空气质量检测系统

楚雄师范学院物电学院课程论文I目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 IAirqualitymonitoringsystemdesign II空气质量检测系统设计 11引言 12设计要求 13系统总体方案 13.1系统总体框架设计 13.2系统仿真图 34系统硬件设计 34.1STC89C52单片机 34.2GP2Y1010AU0F传感器 44.3DHT11温湿度传感器 44.4ADC0832模数转换器 54.5LCD1602液晶显示 54.6键盘模块 64.7声光报警模块 65系统软件设计 65.1主程序设计 65.2子程序设计 76系统调试 86.1调试方法 86.2测试过程 86.3结论 9结束语 9参考文献 10空气质量检测系统设计 摘要：现今环境污染问题日益严重，空气污染和空气质量问题，成了人们特别关注的热点。粉尘浓度和温湿度是空气质量检测的一项重要指标。该设计利用GP2Y1010AU0F粉尘传感器、DHT11温湿度传感器等将信号传输给AT89C52单片机，系统把温湿度的值和通过模数转换把检测到的粉尘浓度数值显示到LCD1602显示屏上，同时具备阈值设置功能，通过薄膜键盘设置阈值，当测量的粉尘浓度或温湿度大于设置的阈值时，蜂鸣器和发光二极管发出声光报警。关键词：空气质量检测；单片机；设计；阈值

Airqualitymonitoringsystemdesign Abstract:Nowadays,theproblemofenvironmentalpollutionisbecomingmoreandmoreserious,andairpollutionandairqualityproblemshavebecomeahotspotofspecialconcern.Dustconcentrationandtemperatureandhumidityareanimportantindicatorofairqualitydetection.ThedesignusesGP2Y1010AU0Fdustsensor,DHT11temperatureandhumiditysensor,etc.totransmitsignalstoAT89C52single-chipmicrocomputer,thesystemwillthetemperatureandhumidityvalueandthroughanalog-to-digitalconversionofthedetecteddustconcentrationvaluetotheLCD1602display,andhasathresholdsettingfunction,throughthemembranekeypadtosetthethreshold,whenthemeasureddustconcentrationortemperatureandhumidityisgreaterthanthesetthreshold,thebuzzerandlight-emittingdiodesoundandlightalarm.Keywords:airqualitymonitoring;MCU;design;threshold空气质量检测系统设计1引言随着生产力的快速发展，工业化程度的不断提高，大气环境质量在不断下降，空气污染变得越来越严重，粉尘浓度超标，全球变暖问题亟待解决。粉尘是由直接排入空气中的一次微粒和空气中的气态污染物混合而成的复合型污染物。粉尘超标污染的空气可以直接进入支气管，诱发包括哮喘、支气管炎等多方面的疾病。因此，粉尘的检测变得越发重要，已成为空气环境污染的主要指标之一。温湿度参数是空气质量的最基本参数，室内家居需要维持一定的温湿度，人们才会感觉更舒适。由此可见，快速有效的对温湿度和粉尘浓度进行监测对实际生产生活具有重要意义。2设计要求设计一种基于单片机的空气质量检测系统，能够实时检测室内环境温湿度、粉尘含量的信息，使用LCD1602液晶显示屏显示空气温度、湿度、粉尘浓度信息。除此之外，用户还可以通过按键模块设置温湿度和粉尘浓度的阈值，当温湿度和粉尘浓度超过设定阈值时，声光报警模块发出警报，从而提示用户及时改善空气质量。3系统总体方案3.1系统总体框架设计本作品主要用到了单片机最小系统、传感器采集模块、按键模块、声光报警电路及显示模块。其中按键模块选用3*4键盘模块，声光报警电路由无源蜂鸣器与LED结合三极管放大电路组成。针对单片机、传感器采集模块及显示模块小组初步拟定三个方案，进行比较选择：方案一：使用AT89C51单片机作为主控制器，传感器采集模块分别使用ZPH01粉尘传感器、DS18B20温度传感器，显示模块选用LCD12864。该方案硬件框图如REF_Ref24936\h图1：图SEQ图\*ARABIC1方案一解决方案硬件框图方案二：使用AT89C51单片机作为主控制器，传感器采集模块分别使用GP2Y1014AU粉尘传感器、DHT11温度传感器，显示模块选用LCD1602。该方案硬件框图如REF_Ref24962\h图2：图SEQ图\*ARABIC2方案二解决方案硬件框图方案三：使用AT89C52单片机作为主控制器，传感器采集模块分别使用GP2Y1010AU0F粉尘传感器、DHT11温度传感器，显示模块选用LCD1602。该方案硬件框图如REF_Ref24988\h图3：图SEQ图\*ARABIC3方案三解决方案硬件框图ZPH01粉尘传感器模块可检测直径1μm以上灰尘颗粒物且检测气体类型多，但价格较高，更换为GP2Y1014AU粉尘传感器；DS18B20温度传感器体积小，精度高，但只能测温度，更换为DHT11温湿度传感器；LCD12864液晶显示信息量大，相当来说程序和电路都比较复杂且价格较高，在本设计中，不需显示汉字图形等，显示的内容也较少，更换为字符型液晶，显示字母和数字比较方便的LCD1602显示模块。AT89C52作为增强型单片机，相较于AT89C51多一个定时器等，避免了分时复用，编程更清晰，且AT89C52比AT89C51价格低，能有效节约成本，故单片机更换为AT89C52；GP2Y1014AU0F粉尘传感器难以买到，故用GP2Y1010AU0F代替。通过以上的三个方案比较可以看出采用方案三可以较好实现本次设计预期。3.2系统仿真图图SEQ图\*ARABIC4仿真图4系统硬件设计4.1STC89C52单片机本设计在选择单片机时主要从以下两个方面考虑：现代人的家居中电子类的产品特别多，在设计的过程中必须要避免其它电子产品对本设计的干扰；在设计的过程中，一方面考虑到了设计的空气质量监测仪的性能，另一方面也考虑到了所购买硬件的成本。综合以上两个方面的考虑，选用了抗干扰能力强、性价比高的单片机STC89C52。STC89C52单片机是由宏晶科技研发，具有高速、低功耗、抗干扰能力强等优点的新一代单片机，STC89C52单片机的指令系统能够完全兼容传统的8051单片机，并且有两种时钟周期可供用户选择，分别是12时钟的机器周期和6时钟的机器周期。其工作电压范围为5.5V~3.3V或3.8V~2.0V，工作频率范围为0~40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率高达4848MHz。其次，52单片机的存储空间多于51单片机。4.2GP2Y1010AU0F传感器GP2Y1010AU0F是一种粉尘传感器系统，基工作原理基于光学传感的基础之上。红外发射二极管(IRED)和一敏转换器呈对角排列在此设备上。它能够探测到空气中灰尘的反射光。特别是，可以有效的检测空气中非常细微的颗粒，比如说香烟的烟雾。此外，该传感器能够通过不同的电压波形来表示室内灰尘和烟雾，从而进行区分。图SEQ图\*ARABIC5GP2Y1010AU0F传感器实物图4.3DHT11温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，内部由一个8位单片机控制一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。它既能检测温度又能检测湿度，其温度测量范围为0~50℃，误差在±2℃；湿度的测量范围为20%~90%RH（RelativeHumidity）相对湿度—指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比），误差在±5%RH。DHT11电路很简单，只需要将Dout引脚连接单片机的一个I/O即可，不过该引脚需要上拉一个5K的电阻，DHT11的供电电压为3~5.5V。图SEQ图\*ARABIC6DHT11温湿度传感器实物图4.4ADC0832模数转换器ADC0832是一种具有双通道的模拟数字转换芯片，由美国国家半导体公司生产研发的，一经推出就因为其具有性价比高，兼容性强、体积小、转换速度快、稳定性强等优点被用户广泛使用，ADC0832具有8位分辨率，最大分辨率可达256级，能够满足一般用户对模拟量转换的需求。传感器采集的数据可以通过ADC0832转换成单片机可以处理的数字量。图SEQ图\*ARABIC7ADC0832模数转换器实物图4.5LCD1602液晶显示LCD液晶显示器是目前非常流行的一款电子通用器件，可用做于家用电器、电子万年历、电子表等电子器件的屏幕显示，显示的主要是数字、专用符号和图形。本设计所采用的长沙太阳人电子有限公司的字符型LCD1602液晶显示器其以显示质量高、体积小、重量轻、功耗低等优点被广泛应用，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。通过LCD1602液晶显示屏，可显示空气温湿度、粉尘浓度。图SEQ图\*ARABIC8LCD1602实物图4.6键盘模块薄膜键盘，是一块带触点的PET薄片，用在PCB、FPC等线路板上作为开关使用，在使用者与仪器之间起到一个重要的触感型开关的作用。薄膜按键上的触点位于PCB板上的导电部位，当按键受到外力按压时，触点的中心点下凹，接触到PCB上的线路，从而形成回路，电流通过，整个产品就得以正常工作。本设计使用3*4薄膜键盘。图SEQ图\*ARABIC93*4薄膜键盘实物图4.7声光报警模块该模块通过蜂鸣器和LED等组成。当测得温湿度与粉尘浓度超过设定阈值时，蜂鸣器工作报警，对应LED灯亮。蜂鸣器的工作电流在通常情况下比较大，电路上的TTL电平在一般情况下是驱动不了蜂鸣器，所以在电路中需要增加一个三极管来放大电流，驱动蜂鸣器发出声音。5系统软件设计5.1主程序设计1、初始化：系统上电后，首先对单片机、LCD602和传感器和定时器0进行初始化。2、数据采集：传感器采集模块实时检测空气中的粉尘浓度、温度和湿度，并将数据发送给最小系统。3、数据处理：最小系统接收并处理传感器采集模块发送的数据，判断空气质量，并在LCD1602上显示当前粉尘浓度、温度和湿度。其中，粉尘传感器输出的是模拟信号，需要通过ADC0832转换为数字信号后再交由最小系统处理。4、报警判断：最小系统根据预设的阈值，判断空气质量是否达到报警条件。若粉尘浓度、温度和湿度其中至少一个大于上限或低于下限时，则触发蜂鸣器报警，对应LED灯亮。5、重复步骤2-4。主程序流程图如REF_Ref3721\h图10所示：图SEQ图\*ARABIC10主流程图初始化完成后，调用按键扫描程序取得键值，并根据当前系统的状态调用相应的子程序。5.2子程序设计按键控制子程序：K3为设置键，第一次短按设置温度下限，第二次短按设置温度上限，第三次短按设置湿度下限，第四次短按设置湿度上限，第五次短按设置粉尘浓度上限，第六次短按设置温度下限，以此循环。在设置界面，随时可以通过长按K3退出。按键控制子程序流程REF_Ref3721\h图11如所示：图SEQ图\*ARABIC11按键控制子程序流程图阈值控制子程序：当测量值大于上限或低于下限时启动声光报警。阈值控制子程序流程图如REF_Ref3835\h图12所示：图SEQ图\*ARABIC12阈值控制子程序流程图6系统调试6.1调试方法硬件调试：拿到印刷完的电路板，用万用表检测每一条线路，检查电路有没有出现短路和断路现象，尤其要避免电源短路的现象；认真准确的计算系统中每一个元器件的具体参数，逐个检查购买元器件的参数是否与计算出来的相符合，如果不符合，及时更换元器件；当元器件焊接完毕后，仔细检查有没有本该焊接的焊接点没有焊接或者不该焊接到一起的焊接点焊接到了一起，如果有这类现象发生，及时的处理解决；当前面三个问题都解决后，就该给电路板空载上电了。用万用表检查单片机以及各个插件的电位是否符合预期，如果出现故障，继续检查前三种故障，如果一切正常，硬件调试基本完成。软件调试：先进行粉尘监测程序的调试，先把粉尘监测部分的程序添加到keil软件中，修正其中的错误，生成.hex文件，用下载器下载到已经焊接好的硬件中进行测试，直到实现预期的功能；进行时钟程序的调试，单独把时钟程序添加到keil软件中，不断修改程序中的错误，生成.hex文件后，用下载器下载到所焊接好的硬件中进行测试，直到实现预期的功能；将上面已经调试好的程序放在同一个程序中，经过变量和函数的调整，流程的调整使得程序能够正常运行，达到设计的目标。6.2测试过程操作说明实时监测粉尘浓度和温湿度通过薄膜键盘设置温湿度阈值。通过薄膜键盘设置粉尘阈值。测量值超过阈值，启动声光报警。6.3结论基于单片机的空气质量检测系统能够实时检