基于单片机空气质量PM2.5粉尘检测仪的设计

1、基于单片机空气质量PM2.5粉尘检测仪的设计目录摘要IAbstractn第一章绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外粉尘检测仪开展现状11.3 粉尘浓度的测量的根本方法21.4 设计任务与要求2第二章粉尘检测仪的硬件设计32.1 系统硬件组成32.2 单片机局部32.3 粉尘传感器局部52.4 ADC0832模数车t换62.5 LCD1602显示局部62.6 按键模块72.7 声光警报模块72.8 电源供电系统9第三章软件程序设计103.1 软件开发环境介绍103.2 程序总体设计103.3 各个模块的程序程设计11第四章程序编译与硬件调试134.1 程序编译与下载134.2 硬件仿

2、真144.3 调试调试15结论17基于单片机空气质量PM2.5粉尘检测仪的设计专业:学号:学生姓名:指导教师:摘要：自十九世纪中叶人类进入工业时代,人们便开始走向城市化开展,工业革命彻地改变了人们的生活.但随着工业的开展,大量的工业废气排入大气中,对人类的生存环境产生了严重影响.废气中粒径较小的粉尘称为雾霾,是威胁人们健康的祸首之一,每年各地都有许多人由于雾霾而患有呼吸道疾病；而粒径较大的粉尘,在同一空间浓度过高时,极易发生爆炸.为保证人们的平安,对空气中的粉尘浓度进行检测是势在必行的.本课题设计的是空气质量检测仪,利用GP2Y1010AUOF粉尘传感器采集的模拟信号,经ADC0832模数转换

3、为数字信号,最后由STC89C52单片机进行处理,并显示在LCD1602液晶屏上.本设计的空气质量检测仪能够实时、准确的检测空气中的粉尘的浓度,并且具有抗干扰强、易操作、集成度高的特性.有广阔的市场应用前景,适用于日常生活和工业领域.关键词：粉尘浓度；单片机；GP2Y1010AUOF;LCD1602DesignofPM2.5DustDetectorBasedonSingleChipMicrocomputerAbstract:Sincethemiddleofthe19thcentury,whenhumanbeingsenteredtheindustrialage,theybegantomovet

4、owardsurbanization.Theindustrialrevolutionchangedpeople'slifethoroughly.However,withthedevelopmentofindustry,alargeamountofindustrialwastegasisdischargedintotheatmosphere,whichhasaseriousimpactonthelivingenvironmentofhumanbeings.Thedustwithsmallparticlesizeintheexhaustgasiscalledhaze,whichisoneo

5、fthemainthreatstopeople'shealth.However,dustwithlargeparticlesizeispronetoexplodewhentheconcentrationinthesamespaceistoohigh.Inordertoensurepeople'ssafety,itisimperativetodetectthedustconcentrationintheair.Inthisstudy,GP2Yl010AUOFdustsensorconvertsthesimulatedsignalofdustconcentrationdetecte

6、dbyADC0832intodigitalsignal,whichisfinallyprocessedbySTC89C52MCUanddisplayedonLCD1602LCD.Thedesignedairqualitydetectorcandetecttheconcentrationofdustintheairinrealtimeandaccurately,andhasthecharacteristicsofstronganti-interference,easyoperationandhighintegration.Ithasbroadmarketapplicationprospectsa

7、ndissuitablefordailylifeandindustrialfields.Keywords:Dustconcentration;Singlechipmicrocomputer;GP2Yl010AUOF;LCD1602第一章绪论1.1 课题研究背景和意义粉尘在任何地方都是随处可见的,它是指悬浮在空气中的固体微粒.随着人类的飞速发展,工业生产和交通运输产生了大量的废气,使得空气中的粉尘浓度大大增加.空气中过量的粉尘不仅会对环境产生灾难性的影响,同时也会危害人体健康.当粒径小于200师的粉尘到达1520g/m3时,极其容易产生爆炸.二十世纪的美国俄亥俄州的淀粉厂发生粉尘爆炸和中国的哈尔

8、滨纺织厂也发生了同等的粉尘爆炸事件,不仅造成了人员的伤亡,还给人们留下了不可磨灭的阴影.这些事故的发生,不仅给人类带来了生命的威胁,同样也造成了不可估量的损失.过量的粉尘不仅影响了工业生产,而且还对人体健康存在隐患.空气中粉尘直径小于2.5pm的颗粒称为PM2.5,主要由工业发电、冶金、交通工具排放尾气和二手烟产生.PM2.5直径细小,但是外表积大,而且活性强,所以极易携带有毒有害物质.当PM2.5浓度高于10闻/m3时,PM2.5容易通过呼吸方式等进入人体深处,从而引发心血管病和呼吸道疾病.曾经的毒雾事件,让伦敦整个城市被“毒气所笼罩,致使大量的市民人死亡,无数人呼吸困难.粉尘不仅对人体危害

9、巨大,同时对环境的污染也是不容小觑的.为预防大气环境受到污染,营造一个健康平安的环境,增强对空气中粉尘浓度的监测是势在必行的.空气质量检测仪能够准确的检测空气中粉尘的浓度,可以更好地为环境监测部门和工业生产提供有效的保证,帮助他们及时做好防护举措.1.2 国内外粉尘检测仪开展现状关于PM2.5的检测,国内外都有较为丰富的技术积累,包括地面PM2.5检测技术、基于卫星遥感技术的气溶胶光学厚度结合空间聚类分析预测PM2.5的浓度等.目前,最为常见的地面PM2.5检测技术中包括以下5种为：重量法、压电晶体法、光散射法、3射线法、微量振荡天平法.经过长时间大量的比对测试,环境监测局的研究人员在研究适应

10、我国环境的自动检测PM2.5技术领域取得了突破性进展.在国内以及美国、德国等其他国家制造的检测仪大多是利用微量振荡天平法、3射线法和重量法.利用光散射法设计粉尘传感器从而实现检测PM2.5浓度的仪器也被广泛运用.其原理是激光发射器发射的激光被空气中的粉尘反射时,粉尘的反射光强度与粉尘浓度成正比,反射光再经过光电转换器转换成光电流,最后再由光电流积分电路转换成光电脉冲数,粉尘的浓度值就是以计算的脉冲数为基准.由于地域差异、气候条件和污染源特征等的差异,使得在国外能正常使用的设备,在国内检测粉尘浓度时会出现监测数据不准确或者是误差偏大等问题.为保证粉尘检测仪在我国的空气环境中能够正常检测,改良设备

11、性能或拥有自主研发的技术是首当其冲的.目前我国对PM2.5浓度的检测处在起步阶段,之后仍需要开展大量的根底工作,研发出适合我国国情的检测技术和设备,以建立完善的PM2.5检测体系.1.3 粉尘浓度的测量的根本方法本设计要实现对PM2.5浓度的自动检测并加以显示.因此需要更为精确、可靠地检测方法.在国外对PM2.5浓度的检测已有较为成熟的检测技术,如重量法、3射线吸收法、压电晶体法、光散射法.重量法虽然可以直接测量,并得到可靠的数据,但由于工作负荷过大,自动化程度低,不能够实时反映PM2.5浓度；3射线吸收法能够准确实时的反映PM2.5浓度的变化情况,但在检测时吸附在滤膜与细颗粒物上的水分,容易

12、对检测结果造成影响；压电晶体法设计的检测仪,由于石英晶体对环境的质量变化太过敏感,需要对设备的维护投入大量资源,以减少测量出现的误差；光散射法测量PM2.5浓度具有快速检测、灵敏可靠,性能稳定等优点.但测量结果易受细颗粒物粒径组成、结构、折射性等因素影响.综上所诉的检测方法,本设计所选用的是利用光散射法检测的夏普粉尘传感器GP2Y1010AUOF.1.4 设计任务与要求本课题的设计是基于单片机的空气质量PM2.5粉尘检测仪.利用单片机限制水平强、处理数据快的特性,完成数字信号的处理.再加上按键、粉尘传感器、LED液晶显示屏、声光警报四个模块,组合在硬件电路中实现自动检测PM2.5浓度的功能,下

13、面是本课题的设计要求：(1)自动检测空气中的粉尘浓度.(2)设置PM2.5浓度警报阈值.(3)在LED屏上显示实时的PM2.5浓度值.(4)当浓度值超过设定的阈值时进行警报提醒.第二章粉尘检测仪的硬件设计2.1 系统硬件组成本设计的系统硬件是以STC89C52单片机为核心,对数字信号进行处理.外围电路：电源模块、粉尘传感器模块、按键输入模块、ADC0832模数转换模块、报警模块、LCD1602显示模块.各个模块的功能如下：粉尘传感器模块：夏普粉尘传感器GP2Yl010AUOF将检测的模拟信号,输送到ADC0832转换成数字信号,最后由单片机进行处理.按键输入模块：设定蜂鸣器的报警阈值.报警模块

14、：检测的粉尘浓度超过阈值时,LED指示灯常亮红灯,蜂鸣器报警.LCD1602显示模块：显示报警阈值,并显示变化的粉尘浓度值.系统硬件设计框图如图2.1所示.粉尘传感器LCD1602模块报警模块图2.1系统硬件设计框图2.2 单片机局部随着电子产业的飞速开展,集成电路技术也被大规模应用.而单片机作为一种集成电路芯片,在工业限制领域被广泛应用.该硬件系统选用的是STC公司生产的STC89C52单片机.本设计的空气粉尘检测仪,单片机作为主控核心,需要完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的根底,所以它的选择直接关系到整个系统的工作.STC89C52单片机不仅能够精准、可靠的完成上述

15、要求,还可以以低廉的价格、强大的功能在符合经济的原那么下满足本设计的要求.(1) STC89C52RC单片机的功能特性STC89C52属于增强型的8051单片机,其主要特性：工作电压为5V;时钟频率范围080MHZ;8K字节Flash程序存储器和512字节RAM数据存储器；具有EEPROM功能和看门狗功能.(2) STC89C52单片机的引脚图如图2.2所示,STC89C52单片机采用的是双列直插式(DIP)封装,一共有40个引脚:电源、时钟、限制和I/O弓I脚.(3)单片机最小系统T2/P1.0T2EX/P1.1Pl.2PL3Pl.4FL5Pl.6Pl.7ESIRWP3.0TXD/F3.1I

16、NT0/P3,2Tini/P3,3T0/P3,4T1/P3.SWR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSSPDIP404321o*y$765432133333222222222VCCPO.O/ADOPU,1/AD1PU.2/AD2FO.3/AD3PO.4/AD4-PO.5/AD5PO.6/AD6PO.7/AD7EAALE/PROGPSEHP2,7/A15:P2.6/A14jP2.5/AL3P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.07A8图2.2STC89C52弓唧图单片机最小系统中包括：电源、时钟电路和复位电路,最小系统如图2.3所示.时钟系统能够使得单片

17、机有秩序的执行每一条指令.STC89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,当在引脚XTAL1和XTAL2外接一个石英晶振和两个30pf的电容构成并联谐振回路时,其内部振荡器就会自激产生振荡,形成内部时钟电路.2、复位电路复位电路的作用就是：当程序执行或操作错误出现死机状态时,为保证单片机能够正常工作,单片机就会进行初始化操作,从0000H单元开始执行指令.本设计的复位系统为上电自动复位：当接通电源时,电容充电,系统自动复位初始化.3、电源单片机采用5V直流供电,通过DC插口USB电源线获得.2.3 粉尘传感器局部粉尘浓度检测仪能否准确测出空气中粉尘的浓度,粉尘传感器的采集是重

18、中之重.夏普光学灰尘传感器GP2Y1010AU0F采用光散射法：在传感器的中央位置有个暗格,当空气流入时,红外发光二极管发射红外光线经空气中的粉尘折射后,光电晶体管再对光线进行检测并判断粉尘的浓度.GP2Y1010AU0F传感器在5V直流供电的条件下,能够在-1065c的环境下正常工作,并且测得的最小的粉尘粒径为0.8师.如图2.4所示,粉尘传感器的1脚连接着内部的红外发光二极管,需要的电压较小,所以串联一个分压电阻再与电源连接；6脚接5V工作电压,把采集的模拟信号信号通过5脚输出给ADC0832;2脚和4脚分别是发光二极管和传感器的地线接口.图2.4粉尘传感器电路GP2Y1010AU0F传感

19、器处在不同粉尘浓度的空气中时,光电晶体管检测的反射光线越2.5所示.输出电压%图2.5粉尘浓度特性曲线强,粉尘浓度越大,传感器输出的电压也随之增大,反之减小.特性曲线如图2.4 ADC0832模数转换ADC0832.由于粉尘传感器输出的是模拟信号,不能本设计中实现模数转换的芯片是直接被单片机处理,需要ADC0832将模拟信号量转换为数字信号,再输出给单片机.CS端是ADC0832的使能端,限制芯片是否启动与单片机的P1.3口连接；CLK是芯片的时钟输入端与单片机的P1.0口相连,并提供时钟脉冲；CH0是模拟信号的输入端与粉尘传感器的5脚连接；DI和DO分别是数据信号输入和转换信号输出端,可以通

20、过并联在一起与单片机的P1.1口连接.设计的电路如图2.6所示.Ill图2.6ADC0832电路图2.5 LCD1602显示局部单片机将AD模数转换的数字信号进行处理,再将结果输送给LCD液晶显示器并显示当前的粉尘浓度值浓度单位为闻/m3.LCD1602液晶能够同时显示16X2即32个字符.LCD1602的V0口连接103电阻器,通过改变阻值大小,调节显示字符与背景光的比照度；R/W端限制LCD的读写状态,接地保持低电平状态；RS端输入的是存放器选择信号与单片机的P2.7口相连；由下降沿触发的EN使能端与单片机的P2.6口相连；D0D7端与P0.0P0.7口相连,实现单片机到LCD的数据传输.

21、连接电路如图2.7所示.寸一寸96VCCVCCTTiircixJ'U!1图2.7LCD电路连接图LCD1602的根本操作时序,如表2.1所示.表2.1根本时序指令P输入输出RSEND.D7D0D7读状态LHH状态字写指令LL高脉冲指令码读数据HHH数据写数据HL高脉冲数据2.6 按键模块本设计共有3个按键,分别为KEY1、KEY2、KEY3.实现开始设置警报值和调节警报值的大小白功能.KEY1、KEY2和KEY3三个按键的一端并联在一起接地,另一端那么分别和单片机的P3.4、P3.5、P3.6口相连,按下按键时,向单片机提供一个低电平信号.按键连接的电路如图2.8所示.图2.8按键连接

22、图2.7 声光警报模块粉尘浓度检测仪的报警局部主要有：3个LED指示灯、蜂鸣器、排气扇.检测到的粉尘浓度值为轻度时绿灯亮050%、中度时黄灯亮50%99%,等于或超过警报值时红灯亮,对应的指示灯常亮直至浓度值变化.3个LED灯的正极并联接电源,负极分别串联一个2.2K?电阻与单片机的P2.0、P2.1、P2.2口相连,当这3个I/O口处于低电平时,LED指示灯导通常亮.指示灯连接电路如图2.9所示.图2.9LED指示灯连接电路图当空气中的粉尘浓度值等于或超过设定阈值时,P3.7口处于低电平状态,三极管导通,接通电源,蜂鸣器进行蜂鸣报警.蜂鸣器连接电路如图2.10所示.图2.10蜂鸣器连接电路蜂

23、鸣器警报时,继电器限制排气扇工作时,LED指示灯常亮绿灯.本设计采用的是HRS1H-S-DC5V继电器,其原理：1脚和6脚相连通,2、5脚之间的线圈通5V直流电时,线圈产生磁力将常闭在3脚上的磁片吸附在4脚,实现4脚和1、6脚导通,电路通路驱动排气扇；当2、5脚断开电压时,线圈磁性消失,磁片重新回到触点3脚,电路开路.继电器引脚图及内部结构如图2.11所示.XTe123654图2.11继电器引脚分布及内部结构空气质量检测处于报警状态时,P2.4口输出低电平,三极管的发射极和集电极导通,接通电源,LED指示灯常亮,继电器的2脚和5脚接通5V直流电,磁片被吸附在4脚上,继电器启动,输出5V电压,排

24、气扇工作.继电器连接电路如图2.12所示.2.8 电源供电系统为保证系统中各个局部能够正常工作运行,电源电路是必不可少的.本设计的粉尘浓度检测仪是直接采用的5V直流USB电源供电,并没有涉及对直流稳压电源的设计,由于本课题研究的主体是对空气中粉尘浓度的检测,而且关于直流稳压电源的设计与运用,能够熟练地掌握.使用USB电源供电能使本设计更加简化,减少故障的出现.当DC电源插口和电源线连接时系统上电,自锁开关限制整个系统电源的中断.自锁开关没有按下之前,1、5脚联通,2、6脚联通；按下开关之后,3、5和2、4脚导通.自锁开关限制电源如图2.13所示.第三章软件程序设计3.1 软件开发环境介绍本设计

25、使的程序是在KEIL公司的uVision4开发环境编译的.KEILuVision4作为单片机程序的编译器,不仅支持汇编语言和C语言开发系统,而且生成目标代码的速度也是极快.Keil包括：编译器、链接器、治理库和仿真调试器等有效功能部件,再将这些部件集成在一个开发环境中,能够快速、有效的的开发出所需的方案.本设计的程序采用的是C语言编程.C语言是一门通用型计算机编程语言,根本用于底层开发.C语言不仅运算和数据类型丰富,而且能够对硬件进行编程和操作,有较强的可植性.对大多数的初学者而言,使用C语言编程是最优的选择.3.2 程序总体设计设计的程序就像是整个系统的经络,为保证系统能够有条不紊的、按逻辑

26、的工作,程序设计显得至关重要.系统程序实现的功能：检测仪上电系统初始化,读取按键区域设定的警报值,单片机接收经A/D转换的数字采集信号,并与设定的警报值进行比拟,最后根据判断的结果断定是否报警,或者进行下一轮的检测比拟.源程序见附录一.程序的设计框图如图3.1所示.系统初始化读取设定警报值°显示警报值采集当匐浓度图3.1程序设计框图3.3 各个模块的程序设计(1) AD转换程序设计单片机给CLK端输入时钟信号并向DI端输入2位数据,当输入的值为“1、“0时,使用CH0口作为模拟信号输入端,经过模数转换之后,由DO端输出8位数据.流程图如图3.2所示.图3.2AD转换流程(2)液晶显示

27、局部的程序设计单片机输出使能信号到EN端,并通过单片机的P0口读取数据,限制LCD显示.如图3.3所示.(3)按键流程设计本设计的粉尘浓度检测仪仅使用了3个按键,所以采用独立式键盘,即每一个按键都占用一个I/O口线.程序按指令执行时,I/O端口实时读取按键状态,当有按键按下时,对应的I/O端口变为低电平.CPU检测到P3.4、P3.5、P3.6端口为“0时,相应的对警报值进行加10或减10.如图3.4所示.图3.4按键流程图第四章程序编译与硬件调试到目前为止已经完成了对粉尘浓度检测仪的整体设计,前面两章详细介绍了系统硬件和软件的设计.为保证系统的软件和硬件能够正常运行,对系统程序的编译和硬件的

28、调试与仿真是必不可少的.4.1程序编译与下载程序在KEILuVision4的开发环境中编译.首先对工程进行设置,晶振频率为12MHz如图4.1所示,勾选生成HEX文件如图4.2所示,最后对程序进行编译.OptionsforTargetTarget1,图4.1设置晶振频率OptionsforTangetPTarget1'图4.2生成HEX文件生成HEX文件之后,再通过STC-ISP烧录器下载到单片机中,如图4.3所示.单片机型mSTCS9C52KC/LE52EC弓I蒯戴|Auto串口号C0KT饰最低波特率西展1最高波特率可期口三起始城址0x0000圆着除代码缓冲区翻开程序文件0x20007去除EEFROM缓冲区翻开EEF即IM文件硬件选项脱机下载/的0|程啕J的后传输|巴使能封由?倍速模式H0降低振荡器的触大增益只有凿电可可停止看狗71内部扩展RAH可用2ALE蒯用作也一5口下次冷启动时,FLWF1.1为.一口才可下或程序-I下次下载用户程序时擦除用户EEFROM区_：在代码区的最后添加工谓图4.3程序下载4.2 硬件仿真LCD液晶显示默认警报值对系统硬件进行仿真.系统上电