中期答辩 基于单片机的多功能空气质量检测系统设计

毕业论文答辩专业：电气工程及其自动化指导老师：张加胜学号：XX答辩人：XX设计的目的和意义设计总体结构硬件设计软件设计系统功能的实现12345总结61设计的的目的及意义甲醛、一氧化碳、烟雾和PM2.5对人类的健康危害非常大，也是生活中常用的有害性气体，这些有害气体就可以导致人和动物的死亡或不等程度的伤害。大气污染历来是人类面临的极其严重的环境污染之一。近代来，特别是产业革命以来，由于人类社会经济的迅猛发展，带来工业化的普及，化石能源的大量使用，使得人类赖以生存的大气环境质量日益恶化，在震惊全球的世界八大公害事件中，仅大气污染就占了5件。大气污染的危害非常大，严重的大气污染可以导致人发生各种疾病，如气管炎、哮喘、肺炎等，甚至造成人的非正常死亡；会减缓农作物生长，发育受阻，品质下降，产量减少；由大气污染造成的酸雨还会腐蚀建筑物、金属制品，造成高压线路短路，影响油漆涂料、纸制品、纺织制品等；由于人类使用氟利昂等制冷剂造成的臭氧层损耗，还会导致人类容易临患皮肤癌等疾病。传统的空气质量检测方法大多因测试时间长，测试仪器操作繁杂，不易现场使用等特点而得不到推广，世界各发达国家一直在进行空气质量检测的新方法、新技术、新仪器的研发，力求提供现代化的检测手段。为了能够在较大的地域内对空气质量进行快速检测，这就要求空气质量检测仪必须具有响应速度快、操作简单、微型化、便携式的特点。因此研制出一种微型、可靠、价格低廉的空气质量检测仪对毒气种类的识别和浓度的快速、准确检测工作具有十分重要的现实意义。2设计总体结构设计一款基于单片机的空气质量检测系统，该系统最亮点的设计功能在于使用了物联网智能终端技术，显示屏上显示的数据能通过USR-C215串口转wifi模块实时传输到有人云平台。装置配网之后，在任何有网络的地方都可以通过微信小程序或者网页浏览器查看实时的数据浓度信息、报警记录信息和历史数据曲线图等信息。此系统主要由主控模块、wifi模块、OLED显示模块、电机、甲醛传感器、一氧化碳传感器、PM2.5传感器、烟雾传感器、按键模块、指示灯模块、蜂鸣器模块、局域网和移动终端构成。如右图所示的就是空气质量检测系统的总体结构框图。3.1单片机最小系统单片机最小系统说的通熟易懂的话就是以最少的元器件组成能让单片机正常工作的系统。主要包括单片机、时钟电路、复位电路、电源电路和下载口电路组成。时钟电路，它提供的时钟信号给单片机提供一个时间基准；复位电路，该主芯片为低电平复位，当上电的一瞬间，C5相当于通路接地芯片自动复位，之后VDD稳定C5相当于断路，复位端一直为高电平；电源，为了给单片机供电以正常的工作。下载口，可用于程序的在线编写和调试以及程序的下载。3.2电源模块的设计在本系统设计中，主控模块和各分支模块所需的供电为3.3V，由于供电电源为5V的输出，所以需要设计一个5V转3.3V的电源变换模块，此模块基于一个LM1117-3.3的电源转换芯片，具体电路设计如右图所示。3.3有人云WiFi模块的设计USR-C215硬件上集成了MAC、基频芯片、射须收发单元;内置低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行;支持Wi-Fi协议以及TCPIP协议，用户仅需简单配置，即可实现UART设备的联网功能。模块尺寸较小，易于焊装在客户产品的硬件单板电路上模块的基本管脚名称信号配型说明1GNDP电源地2VDDP电源正极3RELOADI拉低1-3秒是启动simplelink配置，3s以上是恢复出厂设置4RESETI模块复位，低电平有效5UART_RXI串口接收引脚6UART_TXO串口发送引脚7PWR_SWN悬空，不用8WPSN悬空，不用9READYO模块工作正常指示引脚，低电平有效，可外接LED10nLINKO模块WiFi连接指示引脚，低电平有效，可外接LED3.4系统通信端的设计系统通信端的设计主要是通过移动客户端和串口WIFI模块实现的，手机端通过WIFI协议与串口WIFI模块USR-C215进行通信，然后再有串口WIFI模块USR-C215通过异步收发协议与单片机STM32单片机通信。具体实现过程如下图所示。3.5系统控制端的设计系统控制端的设计主要是通过STM32单片机来实现的。当STM32单片机接收到串口WIFI模块USR-C215传输过来的指令，再将传输过来的指令进行分析，把具体指令通过STM32单片机的I/O口去实现对应的外部设备的控制。系统控制结构框图如图下图所示：3.6显示模块的设计

显示模块采用OLED096显示屏模块，OLED是有机发光二极管，又称为有机激光显示。OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时这些有机材料就会发光而且OLED显示屏幕可视角大且功耗低。OLED同时具备自发光、不需背光源(只上电是不会亮的、驱动程序和接线正确才会点亮)、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲面板、使用温度范围广和结构及制程等优异之特性。管脚名称说明1VCC电源正2GND电源地3D0在SPI和IIC通信中为时钟引脚4D1在SPI和IIC通信中为为数据引脚5RES复位引脚（低电平复位）6DC数据和命令控制引脚7CS片选管脚3.7传感器模块的设计——甲醛ZE08-CH2O型电化学甲醛模组是一个通用型、小型化模组。利用电化学原理对空气中存在的CH2O进行探测，具有良好的选择性，稳定性。内置温度传感器，可进行温度补偿；同时具有数字输出与模拟电压输出，方便使用。如右图所示，甲醛传感器管脚有七个，本次设计中只用3,4,5管脚三个管脚就能实现需要的功能。管脚管脚说明1预留2DAC(0.4～2V,对应0-满量程)3GND4Vin（电压输入3.7V～5.5V）5UART（RXD）0～3.3V数据输入6UART（TXD）0～3.3V数据输出7预留3.7传感器模块的设计——PM2.5ZH03利用米氏散射原理，能够对空气中存在的粉尘颗粒物进行检测，通过专业算法和标定检测工艺处理，具有良好的一致性、稳定性。传感器具备串口输出和PWM输出同时输出能力，方便使用。ZH03的工作原理为，首先PM2.5粉尘颗粒经过检测区的检测，然后进行电路的处理，之后再进行运算的处理，最后才能的到确切的浓度输出值。3.7传感器模块的设计——COMQ-7一氧化碳传感器具有信号输出指示，双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），TTL输出有效信号为低电平，模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高，对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性的特点。当所处环境中存在一氧化碳气体时，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度的增加而增大即电阻减小，模拟输出电压随检测环境中气体浓度的升高而增大。应用原理：如果选用DOUT即数字量高低电平端，输出信号可以直接接单片机的I/O口或者接一个NPN型三极管去驱动继电器，Rp构成比较器的门槛电压，调节Rp可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。当浓度值超过电位器Rp设定的阀值时，比较器2脚的点位高于3脚的电位，这个时候，比较器1脚输出低电平，LED灯亮，R3为LED灯限流电阻，C1为滤波电容。当输出电压低于门槛电时，比较器翻转输出高电平，LED灯熄灭。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。如果选择AOUT模拟量输出，那样就不用管电位器了，直接将AOUT脚接AD转换的输入端或者带有AD功能的单片机就可以了。3.8蜂鸣器模块的设计蜂鸣器我选用的是5v有源的电磁式的蜂鸣器，相对于无源蜂鸣器来说它有内部驱动电路所以使用起来简单方便。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用MOS管电路通过放大电压来驱动，MOS管为电压控制型器件，这里用到的MOS管为NPN型的，当I/O口输出高电压时MOS管导通，蜂鸣器鸣叫；当I/O口输出低电压时MOS管截止，蜂鸣器停止鸣叫。有源蜂鸣器的电路如右图所示。3.9指示灯模块的设计当传感器检测到某一浓度超过阈值的时候，相应的指示灯就会亮起提示某一项的浓度已经超标，从上到下他们分别代表着甲醛、PM2.5、烟雾和一氧化碳的报警指示灯。本设计的指示灯模块由四个LED灯构成，原理图如图所示。3.10按键模块设计本设备有五个功能按钮，从上到下分别为设置按键、加号键、减号键、蜂鸣器控制按键和电机控制按键。本设计的按键模块采用五个独立按键组成，由于按键接触点是金属的所以在编写程序的时候要加入相应的延时和消除抖动的子程序，以此来实现功能按键的灵敏快捷的运用。按键模块的原理图如图所示。4.1WIFI的配置与连接首先给系统供电，用导线连接WIFI模块的1，3号引脚三秒钟以上设备自动恢复出厂设置，成功后手机或电脑上就会显示USR-C215的设备WIFI，连接后登陆54，首先进行WIFI参数的配置，配置成功后不需要启动等到都配置完成之后在启动，再进行透传参数的配置，之后是附加功能参数的配置，最后点击重启，WIFI连接成功。具体的流程图如图4.5所示。4.2通信系统程序流程远程通信系统是基于串口WIFI模块USR-C215的数据透传方式，首先串口WIFI模块USR-C215系统进行初始化，然后从WIFI模块接受数据并将数据存储于内存缓冲区中，接着执行判断语句，判断数据接收是否完整,如果判断不完整则返回上一步，如果完整则拷贝缓冲区中的数据到发送缓冲区中。最后执行发送数据指令。远程通信系统程序流程图如图所示。4.3控制系统程序流程STM32单片机在整个系统中主要是用于串口数据的接收和发送，并且在收发的同时对从串口WIFI模块USR-C215接收到的具体指令信息进行及时的处理，这种处理主要是分析数据中的控制指令并对接收到的指令生成输出相应的控制信号对外设电路进行控制。STM32单片机实现系统控制主要有以下几个流程：先发送一条初始化指令将串口WIFI模块USR-C215初始化；然后串口WIFI模块USR-C215通过WIFI协议接收来自远程端的指令数据；接着将接收到的指令数据进行分析，分析后的指令传输给STM32单片机进行相应的控制指令。控制系统程序流程图如右图所示。4.4OLED显示屏数据显示的实现首先显示程序初始化，OLED096被初始化，它的主要功能是设置液晶显示屏的工作方式和设置两端口的初始状态。接下来，执行OLED096写入指令子功能以及OLED096写数据子函数。如右图所示。5.1制作实物板通过C语言开发,Keil编写,通过原理图对电路板进行焊接，制作实物图如图所示。5.2微信端查看显示有人云服务器接收到串口推送的消息后，在微信上的显示如右图所示。将实物接通电源，再连接路由器，配网，配网图成功界面如右图所示。5.3电脑端查看显示同时我们也可以在电脑上查看各项的实时数据浓度和报警记录信息，如右图所示。

我们还可以通过查看各项数据浓度的历史曲线图直观的看出各种数据浓度变化的情况，如右图所示。6总结本次设计的核心内容是一种基于单片机的空气质量检测系统,整个系统主要由三个大的部分组成：第一个主要内容就是研究USR-C215串口WIFI模块的通信，第二个主要研究的内容就是单片机在整个控制系统中的控制功能的实现，第三个主要的研究内容就是有人云平台在整个系统中的云服务器应用。在整个系统中的硬件设计上，可以把硬件电路划分为十三个主要的部分：主控模块、WiFi模块、OLED显示模块、甲醛传感器、一氧化碳传感器、PM2.5传感器、烟雾传感器、按键模块、指示灯模块、蜂鸣器模块、电机、局域网和移动终端构成。此设计系统经过试验验证甲醛传感器、一氧化碳传感器、PM2.5传感器、烟雾传感器这些传感器均