空气粉尘浓度检测仪的设计与_研究毕业论文.docx

安徽理工大学毕业设计本科毕业设计说明书基于51单片机和GP2Y1010AUOF的空气粉尘浓度检测仪的设计与研究BASED ON 51 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER AND GP2Y1010AUOF AIR DUST CONCENTRATION DETECTOR DESIGN AND RESEARCH学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化10级2班 学生姓名： 谢云辉 指导教师： 宋老师 2014年5 月7 日基于51单片机和GP2Y1010AUOF的空气粉尘浓度检测仪的设计与研究摘要随着中国经济的快速发展，人民生活水品有了发生了很大的改变，现在的生活和工作有了很大的改变。随着中国的工业生产总值逐年提高，工业高速发展，这就不可避免的会产生大量的工业废气，以及居民现在买车的在一直增加，汽车尾气的排放，空气中粉尘浓度大量增加，导致现在中国好多地区产生了大量的粉尘，空气环境问题异常严峻。检测空气质量的关键环节就是检测空气中粉尘的含量，所以粉尘的检测变成了很重要的问题。粉尘检测仪最大的用处就是检测环境中含有的粉尘浓度，适用于那些工作环境比较差、作业所处地方粉尘比较多的地方，还能用在环境监测部门监测环境等。本文以微粒和分子在一束平行光的照射下会产生光的散射现象为原理，以单片机为核心，来完成粉尘检测仪粉尘的采集、显示数据等电路的设计,再结合各个不同的模块硬件电路来实现各个模块的相应功能，从而达到所需要的要求。关键词：粉尘，51单片机，显示，程序设计BASED ON 51 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER AND GP2Y1010AUOF AIR DUST CONCENTRATION DETECTOR DESIGN AND RESEARCHABSTRACTWith the rapid development of Chinas economy, the improvement of peoples life water product had the very big, now of the life and work had the very big change. As Chinas industrial production increased year by year, industry rapid development, it would inevitably produce a large amount of industrial waste gas, and residents now to buy a car has been increasing, automobile exhaust emissions, dust concentration in the air of a large increase, lead to many parts of China now produces a large amount of dust, air environment problem is very serious. A key link in the process of air quality detection is to detect the content of dust in the air, so the dust detection becomes a very important problem. Dust detector in the biggest use is the testing environment dust concentration, suitable for those with poor working environment, work places where dust is more, can also be used in the environmental monitoring department monitoring environment, etc. Based on the particles and molecules under the irradiation of a beam of parallel light will produce light scattering phenomenon as principle, with the single chip processor as the core, to complete the dust detector of dust collection, data display circuit design, combining various module hardware circuit to realize the corresponding functions of various modules, and help to reach requirements.KEYWORDS: dust, 51 single-chip microcomputer and display, the program design目录1绪论11.1前言11.2研究背景11.3研究现状21.4研究内容：31.5拟采用的研究思路与方法42粉尘浓度检测仪的硬件原理52.1粉尘浓度检测仪的功能和技术指标52.1.1所设计的系统的功能52.1.2系统的主要技术指标52.2粉尘的检测原理52.3系统硬件设计框图6. 2.4 软件程序框图72.5工作原理83 粉尘测试仪硬件设计93.1单片机部分93.1.1系统CPU器件选择93.1.2 单片机引脚分配及连接123.2 信号采集电路133.2.2 A/D转换电路183.2.3 ADC0809的主要特性183.2.4 ADC0809 芯片的引脚图及引脚功能193.2.5 ADC0809对输入通道选择203.2.6 ADC0809数据采集时序图203.2.7 ADC0809与AT89S52 单片机的接口设计213.2.8 74LS74213.2.9 74LS373233.2.10 74LS02介绍243.2.11 74LS04介绍253.3 数码管显示部分263.3.1 LED数码管概述263.3.2 LED数码管动态显示方式273.3.3 显示接口设计293.4 键盘电路设计303.5浓度参考值设定的设计313.6 报警电路设计（蜂鸣器）323.7 看门狗部分的设计333.8定时/计数器使用步骤343.9 定时计数初值的计算344 系统设计354.1工作过程354.2 ADC0809数据采集及输出控制信号时序364.3键盘扫描程序流程图364.4数码管显示流程图374.5看门狗程序流程图385 结论39致 谢40参 考 文 献41附 录42461绪论1.1前言随着中国经济的进步，经过人们的不懈努力，我们国民的生活大大的提高了。中国的工业生产总值逐年提高，工业高速发展，这就不可避免的会产生大量的工业废气。人们在享有幸福生活和工作便利的同时，又不得不面对由于对自然的不合理开发，所导致的严重污染。以及居民现在买车的在一直增加，汽车尾气的排放，空气中粉尘浓度大量增加，导致现在中国好多地区产生了大量的雾霾现象，尤其以北上广等大城市较为严重。正是由于空气中粉尘浓度的增加，导致了空气环境质量的严重下降，环境问题变得越来越严重。但是现在要求我们更好的使人与自然和谐与共，更有利得利用大自然，就使得我们要做好科学的研究与环境的监测以应对现在面临的环境问题。人类如果要想做好治理环境问题，就要做到知己知彼，因此我们可以研究生产一种便携式随时随地检测空气质量的装置，以便于我们更好更便利及时的了解到我们所处地方的空气质量，以便做好相应的应对措施。1.2研究背景我国是世界上人口多地域广的大国。我国现在处于一个高速发展的时期，从其他国家的工业革命来看，在当下的这个高速发展时期，不可避免的会引起一系列的环境问题，导致空气中粉尘浓度的大量增加。粉尘随处都可以看到。在现在人们的生活中，我们对粉尘有着许多的称呼，如灰尘、尘埃、砂尘、粉末等。在国际上，定义粉尘的标准是粒径范围，这个范围是小于75m的固体悬浮物。地球的温度在大气中粉尘的作用下得以保持。我们生存的环境也会被空气中的粉尘或多或少的影响。空气中的有些粉尘会对我们的身体健康产生严重的影响，它们很有可能会导致人产生很多种疾病。飘在大气中的有些粉尘一般会含有许多有毒的成分，比如含有一些重金属，如果人体吸入后，很容易深入肺部，使人得中毒性肺炎或矽肺，有时严重时更会使人得肺癌。污染物一旦沉积在肺部并且被溶解，就会侵入到血液里面，导致人体血液的中毒，而那些没有被溶解的污染物，细胞也会有可能吸收，从而导致细胞结构的破坏。另外，一些有价值的古代建筑也会被粉尘所腐蚀。一些粉尘飘落到植物的叶面上可能会阻碍光合作用，导致抑制植物的生长。粉尘在人们的生活当中还有着其他的一些危害，比如，在历史上曾发生过粉尘的爆咋事故，导致了很多人的死亡，大量的经济财产遭受到了损失，严重的威胁着人们的生存与健康。虽然粉尘浓度过高时会发生危险，但如果要是及时采取措施还是可以避免的。我们如果要是想及时预防发生粉尘爆炸的现象发生，那么我们就要了解发生粉尘爆炸的需要因素；控制好部分地区粉尘浓度比较高的地方的粉尘浓度，在粉尘浓度比较高的地方经常要保持通风的状态，并且还要避免在这些地区有易燃物，以及杜绝火源的产生；有效的采取降尘措施，建立一些预测系统。安装一些压力释放口等等。另外，在管理的基础上，建立必要的规章制度是非常必要的。1.3研究现状因为粉尘颗粒是很小的，我们如果只是用眼看的话是很难测出的。但是在一些工作场所以及一些工作环境中，了解我们所处的粉尘的浓度有事很重要的。所以我们就要设计出一种比较方便的仪器来检测空气中的粉尘。就目前来看，过个国家都对粉尘浓度的测量做了一定量的研究，也有了较大的成果，研究制造除了一系列不同的检测仪器。为了解决一些粉尘浓度传感器不能够现场实时得检测工作场所粉尘的浓度，所以最近出现的能够实时监测所处地的粉尘浓度传感器满足了我们所需要条件。国外对于在线实时监测粉尘浓度的研究是比较早的，通过一系列的辛苦努力也得到了一些可行性的方法，比如光吸收法、摩擦电法以及电容法等等。在这几种方法中，相比较就测量原理而言，比较容易的当属电容法。然而由于相分布和流型变化都会影响到电容的测量，并且粉尘的浓度以及测量值之间也并不是直接的一一对应的关系，所以导致电容法存在一定的缺陷，测得的值并不是很准确。射线法，也叫称重法，它具有很好的优点就是可以直接测出病毒出所测地的粉尘的浓度。他和其吸收的物质的物化性并没有什么关系，而只是和所吸收的质量有一定的关系，虽然测量的结果是比较准确的，但是缺点就是需要对粉尘进行一定的采样后还得进行对比，并且不能够满足我们实时的要求。上面所说的一些测量粉尘的方法是比较成熟的方法，我们可以根据其原理以及其测量特性研制出原来相应的产品，至于其他的一些方法我们目前来看还是不太成熟，有些都是处在研究实验的阶段。虽然我国的技术人员以及研究人员进行了大量的努力以及辛苦，可是就目前来看，由于上述的原理我们还并不特别的成熟，还不能生产出来所对应的产品，所以生成的产品在市场上并不是主要的，并且还得有待于完善。这就要求我们这些人在这方面也要做出更大的努力，来使产品更好，测得的结果更准确。光散射法原理：通常认为含尘气流是指空气中散布者固体颗粒的气溶胶。原光强的减弱是由于吸收和散射现象会发生，在有一束光通过含有灰尘的空气时，这种情况就会出现。粉尘浓度传感器就是在测量探测变化的光信号，再经过转换来实现粉尘浓度的测量。光吸收法原理是当光在通过线性物质以及其他的物质时，由于光以及物质的特殊性质，会导致光发生一些散射以及吸收的现象。由于其他的一些原因，因此，有部分光被锁通过的物质所吸收，在物质内部发热，导致物质能量的增加；还有部分的光则由于反射散射以及其他原因，使光波在介质散射的原因下偏离了原来的方向；剩下的那部分仍按以前的方向传播并且通过介质。通过人们的研究发现，入射光强和穿透过的部分存在着一定的关系。我们称这种关系是朗伯比尔关系。通过一系列的运算前测出入射光以及出射光强，来计算出粉尘的浓度，定律基础是光吸收型粉尘浓度传感器。这种方法在高粉尘浓度时测量的比较准确。 摩擦电法来测量粉尘的浓度算是最近这么多年来国际上很受重视的一种粉尘浓度测量方法。运动着的颗粒与插入流畅的金属电极之间会发生碰撞、摩擦，从而产生一些静电荷，他们的符号相反，我们研究的这种方法就是对这些静电荷进行测量，用来反映粉尘浓度的关系。它的特点是结构比较简单、不用维护、灵敏度比较高。国外目前有代表性的产品有英国的Sims lin系列监测仪和它的升级产品OSIRIS粉尘传感器和计算机监测系统；其他的一些国家比如日本、美国等国家又研制出了一些产品，他们都具有各自的特点以及特殊的优点。这些产品所使用的原理就是上文所介绍的一些比较普及的，像光散射法、光吸收法和电摩擦法。国内现在由于起步比国外要晚，导致我们现在的技术也是比国外要稍稍落后，大多还都是用直读式和采样式测试仪。但是现在国家大力提倡发展科技，实现现代化，信息化，通过我国研究人员的不懈努力，开发出来了比较先进的GCG500型粉尘浓度传感器。在国家的提倡下，既这一开发后，粉尘浓度传感器的开发如雨后春笋般出现。研究人员也是不负众望，研制生产了一种最新的更加先进科学高效的粉尘浓度传感器。他实现了多种功能于一体的情况，这样就使人们更加便捷的能够使用传感器来测量粉尘，更好的满足了更大的需求。它可以直接采集所在工作地的空气中的粉尘，然后将所采集到的粉尘做一些处理，进而可以在仪器屏幕的显示屏上直接显示所在地的空气粉尘浓度值，天平可以称重其颗粒分布，可以测定所采集的滤膜粉尘以及其他粉尘的颗粒分散度。然后我们利用安装的液晶显示器显示我们需要得到的结果，这样我们就能够得到所需要的粉尘的弄度。研究生产的这种产品，不仅仅性能优良，而且，如果突然间发生了断电的现象，这种仪器上的显示屏也能够延时显示上面所测得的数据，这样我们就不至于在突然掉电的情况下，使数据丢失，导致工作的重来。断电后，40组粉尘颗粒分布和粉尘浓度数据可以被存储。1.4研究内容：本论文研究的是基于单片机控制粉尘实行实时监测操作的一台仪器。以空气中悬浮的细小颗粒物作为研究对象，粉尘传感器测量悬浮于气相介质或者是液相介质中的微小颗粒是利用光学的方法来测量的仪器，优点具有：光测技术非接触式测量以及不被扰动的特点。在光的照射下，一些能量会被微粒和粉尘分子所吸收，并且散射现象也会出现在其上。当一些颗粒物被一束平行光照射到时，颗粒旁边就会出现散射以及吸收的现象，这样的话光的强度就会被减弱。然后我们就可以得到相对衰减率，其实入射光通过浓度场得到的。而待测粉尘的相对浓度可以通过相对衰减率的大小的线性来反映出来。电信号的强弱和光强的大小有正相关的关系，因此我们只需要得到电信号的大小就可以再得到相对衰减率了。与本系统主要分为三个部分：一是电源模块，二是粉尘传感器采集粉尘以及对粉尘浓度的显示，三是把显示的浓度与标准合格的浓度对比，超过的话会产生报警。1.5拟采用的研究思路与方法 通过对相关内容的学习以及对粉尘传感器的了解，我们打算采用以下的方法来进行设计研究，大概的方法以及思路如下：在电源方面，为了电压的稳定，本文拟采用降压电源措施。经过查阅资料可以知道，gp2y1010auof灰尘传感器是需要5V直流电源来供电。为了电压的稳定以及携带的方便，本课题采用将12V左右电源降到5V使用。在控制方面，我们可以使用单片机来控制，由于所需的控制较为简单，我们采用51单片机来进行控制就可以了。51单片机可以提供发出周期为10ms，宽度为0.32ms的方波。在其他控制方面，我们打算采用按键控制。电源通过降压装置达到5V，在通过按键来控制单片机，进而使单片机发出方波，方波通过灰尘传感器，经过这个传感器的监测，可以检测出所在地的空气中粉尘的浓度，空气中粉尘的浓度可以通过现实装置来显示出来，查看是否超出一定值，超出的话发出报警信号。2粉尘浓度检测仪的硬件原理2.1粉尘浓度检测仪的功能和技术指标2.1.1所设计的系统的功能1）在显示屏上可以直接显示出所测得的当前的粉尘浓度2）当所测得的浓度超过一定值时，系统会发生报警2.1.2系统的主要技术指标所测地的环境温度： 70测量误差：5%电压输入范围：0V5V2.2粉尘的检测原理在文章的上面已经介绍了几种常用的检测粉尘浓度的方法。本文所采用的是电容法，它是将通过一定的方法或者仪器采集到的含有灰尘的空气通过一装置的滤膜时，装置上的滤膜会捕捉到空气中的粉尘，这样就可以利用光学的原理测得粉尘的粒径。如果使用光学原理测量的话，有两个原理会被用到，朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律和米（Mie）理论。本论文打算采用光学原理的检测方法，这种检测方法比较方便简单，误差比较小，符合我们设计的要求，方法就是浊度发。朗伯特-比尔定律是根据测定一束光通过被测介质后出现的光强比，来确定粉尘的浓度。因为当一束光通过物质后，会产生散射以及出现其他的吸收，而使光强发生减弱的现象。由于当光照射到粉尘颗粒上时，粉尘颗粒会对光进行散射和吸收，这样就会导致光强发生变化，光的强度发生减弱。因此，要的到入射光和出射光之间的关系，我们利用上面现象将一束平行光照射到需要检测的均匀分布粉尘浓度的区域，再利用定律，就可以得到：(2-1)式中：Q表示消光系数，它的大小和粉尘颗粒直径d、入射光波长以及粉尘物质折射率m相关，一些专用算法程序和Mie理论可以用来计算。粉尘密度用N表示，粉尘颗粒的截面积用A表示，直径为d，粉尘的质量浓度用W来表示；代表粉尘的质量密度。如果设一种分布的粉尘颗粒半径为二分之一d1，w1为浓度。则：(2-2)上式：,C对于所测得粉尘来说是常数；粉尘颗粒粒径的分层数用M来表示。由公式2-2得:(2-3)在入射光为单色光时可以得到式2-3。对应入射光采用多波长的每一波长的i,都会有一个相对应的式2-3，因此得到方程： (2-4)上式消光列向量：，能由和测得： (2-5)上式中T表示的是消光系数矩阵。可以通过计算机算出T中的每个元素。代表着粉尘浓度的分布情况。W及粉尘的总质量浓度利用2-4便可得到。很容易看出，在多波长减弱光的测尘中，要得到总的粉尘浓度是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度来实现的，所以可以准确地随时展现出粉尘分布的影响，我们可以利用此使其达到更高精度的测量成为了可能。在这基础上，测量粉尘浓度的时候，还能一起检测粉尘的粒度分布（分散度）。信号幅值U是根据粉尘颗粒具有的散射特性确定的，并且通过最小粒径潜质输出端输出的。事先要设置好格挡的电平，每个直径档定义为0.1m。使用其中的一种作为测试的标准。2.3系统硬件设计框图单片机构成本系统重要的主控部分，形成各种控制信号并接收外部操作指令，进行着很重要的信息处理，以及完成记录的各种信息。A/D转换、按键的输入、LCD显示电路是系统的外围电路。如2-1图所示。图2-1模块化注释：1) 模拟信号收集部分：敏感、转换以及放大三部分。敏感元件代表测量的模拟信号和测出的粉尘浓度；因为信号比较小，所以增加信号放大电路；数字信号是由两条路上的5V模拟信号被ADC0809了的，再送入至单片机中。2) 显示:粉尘浓度。3) 看门狗：是系统重启，正常工作。4) 键盘电路：超过时报警。由于环境对粒度以及浓度的要求不同，可以多次设置不同的值输入。5) 报警电路：模拟如果粉尘超过限定值时，开启换气装置或者启动喷雾使用报警电路。图2-1 硬件电路结构框图. 2.4 软件程序框图根据硬件的设计，可以作出各模块框图，如图2-2、2-3所示。图2-2 各模块框图系统编程要有四个部分：a）采集信号程序；b）LCD显示程序；c）按键输入程序；d）看门狗复位程序；e）主控程序。2.5工作原理本设计使用的是gp2y1010auof灰尘传感器，它的原理是根据光学的原理来测量灰尘的浓度。我们先将12V的电压降到5V，将电压接到传感器上。在测量灰尘浓度时，会产生小于5V的模拟电压，该电压在送到0809时会转换成二进制的信号，这些信号会传送到单片机那里，经过单片机的一系列的处理，转变成的数字信号会显现在安装的显示屏上。由于我们开始时设定过一浓度值，因此，当所测得的浓度值大于所设值的时候，就会发生报警。按照系统的要求，再结合我们所涉及的各个部件的配合工作，我们就可以实现设置数据、采集数据、显示数据以及报警等功能，符合我们的设计要求。3 粉尘测试仪硬件设计3.1单片机部分3.1.1系统CPU器件选择粉尘检测器的核心是微处理器，它的特性以及功能对于整台的一起具有至关重要的作用，完成采集数据、处理、输出以及显示等功能，因此可以看出它的重要性。市场上出现的控制的器件花样繁多，仅仅单片机的种类就有不少。本设计拟采用单片机为51单片机来进行控制。51单片机是一种统称。自从最初的8031开始，单片机也仅过了一段时间的发展，随着时代的进步，科技的发展，人们对于单片机的要求也越来越高，在这种情况下，Flash rom应用技术得到了较快的进步，在此基础上，8031系列出现了较快的发展，成为了在当时最流行的八位单片机之一。我们通过对比可以得到，AT89S52单片机符合我们的要求。AT89S52具有能耗小、通用性强以及工作性能稳定良好。便宜的价格、功能的强大很好的符合了经济原则的基础上的功能的要求。因此，AT89S52作为CPU 芯片在在本系统中作为控制器件是我们的首选。AT89S52是一个功能比较强大的单片机的一种。它的制造方法比较特殊，使用的是非易失性高密度存储器技术。此单片机是一种就有低功耗高性能、有着8Kflash存储器的微控制器。它完全兼容工业80C51引脚和产品。其优异的性能，使其不仅能用在系统编程，还可用在常规编程。通过我们了解，这种单片机在运行的时候耗能是比较低的，并且运行稳定性好，所需要的其他部件也少。所以这种单片机完全能够满足我们的需要。1）AT89S52功能特性：AT89S52具有的标准功能是：两个数据指针；全双工串行口；8k字节Flash；定时器是看门狗；单片机能够调到省电的模式，并且可以降低到0赫兹。在不工作的情况下，虽然系统中的处理器停止了运行，但是还是会有部分的期间是在正常的运行的，比如定时器，串口，中断等。当在运行过程中单片机发生故障，即掉电时，就会出现系统的运行发生停止，但是RAM的内容会被保存下来，一直到下次的中断。2）部分引脚功能：XTAL1：引脚接外部晶振。片内振荡器是单片内部的一个重要部分，它是由放大器所组成。XTAL2：引脚接外部晶振。在片内接至内部时钟发生器输入端和振荡器的反相放大器输出端。若是接外部振荡器，则1引脚接外部振荡信号的输入。RST: 复位输入。若是想单片机在晶振工作时复位，那么这个引脚的高电平要持续两个周期。看门狗计时完结后，96个晶振周期的高电平由RST 脚送出。要使这个功能没有作用，也可以使用其他特殊的寄存器中的某个位，在运行的过程中，提供高电平有效。P0口：P0口是八位漏极开路并且是双向的输入输出口。输出八位逻辑电平。写“1”，作高阻抗输入。在这种工作方式下，上拉电阻会存在于p0口之中。 P1 口： 这是入输出口，具有双向的输入输出功能，它作为地址接收，若是想要用作输入，则应该对其输入高电平。若是想要使其作为输出电流，则就该送入低电平。引脚号第二功能P1.0T2P1.1T2EXP1.5MOSIP1.6MISOP1.7SCKP3 口：这也是一个双向的输入输出口。 引脚号第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT0P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RD 引脚如图3-1所示：图3-1 89S52单片机引脚 3)89S52单片机的基本结构如图3-2所示。主要的构成是外围芯片。控制作用上，采用集中控制方法。如图3-2所示：图3-2 单片机内部结构4）存储器的基本结构MCS-51器件独自拥有着两种存储器。这两种存储器均采用64K寻址。下面是两种存储器的简介。程序存储器：如果想要使程序存储器读取程序，则需要EA引脚与大地相连。数据存储器：这个是单片机内部本身就具有的片内存储器。在物理上分开的同时，特殊寄存器和数据存储器的高128位又是相互重叠的，即地址相同；另外的128个字节则不是。3.1.2 单片机引脚分配及连接1）振荡器电路89S52单片机如果使用外部振荡器，XTAL1引脚应接地，外部振荡信号的输入接XTAL2引脚。下图3-3。本设计用12MHZ，和是30pF，和能微调并且稳定振荡频率。为了减少寄生电容振荡，电容最好安装得与单片机芯片较近。图3-3振荡器电路2）复位电路复位的操作是比较重要的，能够将单片机初始化，当然也能够使其重新启动。外部电路实现单片机的复位。如果24 个时钟振荡脉冲的高电平出现在单片机引脚上，就能实现单片机的复位。如图3-4所示。图3-4 复位电路I/O口功能分配：八位数字信号经转换器传入系统完成数码管的段选完成数码管的位选连接键盘电路口主要完成控制外围电路3.2 信号采集电路3.2.1 敏感元件GP2Y1010AU0F粉尘浓度传感器的结构特征如图3-5所示，GP2Y1010AU0F 是一种光学空气质量感应器。光照射到灰尘时，会发生光的发射现象，即使颗粒再小也会有光的反射，为了能够测到灰尘在反射是的光，传感器内有观点晶体管和发光二极管。这种传感器测得的浓度数据适合电压成正比，我们只需要测得电压就可以知道所测得的浓度了。在光的照射下，一些能量会被微粒和粉尘分子所吸收，并且散射现象也会出现在其上。当一些颗粒物被一束平行光照射到时，颗粒旁边就会出现散射以及吸收的现象，这样的话光的强度就会被减弱。然后我们就可以得到相对衰减率，其实入射光通过浓度场得到的。而待测粉尘的相对浓度可以通过相对衰减率的大小的线性来反映出来。电信号的强弱和光强的大小有正相关的关系，因此我们只需要得到电信号的大小就可以再得到相对衰减率了。我们若是想要知道所测量的空气中灰尘的浓度，我们只需要得到经过一些转换后得到光电脉冲数就好了。通过标出在设置键盘上提前设置的K值，该仪器就可以直接在显示屏上显现出来空气中的粉尘质量浓度（mg/m）。粉尘传感器GP2Y1010AU0F是SHARP品牌。在正常运行状态下所需要的电压是0.3至7V之间，流过仪器的电流是20MA。粉尘传感器GP2Y1010AU0F属光学传感器。这是一款利用光学原理来检测空气中灰尘的多少的传感器。它能够比较准确的监测到空气中所含有的粉尘，利用仪器内的三极管以及放大电路，对测得的警醒经一部的放大，再根据一定的定律，我们根据测得的电压以及浓度的关系，我们就可以比较容易的得到我们所测地方的粉尘浓度的大小。输出脉冲模式的电压信号。这款仪器的优点是比较多的，它具有着仪器小，便于携带，可以测得的灰尘颗粒比较小，测量的结果比较准确，性能稳定，所消耗的能量低，而且使用的过程中能够测得的种类比较多，长时间使用过后清洗也比较容易以及易处理等特点。利用GP2Y1010AU0F时注意事项（1）连接情况和GND外壳材料采用导电树脂作为壳套印刷模式号和金属测试终端侧作为底盖。金属外壳与接地连接的传感器。（2）清洗请不要做清洁，因为有这个设备是不是通过清洁满意，它的特点的情况下。（3）脉冲输入范围请根据建议作为以保持reliability。（4）灰尘附着有一种情况下，该产品未检测到灰尘密度正确，因为灰尘附着的尘埃通孔内侧的LED方面的投入情况可以投射到检测空间，它包括发射器和检测器的光轴线。请把设备的结构和机制考虑，避免粘附灰尘的影响。以及当灰尘附着时，请考虑维护诸如由空气抽真空或吹脱尘。另外，请注意结构，并把应用程序的位置，以避免像石油等任何粘合剂粒子进入设备。如果它坚持的光学部分，故障可能occur。（5）光输出电路设计，体谅发光二极管输出的结果，从长期连续运行的降解。 （ 50 降解/ 5年）。（6）灵敏度调整VR虚拟现实的灵敏度调节设置在航运锋利。请不要触及规范中指定的VR或光电特性将是无效的。 （7）号决议请不要自行拆卸设备，如去除攻螺钉等。即使该装置被重新组装，它可能无法满足规格。 （8）应用到火灾报警请不要用于火灾报警器应用程序中使用此设备。当使用此设备的应用程序比空气净化设备空气净化功能等，请在使用前告知我们。（9）噪声影响如果传感器靠近噪声发生器（例如：电气集尘器等） ，传感器的输出可能会受到铅的噪音。从电源线噪声的顶部还可能会影响传感器的输出。当desinging系统，请考虑噪声的影响。 （10）振动影响该传感器可根据机械振动改变它的值。使用前，请确保设备正常工作的应用程序。（11）入射光的影响有，当外光通孔上打印的一面是通过灰尘传感器输出可能会受到影响的情况下。为了避免外部光线的任何影响，请找出传感器所面临的应用程序内的打印面。（12）当传感器的内部湿润，本品不保持其应有的功能。请设计的应用，使传感器的保湿不会发生。GP2Y1010AU0F内部示意图图3-5 由GP2Y1010AU0F内部示意图中的，可以得到GP2Y1010AU0F粉尘传感器的接线方式。1. 绝对最大额定值（Ta=25）参数符号等级单位电源电压Vcc-0.3到+7V*1输入端子电压Vled-0.3到VccV工作温度Topr-10到+65焊接温度Tsol-20到+80* 1开漏驱动器输入3.电光特性参数符号条件MIN.TYP.MAX.单位灵敏度K*1 *2 *30.350.50.65V/(0.1mg/m3)在没有灰尘的输出电压Voc*2 *300,91.5V输出电压范围Voh*2*3Rl=4.7K3.4-VLED端电流Iled*2LED的端电压=0-1020MA消耗电流Icc*2 Rl=-1120MA*1灵敏度指在一定的环境以及条件下，我们所测得的电压变化量在一定值时所对应的一个浓度值。这并不是一个随便的值，它是由专家测定香烟颗粒的值。* 2的输入条件示于图中. 1* 3输出采样定时示于图中.2 4.LED输入端子的输入条件参数符号值单位脉冲周期T101MS脉冲宽度Pw0.320.02MS工作电源电压Vcc50.5V5.LED输入端子的输入条件如图：6. 输出脉冲的采样时序7输出电压与灰尘密度图3-6通过上面的式子以及图片我们可以看到，空气中的灰尘颗粒经过仪器中的灰尘通过孔时，由于光的作用，就会使光在照射到灰尘颗粒上时产生一定的能量损耗以及光会发生一定的散射和折射现象。这样我们就可以利用灰尘传感器中的观点二极管，三极管，然后再根据放大器的作用对所产生的信号进行放大，经过5接口将信号传出去。但是由于由传感器得到的信号是模拟信号，单片机不能够对这种模拟信号进行直接的整合处理。所以我们就需要将所得到的信号进行进一步的转换，将信号通过下文介绍的0809转换器，转换成为数字信号，这样我们就可以将数字信号送到单片机中，进行下一步的处理了。在本设计中利用在不同的电阻情况下不同的电压模拟粉尘浓度传感器。如图3-7所示。图3-7 粉尘浓度传感器3-8单片机与粉尘传感器简易硬件连接图3.2.2 A/D转换电路由于单片机不能识别模拟信号，所以我们必须要借助一定的方法将模拟信号转化为数字信号。因此我们必须把得到的模拟电压信号经过AD转化，转化后才可送到单片机。转换的器件比较多，本文采用的是ADC0809。3.2.3 ADC0809的主要特性ADC0809由5部分构成。有8个模拟通道，能够一次性送入8个模拟量，且能够一起被转换。若是OE端口是1时，那么转化后的量就会被三台输出锁存器读取，反之，则没有被取走图3-9是ADC089的内部结构。ADC0809的主要特性如下。分辨率为8位a）不可调误差最大小于ULSBb）可锁存三态输出，能和8位微处理器接口c）输出与TTL兼容d）满度调整和零点步骤可以省略e）单电源供电，供电电压为+5V图3-9 ADC0809内部结构3.2.4 ADC0809 芯片的引脚图及引脚功能ADC0809引脚功能说明如图3-10所示。图3-10ADC0809引脚IN0IN7：输入8路模拟信号端D0D7：输出8位数字量端OE：输出允许控制端，用在打开三态输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。VREF+：参考电压正端。VREF-：参考电压负端。VCC：+5V工作电压。GND：地。3.2.5 ADC0809对输入通道选择输入的模拟量保持不变在转换过程时，如果模拟量变化太快，则要在输入前添加采样保持电路。地址输入和控制线：4条控制线及数字量输出：11条 表3-1 ADC0809通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN73.2.6 ADC0809数据采集时序图ADC0809时序图： 图3-11 ADC0809时序图3.2.7 ADC0809与AT89S52 单片机的接口设计两者之间存在三种方式。每种方式都有各个的特点，比如延时方式，优点是转换时间短。本文使用的是中断方式，电路如图3-12所示。图3-12 ADC0809与AT89S52的接口电路允许地址锁存的信号用单片机ALE表示。当选通时为0，这时P0.0P0.2设置为011，来保证ADC0809选IN3为输入信号端。3.2.8 74LS74AD转换器需要由外部供给时钟信号。一般是500KHZ。本文有74LS74来提供。74LS74是一个由6个与非门构成的触发器。它是由边沿除法的。边沿D触发器也称作维持-阻塞边沿D触发器。74LS74的内部结构如图3-13所示：图3-13 74LS74内部结构引脚说明：1) 1CP、2CP 时钟输入端2) 1D、2D 数据输入端3) 1Q、2Q、1Q、2Q 输出端4) CLR1、CLR2 直接复位端5) PR1、PR2 直接置位端6）74LS74功能表如表3-2所示。输入输出PRCLRCLKDL HXXHLHLXXLHLLXXHHHHHHLHHLLHHHLX7） SN74LS74与单片机之间的连接如图所示3-14。图3-14 2分频电路图3.2.9 74LS37374LS373的本质其实就是一个8D触发器。一般他在设计中通常用作地址锁存所用，并且具有三太缓冲的功能。通常使用在单片机的外部扩展方面。而373则不同，它是有着两种的构成方式的8D透明锁存器，这两种结构方式均可以在系统中和系统总线相连接，且也为三态输出。要使其输出端能够驱动负载，那么就要使输出端在逻辑状态下时，OE是高电平。反之则输出端是高阻态，就不会驱动总线或负载。 373引出端符号： D0D7-数据输入端 OE-三态允许控制端（低电平有效） LE-锁存允许端 Q0-Q7-输出端74LS373内部结构图。 图3-15 74LS373内部结构74LS373引脚如图3-16所示。图3-16 74ls373引脚74LS373与单片机接口： 1D-8D为8个输入端。1Q-8Q为8个输出端。在不同的工作方式下控制引脚所出现的状态如下表所示表3-3 74ls373状态表I/O引脚模式电源HXX高阻状态未选备用LHH高阻状态输出禁止激活LLHDout读激活LXLDin写激活下表为74LS373功能表。表3-4 74LS373锁存器功能OEC功能00直通Qi=Di01保持（Qi保持不变）1X输出高阻3.2.10 74LS02介绍74LS02为四组2输入或非门（正逻辑），内部结构如图3-17所示，引出端符号：1A4A 输入端1B4B 输入端1Y4Y 输出端图3-17 74LS02内部结构功能：，功能表如表3-5所示。表3-5 74LS02功能表输入输出ABYLLHLHLHLLHHL3.2.11 74LS04介绍74LS04为六组反相器：1A6A 输入端1Y6Y 输出端图3-18 74LS04内部结构功能：，功能表如表3-6所示。表3-6 74LS04功能表输入输出AYLHHL3.3 数码管显示部分拿人机交互式系统来看，不仅仅要满足用户的要求，同时也需要显示一些测控信息的输出。显示得信息能够提供实时的图形结果或数据，用来掌握系统的状态以及进一步进行分析处理。就现在来看此数码管在我们所涉及的系统中还是比较常用的。它价格便宜，显示功能也比较好。不仅可以显示出数字，而且还可以显示出字母。使用起来比较方便。3.3.1 LED数码管概述LED数码管是能够在通电的状态下显示出我们所需要的字母或者数字的一种器件。它是通过我们给数码管通电，有共阴和共阳两种连接方式。在数码管的内部是由很多歌二极管所组成的，我们通过控制，给那个部分导通，那个部分就会发光，使这一部分发光，从而在液晶显示屏上显示出数字或者字母。不通电的部分二级管则不会发光，那么这部分就是暗的。不同组合的二极管导通都可由LED数码管来控制，以显示出各种字符和数据。LED显示器也叫数码管。 “日”字形则由7个发光管排列成，剩下的最后一个发光管则是起着在显示器上显示出小数点的作用。数码管的连接方式有着两种，一种为共阴极连接，就是要把数码管中的二极管的所有阴极连接在一起。另外一种就是共阳极连接，就是把数码管中的所有二极管中的阳极连接在一起。利用这8个发光的二极管，我们通过控制不同二极管的导通，我们就可以显示出不同的字符，从而达到我们的目的。图3-19 共阴与共阳极LED显示器LED显示器要想显示什么样的数字，共阴极和共阳极的原理是一样的。当二极管导通时，对应的笔划段点亮，由点亮的笔划段组合来显示的各种字符。我们的操作中，每个字节都是有着8位的。当我们输入的时候，就会对应着上图中的hgfedcba八个发光二极管，所以我们要是想显示出我们所要的数字，对应成8为二进制码就行了，这样就可以显示出对应的数字。比如，我们若是想在数码管上显示出“8”这个数字，如果采用共阳极显示的话，对应的8位的二进制数字是00001000，则在数码管上显示的部分就是abcdefgh这八个发光二极管，这八个发光二极管都会发光。要是这几个放光二极管发光，只需要给对应的二极管提供高电压就行了。同样，如果我们要是想要数码管显示出字幕的话，则也应该换算成8位的二进制，然后使对应的发光二极管发光，就能显示出对应的字母了。表3-7列出了共阴极和共阳极LED显示器显示的字母、数字和显示代码之间的对应关系。表3-7 代码对应表显现字符共阴极段码共阳极段码字符显现共阴极段码共阳极段码03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC6H56DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8HF71H8EH本设计使用如图3-20所示，段选接P1口，4联共阳极数码管显示， P2.0P2.3接位选。采用动态显示方式。图3-20 4联共阳LED数码管3.3.2 LED数码管动态显示方式LED显示器的点亮有两种办法：一为静态显示；二为动态显示。在本论文中，使用的是静态显示。所谓静态显示，就是具有锁存功能的I/O接口都被每一个显示器占用，用来笔划段字形代码。点偏激要把需要表现的字符输送到接口电路就行了，直至要显示新的字符时，再发送新的字形码，这样单片机中CPU的开销就小。这种电路的优点和缺点都是比较明显的，即能够显示出不同的字符在同一时间内，但需要较多的占用端口资源。在图中我们就可以看到显示器的每一位都要独自占用8根端口线。这就导致我们一般使用动态显示的方式，而不使用这种。静态显示电路如下图。图3-21 静态显示图使动态扫描每位轮流点亮各位显示器再加上使用段选端口为8位，以此用在要显示的显示器上，这就是所谓的动态显示。下图是动态显示电路。图3-22 动态显示图在此电路中， 4位LCD的段选码要单片机的P1口控制；P2口的P2.0P2.3来控制4位LED位选码。因为所有的段选码连在一起，所以同一瞬间只可以显示同一种字符。通过位选码的控制可以显示出要显示的不同字符。（当P2.0P2.3输出为低电平时，L