VCC5V电源正极3VL调节显示器对比度4RS寄存器选择端5RW读写信号线6E使能端口7~14D0~D7双向数据端口15BL+背光正极16BL-背光负极如图3-2所示。1引脚、2引脚、3引脚、15引脚和16引脚分别为接地，接电源，对比度调整电压，和LCD背光电源正极和负极。4到14引脚接单片机I/O口，其中4引脚输入低电平则输入指令，输入高电平则输入数据。5引脚控制写入或读出，低电平写入指令或数据，高电平读出信息。6引脚为使能信号，高电平时读取信息，从高电平到低电平时执行指令。而7至14八个引脚则为输入和输出的总线，通过不同信号组合达到输出或输入不同的信息的目的。LCD1602显示模块接口电路设计如下：该模块采用标准16引脚接口设计，其中1、2引脚分别连接电源正极与地线构成供电回路；3引脚为背光调节端，通过外接2kΩ限流电阻与5V电源构成分压电路，将工作电压稳定在0.5-1V的合理区间，确保显示亮度适中，该电阻值经多批次屏幕实测确定；4引脚（RS）与单片机I/O口直连，通过高低电平切换实现数据/指令寄存器的选择；5引脚（R/W）接地配置为固定读模式，避免数据冲突；6引脚（E）保持悬空状态因系统采用直接驱动方式；数据通信通过7-14引脚并行传输，配合控制信号可执行11种标准指令操作；显示寻址采用地址映射机制，每个字符位对应唯一地址码（基地址+10000000b），写入数据时需保持14引脚（DB7）为高电平；模块内置160个标准字符库，通过发送特定字符代码即可在指定位置显示相应内容，本系统利用该特性实现PM2.5实时浓度与设定阈值的双行显示功能，所有显示操作均通过单片机精确控制各引脚电平状态来实现。图3-2显示模块外部电路图3.3按键模块设计如图3-3所示。本次系统由于按键功能较少，没有使用矩阵键盘和是使用了独立按键，这样的设计一是减少了键位数量，同时也不会出现干扰的情况，本次一共放置了四个独立按键，分别用于设置模式下进行阈值的加减和切换。定时模式的开启动作。它们的连接方式都是相互之间的并联接地，另一端串联后连接到单片机不同的I/O口。在整个工作过程中，所有按键动作不会相互影响，同时其工作状态为：当使用人员没有对按键进行动作时，按键连接的单片机I/O口信号为高电平，当按键按下后，由于整个电路导通，电平信号转变为低电平，这时单片机就会得到一个下降沿的信号，对系统阈值进行修改。图3-3按键模块外部电路图3.4信号采集模块设计系统对PM2.5浓度监控使用的是粉尘传感器，它是利用初中学习的散射原理来完成PM2.5浓度采集的，空气中弥漫的可吸入颗粒物会和光发生散射现象，散射程度的不同会照成光强的不同，同时在进行检测时光强的变化又会造成电信号的变化，所以只需要判断当前电信号的大小即可判断空气中PM2.5的浓度。在本次设计中将PM2.5传感器接入STC89C52单片机的P1.3引脚。实时将数据上传到单片机当中进行处理。同时由于PM2.5传感器采集到信号为模拟量数据，因此在后方加入了一个ADC0834数模转换芯片来将数据进行转换后在处理，如图3-4所示。图3-4信号采集模块外部电路图3.5外部执行模块设计如图3-5所示，在本次设计单片机给出的控制信号驱动外部执行模块动作是通过PNP型的三极管进行放大驱动的，当传感器检测到当前PM2.5数值不在设定的阈值范围时，单片机会通过对应的I/O端口给出低电平信号控制PNP型三极管导通，从而驱动外部执行设备。图3-5外部执行模块外部电路图3.6蜂鸣器报警模块设计报警模块采用LED发光二极管与蜂鸣器并联，并配合PNP型三极管S9012构成。该模块作为系统的第二信息输出通道，当检测到的PM2.5浓度超过预设阈值时，主控模块触发报警信号，通过声光组合方式实现警示功能，其作用机理类似于声觉与视觉的双重报警机制。如图3-6所示，该模块的核心控制元件为PNP型三极管S9012。其工作原理为：当主控单片机向三极管基极b输出低电平信号时，三极管导通，发射极e与集电极c间形成通路，从而驱动LED发光二极管点亮及蜂鸣器鸣响，实现报警功能；当单片机输出高电平信号至基极时，三极管截止，报警电路断开，声光报警装置随即停止工作。该设计通过三极管的开关特性实现了对报警电路的有效控制。图3-6蜂鸣器报警模块外部电路图3.7电源模块设计作为整个系统正常运行的基础保障，电源模块的设计至关重要。本系统采用标准USB接口作为外部供电输入，提供稳定的5V直流电源如图3-7所示。电源电路由自锁开关和USB供电线路构成，其中自锁开关采用6引脚设计：1号与3号、4号与6号引脚分别功能相同，2号和5号则为接地引脚。实际连接时，若选用1、3号引脚作为电源输出，则需将5号引脚接地；同理，使用4、6号引脚输出时，2号引脚需接地。由于系统各功能模块均工作在5V电压下，故无需额外设计电压转换电路，既简化了系统结构又提高了供电可靠性。图3-7电源模块外部电路图

4系统软件设计4.1系统开发软件简介在完成硬件系统设计后，需编写相应的单片机控制程序以实现系统上电后的各项功能。本设计采用Keil4集成开发环境作为软件开发平台，该环境是针对51系列单片机的主流开发工具，提供完善的代码编辑、编译、调试及仿真功能。通过Keil5开发环境，可对单片机程序进行高效开发与验证。该软件支持C语言和汇编语言编程，并具备强大的编译优化能力，能够将源代码转换为可执行的目标文件。同时，其内置的调试工具可对程序进行单步执行、断点设置及变量监测，确保代码逻辑的正确性。此外，软件集成的仿真功能可模拟硬件运行环境，便于在烧录前验证程序的可行性，从而提高开发效率和系统可靠性.4.2主程序流程设计如图4-1所示，系统的主程序流程图如下：图4-1主程序流程图当系统上电开始工作后，设备首先会进行一个初始化动作。初始化结束后，单片机会进行按键扫描动作。当检测到有按键被按下后系统会进行阈值数值的修改。完成后，传感器会实时采集当前黑板周围的PM2.5数值，并且通过AD转换模块将模拟量转换成数字量数据上传到单片机中。单片机会将这一数值和设定的阈值数据进行对比。如果操作了阈值数据，单片机会控制蜂鸣器和风扇进行报警和清除动作。其部分代码如下所示：voidmain(){ U16len; U8m; Init_Timer0(); //定时器初始化 InitLcd1602(); //初始化液晶 LcdShowStr(0,0,"ZD"); LcdShowStr(0,1,"PM2.5:ppm"); while(1) { Key_set_scan();//按键扫描 if(moshi==0) //设置模式切换 { for(m=0;m<20;m++) { Value1=adc0832(0);//PM2.5检测 Delay_Ms(1); sum=sum+Value1; } Value1=sum/20;sum=0; Value1=Value1*(float)(Value1/5);//浓度校准 if(Value1>999)Value1=999; len=IntToString(str_pm,Value1);//转换成字符串 while(len<3)//用空格补齐到5个字符长度 { str_pm[len++]=''; } str_pm[len]='\0';//添加字符串结束符 LcdShowStr(6,1,str_pm);//PM2.5显示到液晶屏上 4.3显示子程序流程设计如图4-2所示。1602液晶显示模块的工作流程较为简明。系统上电完成初始化后，进入显示子程序执行阶段。单片机首先向LCD写入指令控制首行字符显示，随后依次输出第二行数据，直至完成全部内容的显示。图4-2显示子程序流程图其部分代码如下所示：voidLcdWaitReady(){unsignedcharsta;LCD1602_DB=0xFF;LCD1602_RS=0;LCD1602_RW=1;do{LCD1602_E=1;sta=LCD1602_DB;//读取状态字LCD1602_E=0;}while(sta&0x80);//bit7等于1表示液晶正忙，重复检测直到其等于0为止}/*向LCD1602液晶写入一字节命令，cmd-待写入命令值*/voidLcdWriteCmd(unsignedcharcmd){LcdWaitReady();LCD1602_RS=0;LCD1602_RW=0;LCD1602_DB=cmd;LCD1602_E=1;LCD1602_E=0;}/*向LCD1602液晶写入一字节数据，dat-待写入数据值*/voidLcdWriteDat(unsignedchardat){LcdWaitReady();LCD1602_RS=1;LCD1602_RW=0;LCD1602_DB=dat;LCD1602_E=1;LCD1602_E=0;}/*设置显示RAM起始地址，亦即光标位置，(x,y)-对应屏幕上的字符坐标*/voidLcdSetCursor(unsignedcharx,unsignedchary){unsignedcharaddr;if(y==0)//由输入的屏幕坐标计算显示RAM的地址addr=0x00+x;//第一行字符地址从0x00起始elseaddr=0x40+x;//第二行字符地址从0x40起始LcdWriteCmd(addr|0x80);//设置RAM地址}/*在液晶上显示字符串，(x,y)-对应屏幕上的起始坐标，str-字符串指针*/voidLcdShowStr(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*str){LcdSetCursor(x,y);//设置起始地址while(*str!='\0')//连续写入字符串数据，直到检测到结束符{LcdWriteDat(*str++);}}voidLcdShowNum2(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedcharnum){LcdSetCursor(x,y);//设置起始地址LcdWriteDat(num/10+0x30); //十位 LcdWriteDat(num%10+0x30); //个位}voidLcdShowNum3(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedintnm){LcdSetCursor(x,y);//设置起始地址LcdWriteDat(nm/100+0x30); //百位 LcdWriteDat(nm/10%10+0x30); //十位 LcdWriteDat(nm%10+0x30); //个位}4.4中断子程序流程设计如图4-3所示。本次设计的中断子程序除了提供系统中断时间外，还控制着粉尘传感器进行工作，在设计过程中，通过代码将定时器1的中断设置在方式1，这样每次系统经过一次中断就行进行重新赋值，这样就可以驱动粉尘传感器进行工作。通过驱动LED的高低电平完成粉尘传感器的采样动作。图4.3信息采集子程序流程图部分代码如下：/*整型数转换为字符串，str-字符串指针，dat-待转换数，返回值-字符串长度*/unsignedcharIntToString(unsignedchar*str,intdat){signedchari=0;unsignedcharlen=0;unsignedcharbuf[6];if(dat<0)//如果为负数，首先{dat=-dat;*str++='-';len++;}do{//先转换为低位在前的十进制数组buf[i++]=dat%10;dat/=10;}while(dat>0);len+=i;//i最后的值就是有效字符的个数while(i-->0)//将数组值转换为ASCII码反向拷贝到接收指针上{*str++=buf[i]+'0';}*str='\0';//添加字符串结束符returnlen;//返回字符串长度}voidInit_Timer0(void){ TMOD|=0x01; //使用模式1，16位定时器，使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响 TH0=(65536-10000)/256; //重新赋值10ms TL0=(65536-10000)%256; EA=1;//总中断打开 ET0=1;//定时器中断打开 TR0=1;//定时器开关打开// PT0=1;//优先级打开4.5报警子程序流程设计如图4-5所示。当系统温湿度传感器检测到当前大棚内的温湿度高于或低于设置的阈值数值后，单片机就会通过IO端口给出一个电平信号控制蜂鸣器工作报警，同时对应的外部执行模块也会动作，提示大棚的工作人员进行下一步动作。图4-5蜂鸣器子程序流程图部分代码如下：if(Value1>P_baojing)BUZZER=0;elseBUZZER=1; //报警控制 if(ms_flag==0) //自动控制 { LcdShowStr(0,0,"ZD"); if(Value1>P_baojing)Feng=0;elseFeng=1; //PM2.5过高控制风扇 } else //定时启动 { LcdShowStr(0,0,"Time:"); LcdShowNum2(5,0,sec); if(kg_flag==1)Feng=0;elseFeng=1; } } elseif(moshi==1)LcdShowNum2(6,1,T_baojing); elseif(moshi==2)LcdShowNum3(10,1,P_baojing); }}5系统实物仿真测试5.1实物焊接步骤在本次设计中，焊接的原件有各个硬件元器件、单片机、多个电容，电阻、导线等等，在焊接之前，需要熟读各个传感器，芯片的操作手册和引脚接线方式。根据绘制的电路图依次进连接。连接完毕后即可烧录代码。关于软件软件代码的烧录，需要在KEIL软件里将编写好的代码转换成hex文件再烧录进单片机。同时将焊接好的实物板在上电之前需要对线路进行排查和检验，通过万用表来排除整个线路中是否存在虚焊的现象，以免出现上电烧板子的情况。如果出现虚焊现象，在使用电烙铁对其进行二次焊接。焊接完成后再次用万用表进行测量，在确定没有问题后将USB电源先插入进行上电测试。5.2实物结构说明如图5-1所示，本次焊接的实物板如下图所示。板子的最上方为系统的显示部分LCD1602液晶，用于显示环境中的相关参数。1602液晶下方为系统的核心控制部分51单片机，通过单片机可以实现系统数据的采集和处理，控制设备等动作的实现。单片机的下方是用于模拟清除粉尘的执行模块风扇，检测过程中检测到当前粉尘浓度较高，单片机就会控制风扇动作。右边放置的是粉尘检测传感器和按键模块，传感器可以实时检测环境中的粉尘信息。按键模块可以实现自动和定时模式的切换以及粉尘阈值的修改。除此之外，系统还放置了蜂鸣器模块与板子中间实现高粉尘报警动作。图5-1实物图5.3实物功能测试如图5-2所示，对系统插上电后，进行相关功能检测。在上电后，此时1602液晶上会显示相关信息，此时液晶的第一行为“ZD”表明系统处于自动状态，下方则会显示传感器实时采集到的PM2.5浓度信息。图5-1实物功能测试图（1）如图5-2所示，首先对系统设置模式的功能进行检测，首先按下系统的第一个独立按键，进入设定模式。在设定模式下可以对定时模式的工作时间进行修改，通过第二、三个按键实现数值的加减。图5-2实物功能测试图（2）再次按下设置按键后，系统会进入到阈值参数设定页面，在该页面中可以对自动模式下设定的报警阈值信息进行修改，也是通过通过第二、三个按键实现数值的加减。如图5-3所示。图5-3实物功能测试图（3）在完成设置模式下的相关动作后，可以对系统的功能动作进行检测，首先对系统自动状态下的功能进行检测，如图5-4所示。在自动状态下，传感器会实时采集黑板周围的粉尘浓度信息。当传感器检测到的粉尘浓度信息高于前期设定的阈值数值时，系统会进行声光报警，并且控制执行设备风扇动作，清除粉尘。图5-4实物功能测试图（4）在检测完自动模式下的相关功能后，按下第四个独立按键，将系统切换到定时模式下。此时1602液晶上会显示“Time”的相关指示，此时按下第三个独立按键，系统会开启风扇，并进行倒计时，倒计时的时间为前期设定的数值。该项功能主要满足于许教师下课时的黑板粉尘定时清工作。如图5-5所示。图5-4实物功能测试图（5）5.4实物测试结果本次设计主要对实物板上电后进行报警功能测试、实时PM2.5浓度检测功能测试、阈值修改、模式切换等功能进行了详尽测试。在测试过程中主要出现了如下的相关问题：（1）系统启动后，发现当前LCD1602液晶亮起，但并不显示字符。在通过Keil4进行代码查看后发现没有代码错误，于是将，于是检查当前的线路连接是否有问题。在检测过程中发现1602液晶的接口处有松动，在重新焊接了以后液晶上可以正常的显示字符。（2）系统在检测到PM2.5达到阈值后，风扇并未进行动作。代码经过检测后发现无误，所以怀疑是不是该模块存在线路连接问题，仔细观察后发上的线路存在虚焊的情况，确认是该模块线路连接有问题。再次焊接上电后，风扇正常工作，解决完上述问题后，本次系统测试告一段落，测试内容完好，实物基本满足前期的期望功能。6结论与展望6.1主要结论本次设计主要完成了一个简易的黑板粉尘监测清除装置的实物板设计，在控制系统上选用了52单片机完成了整个系统的控制，外部采用粉尘传感器对室内黑板周围可吸入颗粒物情况进行信号采集，同时系统还设置了报警和执行功能，使用人员可以通过阈值设定来实现报警。单片机会控制执行设备实现相关的粉尘清除动作。（1）对前期设计的功能进行了期望，同时对设计中需要使用的一些电子元器件进行了详细的分析和选型，并且完成了系统总体内容结构的设计。（2）对系统的硬件部分进行了分析，根据绘制的各个模块电路图，对系统中各个模块的功能和线路连接方式进行了说明和设计。（3）完成了系统软件部分的流程设计，对系统主程序以及各个子程序的相关流程进行了分析，并且绘制了相应的软件流程图。（4）完成了实物板的焊接，对实物板的整体结构进行了介绍。并且对实物板的相关功能进行演示和检验。6.2研究展望在经过这将近半年的设计，大致的对整个单片机设计有了一些基本的经验和构思想法。不过本次设计在总体上来说还是由很多不足的，首先本次设计的整个实物模型较为简单，整个线路较为杂乱，不是特别美观。主要是对期望的功能进行了实现并没有注意到这些问题。在后面的时间里，可以设计一个小巧的外壳，增加其的美观性；其次系统的供电方式式放置了一个USB插座插入外部电源实现供电，这和实际生活的所用的电源不符，后面可以将系统的电源部分加以改进。最后整个系统的智能化不高，人机交互上仅仅只用了一个1602液晶显示当前的相关信息。未来可以在系统中放置wifi或者蓝牙模块进行数据传输，通过手机控制系统。参考文献[1]张咏琪,王杰,周渝皓,杨珺旎,邓彬.粉尘浓度监测技术研究现状与发展趋势[J].工矿自动化,2024,50(12):111-119+165.[2]张强.个体呼吸性粉尘质量浓度监测仪的设计研究[J].矿山机械,2023,51(08):70-73.[3]雍盛贵,徐光建,陈冲,姜勇.基于单片机的激光粉尘分析仪的设计[J].电工技术,2022,(16):87-88+90.[4]胡林林,付龙,李欣雪.基于STC89C