基于单片机的pm2.5值检测仪

苏州大学本科生毕业设计（论文）-PAGEi-基于单片机的pm2.5值检测仪目录TOC\o"1-2"\h\z\u前言 2第1章绪论 3第1.1节课题背景 3第1.2节国内外PM2.5值现状及发展趋势 3第1.3节本课题主要工作 4第2章系统设计总体选择 5第2.1节总体设计选择方案 5第2.2节开发语言选择 5第2.3节传感器选择 6第2.4节MCU选择 7第3章检测仪设计 8第3.1节硬件设计 8第3.2节软件设计 11第4章系统测试 15第4.1节测试条件 15第4.2节测试过程 15第4.3节测试数据 16第4.4节测试分析 16结论 17参考文献 17致谢 18附录1：实物照片说明 19附录2：部分源程序 20基于单片机的pm2.5值的检测仪苏州大学应用技术学院10电子（学号1016405057）钱震旦【摘要】：本论文基于单片机的原理开发的pm2.5值检测仪。该仪器通过集合单片机的控制技术和传感技术相结合的一套设备。传感器接收pm2.5的浓度信息通过AD采样转换由单片机进行读取最后由LCD屏幕的实时数据体现形成的一套系统，使人们能简单清晰实时的了解本地的pm2.5值的情况。【关键词】：单片机，pm2.5，传感器；[Abstract]:DeployingIPtelephonyorvoiceoverIP(VoIP)isamajorandchallengingtaskfordatanetworkresearchersanddesigners.Thispaperoutlinesguidelinesandastep-by-stepmethodologyonhowVoIPcanbedeployedsuccessfully.Themethodologycanbeusedtoassessthesupportandreadinessofanexistingnetwork.PriortothepurchaseanddeploymentofVoIPequipment,themethodologypredictsthenumberofVoIPcallsthatcanbesustainedbyanexistingnetworkwhilesatisfyingQoSrequirementsofallnetworkservicesandleavingadequatecapacityforfuturegrowth.Asacasestudy,weapplythemethodologystepsonatypicalnetworkofasmallenterprise.Weutilizebothanalysisandsimulationtoinvestigatethroughputanddelaybounds.Ouranalysisisbasedonqueuingtheory,andOPNETisusedforsimulation.Resultsobtainedfromanalysisandsimulationareinlineandgiveaclosematch.Inaddition,thepaperdiscussesmanydesignandengineeringissues.TheseissuesincludecharacteristicsofVoIPtrafficandQoSrequirements,VoIPflowandcalldistribution,definingfuturegrowthcapacity,andmeasurementandimpactofbackgroundtraffic.[Keywords]:NetworkDesign，NetworkManagement，VoIP，PerformanceEvaluation，Analysis，Simulation，OPNET

前言随着今年中国国家经济的高速发展，环境问题也逐一暴露和产生。其中pm2.5的问题则是最近一段时间大规模爆发的。Pm2.5也叫作细颗粒，细粒，等等。是指空气成分的，微粒物理直径小于等于2.5微米的颗粒。虽然pm2.5只是大气成分中非常少的一部分。但它相比于其他颗粒物质具有更小的半径，能轻易进入人体呼吸道及肺泡，而人体是对其没有任何抵抗能力的，一但人体吸收了pm2.5，这是不可逆的。Pm2.5颗粒小，相对大小表面积比更大，活动性强，易沾毒性物质，而且在空气中存在时间长，不容易消除，因此对环境和人体健康影响更大，危害更大。Pm2.5的化学成分主要包括有机碳（OC),元素碳（EC)，硫酸碳，硝酸碳，钠盐，铵盐等。颗粒物的成分很复杂，主要取决于其来源。主要有自然源和人为源两种，但危害较大的是后者，在学术界的分为一次气溶胶（Primaryaerosol）和二次气溶胶（Secondaryaerosol）两种。细颗粒物的标准，是由美国在1997年提出的，主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。细颗粒物指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。到2010年底为止，除美国和欧盟一些国家将细颗粒物纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对细颗粒物的监测，大多通行对PM10进行监测。Pm2.5的来源十分广泛，有自然来源，人为来源和大气化学反应形成的2次颗粒，其中人为来源更为广泛和严重，人为来源来自工厂，发电站，烧荒和汽车，如发电，冶金，石油，化学，和纺织等各种国内工业大家过程中排放的烟尘；自然来源来自土壤扬尘，火山爆发，钠盐等，如大规模的火山爆发和森林燃烧；大气中的气态签体污染物会通过大气反应生成二次颗粒物，如Pm2.5的问题非常的严重，不知不觉我们已经无可避免，所以说pm2.5的问题重视和推进不容缓慢，本论文也就此问题进行一些可提供的探讨和研究。本文的核心思想就是通过单片机控制技术和传感器技术相结合，以AT89S52单片机为核心控制系统，通过GP2Y1010AUOP夏普粉尘传感器对实时pm2.5的情况的采集、传输和读取。利用LCD显示技术实现数字化显示。绪论课题背景随着近来的pm2.5的问题的愈加严重，而pm2.5则是一个刚兴起的环境问题研究，本人表着研究问题的心态去探究pm2.5的危害和如何检测pm2.5的浓度。全球210万人死于pm2.5浓度的上升，伦敦也在1952年12月5日发生了全球瞩目的事件，即所谓的毒物事件，那场毒物造成了约4000人的死亡，2013年10月17日，世界卫生组织下属的国际癌症研究机构也发布报告，首次认为大气污染对人类可致癌，并且视其为普遍和主要的环境致癌物质。所以这是一个可不容缓的问题研究，我们应该重视其发展和未来，为我们能解决和防止问题再次发生做积极的行动。而本文也会对pm2.5的检测做出一些贡献。国内外PM2.5值现状及发展趋势PM2.5发展现状首先先是中国的情况，在中国的大部分，特别是工业集中的地方，比如华北地区，pm2.5占空气悬浮颗粒重量的大半。自从中国大规模爆发pm2.5问题后，2012年2月，国务部发布的《环境空气质量标准》也增加了pm2.5的监测指标，它采用了世界卫生组织设定的最宽限值，pm2.5年平均浓度和24小时平均浓度分别为35微克每立方米和75微克每立方米。2012年3月5日，国务院总理温家宝在政府工作报告中指出，中国绝对不靠牺牲环境和人民健康来换取发展和经济增长，也被称为“pm2.5新政”。空气质量等级24小时pm2.5平均标准值(ug/m3)优0-50良50-100轻度污染100-150中度污染150-200重度污染200-300严重污染大于300表1pm2.5值24小时平均值标准国外也十分注重pm2.5的问题，早在20世纪外国也爆发了一系列的pm2.5的问题，但随着国家政策大刀阔斧的改革，问题也逐渐好转。但在最近也有些问题。项目年均值日均值准则值35u/m375ug/m3表2世界卫生组织（WHO)2005年《空气质量准则》PM2.5发展趋势Pm2.5是一个严重的环境问题，我国也准备拟定一系列法律法规来解决这些问题。环境保护部副部长吴晓青在2012年3月2日的国务院新闻发布会上的也表态，环保部正在组织编制重点区域大气污染防治规划，从2011年—2015年，在改善城市空气质量的基础上，重点解决pm2.5的区域大气污染问题。区域大气污染防治规划出台后，大气污染治理的整体需求和方向会很明确，任务也会很明确了。国家也会在2016年拟定新的空气质量准则。项目年均值日均值准则值10ug/m325ug/m3过度目标135ug/m375ug/m3过度目标225ug/m350ug/m3过度目标315ug/m337.5ug/m3表3中国拟于2016年实施的《空气质量准则》我国也会学习外国的经验，外国在这一条治理pm2.5的路上走的更远，我们应该学习。国外的一些经验和实践会让我国受益匪浅。国外也正在进行一系列的研究和探讨，期望找到更规范的定义和更准备的解决方案。本课题主要工作Pm2.5的问题如此严重，而pm2.5值的测定却有很大的局限性，纵使国家也对pm2.5十分重视，地方也会有各种各种的pm2.5的检测报告，我们在网上也能找到各种各样各地的pm2.5值的实时数据，但这就像天气预报一样有很大的局限性，就像北京面积这么大，而pm2.5测值的地方却也有局限性，更不用说，民众对国家某些数据的不信任。我也表示十分遗憾，所以我拟定一个课题。即可以便携测量pm2.5的仪器。在这里我会学以所用，通过我大学4年来学习的各种技能和知识，来自己解决这个问题。也符合我校学以致用的校训。 系统设计总体选择总体设计选择方案本次课题的总体设计便是利用传感器检测pm2.5的实时数据，经过a/d转换，由芯片进行处理数据，再由d/a转换由显示器显示实时数据。再通过一系列的额外配置，及电源和开关的细节处理，总体设计出符合要求和功能基本完整的一套设计。图2-1总体设计方案开发语言选择方案一：采用java开发环境Java是一种可以跨平台的一种程序设计语言，具有卓越的通用性和简单安全性和高效率性，同时拥有全球最大的开发者专业群和交流平台。但java还是拥有其明显的缺点，其一就是本专业没有接触过java重头开始学也比较时间和人力，而且运行速度慢，不能更接近操作系统，有时候比别的代码语言长。有明显的缺点。方案二：采用c++开发环境VC++它使用C语言编程，程序结构主要由分支语句、顺序语句和循环语句等构成。一个庞大的软件系统主要是由一个主程序和若干个子程序组成。而使用C语言编程，编译效率高，对于学过的人来说比较方便，但是当程序写到足够长时，结构不够清晰，不仅容易出错还不易检查除语法之外的错误原因。另外，人机界面的也设计需要相对来说较长的开发周期，后期维护也存在一定困难。相比于其他的开发环境，有一定的优越性。所以我选择了c++作为上位机的软件选择。传感器选择方案一：使用KFC-A1/V1/R4系列使用KFC-A1/V1/R4系列。能测量0.5um/1um/2.5um以上颗粒物，供电电压为DC24V（22V到26V）。传感器稳定时间为接通电源约1分钟，不能相对的实时测量，价格相对较高，难入手。方案二：使用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器使用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器。Sharp'sGP2Y1010AU0F是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光。该传感器具有非常低的电流消耗。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。可测量0.8微米以上的微小例粒子。体积小，重量轻，便于安装。所以我选择夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器。图2-2便是夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器。图2-3是该款夏普粉尘传感器的原理图。灵敏度0.5V/0.1mg/m3尺寸46.0×30.0×17.6mm)图2-2夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器图2-3夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器内部结构图MCU选择方案一：采用ARM系统使用基于ARMCortex-M3为内核的EasyARM1138单片机，它有八个通道的10位ADC，使用简单且功耗低，体积小，高性能。大量使用寄存器，执行指令速度更快，指令长度固定，寻址灵活，执行效率高等一系列优点。但其加个相对来说比较高，一个简单的功能虽然也能实现，但总有点大材小用。方案二：FPGA,CPLD等大规模可编程逻辑控制器件使用FPGA,CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率高，运算速度快，但不合适该制作。无论成本还是其他操作控制上的问题其都与单片机无明显竞争力，所以本方案不采用。方案三：采用52单片机系统52单片机是51单片机的升级强化版本。52单片级它从内部的硬件到软件有一套完整的处理器，它的处理对相不是字、节而是位。其成本相对较低，而且操作简单，但速度慢，片内空间不足，资源少，难以实现复杂的操作，而本设计不需要复杂的程序来运行，而且考虑本设计所以要的成本，故我选择52单片机作为系统。检测仪设计硬件设计总体规划该系统采用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器进行测量，得出模拟信号，再进行放大，然后送入单片机进行A/D转换处理和数据的处理。再有D/A转换通过LCD显示。主控制器电路主控电路是51单片机，其外围电路非常的简单，只需要加上电源和晶振电路就行了。图3-1引脚结构图3-2晶振结构显示电路我们用到的是1602液晶模块。它的连线引脚如图3-1-3-1.第1脚：VSS为电源地该引脚接总系统地线。第2脚：VDD为接5V电源正极可接移动电源的5Vusb电源脚。第3角：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第7~14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15~16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。图3-31602液晶引脚液晶模块的读操作时序图如图3-4。图3-4读操作时序图液晶模块的写操作时序图如图3-5。图3-5写操作时序图传感器连线使用夏普GP2Y1010AU0F_粉尘传感器。Sharp'sGP2Y1010AU0F是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光。该传感器具有非常低的电流消耗。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比，其连线图如图3-6。图3-6夏普GP2Y1010AU0F_粉尘传感器连线图粉尘传感器引脚如图3-7。图3-7粉尘传感器引脚软件设计软件结构该程序主要有5个模块，初始化模块，显示模块，开关模块，AD模块和数据处理模块块。各个模块都有它们自个的功能和应用。图3-8软件结构软件设计在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus有较高的推广利用价值。目前Proteus的最新版为8.0,ARMcortex处理器被增加，在7.10中已经增加DSP系列（TMS320）。Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。经过反复的调试和检查汇编没有错误的情况后，将生成的51单片机的可执行的HEX文件。然后用51开发板想匹配的烧录软件把hex写入51单片机中。图3-9protuse仿真过程图3-10单片机烧录软件界面系统测试测试条件由便携带的电源提过的一个5V的直流电压来保证工作电压，为了检测仪器的正确性，我制造了几个密闭的透明盒子，保证其密闭性和可感测性和充分的氧气。里面分别有不同质量的秸秆燃烧后的空气残留，并进行逐一的检测。图4-1密闭的玻璃箱图4-2移动电源测试过程测试过程非常的重要，这关乎到该仪器的精确度。经过研究和探讨我会一次按照下面的步骤进行测试。连接电路和测试设备打开电源控制开关分别燃烧5个不同质量的秸秆在密闭玻璃箱内依次放入pm2.5测试仪分别记录数据处理数据关闭电源测试数据随着正确和有效的测量方法和过程。取得了很多重要的数据和结果，我实时的记录了各次测量的数据。下面的图便是多次测量取得的数据和结果。不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4868130213289370表4第1次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4771139216288373表5第2次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4876136218292379表6第3次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4581142223295384表7第4次测量不同秸秆燃烧无10g20g30g40g50gPm2.5值（ug/m3）4672144231301392表8第5次测量测试分析随这进行了多次的测量，产生了大量的数据，我们必须对这么数据进行分析和探讨，实验的测量和进行必不可少的便是误差的存在，无法改变的系统误差和可改进的人为误差都会存在。多次测量后，仪器的误差不大，在可以接受的范围之内，可以使用。而出现的数据越来越大，可能是上次燃烧的残留空气没有清干净，会注意到这些问题，以后多加该进。

结论本设计中，对基础电子原件各种方面的连接和使用的基础上，进行了可接受的组合，使其可以符合本设计的要求，这种组合是可以模仿学习和参考的，我们可以通过去体会生活中的一些问题，来提出解决方法和思考，这样我们会收益很多。PM2.5是一个中国新兴的环境问题，我们需要迫切的关注，当然我所设计的pm2.5值的检测仪器也基本能满足生活中的实时测量pm2.5的值，虽然有一点不完美，但是我相信在未来，在我们大家共同的学习研究下，没有攻不破的难题，会解决这些问题，让我们的生活更加完美，让环境越来越来好，让身体越来越健康。参考文献中华人民共和国国家标准，GB3095—2012.环境空气质量标准.2012-02-29发布.张俊漠.单片机中级教程:原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006，10.赵娜.基于51单片机的温度测量系统[M].西南石油大学，2009：66~69.郑德忠.红外吸收粉尘传感器的设计[M].燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，2012.韩铮.黑龙江省PM2．5监测现状及结果分析[M].黑龙江大学，2013-01-12.刘睿鑫、张云、曹贯强.基于单片机的家庭CO和甲烷泄漏的检测、报警与排气[D].中国矿业大学.2010.张灿.浅析PM2.5检测标准的制定[D].华人时刊，2013，7.徐海霞.上海某高校学生宿舍楼内外PM2.5浓度的检测与分析[M]同济大学环境科学与工程学院，2013.商景林.PM2.5的呼吸防护[M].第二十届海峡两岸及香港、澳门地区职业安全健康学术研讨会论文集，2013.张俊．匠人手记一一个单片机工作者的实践与思考[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2008．

致谢历时2个多月，本人终于将这一篇论文完成，心中真是感慨万千，过程中碰到了万千的困难和障碍，也无数次想到放弃，但都在同学，老师和父母的帮助下度过了，真是冷暖自知。尤其感谢我的论文指导老师丁建强老师，他在我无助的时候给与了我无私的指导和帮助，不厌其烦的进行论文的修改和改进。另外，在我查阅图书馆资料时，图书馆里的老师也给我提过了很多方向和帮助，在此我向帮助过我的老师和指导过我的老师表示由衷的感谢。感谢这骗论文所涉及到的各位专家和学者，本文引用了各位学者的幸苦的研究成果，如果没有各位的启发和帮助，我将很难完成这篇论文的完成，在此再次由衷的表示感谢。最后我也要感谢我的学校，苏州大些应用技术学院。感谢您对我4年的培养，让我有独自完成这篇论文的实力和知识，让我学习到了这么多宝贵的经验。由于我的学术水平有限，所写的论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友指正和批评。

附录1：实物照片说明图1传感器图2pm2.5工作图附录2：部分源程序Adc源程序功能：将模拟信号转换成数字信号sbitADC0832_CS=P1^2;sbitADC0832_CLK=P1^0;sbitADC0832_DIO=P1^1;unsignedintA_D(bitflag){unsignedchari;unsignedchardat;ADC0832_CS=1;//一个转换周期开始ADC0832_CLK=0;//为第一个脉冲作准备ADC0832_CS=0;//CS置0，片选有效ADC0832_DIO=1;//DIO置1，规定的起始信号ADC0832_CLK=1;//第一个脉冲ADC0832_CLK=0;//第一个脉冲的下降沿，此前DIO必须是高电平ADC0832_DIO=1;//DIO置1，通道选择信号ADC0832_CLK=1;//第二个脉冲，第2、3个脉冲下沉之前，DI必须跟别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0ADC0832_CLK=0;//第二个脉冲下降沿if(!flag)ADC0832_DIO=0;//DI置0，选择通道0elseADC0832_DIO=1;//DI置1，选择通道1ADC0832_CLK=1;//第三个脉冲ADC0832_CLK=0;//第三个脉冲下降沿ADC0832_DIO=1;//第三个脉冲下沉之后，输入端DIO失去作用，应置1ADC0832_CLK=1;//第四个脉冲for(i=0;i<8;i++)//高位在前{ADC0832_CLK=1;//第四个脉冲ADC0832_CLK=0;dat<<=1;//将下面储存的低位数据向右移 dat|=(unsignedchar)ADC0832_DIO; //将输出数据DIO通过或运算储存在dat最低位} ADC0832_CS=1;//片选无效 returndat; //将读数的数据返回}LCD源程序#include<reg52.h>#include"ADC0832.H"//#include"LCD1602.H"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitGP2Y_LED=P3^7;uintPM_dat=0;uintk,p,a;uchartime_num1=0;bitflag1=0;sbitRS=P2^5;sbitRW=P2^6;sbitEN=P2^7;ucharLCD1602_Table[]="0123456789";//LCD1602显示标尺 //0123456789abcdefucharcodeDIS_TIM1[16]={"1016405057qzhd"};//显示学号logoucharcodeDIS_TIM[16]={"PM2.5:ug/m3"};//显示pm2.5值 externvoiddelayms(uintxms);voidWRITE_LCD1602_DAT(uchardate){ EN=0; RS=1; P0=date; EN=1; delayms(2); EN=0;}voidWRITE_LCD1602_COM(uchardate){ EN=0; RS=0; P0=date; EN=1; delayms(2); EN=0;}voidinit_1602(){ unsignedcharh; RW=0; WRITE_LCD1602_COM(0x38); WRITE_LCD1602_COM(0