基于单片机的空气质量监测平台设计

基于单片机技术的空气质量监测平台研究摘要当前人们对于居住环境的空气质量提出了更高的要求，城市在建设过程中也会将空气质量参数作为是否宜居的主要参考。但是当前各种工业生产、车辆行驶所造成的空气污染情况愈发严重，为了能够实现城市空气质量自动监测需要利用当前热门的物联网技术来实现。本次所研究的基于单片机技术的空气质量监测平台使用传感器作为底层设备，来实现空气质量数值的获取，再通过STC89C52微控制器来对、GP2Y1010AU0F、DHT11、COZIR-WX等传感器获取到的数据进行处理。在程序编写过程中针对空气质量参数、温湿度数值、报警处理分别编辑不同的子程序来实现设备管理工作，完成空气质量评价。关键词:空气质量；物联网；STC89C52；GP2Y1010AU0F传感器

AbstractAtpresent,peoplehaveputforwardhigherrequirementsfortheairqualityofthelivingenvironment,andcitieswillalsotakeairqualityparametersasthemainreferenceforlivabilityduringtheconstructionprocess.However,thecurrentairpollutioncausedbyvariousindustrialproductionandvehicledrivingisbecomingmoreandmoreserious.Inordertorealizeautomaticmonitoringofurbanairquality,itisnecessarytousethecurrentpopularInternetofThingstechnologytoachieve.TheairqualitymonitoringplatformbasedontheInternetofThingstechnologystudiedthistimeusessensorsastheunderlyingequipmenttoobtainairqualityvalues,andthenusestheSTC89C52microcontrollertoanalyzethedataobtainedbysensorssuchasGP2Y1010AU0F,DHT11,andCOZIR-WX.tobeprocessed.Intheprocessofprogramming,differentsubroutinesareeditedforairqualityparameters,temperatureandhumidityvalues,andalarmprocessingtorealizeequipmentmanagementandcompleteairqualityevaluation.Keywords:Airquality;IoT;STC89C52;GP2Y1010AU0Fsensor

目录一、引言 1（一）课题研究背景 1（二）国内外现状研究 1（三）课题研究意义 2（四）研究内容与组织结构 2二、总体设计方案与关键技术 4（一）系统设计原则 4（二）系统总体方案设计 4（三）NB-IoT特性介绍 5（四）空气质量监测平台技术 6三、空气质量监测终端硬件设计 7（一）硬件总体设计 7（二）微控制器选型 7（三）传感器设计 9（四）ADC0832模数转换器简介 12（五）通信电路设计 12（六）电源电路设计 13四、空气质量监测软件设计 14（一）系统软件整体设计 14（二）设备工作流程设计 15五、监控平台分析与调试 18（一）建立工程 18（二）使用Debug进行调试 18（三）仿真调试 18总结 21致谢 22参考文献 23附录 25一、引言（一）课题研究背景在相当时期全球的工业产能一直保持着相对快速的增长，这一现象是具有两面性的。产业的快速发展促进了社会和经济的发展，但也造成了严重的环境污染问题。每年都会有人被污染的环境所传染，最终导致生命的终结这一悲剧的产生很大程度是因为工业生产过程中，并没有对所排放的空气进行处理。、在施工期间随意排放污染物，各种扬尘都会导致施工环境当中的空气质量降低。尤其是人口稠密的大城市，空气中的微粒浓度会超过一定的标准，这会导致呼吸道疾病，从而影响到居民日常的生活。并且空气污染以及二氧化碳的大量释放加速了全球范围内的气候变暖，为了确保环境健康在发展全球经济的时候，也需要更加注重环保和大气的品质。为了促进环境质量提升政府制定了很多的法律法规，在大气污染和环境保护方面都花了大量的时间和精力。同时采用更加优化的空气质量监测技术，能够帮助更早的发现问题。（二）国内外现状研究1.NB-IOT研究进展最开始物联网设备数据传输通过GPRS技术进行处理，但是该种自组网络工作方式需要投入比较大的成本并不利于大范围推广。针对降低成本这一需求所研究的窄带蜂窝物联网技术能够实现兼容部署，随着研究的深入NB-IoT系统建设工作全部完成，对于物联网技术的发展起到了推动作用。2.空气质量检测平台的研究进展工业的发展虽然推动了社会的进步，但是在生产过程中所造成的环境污染问题同样给人们的生活带来了巨大的影响。在不同地区部署空气质量监测设备来对工业园区、居民区等场所进行环境质量监测，能够更好的排查到空气污染来源。同时大面积的空气质量监测最终能够组成监测网络，更好的保障空气质量。美国最早研发出的无线网络监测网络能够实现对二氧化碳浓度、风速等参数，主要通过设立多个传感器站点完成参数监控工作。通过不断增加监测站点，组成了完善的检测网络来对城市空气质量监测建立完善的体系，如图1-1所示。图1-1美国空气质量监控体系虽然国内有关空气质量监测研究相关工作开始的比较晚，最开始也只是采用人工监测的方法实现质量监测目的。但是随着国内自动化技术的提高，基于单片机与数据通信技术的环境监测体系被建立出来，最终实现了空气质量信息的收集工作。（三）课题研究意义研究设计空气质量监测平台，是为了能够更好的实现环境保护工作。本次研究基于单片机技术的空气质量监测平台，拟使用传感器设备来对监测去的空气环境数值金秀贤获取，借助设备对于环境的感知能力实现自动监测任务。同时借助NB-IoT实现传感器设备监测数据的传输工作，最终实现空气质量监测数据的上传与保存。环境保护人员能够根据收集到的空气质量变化情况完成环境因素分析，确保环境安全。（四）研究内容与组织结构本文研究如何借助物联网技术实现空气污染监测工作，系统所有数据采集工作全部通过传感器完成的。为了能够在环境监测范围内获取到更加精确的监测数据，需要通过大范围部署的方式采用多个传感器进行实时的数据收集，然后通过NB-IOT进行远距离的传输。文章主要介绍了空气质量监测平台设计研究的全部内容，分为五个部分进行介绍。介绍空气质量监测课题研究背景，介绍了NB-IoT与空气质量监测技术的发展情况。对空气质量监测平台系统设计进行分析，介绍了系统设计原则以及总体方案内容设计，并介绍了当前常用的气体传感器分类设备。介绍硬件设计内容，包括负责空气质量监测传感器设备工作监测的单片机选择以及传感器、报警电路等硬件设计内容。介绍空气质量监测传感器设备控制程序的设计，分析软件工作流程。对空气质量监测平台进行功能分析与调试，通过串口模拟接收空气质量监测数据，判断程序设计是否准确。

二、总体设计方案与关键技术（一）系统设计原则1.功能要求本次研究空气质量监测平台是要利用物联网技术实现环境参数的收集，系统包括数据收集模块、数据传输模块、空气数据展示与控制端等几部分内容，能够实现空气质量参数的收集。同时为了确保收集到的空气质量参数具有一定的代表性，还会通过分析平均数的方式实现空气质量判断工作，针对空气当中的颗粒物含量、二氧化碳浓度等参数进行分析收集，同时也能够实现对当前环境温湿度数据的采集工作。为了能够将空气质量监测数据发挥出更大的价值，需要监测平台能够实现远程数据传输工作，使用ADC0832模块完成模拟数据与数字数据相互之间的转换工作。通过STC89C52单片机实现对多个传感器硬件设备的管理，用户的控制指令也需要通过单片机进行处理。根据预设在系统当中的报警值与实际监测数值进行对比，能够得出当前环境空气质量是否符合要求。2.性能要求空气质量监测平台部署之后，需要能够完成空气质量监控需求。为了确保系统能够稳定的开展工作，在设备选择以及连接设计时需要按照模块进行处理，从而确保空气监控平台发生工作故障时能够更快的排查到问题的所在。同时系统性能方面的要求还包括通信链路稳定等内容。（二）系统总体方案设计本次所研究的基于单片机技术的空气质量监测平台主要是为了辅助完成监测空气污染的数据，并及时的将收集到的实时环境信息通过互联网上传到网络服务器当中，协助有关部门开展工作。在这个空气质量采集以及数据传输处理的过程中，感知层、传输层和应用层必须联合在一起开展工作，最主要的是借助感知层当中的大量颗粒、粉尘、二氧化碳浓度监测传感器设备采集数据，然后通过NB-IOT网络传输到服务器上。设备收集到的这些被检测区空气质量数据被服务器分析处理然后保存在相应的数据库里，根据用户的要求从数据库里获取相关的数据，通过控制终端进行展示。系统总体结构图如2-1所示。图2-1系统总体结构图（三）NB-IoT特性介绍本次设备通信技术选择NB-IoT是经过对比研究之后确定的，当前物联网设备所使用的通信方式有很多中，但是无论是覆盖面积、工作功耗、投入成本、设备部署等参数，都是NB-IoT技术具备更好的工作性能。特别是与一些传统物联网设备通信方式相比较之后，能够发现当前NB-IoT通信技术能够更好的排除传输过程中可能会存在的各种干扰情况。同时想要获取到更加准确的空气质量数值，需要对某一个时间段范围内接收到的数据进行处理通过均值判断方法才能够得到需要的数值，而窄带物联技术在接入网络之后会一会保持会话状态，长时间的在线工作能够确保管理人员获取到自己需要的数据，NB-IoT设备通信过程如图2-2所示。图2-2NB-IOT通信（四）空气质量监测平台技术1.气体传感器选择标准空气质量对于人类是否能够正常生活是存在影响的，为了能够检测到比较准确的数值在选择气体传感器时检测精度是最重要的参数。同时大范围的空气质量监测需要使用到多个传感器硬件设备，气体传感器选择时需要从成本的角度考虑选择性价比更高的产品进行工作。2.气体传感器分类根据工作原理的不同，可以实现空气质量监测的气体传感器种类如下所示：1、半导体型传感器2、电化学型气体传感器3、光学气体传感器4、高分子气敏材料传感器5、固体电解质型传感器

三、空气质量监测终端硬件设计（一）硬件总体设计硬件需要使用单片机最小系统完成控制管理工作，本次空气质量监测平台硬件设备控制工作使用STC89C52型号单片机进行处理。硬件结构如图3-1所示，作为整个空气质量监测平台的核心，在对硬件系统进行设计时重点研究对于信息的收集功能。为了确保空气质量监测平台在后期的应用当中能够有足够的空整体包括传感器模块、按键控制、电源模块、显示控制模块等内容。粉尘传感器采用GP2Y1010AU型号设备，工作设备同时还包括温湿度传感器设备，对于硬件设备收集到的内容采用ADC0832设备完成转换工作，最后全部数据都会被封装成数据包在通信线路上进行传输。报警设备会根据接收到的数据进行分析，判断报警模块是否正常工作。电源部分电源部分按键模块ADC0832单片机STC89C52液晶显示传感器蜂鸣器报警 图3-1系统硬件结构图（二）微控制器选型1.方案选择控制器的选择对于后续开展空气质量监测设备管理工作是非常重要的，决定系统是否能够稳定的进行工作。在方案选择过程中采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器件来使用以及选择STC89C52单片机作为控制器来使用，是两个比较优化的方案。但是在进行更加具体的研究时发现选择CPLD作为控制器虽然能够实现大规模的空气质量传感器设备数据收集工作，但是对于复杂的设备管理控制并不能够很好的完成，同时设备部署成本较高并不适合应用在大范围的空气质量监测工作当中。而采用STC89C52单片机进行传感器硬件设备控制的，能够更加方便的完成空气质量监测传感器控制工作。无论是在设备使用成本还是在功能实现方面，单片机都能够完成设备控制需求，并且该型号的单片机具有比较多的串行接口以及较大的存储空间，能够比较及时的完成空气质量监测处理工作。2.STC89C52单片机介绍51系列单片机发展到现在已经有了比较完善的指令集来进行设备工作控制处理，而本次使用的STC89C52单片机就是在51系列的基础上进行功能扩展之后演变出来的。在工作过程中该单片机不仅需要完成与外设的连接，还需要连接通信模块实现监测数据的通信处理工作，同时结合键盘与显示模块完成输入输出内容处理工作。单片机结构图如3-2所示，该信号微控制器设备包括40个引脚以及多个并行I/O接口能够开展工作，同时也能够根据空气质量监测需要完成中断优先级设置工作。图3-2STC89C52单片机结构图STC89C52单片机电路图如3-3所示，其中的P0~P3既可以被用作输入端口也可以被用作输出端口来使用。作为一个8位的处理器，其所能够提供的数据存储器容量较大，能够满足对基础数据、中间结果以及最终结果的存储管理工作。同时还集成了3个16为的定时器与计数器设备，辅助完成相关空气质量监测设备管理工作。当控制器模块工作异常时，还能够通过复位电路来对当中电路进行处理优化工作速度。其中的XTAL1和XTAL2引脚连接外部晶体和微调电容，作为时钟电路引脚被使用。RST,ALE,PSEN和EA引脚分别作为复位信号输入端、地址锁存信号、定时信号传输来使用。图3-3STC89C52单片机管脚图（三）传感器设计1、温湿度传感器本次选取的温湿度传感器设备型号为DHT11，它能够很好的完成温湿度数据采集技术，实现对于监测环境的温湿度数值监控工作。设备电路图如3-4所示，使用单片机当中的P2.0口与传感器的Pin2口进行连接，传感器当中包括湿度感应与NTC测温元件来使用，在与STC89C52单片机实现连接之后，能够更好的完成响应处理工作。传感器工作信号传输距离当前已经达到了20米的范围，能够适应多种场所的信号检测需求，设备实物图如3-5所示。图3-4DHT11设备原理图图3-5DHT11设备实物图2、PM2.5检测传感器对于空气当中的粉尘颗粒含量需要使用专门的GP2Y1010AU0F传感器来对各项参数内容进行检测处理，如果空气当中的粉尘颗粒含量超标会给人们的呼吸道造成影响。所选择的监控传感器设备由红外线发光二极管与光电管共同组成，能够根据反射光的变化情况判断出当前空气当中的粉尘含量。当设备完成通电之后，就会正常开始空气当中的粉尘含量数值检测工作，数值的变化情况会通过电压值变化的方式来表达，设备电路图如3-6所示内部结构如如3-7所示。图3-6GP2Y1010AU0F粉尘模块电路图3-7PM2.5传感器设备内部结构图3、ADC0832模数转换器简介传感器设备读取到的数值是模拟数据，想要完成对该类数据的分析处理，需要借助ADC0832模数转换器设备的辅助才能够实现，该设备当前被广泛应用在物联网项目当中，具有比较好的稳定性与兼容性。并且设备在工作过程中功耗只有15mW，实现数据的模数转换只需要花费32μS的时间，传感器工作电路图如3-8所示。图3-8ADC0832传感器电路图4、通信电路设计想要依靠NB-IoT完成设备通信，需要建立监测站点与物联网云平台相互之间的连接。NB-IoT是否进行数据传输工作，需要由微控制器发出控制指令AT来实现，信息经由天线进行发射调试之后接收端也会根据对应的指令完成数据转换工作，从而建立整个系统的通信链路。通信模块所选择的设备型号为BC35-G，该芯片能够支持多个频段的通信传输工作，同时支持国内几大运营商网络连接，能够根据空气质量监测平台搭建需求实现更加智能化的连接任务，原理图如3-9所示。图3-9NB-IoT连接控制器电路5、电源电路设计电源电路原理如3-10所示，该设备需要负责传感器设备、控制器设备以及通信设备的数据传输处理任务。因为在设备选择时都是以低功耗设备作为选择的重点，因此并不需要提供过大的电源即可使用，设备当中SW1为开关控制引脚，负责控制是否完成整个系统的联通，POWER作为电源指示灯来使用，来提示连接是否正常。图3-10电源接口电路

四、空气质量监测软件设计（一）系统软件整体设计1.控制程序设计实现对空气质量监测平台所用设备的管理工作，需要分别编辑对应的控制子程序实现对于数据显示、传感器设备工作处理、按键处理、报警控制等模块内容。主控制程序负责空气质量监测子程序的调用，同时将各项数据进行显示输出。同时程序当中也会有输入位置，管理者根据实际情况使用按键输入方式完成报警值的设置，之后编辑报警电路判断当前温湿度与空气质量传感器检测并传送过来的数值是否符合安全值。2.控制端功能结构为了能够让空气质量监测平台工作过程中所检测到的数据发挥出更大的价值，可以通过开发web监控平台的方式将其中的内容显示在浏览器页面当中来使用。监控平台最主要的是能够将传感器设备监测数据进行展示，同时可以根据不同周期与时段，将数据进行可视化处理通过折线图等方式展示出历史变化区间，优化数据分析过程。同时针对历史数据也需要能够查看，便于分析出空气质量变化情况，所设计的软件功能结构如图4-1所示。4-1web监控端功能结构图（二）设备工作流程设计1.传感器初始化流程空气质量监测平台传感器设备初始化流程如图4-2所示。发复位命令发复位命令发跳过ROM命令初始化成功结束图4-2传感器初始化流程2.温湿度参数读取流程监测平台当中的空气质量监测与温湿度数据监测传感器设备工作流程是一致的，在完成信息获取步骤之后都需要将其先暂存到暂存区当中等待传输，流程如图4-3所示。发复位命令发复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令移入温度暂存器结束图4-3温湿度传感器工作子程序流3.串口初始化系统当中使用到的各个通信串口在工作过程中也需要将内容进行初始化设置处理，工作流程如图4-4所示。图4-4串口初始化程序4.空气质量判断流程空气质量参数判断程序如图4-5所示，为了确保设备工作状态能够稳定在初始化程开始初始化开始初始化延时空气质量参数测量1602显示数据判断数值空气质量参数低于预设空气参数下限值高于预设空气参数上限值蜂鸣器声光报警蜂鸣器声光报警结束图4-5空气质量参数处理流程图5.主程序设计空气质量检测平台启动工作时，整个设备工作流程如图4-6所示。设备首先完成初始化设置工作，之后等待传感器经常参数识别处理并完成基本的内容验证工作之后，对传感器发送的数值进行解析，并将其通过控制端显示。图4-6主程序流程图

五、监控平台分析与调试（一）建立工程对于空气质量监测平台当中的各种硬件设备管理，需要通过Keil建立完整的控制程序。编辑设置主函数之后将各个子控制程序的文件加入到程序当中，同时需要选择适合的单片机型号来使用，本次选择STC89C52单片机开展工作，因此电路板也需要选择使用对应型号的设备。（二）使用Debug进行调试对于编写完成的程序，需要通过Debug设置的方式来完成内容的调试工作。通过设置断点的方式，能够检查不同位置的数据输出情况是否准确。在完成基础的程序调试处理工作之后，还需要将所使用的开发板与电脑进行连接，启动系统查看传感器设备供电情况，以及是否能够根据所设置的范围值进行报警处理。图5-1三个常用的调试工具（三）仿真调试考虑到在仿真程序编写过程中无法模拟使用PM2.5传感器进行数据采集，因此关于空气质量参数获取需要通过串口通信方式来完成。串口输出过程中每次发送一个字节，其中包括校验位以及空气质量参数信息。完成数据接收之后需要按照对应的公示进行转换才能够得到准确的数据参数。图5-2串口数据设置当检测到空气当中的颗粒物含量过高时，就会通过亮起提示灯的方式进行提示，同时也会将详细的数值通过控制端进行显示，仿真调试如图5-3所示。图5-3PM2.5报警提示对于温湿度报警处理，需要使用温湿度传感器辅助完成。对于读数的显示可以直接使用LCD显示模块来实现同时也会使用发光二极管进行提示。根据当前检测到的数值进行判断，温度过高或是温度过低时都能够正常使用。仿真调试如图5-4所示。图5-4温度报警对于基于单片机技术的空气质量监测平台硬件连接模拟，需要通过编辑仿真调试实现预设的目的。最小系统有专门的复位电路，用于完成设备控制工作。通讯设备连接直接通过与单片机控制系统连接的方式实现控制，仿真调试界面如图5-5所示。图5-5仿真调试界面

总结当前互联网成为连接世界的网络，让人们能够通过更快的速度完成信息通信工作，给人们的生活带来了巨大的改变。随着技术的深入研究，当前信息交互处理已经不再局限在人与人而是向万物互联的程度增长。不同的业务需求需要用不同的网络来进行支撑，通信网络、物联网网络成为了当前移动通信网络发展的两个主要业务方向。本次针对空气质量监测平台的研究是以物联网技术为基础所实现的，微控制器选择STC89C52产品来使用，所涉及到的传感器设备包括DHT11传感器、GP2Y1010AU0F传感器、COZIR-WX传感器、JXM-CH2O传感器来完成空气质量与环境温湿度数据的检测工作，并将所检测到的内容通过ADC0832传感器设备进行数据处理，之后通过NB-IoT方式进行数据通信传输工作。当前所设计的监控平台