【《基于51单片机的空气质量检测器设计》7600字】

基于51单片机的空气质量检测器设计目录TOC\o"1-3"\h\u7329引言 1114421.选题的意义 2181302.实物的设计目的和方式 3115653.空气质量检测仪元器件的选择 3247923.1单片机的选用 3171113.2A/D转换芯片的选用 4210653.3各参数显示器件的选择 5159573.4夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F 5150953.5温湿度传感器的选择 748463.6蓝牙模块的选择 8125154.各单元模块的硬件设计 8305054.1系统概述 9201824.2单片机最小系统 9265004.3粉尘传感器电路设计 1283934.4A/D转换的电路设计 129584.5LCD显示模块设计 1293444.6温湿度传感器的电路设计 13172874.7蓝牙电路设计 1320505.程序设计 1396156.结束语 15摘要：在人们的日常生活中，人们经常会在网上看到一些热点新闻，其中空气污染相关事件频繁出现，因此市面上出现了许多对空气质量进行检测的装置。本设计的目的是检测身边空气质量状况，其检测环境主要在室内，该装置测量的粉尘浓度为0.8微米左右，测量的温度范围在0℃~50℃，湿度测量范围在20~90%RH，测量完成时会在实物显示屏上显示数值并通过蓝牙发送给手机。具有体积小，精度高，方便携带和实时监测等优点。关键词：STC89C51；空气质量检测；粉尘传感器；DHT11传感器引言当前数据表明，人类的相当一部分呼吸道疾病是由于所处环境空气中的悬浮的颗粒浓度所造成的，而现如今，随着工业排放的不断增加以及汽车尾气的不断排放，我们身边所处的各个环境的空气质量都在遭受的严重的威胁，与此同时也在危害着人们的健康，例如呼吸道问题、人体免疫力下降、心脑血管疾病、以及过敏等症状，都与空气质量脱不了干系。我们国家最近几年也对空气质量的我问题做出了一系列应答，也在寻找大大小小的解决方案，不管是在室内还是在室外，所处环境的空气质量都对自然界生物体有着很大的影响。此设计本着测量空气中各个指标的数据、方便快捷并且数据显示的一目了然为目标，对传统空气质量检测装置要在装置上面看到各参数值，并且装置较大，不利于放置等缺点进行了改进，本论文所描述的设计不但对以上问题有了一个很好的解决，而且减少了很大的使用成本，也方便携带和放置，更是完成了自动检测温度和湿度，使用户在使用过程中，不仅能更准确的在显示屏幕上看到当前空气质量的各个指标，也可在手机端显示，做到在任何地点都能监测到当前的各个数值，大大减少了操作步骤。此设计运用的是功能强大且简单易学的STC89C51作为主控芯片，同时我选取DHT11传感器，并采用夏普光学传感器来检测当前环境的浓度值，将检测到的温度、湿度和颗粒物浓度的变化显示在LED显示屏上，与此同时手机可以连接此检测器的蓝牙，这样就保证了人在手机上也可以看到环境的质量状况，实现对空气质量状况的测量，从而使智能空气检测装置实用环保，使得数据一目了然的呈现在人们面前。选题的意义时代发展越来越迅速，科学技术带给了人们便利，我们不仅可利用科学技术检测出当前环境的各方面指标，而且也让更多人了解到了我们所处的环境空气的质量并不是我们所想象的那样乐观，空气中其实有很多我们肉眼所看不到的污染物颗粒，这些隐患严重的危害了我们的健康。新闻上曾经报道过很多雾霾天气的消息，尤其是一些一线城市，这一状况更为严重。据报道资料显示，我国局部地区发生了六次沙尘暴天气，还有四次扬沙过程，北京区域最为明显，很容易形成雾霾天气。我们通常把大气污染的其中一种状态称作为雾霾，大气污染作为人们共同的敌人，它的最大元凶是PM2.5。对人类所处环境空气质量有着较强的威胁，其中，人为来源是较大的，也是普遍存在的因素，例如发电，冶金，石油化工，二手烟等都是可以导致PM2.5的生成的。WHO曾在一份发表的报告中指出，全球，几乎每个国家的大多数城市和农村地区居民都面临着雾霾所带来的健康问题。与相对清洁的城市相比，高污染城市死亡率高五分之一。据资料显示，在欧洲，大约300,000人死于严重的空气质量污染，这意味着由于空气污染，我们的健康会因此存在潜在的隐患。由于人类不会过滤或隔离任何外部粒子，所以污染物粉尘对人类健康的危害也越来越令人担忧，这一点我们应当得到承认。据统计，全国因PM2.5的颗粒浓度上升而使得人体造成疾病，最后导致死亡的人数高达二百万人左右，震惊伦敦的毒雾事件让所有人为之战栗，2013年10月，PM2.5作为空气污染中的致癌因素被WHO列入其中，当粉尘含量较小的时候不会有很大危害，但如果长期处于这种状态下，则会伤害人体器官，造成慢性疾病，严重的则会导致癌症。基于以上原因，对粉尘颗粒的监测与治理就成为了一个十分严峻的问题。实物的设计目的和方式此智能空气质量检测装置通过夏普光学粉尘传感器是用来对所处环境颗粒物的浓度值来进行捕捉的，制作而成的实物会利用DHT11传感器来完成粉尘检测的功能，此时模拟信号会转换为数字信号并输入单片机STC89C51进行记录，不但可以在1602液晶显示屏上面显示刚才所测得的参数值，而且该装置还可以与我们的手机进行蓝牙连接，做到不但可以在装置上可以看到所测得的数据信息，而且在手机上也可以进行实时监测，并以每两秒为一组数据来进行传输，让整个过程在使用起来更方便快捷，同时也达到了智能的效果。此次设计主要包括51单片机、电源模块和蓝牙模块；除此之外还有按键模块，不但如此，LCD1602液晶显示模块的需要同时也发挥着重要的作用，以及模数转换模块，不但如此，设计实物时还需要粉尘检测模块和温湿度检测模块等。3.空气质量检测仪元器件的选择3.1单片机的选用该实物选用的是STC89C51单片机，它是由STC公司推出的CMOS的8位微处理器，51单片机在很多电子系列控制应用系统领域提供了多种解决的办法，支持可重复擦写是它的一大特点，同时兼容性部分让系统在不同环境中更加兼容，同时还有ISPFlash存储单元集成在芯片当中，不止如此，内部还有通用的8位中央处理器，具有功能强大，精度高，方便初学者学习等优点。51单片机有增强型1T的流水线，RAM为256个字节、输入输出接口线为三十二位，其的驱动能力可以达到20毫安，而且它还有两个看门狗计时器，三个定时器/计数器且它们是十六位的，还有一个两级中断的结构。片内有晶振以及晶振电路。51系列单片机不但能够进行静态逻辑操作，让频率达到0Hz，而且还支持省电模式选择，内部的时钟电路会为单片机提供震荡脉冲，电源的电路可以为整个实物的核心元件提供电源，供各部分使用。空闲模式的单片机对功率的消耗并不是很大，当处于空闲模式的时候，中央处理器会处于休眠状态，与此同时，其他硬件系统不会处在休眠状态，在此状态下单片机会被硬件复位或者是中断系统而唤醒，单片机的定时器还保持运行状态时候，其值还会增加。如果主控芯片状态为休眠掉电保护的时候。只有外部的中断还在工作，其他的除中断以外的外部晶振、定时器、中央处理器、串行口全都会停止当前工作，单片机进入休眠状态后，如果想唤醒单片机，只需要通过触发外部中断的低电平或者是通过下降沿触发中断即可达到此目的，如果利用硬件复位来使得主控芯片唤醒起来，程序就会需要重头开始运行。STC89C51是由P0、P1、P2、P3共四个八位的并行I/O口组成，其中P0端口是I/O口，它是双向口，有复位的功能，它是8位漏极开路形式，当输出端口选用的是P0端口时并且当需要外扩存储器时，数据线可以让P0作为端口来实现，地址线也可以通过它来实现。P0口作为输入输出线时，数据总线输出分为以下几点：P0需要上拉电阻，信号要通过输入端反向输出Q非端，以上动作在锁存器内部进行，经由多路开关之后，还要通过一个V2的栅极，最后的时候，要通过漏极到输出端P0的过程P1、P2、P3端口是一个双向的I/O口，为8位的形式，它们的输出电流方式为四个TTL的输入，并且P1、P2、P3为带有上拉电阻的端口。P1端口只能作为输入或者输出，且输入的时候要先置1，它没有高阻态；当P2作为数据的地址线时候，需要片外的存储器的加入；P3无论何时都要先置1。3.2A/D转换芯片的选用在模数转换环节选用的是ADC0832。首先它是双通道形式的模块芯片，有8位分辨率，不仅体积小，而且具有很强的兼容性。目前，这类转换芯片已经被广泛地应用于实物生产中，另外，在经过了对ADC0832的学习过程之后，也会对实物制作有一个更大的帮助。转换芯片的特点如下所述：双通道形式、八位分辨率系统、TTL与输入输出电平相兼容、输入电压最大5V左右、转换时间为32微秒，时候的频率为250kHz，商用级别温度最高可达+70°C左右，功耗为15mW，而工业级别限制在−40°C到+84°C。模数转换芯片是双数据输出的芯片，可以减小数据上的误差，让数据更加精确。图1A/D转换芯片图片3.3各参数显示器件的选择在测量数据的显示方面我选用的是LCD1602，它包含两种形式，第一个是字段显示。当采用字段显示时，管脚上检测出相应信号的时候可被显示出来。第二个则是字符显示，当采用字符显示的时候，则要根据设计者的需要对基本字符进行显示，我们的实物设计用到的显示形式为字符形式，所测的信息数据将会通过液晶显示得出数值，与传统的数码管相比较而言，LCD1602所需功耗更低，体积小，不会占据太多空间，显示内容多种多样，工作电压在5V之间，工作电流在2毫安左右。接下来是1602引脚功能的相关介绍：它一共有14个脚，应该提供的电源电压为五伏特左右，紧挨着的引脚接LCD屏的对比度调节端口；关于寄存器选择的引脚为四号引脚，当电平为低电平时，自动与指令寄存器相连接，反之会与数据寄存器相连接，第五个引脚分别在高低电平下进行着读写操作，第六个引脚的E端为使能端，显示模块会在电平从低到高时开始执行相应命令，第七到第十四引脚为双向数据线，且位数是八位；第十五到第十六引脚为空脚。3.4夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F夏普光学粉尘传感器是一款光学空气质量传感器，在安装难易程度上较为简单，体积较小，寿命也很长，灵敏度很高，在稳定性方面也极佳。0.8微米及以上的粉尘颗粒均可被它检测出来，夏普粉尘传感器内部也可以吸入外部空气，发光二极管和光电晶体管在内部结构的放置情况是是相对排列的，也因此可以探测到含有颗粒物质的空气中折射过后的光线，从而来判断粉尘浓度大小，被广泛应用于生产生活中，通常在空气净化的环节中使用。粉尘传感器的电流消耗情况不是很高，由于它输出为模拟电压，因此在获得数字信号的前提下要准备用到模数转换器，最后显示的数值与所在环境颗粒物浓度大小成正比。主要应用于很多领域，例如空气净化和空气质量检测器件等相关产品。夏普光学粉尘传感器的主要相关参数：1、灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3)2、输出电压：0.9V3、消耗电流：11mA4、工作温度：-10~65℃5、存储温度：-20~80℃图SEQ图\*ARABIC2夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F图3GP2Y1010AU0F传感器内部结构3.5温湿度传感器的选择该实物选用的温湿度传感器是DHT11传感器，它在稳定性方面做得不错，可以感应外界的温度和湿度，由八位控制机组成，同时也在可靠性能方面受到大家喜爱。电阻型感湿元件和NTC测温元件组成了温湿度传感器，因此它具有更高的使用价值、较快的响应以及较强的抗干扰能力。在温湿度传感器的校准环节结束之后，温湿度传感器有四个引脚，引脚的排列方式是单排形式连接封装起来的，接口所用的串行口形式也让系统的集成变得更加简单易行，如果想要对信号进行检测，则需要对这些校准系数进行重新的调用。不仅如此，传输距离很长也是一大优点，同时，功耗小，体积小的特点也让DHT11传感器成为单片机爱好者的最佳选择。图4DHT11传感器实物图Pin1为电源引脚，Pin2接串行数据，Pin3为空脚，Pin4为接地端。（1）当接口连接线长度比二十大时候的时候，上拉电阻的使用情况要视情况而定。（2）数据帧在进行同步和通讯的时候，用于温湿度传感器与微处理器之间通讯的时间为4毫秒左右，其中扩展是通过小数部分来进行的。它分为以下几个流程：数据传输为应该从高位开始传输，大小为四十比特，其中整数部分和小数部分的数据格式都为八比特大小。（3）；如果传感器切换模式时发出的信号响应终止，传感器会发送四十比特数据并发送响应信号，在发送完响应信号之后会对信号进行采集，然后选择部分数据来进行读取。空闲状态的电平处于高电平，主机会等待传感器得出响应，然后拉低总线，但拉低是有一定的要求的，要求是大于18毫秒，这样做的目的是为了确保温湿度传感器可以更容易的检测到信号的存在，当一个传感器能够接收到主机发出的信号时，在低电平信号结束后，传感器将发出一个响应信号，持续时间为80秒，在主机发出开始信号后，等待大约三十微秒左右，在等待时间结束之后再读取传感器响应的信号。如果让总线电平处在低电平状态之下时，总线会被拉高至八十微秒，将数据从低电平开始发送，倘若响应被读取到高电平时，传感器没有响应，倘若所有的数据都被传送，在拉低总线持续五十微秒的时间后，将进入空闲。图5DHT11典型应用电路3.6蓝牙模块的选择该实物选用的是HC-05的嵌入式蓝牙串口的通讯模块，命令相应工作模式和自动连接工作模式在一定条件下会相互切换，命令响应工作模式会出现指示灯慢闪的情况，系统在响应工作模式时候可以执行所有的命令，用户不但可以发送指令还可以对其进行命令的控制，第二种则是自动连接的工作模式，自动连接工作模式呈现形式为指示灯快闪，传输数据是根据先前所设置的方式来进行。若想转变模块的工作状态，则可以由控制模块的外部引脚的输入电平进行控制。（1）引脚定义的使用要求：当PI08与LED进行相连接的时候，模块的工作状态可以通过上边显示出来，但是工作状态不同，他的闪烁频率也会不相同；当PI09与LED相连接的时候，LED呈现长亮状态则意味着蓝牙匹配成功，由于模块是包括复位电路的，因此动态转换可以进行。（2）设置主模块的步骤：首先将PI011置于高电平，要设置波特率为38000左右大小，校验位为零位，控制位也是0位；当PIO的电位置于低电平的时候，在自动搜索的时候，对其进行重新上电操作，然后建立连接。（3）模块设备名为：HC-054.各单元模块的硬件设计此空气质量检测仪主要是由主控芯片STC89C51单片机、温湿度传感器、粉尘传感器、A/D转换模块、蓝牙模块、液晶显示模块、复位及晶振电路组成。图6系统的组成结构4.1系统概述由实物以及以上所需要的模块可以画出原理图：图7系统的原理框图4.2单片机最小系统单片机的最小系统一般包含：单片机和晶振电路，不但如此输入输出设备也是必不可少、而且复位电路等相关元件也是十分重要的。图8单片机最小系统框图（1）晶振电路晶振电路一共包含有两个管脚，即XTAL1和XTAL2，他们两个的管脚数目不相同，其中XTAL1的管脚个数有十九个，而XTAL2的管脚个数有十八个，前者为内部的输入端，后者作为输出端。同时二者都是反向放大器，而且是独立的管脚，可由外部晶振或利用石英晶振的片式内振荡器驱动，而且是独立的管脚。这种晶体的频率范围在一兆赫兹到十兆赫兹之间。较高的频率会导致高功率消耗，在这种电路设计中，并联模式的连接使频率的微调的作用发挥得淋漓尽致。在自行设计主控芯片系统的PCB原理图的时候，要尽量靠近主控芯片的电容和晶体，这样在保证了振荡器的可靠性的同时也让振荡器在稳定性上有了一个大幅度的提高。如果用户要用示波器来检测是否起振的时候，正弦波会在示波器上显示，当XTAL2与地面之间的电压用万用表检测时，将档位打到直流档的情况下，就可以得到有效值。图9晶振电路图（2）复位电路复位电路顾名思义也是就是对单片机的程序出现非正常运行，或者说在停止的情况下对电路进行初始化的电路系统，根据上边的描述我们大家也能够看出复位电路的重要性。复位电路的原理和计算机的原理有相同点也有不同点，他们的启动原理和启动手段有所差异。当复位引脚满足第九个时，一旦满足当前高电平形式，且在当前周期大于两个机器周期的时候，复位操作即可开启，若处于高电平时，当所做实物主控芯片出现高电平的复位信号的时候，复位操作就会发生。当系统处于上电时刻，电容的负极连接RESET，RESET为高输入状态，且电容两端电压不会发生突变，这个时候芯片会发生复位操作，电容已经充电完毕的时候，电阻的电压会变为零值，芯片在此时是正常工作的，当我们按下复位按键之后，RST会进行一个高低电平的转换，因为需要人为动手按动按键，所以这也就是我们所说的手动复位。图10复位电路图EA/VPP有31脚，可以为外部程序存储器和内部的程序存储器进行管脚的选取，当系统为高电平时，就会访问操作程序存储器的内部；单片机在低电平状态情况下则只能访问存储器的外部。P0作为开漏输出端，上拉电阻可以不用准备，如果想让处于高电平状态正常输出，只有通过外部接一个上拉电阻方可解决这个问题。同时，51单片机为了防止错误的读取数据，整个系统也把P0端口到P3端口的输入操作也被提前写入了锁存器电路，使用这种方法有效的避免“0”状态外界对它的干扰，也可以更好的让单片机发挥其作用。4.3粉尘传感器电路设计传感器有个小孔，空气可以通过小孔，传感器内部有光电晶体管和发光二极管，二者呈现相对立形式排列，也正因如此可以探测到含有颗粒物质的空气中折射过后的光线，从而来判断粉尘浓度大小。环境内粉尘颗粒浓度越高，传感器测得的值也会越高，二者呈现正相关的关系。图11传感器的电路设计图4.4A/D转换的电路设计图12A/D转换的电路设计图4.5LCD显示模块设计液晶显示模块的构造不但简单，而且功能丰富多样，体积小是它的一大优势，而且损耗功率也很小，最重要的是不需要外加的驱动电路，在性价比方面也很高。图13LCD1602的电路设计图4.6温湿度传感器的电路设计温湿度传感器的P2可以用来发送串行数据，它也是一个数据口，要在Pin2口连接一个电阻，要让电阻放置于温湿度传感器和电源二者之间，Pin1口端连接VDD端口，Pin4端口连接GND端口，同时将三个引脚均处于悬空状态。图14温湿度传感器的电路设