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文档简介

基于51单片机PM2.5粉尘监测系统研究目录TOC\o"1-3"\h\u138401.绪论 摘要社会在发展前进,科技也同时进步,工业生产力不断提高,我们在享受它们带来的便利时,也被它们的副作用所危害,由于工业废气所造成的大气污染严重影响人们的各方面。雾霾就是一种典型,雾霾的主要成分之一是PM2.5。PM2.5是环境中直径2.5微米以下的颗粒物,由于其粒径小,活性强,吸附有危害的物质,因而对人体健康威胁很大,不断地损害人们的呼吸道系统。因此,我们在享受生活时,也要关注PM2.5带来的危害。我们对PM2.5的监测是势在必行。本文设计的是PM2.5粉尘监测系统,主要运用单片机原理,选择STC89C51单片机作为控制核心,辅以传感器模块、模数转换模块、按键模块、显示模块、报警模块,达到能够实时、准确的检测空气中的PM2.5粉尘的浓度和预警,并且具有抗干扰强、易操作、实用性强的特性。有广阔的市场应用前景,适用于日常生活。关键词:大气污染;雾霾;PM2.5;单片机1.绪论科技的发达造就了生活水平的提高,人们也越来越重视生活质量,对于空气质量更为在意。为了满足人们对空气质量特别是PM2.5浓度的关注,我选择采用先进的技术和手段,运用在大学中学习的知识,设计出一款实用又方便的PM2.5监测系统,以便于人们采取相应的措施。以前的PM2.5监测技术是不够成熟,但随着现代科学技术的发展,特别是单片机技术和集成电路技术的日益成熟,为PM2.5监测系统的设计提供了技术支持。本次正是基于现代科学技术的发展上进行设计。1.1课题背景及研究意义工业的发展总是不可避免地造成环境的污染。环境的污染也包括大气污染。工业尾气的排放让我们的大气层遭到了破坏,空气质量下降,危害人类的身体健康。在排放的尾气中产生了大量悬浮在空气中的固体颗粒物,使得空气中的粉尘浓度大大增加。“PM”的英文全称“particulatematter”,中文的意思就是“颗粒物”。“PM2.5”就是“空气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物”。当人们大量吸入它时会进入支气管,对肺部的气体交换产生干扰,可能引发呼吸等方面的疾病。根据资料显示,全球每年大约有700万人死于空气污染。由于人的身体健康、大气环境被PM2.5明显的危害和影响,再加之近年来公民关于环境保护意识不断的提高,对空气质量的在意程度上升,加强对空气中粉尘浓度的监测是形式所趋的。因此,设计出PM2.5粉尘监测系统希望能够准确的检测空气中粉尘的浓度,可以更好地为人类的健康提供保障,帮助他们及时做好防护措施。关于PM2.5的检测,国内外都有许多的技术和方法。现在,据我所知最常用的检测技术有:重量法、压电晶体法、光散射法、β射线法、微量振荡天平法。但是,这些监测方法都不便于操作,也不能够实时监测,对于个人使用是不便利和现实的。随着电子产业的百花齐放,近年来单片机发展十分迅速,单片机的应用已经渗透到我们生活的各个方面。加上单片机具有集成度高、通用性好、功能强、体积小、重量轻、耗能低、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特的优点。因此我将使用单片机来设计PM2.5监测系统。1.2课题的研究内容本设计的题目是基于51单片机的PM2.5粉尘检测系统。利用单片机控制能力强、处理数据快的特性,完成数字信号的处理。再加上粉尘传感器、数模转换、液晶显示、报警、按键等模块组,在硬件电路和软件设计配合下实现自动检测PM2.5浓度的功能。采用夏普GP2Y1014AUOF传感器,将浓度变化转换成电信号变化,如电压信号,浓度变化和电压信号的变化有一定的关系,这种关系为线性关系。这个电压信号可以使用模数转换的电路即A/D转换电路,将模拟量转换为数字量,再传递给处理单元51单片机,处理单元经过执行软件编程将这个数字信号和对应浓度联系起来,成为可以显示出来的浓度值,如77μg/m3,然后通过液晶模块显示出来给人们观察。这就是PM2.5粉尘监测系统的基本执行过程。除此之外,使用按键去调整PM2.5的警报阈值,当空气中PM2.5超过阈值就启动声光报警,完成PM2.5上限报警、上限调整的功能了。本设计主要研究内容包括以下几个部分:在第二章介绍整体设计概念,包括设计思想思路、芯片的选择、器件的选择。在第三章介绍硬件电路设计方面,介绍设计理念,包括整个电路原理图、单片机最小系统、传感器模块、显示模块、报警模块、按键模块等的组成结构和工作过程。在第四章介绍软件设计,从编程的语言并且分模块地阐述结构流程,以及功能的实现过程,调试过程。在第五章进行实际测量测试数据,比较测量值与实际值的误差,进行分析是什么因素影响了测量。在附录中给出整体原理图、PCB图、实物图、全部程序。1.3课题的设计要求本课题的研究重点是整个工作的电路的设计以及程序的编写、实物的制作、测量数据、误差分析。课题要求如下:(1)采用51系列单片机设计。(1)自动检测空气中的粉尘浓度。(2)按键设置PM2.5浓度警报阈值。(3)在LCD屏上显示实时的PM2.5浓度值。(4)当显示值超过设定的阈值时进行蜂鸣器响、LED闪烁报警。(5)按下设置键进入设置功能,再按加减按键设置对应参数,按下设置按键切换设置项。2总体设计概念与主要元器件2.1总体设计概念设计的题目是基于51单片机的PM2.5粉尘监测,也可称PM2.5监测,要求监测出PM2.5的浓度值并显示在液晶显示屏上和改变报警的阈值,集采集、显示和报警功能于一体。利用单片机对数据进行处理,确保了数据的准确性、实时性。总体上采用模块化的设计,将整个硬件划分成几个独立的模块,各模块实现对应的功能,其中单片机最小系统是核心。共有粉尘传感器、模数转换模块、显示模块、按键模块、报警模块这五部分。书写每个模块的程序,再根据它们之间关系整合在一起,达到简化设计的目的,以便于实现系统设计。原理上首先单片机实时接受经过ADC0832转换的GP2Y1014AUOF粉尘传感器采集的粉尘的浓度,然后通过单片机的数据处理,最后在液晶屏上显示空气中的质量。如果测量值大于设置的阈值,报警模块开启工作,发出声光报警。粉尘的浓度报警值可以通过按键进行设置。各个模块的具体功能如下:粉尘传感器模块:驱动夏普GP2Y1014AUOF粉尘传感器去检测PM2.5,而后将产生的电压信号,传输给ADC0832进行转化,最后由单片机进行数据处理。显示模块:显示实时的粉尘浓度值,并显示报警阈值和单位。报警模块:检测的粉尘浓度与设定的阈值相比较,超过阈值时,LED指示灯红灯闪烁,蜂鸣器报警。按键模块:设定蜂鸣器的报警阈值,加、减按键进行改变阈值。如图2.1为设计框图粉尘传感器AD模数转换器单片机粉尘传感器AD模数转换器单片机按键模块LCD显示模块声光报警模块粉尘传感器AD模数转换器单片机按键模块LCD显示模块声光报警模块粉尘传感器AD模数转换器单片机按键模块LCD显示模块声光报警模块粉尘传感器AD模数转换器单片机按键模块LCD显示模块声光报警模块图2.1总体结构框图2.2主要元器件2.2.1主控器件STC89C51在这次的设计中,单片机是主要控制器件,有硬件和软件两种工作要求,起主要作用。因此,单片机的选择是重中之重。考虑到我们在大学中学习的知识和能够获得的资源,以及51系列单片机低功耗、可靠性高、超低价的特点,STC单片机的获取途径方便,可以直接在网上用USB接口便可下载下来。我选择了STC公司生产的40个引脚的直插式封装的STC89C51芯片。STC89C51芯片的存储空间虽然不是很大,但是也足够使用。在选择STC89C51时还特别考虑到它的快速执行指令的特点,正常情况下它的执行速度相对更快,功能更加强大。2.2.2粉尘传感器GP2Y1014AUOF设计的主要目的是PM2.5的检测,所以必定需要一个仪器来采集PM2.5浓度。夏普公司生产的传感器不仅尺寸极小,比巴掌还小,使用起来比较方便。而且它所需检测的时间在众多传感器中时间最短,仅仅需要是10秒就可以检测出PM2.5浓度。GP2Y1014AUOF为夏普公司开发第一代GP2Y1010AUOFPM2.5传感器的升级版,可最小检测出0.8um的微尘颗粒,输出电压0~5V,电流损耗最大20mA。PM2.5传感器内部的对角处安放着红外发光二极管和光敏三极极管,两者的光轴是相交的。当烟灰或室内灰尘等空气中的粉尘处于检测范围内时,并且在传感器其中间的小孔有颗粒物进入时,红外发光二极管发射红外线到颗粒物上,光敏三极管接收其散射光信号,并且产生电压输出。由于输出电压与粉尘浓度成正比,因此可通过输出电压,可以得到粉尘的浓度值。其中模拟端口输出电压值V乘以系数K(检出感度:在粉尘浓度变化10μg/m3时的输出电压变化,单位:V/(10μg/m3)),即得到灰尘浓度值,单位为μg/m3。2.2.3ADC0832模数转换器A/D转换单元选用ADC0832,拥有8位分辨率(最高分辨率可达28=256)、转换时间仅需32μs,能够满足普通模拟量的转换条件。它是体积小、性价比也高,是普遍使用的。它的引脚较少与单片机的I/O接口也少,节约了单片机的I/O口,让电路变得简单,其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅极短,拥有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。所以,直插式封装的8位引脚的ADC0832就足够使用了。2.2.4LCD1602液晶显示设计中采用LCD1602作为显示器件显示信息。和CRT显示器相比,LCD的优点是很明显,液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点。而且不需要外加驱动电路,让电路的设计变得简洁、明了。它可以显示两行,每行各种能够显示16个汉字,非常适合本次设计的使用。2.2.5轻触按键在设计中需要有改变阈值的元件,我选择让三个轻触开关按键去完成它,它是一种常开型开关,不工作时按键的两个触点处于断开,使用时轻轻按开关按钮就可以使开关闭合接通,当松开手时,开关断开。每个轻触按键单独占用一个I/O口,I/O口高低电平反映了对应按键的状态。按键在闭合和断开时,由于机械触点的弹性作用,触点会存在不是立刻切换状态然后一直保持。一个按键在闭合时不会马上稳定地接通,断开时也不会立即断开。3硬件电路设计3.1单片机最小系统单片机在实际应用中,都是和其它元器件共同完成工作任务的,为了保证单片机能够正常工作并且发挥一定作用,有些元器件是必不可少的,由单片机和这些元器件共同组成的系统称为单片机的最小系统。51系列单片机的最小系统包括:晶振电路、复位电路。单片机最小系统如图3.1所示:图3.1单片机最小系统在单片机18引脚(XTAL1端)和19引脚(XTAL2端)外接一个12MHZ的石英晶振和两个瓷片电容(20pF)构成并联谐振回路,两个电容的共同端再接到地,内部振荡器就会自激产生振荡,形成晶振电路,给单片机提供工作脉冲。复位电路是清除执行过程,从头执行程序。一个按键和电解电容(10μf)并联,电解电容的正极接电源(5V),另一端接到单片机的9引脚(RST端)和再接一个电阻(10kΩ),电阻的另一端接地,这就是组成了按键复位电路。只要按下复位按键,就给9引脚高电平,单片机就可以清除所有的东西,恢复到初始状态,然后从头开始运行。3.2传感器模块设计在本次设计中传感器模块也是一个关键点,决定了粉尘的浓度值是否正确。本设计是模拟输出必须用A/D采样输出,需要将电压信号传递给ADC0832进行转换。因此肯定有与ADC0832之间的连接。选用的传感器总共需要六个脚接线,粉尘传感器的1脚内连接着内部的红外发光二极管,外接150Ω电阻与6脚相连,1脚再外接220μf的电解电容,然后接地;2脚和4脚都接地;4脚连接PNP型三极管的发射极,三极管的基极连接10kΩ的电阻,电阻另一端接单片机的P1.3口,集电极接地,驱动传感器进行工作;5引脚接ADC0832的2脚(CH0),采集的模拟电压信号通过这个引脚输出给ADC0832;6脚接电源,作为+5V电源输入端。传感器模块如图3.2所示。图3.2传感器模块3.3模数转换模块设计由于粉尘传感器的输出是模拟输出,不能直接被单片机处理,需要ADC0832作为中介,将其转化,再传输给单片机。一般情况,DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的,所以电路设计可以把DO和DI并联在一根数据线上使用,能够方便的传输数据。从转换开始到结束时,使CS端维持低电平。首先在第一个时钟脉冲的下沉之前,DI端必须从低电平变为高电平,是启始信号。在第二、三个脉冲下沉之前,DI端应该输入两位数据,选择通道。1引脚(CS端)是ADC0832的使能端,控制ADC0832芯片是否启动,与单片机的P3.2口连接;2引脚(CH0端)是模拟信号的输入端与粉尘传感器的5脚连接,也接一个104uf的电解电容,电容另一端接地;4引脚(GND端)接地;5引脚(DO端)和6引脚(DI端)并联在一起与单片机的P3.4口连接,5引脚是数据信号输出端去输出数据,6引脚数据信号输入去控制通道;7引脚(CLK端)是时钟输入端,提供时钟脉冲,与单片机的P3.5口相连;8引脚(VCC端)是电源端,接5V电压。设计的电路如图3.3所示。图3.3模数转换3.4显示模块设计单片机将接受到的数据进行处理,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μg/m3)。LCD1602的1脚接地;2脚接电源;V0脚连接2kΩ电阻,电阻的另一端接地,已经调节好了显示字符与背景光的对比度;RS端、R/W端、EN端分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2相连,控制寄存器、读写、使能;DB0~DB7与单片机的P0口依次从小开始相连,液晶显示屏接收单片机输出的数据,LCD1602经过程序的工作显示出数据和字符;15脚接电源;16脚接地。连接电路如图3.4示图3.41602液晶与STC89C51的接口3.5报警模块设计报警功能主要是由蜂鸣器和LED灯实现。模块构成:PNP型三级管的B极接一个1kΩ的电阻,再与单片机的P1.4口相连;E极接5V电源;C极接蜂鸣器,另一端接地,并且2.2kΩ电阻和LED灯先串联,再将它并联到蜂鸣器上。当空气中的粉尘浓度值等于或超过设定阈值时,P1.4口(BELL)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,发光二极管一直闪烁。与单片机的连接如图3.5所示。图3.5报警提示电路3.6按键模块设计实现开始设置警报值功能,共有3个按键,分别为设置键(SET)、加键(ADD)、减键(SUBTACT)。三个按键的一端并联在一起接地;设置键与单片机的P3.5口相连;加键与单片机的P3.6口连接;减键连接到单片机的P3.7口。单片机检测是否有按键按下,如有判断是否是设置键按下,若有再继续检测执行相应的程序。当检测到一个低电平,表明有一个按键按下。按键连接的电路如3.6所示。图3.6按键模块4系统软件设计4.1软件开发环境本设计是由KEIL公司的uVision5开发环境编译程序。KEILuVision5作为单片机程序的编译器,不仅支持我选择的C语言,而且生成目标代码的速度也是极快。4.2主程序设计主程序是整个系统的经络,为保证系统能够有条不紊的、按逻辑的工作,主程序设计显得至关重要。主程序实现的功能:系统初始化、数据采集函数的调用、转换函数的调用、按键函数调用、数据显示、报警子程序的调用。系统的主程序流程如图4.1所示。图4.1系统软件流程图以下为本次程序设计的编程思路:(1)定义数值类型,定时器初始化函数调用,开中断,调用1602初始化函数。(2)启动PM2.5采集函数。(3)调用模数转换函数后得到数据,启动按键函数,调用报警函数。(4)启动显示函数。(5)循环运行。4.3各个模块的设计4.3.1传感器模块设计利用程序驱动单片机对PM2.5传感器供电,启动传感器,使其工作并测量环境中PM2.5值。GP2Y1014AUOF工作的大致步骤如图4.2所示:图4.2传感器程序流程4.3.2模数转换程序设计单片机给CLK端输入时钟信号,控制转换模工作状态。并向DI端输入2位数据,当输入的值为“1”、“0”时,这意味着选择2引脚(CH0端)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4.3所示。图4.3模数转换流程4.3.3液晶显示程序设计液晶显示第一行显示“PM2.5:”、测量的浓度值和单位(μg/m3);第二行显示“S-PM2.5:”、设定的阈值和单位(μg/m3)。本模块设计要点如下:(1)模块初始化,设置模式。(2)清屏,将之前显示的内容清除。(3)定位,写显示地址。(4)显示,将字符常量写入LCD。图4.4液晶显示流程4.3.4报警设计报警是由蜂鸣器和LED灯共同起作用。写一个报警函数,当浓度值大于等于阈值,蜂鸣器报警,LED灯闪烁。否则就结束这个函数。图4.5报警程序流程4.3.5按键设计一个按键函数,首先判断是否有设置按键按下,如果按下,再判断是否有加键和减键按下,分别对阈值进行加1或减1,单位为μg/m3。最后结束这个按键函数。图4.6按键流程4.4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调试与仿真是必不可少的。4.4.1程序编译与下载程序在KEILuVision5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4.7所示,选生成HEX文件如图4.8所示,最后对程序进行编译。图4.7设置晶振频率图4.8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。4.4.2硬件调试给PM2.5粉尘监测器提供5V直流电源,按下自锁按键系统电路导通,LCD液晶显示默认的警报值(如150μg/m3),粉尘传感器正常工作,并且显示实时的浓度值。按下左边第一个按键时,进入设置阈值模式;按下第二个按键时,警报值增加1μg/m3;按下第三个按键时,警报值减少1μg/m3。再次按下左边第一个按键时,退出设置模式确定警报值,显示屏显示修改后的警报值。当蜂鸣器发出蜂鸣声、发光二极管闪烁,就意味着测量值大于警报值、超标了。5测试数据及误差分析5.1测试数据成功制作出实物后,经过程序调试成功运行起PM2.5检测系统。根据设计的要求,开始对实物进行多项测试,以测试本设计是否达到设计的功能要求,同时将测量的数据与官方的准确的数据进行对比。首先让实物测浓度。在同一天内,对南充市高坪区监测站、南充市西山风景区、南充市炼油厂、南充市环境监测站、南充市委几个位置,对PM2.5浓度进行检测,并且各测得三组数据,求出平均值,再将官方发布实际的PM2.5浓度作对比,做成表格。如表格5.1所示。观察测量值与实际值的。表5.1某日不同地点的PM2.5值地点第一组第二组第三组平均值(μg/m3)实际PM2.5(μg/m3)南充高坪区监测站6163656362南充西山风景区2221202121南充炼油厂4545454547南充市环境监测站3635373634南充市委3842404041在南充市西山风景区在五天的测量值和实际值,如表5.2所示。表5.2某地不同日期的PM2.5值日期7:0012:0020:00平均值(μg/m3)实际PM2.5(μg/m3)4月8日20202020204月910日20252322.67204月11日16161616194月122误差分析表格1是对不同地点的PM2.5的监测,各自测量的三组数据取平均值。使用平均值与准确数据比较,可以看出市中心PM2.5浓度最高,为63μg/m3风景区的PM2.5含量最低,为21μg/m3,空气质量等级处于优。其余的位置的含量处于两者之间。表格2是不同日期的PM2.5测量。使用各日测量数据的平均值与真实值相比较。利用平均值减少了不同时段对数据的影响,减小偶然误差。从表中可以看出只有4月8日的平均值与真实值相等,然而其他日期测量数据都存在较小的误差。通过观察各组测量值,结论是正常空气环境中测试数据与当地环境检测部门公布的PM2.5数据误差为±3μg/m3。,误差较小。我认为误差的来源有以下几个方面:(1)粉尘传感器的灵敏度有限。(2)模数转换器本身的固有误差和计算数据的导致误差。(3)液晶显示时,程序中没有显示小数点后的数据。(4)没有非常严格的控制只改变一个变量、可能存在选择地点的偶然性、以及天气的影响。6结论以大学中学习过的课程为基础,结合其他器件,设计出关于PM2.5检测的系统。其中,重点部分是灰尘传感器和模数转换器,需要阅读相应的手册才能做出设计;难点部分是程序的编写。对于资料的掌握并运用是很重要的一点,这是我在设计中的感悟。在成品完成后,本着设计

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