《单片机空气质量报警器的设计与实现》9300字

附录PAGE16PAGE12单片机空气质量报警器的设计与实现摘要本毕业设计可分为温湿度检测、粉尘检测和人体预警这几个基本功能。温湿度传感器DHT11用于检测温湿度，它的优点主要有温湿度测量误差小、分辨率高、抗干扰能力强。粉尘检测电路则是利用粉尘传感器检测空气中的颗粒浓度，并送入模数转换芯片实现基本的功能。人体检测的功能则由hc-sr501模块来进行实现的。温湿度、PM2.5、防盗检测这三个是现在基本的环境参数，它们的检测方法和字关键词：温湿度检测，粉尘传感器，防盗报警器目录3217前言 118302第1章绪论 2145401.1空气质量报警器的背景 2188311.2空气质量报警器的概述 2185401.3课题的研究思路 2232521.4系统构成 320306第2章硬件的设计 493852.1主控电路 4108452.2温湿度检测 6280342.3A/D转换电路 9140842.4粉尘检测电路 11129602.5报警电路 11175582.6液晶显示电路 1363392.7人体检测模块 14298892.8按键电路 1513094第三章软件的设计 17115353.1软件介绍 17234183.2系统程序流程图 182419第四章焊接与调试 19273414.1焊接 1932结论 2010562参考文献 22前言空气污染是当今面临的一个相对严重的问题。大城市的空气质量更加令人担忧。据统计，世界上几乎大部分的普通疾病都是室内空气污染造成的。室内环境污染导致许多疾病，严重甚至威胁生命。因此，人们越来越关注空气质量监测。然而虽然空气中的污染物众多，但是不易被轻易察觉。大多数情况下的空气污染都是人们看不见的。比如PM2.5的颗粒，由于其颗粒微小，人们不易观察到，但它对人体健康有一定的危害，因此对于PM2.5的测量也慢慢开始受到人们关注。本课题希望设计一种可以实时检测温度，湿度和PM2.5的设计，并且可以在LCD上显示输出相对应的当前温度，湿度和PM2.5值，以及防盗人体检测报警。该毕业设计目的在实现所处环境的空气温度，湿度和颗粒浓度的预警和实时监测，有利于人们对当前所处环境的空气质量有一个大致了解，为人类创造更好更健康更舒适的环境。而且设计的空气质量检测器尺寸小，功耗低并且易于操作。它非常适用于家庭和社区医疗，以便于可以实时了解当前所处环境的空气质量。第1章绪论空气质量报警器的背景温度、湿度以及PM2.5已成为人们日常生活工作所讨论的话题。该毕业设计设想设计一个用于实时检测温度，湿度以及PM2.5的设备，而且LCD还可以显示当前所处环境的温度，湿度以及PM2.5的值，并给出对应的报警输出和人体防盗报警。而目前市场上的空气质量监测仪可以实现基本的空气监测，但存在或多或少的问题，例如：价格昂贵，操作复杂，不易携带等，并且有些机器需要特殊的工作环境，它不适合在家里使用。针对这些问题，结合实际需要，本次毕业设计方向主要是实时空气质量监测，着重于用户体验和便携性，并致力于使其适合没有专业人员的人可以使用。本毕业设计设想用来实时监测当前所处环境的温度，湿度和颗粒物浓度，并校准室内空气质量水平，使用户可以简单的对室内空气质量水平有一个大致的了解，从而判断自己的生活情况。同时，当室内环境中PM2.5浓度过高，空气质量过差时，系统会发出警报提醒室内人员。空气质量报警器的概述1.概述该毕业设计主要功能是：温湿度和PM2.5实时检测，人体防盗报警。毕业计划主要由MCU系统、温度/湿度获取模块、lcd、人检测模块、pm2.5获取模块、ad转换模块构成。MCU被用作主控制芯片，在LCD上显示当前环境的温度、湿度和颗粒浓度，布防模式检测到人体就会报警，温湿度超过设定的限制也会报警。课题的研究思路1.研究意义人们的生活越来越信息化，越来越多的电子产品走进了人们的日常生活，各种电子测量设备也被大多数普通人家所拥有。尽管当今世界上有许多设备可以用来检测空气质量，但是，大多数很是笨重或者在特定环境里才能使用，方便大多数人们的设备却是很少。因此，设计一个可以让大多数人轻松方便使用的设备是有意义的。人们越来越关注所居住地空气质量的好坏，所以本设计的实现，可以方便人们随时查看居所的空气的质量。2.研究思路（1）翻阅有关的资料确定其可行性；（2）选择合适的元器件，熟悉其特性；（3）完成电路原理图设计；（4）完成实物的焊接；（5）完成软件设计；（6）调试硬件做出最后修改；3.研究难点（1）电路板的布局焊接。（2）仿真电路的设计。1.4系统构成本毕业项目所包含的主要硬件包括：MCU系统、温度/湿度获取模块、lcd、人检测模块、pm2.5传感器、ad转换模块等。方框图如图1-1所示。图1-1系统方框图第2章硬件的设计2.1主控电路STC89C52除了具有无法解密、低功耗、高速、高可靠性、强抗静电、强干扰等特点外，其内部资源也更加丰富。它有1280字节的SRAM,

8-64k字节的内部程序存储器，2-8K字节的ISP引导代码，除了P0-P3端口外，还具有P4端口(PLCC封装)，芯片有8路8

AD

(AD系列)，芯片还具有EEPROM、看门狗、双数据指针等。主要功能如表2-1所示，引脚如图2-1所示。51单片机开发板类似于各种51单片机实验板，编程为汇编语言或C语言。当使用STC单片机时，直接使用带有串行线开发板和计算机串口的产品套件，并根据STC单片机教程下载编程器进行下载操作，其下载速度比其他单片机更快。表2-1：主要功能STC89C52引脚介绍如下所示。VCC(Pin40)：接电源VSS(Pin20)：接地线图2-1引脚图单片机最小系统，也叫做单片机最小应用系统，是指用最少的原件组成单片机可以工作的系统。最小系统一般应该包括:单片机、电源、晶振电路、复位电路。结构如图2-2所示。图2-2单片机最小系统1.时钟电路时钟电路就是一个振荡器，是单片机正常工作的关键。时钟电路本身不控制任何事情，但是可以使用程序让单片机根据时钟执行相应的工作。几乎所有的数字系统都根据节拍逐步处理信号，并且系统的每个部分也都根据节拍完成。为了使电路的所有部分均匀跳动，需要“时钟信号”。产生该时钟信号的电路是时钟电路。如图2-3所示。图2-3时钟电路2.复位电路RST（9）端被连接到电源Vcc以实现电平复位。如图2-4所示。图2-4复位电路3.中断技术概述中断是操作系统提供多进程多任务的功能。中断是一个信号，提示操作系统停止一个进程上的工作，并开始另一个进程上的工作。中断信号可以用来响应硬件或软件事件。这些中断分别分为硬件中断和软件中断。对于任何特定的处理器，中断类型的数量都受到体系结构的限制。硬件中断条件相关硬件的状态可能暗示外部硬件设备,例如，按下键盘键或移动鼠标会触发硬件中断，导致处理器读取击键或鼠标位置。软件中断是由处理器本身在执行特定指令或满足特定条件时请求的。每个软件中断信号都与一个特定的中断处理程序相关联。处理器在每个指令周期中对中断触发信号进行采样，只有当采样发生时信号被断言，处理器才会响应触发器。如图2-5所示。 图2-5中断响应和处理过程2.2温湿度检测DHT11是一种常用的温湿度传感器。该传感器配有一个专用的NTC来测量温度和一个8位微控制器输出的温度和湿度值作为串行数据。传感器也是工厂校准，因此很容易与其他微控制器接口。

该传感器可测量0℃-50℃的温度和20%-90%的湿度，精度分别为±1℃和±1%。所以如果你想在这个范围内测量，那么这个传感器可能是正确的选择。传感器实物图如下图2-6所示：图2-6DHT11传感器实物图引脚介绍：VCC：电源3.5V至5.5V；Dout：温度和湿度通过串行输出；NC ：没有连接，因此不使用；GND：连接电路到地。（2）接口说明：1.在典型应用电路中，倘若在连接布线的长度不大于二十米时，这个时候可以使用5.1K的上拉电阻，另外一种情况就是在长度不小于二十米时，就应该根据当地的实际情况来相应的减小上拉电阻的电阻值。

2.倘若使用的电源是3.5V的时候，这个时候连接线的长度应该在二十厘米之下。如果不这样做，把连接线的长度设在了二十厘米之上，就会因为线的电压下降的缘故从而造成传感器的电源不足，以至于最后产生的测量结果与实际有很大的偏差。DHT11传感器是工厂校准和输出串行数据，因此它是非常容易设置。这个传感器的连接图如下2-7所示。如您所见，数据引脚连接到MCU的I/O引脚和一个5K上拉电阻使用。该数据引脚输出温度和湿度的值作为串行数据。图2-7传感器的连接图（3）数据帧的描述：如果您试图将其与其他MCU接口，那么下面给出的数据表将会派上用场。数据管脚输出的顺序为:8位湿度整数数据+8位湿度十进制数据+8位温度整数数据+8位温度分数数据+8位奇偶校验位。为了请求DHT11模块发送这些数据，I/O引脚必须瞬间变低，然后保持高。电气特性如图表2-2所示。表2-2DHT11的电气特性时序描述：一开始，单片机向传感器发送开始信号，然后DHT11读到后会有个响应输出通知单片机，然后单片机就可以读取数据了，这些时序就是由一系列的高低电平时间组成。1.一开始，单片机会发送开始信号。开始信号就是主机会把总线往下拉，然后就会进入等待阶段，主机会等待DHT11的应答。但是在这个等待期间低电平持续的时间就应该大于18ms，这是有一定原因的，如果时间没有大于18ms温湿度传感器就不能够找到MCU发送的开始信号。2.温湿度传感器响应时序：温湿度传感器会把总线拉低，把总线拉低以后温湿度传感器就会产生响应信号，下一步就进入了等待阶段，只需要静静等待主机的获取就好了。这个时候的该状态应该为低电平状态，持续的时间大概为80us。倘若主机获取得状态正好是低电平状态，那么就说明这次响应是成功的。温湿度传感器已经发送了响应信号以后，这时候就应该为了输出数据而开始做准备了，就是把总线拉高。3.主机发送开始信号以后DHT11如期响应了，那么主机就可以准备接收数据了，由于是单总线，DHT11的数据只能按位输出，数据0和数据1也是按照高低电平长短来决定的。DHT11的每一位数据都是以50us低电平间隙开始，然后如果高电平是26-28us就表示0，如果高电平是70us表示1。这样主机只要读取等待50us低电平过去然后再判断高电平长短就能收集数据了，4.如果MCU发送了一次启动信号以后，温湿度传感器就会响应MCU已经发送的启动信号，然后温湿度传感器就会持续发送数据，持续发送40位数据。但是倘若温湿度传感器一开始就没有收到来自MCU发送的启动信号，那么温湿度传感器就不会自动去收集当前环境的温度和湿度数据。这时，我们必须根据DHT11输出的0和1信号每8位组成一个字节。5.下面就可以在主函数中处理接收到的数据显示了，首先，单片机发送一个开始信号，然后判断DHT11有没有响应，有响应就直接读取40位的数据，用一个数组DHT11_Buffer[5]缓存，然后拿出DHT11_Buffer[0]就是湿度，DHT11_Buffer[2]就是温度，这两个数值赋给数码管显示就可以了。传感器的电路图如图2-8所示。图2-8DHT11电路原理图2.3A/D转换电路ADC0832是一个8位逐次逼近A/D转换器，具有串行I/O和可配置的输入多路复用器，最多可配置8个通道。串行I/O的配置符合NSCMICROWIRE串行数据交换标准，便于与COPS处理器家族的接口，并可以与标准移位寄存器或µPs接口。该2通道多路复用器被软件配置为单端或差分输入以及通道分配。差分模拟电压输入允许增加共模抑制和抵消模拟零输入电压值。此外，电压基准输入可以调整，以允许编码任何较小的模拟电压跨度到完整的8位分辨率。电压在0V和5V之间被输入。这种芯片的转换时间一般来说在32μS左右.而且这种芯片一般来说都会输出双数据，这就方便了数据的验证，一定程度上会大概率减少数据错误。。可以通过DI数据输入端子容易地实现信道功能的选择。有以下特性：TTL/MOS输入/输出电平兼容；0v至5V输入范围，采用单5V电源；与所有微处理器的简单接口，或“独立运行”；不需要调零或满量程；；分流调节器允许在高压电源下运行；具有串行数字数据链的远程操作；TTL/MOS输入/输出兼容 。引脚图如下图2-9所示。图2-9引脚图引脚说明如下：注意，adc上的每次读取都可以使用不同的引脚和通道。因此，引脚号、模式和通道作为参数传递给函数，这样库就可以使用协议提供的灵活性。控制器使用3个引脚与adc通信——CS(通道选择)，CLK(时钟)和DI/O(数字输入/输出)。这个实现使用单个引脚进行数字输入/输出(切换其方向)，但也可以使用单独的引脚。在转换器的数据表中描述的协议包括一个设置阶段和一个转换阶段。在每一个通信的比特上，一个脉冲被发送到时钟引脚上。2.工作原理如下：存在第二脉冲和第三脉冲之前的空闲时间的时段，在此期间应输入2位数据以选择频道：倘若DI端口输入的这两位数据一位是“1”和另一位是“0”的时候，那么就说明这时候只是对CH0进行单通道转换模式；倘若DI端口输入的这两位数据其中一个是“0”和另一个是“1”的时候，这时候模式就会变成将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入；倘若DI端口输入的这两位数据其中一位是“0”和另外一位是“0”的时候，又会是另一种模式，这次会将CH0作为正输入端，CH1作为负输入端进行输入；倘若DI端口输入的这两位数据都是“1”时，只对CH1进行单通道转换。倘若这两个工作都完成以后即启动位输入、通道选择都完成以后，那么这个时候就可以开始读取数据了，这种状态下通过转换而得到的数据就会被发送出去。但是这数据一共会被送出去两次，其中一次就是赶在高位在前传送的时候，而另外一次则是低位在前传送的时候，但总的来说这两次都是接连被送出去的。这样以来就可以在程序读取这两个数据以后，我们亲自来检验数据是否已经被正确读取了。2.4粉尘检测电路1.粉尘传感器可以感知大于1微米的其他微粒子，又小又轻，安装起来很简单方便，输入电路只需要5V就可以了，非常方便处理信号，而且在粉尘传感器的内部设置又气流发生器，并且这个气流发生器可以单独的来进行使用并且保持很长一段时间。2.这个传感器的主要参数分为以下几个部分：可以检测1微米以上的尘埃粒子的光学原理器件，这个器件可以检测1微米以上灰尘粒子；5VDC电源，这种传感器用来检测粒子的检测最大范围大概是800pcs/293ml（大于1mm的粒子）。3.检测原理：在这个传感器的内部光电晶体管和IRED成斜对角布置在装置的内部的角落处，并且传感器中间部位有一个小孔，这样空气就可以从小孔中经过，而空气中的尘埃就会产生反射光，这个反射光就会被传感器检测到，其中这个传感器对香烟产生的烟气和其他微小颗粒大部分都是有效的。工作时，它可以直接在数字显示画面上显示空气中灰尘的质量浓度（mg/m3）。原理如下图2-10所示。图2-10粉尘传感器2.5报警电路1.灯光报警模块发光二极管简称为LED，是电子世界真正的无名英雄。它们做数十种不同的工作，可以在各种设备中找到。一般作为指示灯来使用，因为它能发出不同颜色的光。LED的特点有：节能，环保，干净，体积小，响应速度快和能够在短时间内开关状态工作，超长寿命，多变换。本设计就是利用不同颜色的LED灯来给与我们不同的指示。LED的两个重要特性是它的光强与电流和结电压与电流特性。此外，它们在数字控制上形成数字，从遥控器传输信息，点亮手表，告诉你你的电器何时打开。基本上，led只是很容易放入电路中的小灯泡。但与普通白炽灯泡不同的是，它们没有会烧坏的灯丝，也不会变得特别热。它们仅由半导体材料中电子的运动来照明，寿命和标准晶体管一样长。该模块电路图如图2-11所示。图2-11灯光报警模块的电路图2.声音报警模块图2-12声音报警模块的电路图蜂鸣器是一种可以发出蜂鸣声音的发声设备的一种，蜂鸣器能把接受到的音频信号转换为可以听到的声音信号。蜂鸣器在当今社会应用的领域十分宽广，像是用于家居电器，安全警报和消防以及电子娃娃和游戏机当中等等。蜂鸣器可以发出蜂鸣声可以用来提示人们。依据不同的设计蜂鸣器可能又不同的用途，它可以发出各种声音，例如音乐，警笛，警报器和电铃。洗衣机中使用的蜂鸣器经常蜂鸣以提醒用户操作过程。燃烧设备中使用的大多数蜂鸣器会发出警报声，以警告用户燃烧设备正在燃烧。作为门铃应用程序，蜂鸣器通常会发出“叮”声或音乐以提醒客人参观。经常在公共安全，银行和家庭警卫区安装蜂鸣器。如果有人进入防护区域，则在传感器控制下，蜂鸣器会发出声响。这个模块的电路图如图2-12所示。2.6液晶显示电路LCD1602A液晶显示器是一种字符型液晶显示模块一般能够显示数字，英文等作。许多电子产品，例如游戏机，测电笔，电子秤和许多家用电子产品）的通设备大部分都采用了这个模块。模块电路图如图2-13所示。图2-13液晶显示电路图这个模块具有以下优点：1.画质高，不闪烁。2.LCD是数字显示器，与MCU系统的接口更可靠，更方便。3.重量轻。4.耗电少。2.7人体检测模块人体检测模块具有高灵敏度，强可靠性和超低压工作模式。广泛用于各种自动感应电气设备。人体检测模块的功能特点：1.全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2.温度补偿功能：倘若是在夏季的时候，设备所在环境温度升至31摄氏度左右的时候，检测的距离相比较而言就会稍稍缩短一些，而这个温度补偿功能刚刚好就可以可用来弥补某些缺陷。使用说明：1.倘若给感应模块上电之后，会有一定的初始化时间，这个初始化时间大概在1min左右，在这个初始化时间里，感应模块就会间歇性的输出零到三次，并且在时间大概过了1min后感应模块就会进入待机的状态了。2.在使用人体检测模块的过程中，使用者应该尽力减少直接作用在人体检测模块表面的透镜上的干扰源，例如光，这样做是为了减少引起误操作因为干扰源。3.人体传感模块采用的时矩形窗口的双元件探头。传感器的时间和距离有所不同。倘若传感器的时间和距离差异越大，那么传感器就会越灵敏。如果要传感器安装正确的时候，它发挥的作用才是最大的，因此有着矩形窗口的探头的双重元件的方向应该尽量与人体运动最多的方向保持平行，这样就可以保证随时都能感测到人体的移动。探头在所有方向上都可以感知，但是左侧和右侧仍大于上下方向，并且灵敏度更高。安装仍必须尽可能符合上述要求。人体感应模块的内部结构如图2-14所示。图2-14人体人体感应模块的内部结构图2.8按键电路该设计中，按钮连接到低电平以读取按钮。当最初为高电平时，当按下按钮时，它将使单片机处于低电平，并且单片机将处理信号。在这次设计中，按键需要实现的功能有：设置功能，增加功能，减少功能，布防功能。为了实现这四种功能就可以设置四种独立按键进行相应的操作。在现如今的市场上主要的单片机键盘可以分为两大种，其中一种就是独立键盘，而另外一种就是矩阵键盘。如果当你设计的单片机控制系统需要的功能按键不是为数不多的时候，就应该选择使用矩阵键盘，反之，就应该使用独立键盘。识别按键的方法有很多，最常见的方法是扫描方法：当按下该键时，将导通与该键连接的行线和列线，并且当没有按下键时，该行线处于高电平。如果所有的列线都处于高电平，则无论是否按下按钮都不会导致行线的电平发生变化，因此所有的列线都必须处于水平。这样，当按下一个键时，更改键的行的级别从高变为低，由此可以判断出相应的行有一个按键被按下了。在单芯片微计算机处理键盘的情况下，消除键盘抖动是很重要的。这里说明的抖动是机器抖动。通常的情况下是，没有按键的时候，键盘的电平会变得不稳定。这是不可避免的，只需在按下按键时注意即可，一般该抖动大概会持续10到200毫秒。四个不同的按键闭合就会实现不同的功能，当K1闭合，就可以进行设置操作，这时候按下按键K1，显示屏上的数值会进入设置模式，数值会变成闪烁状态，再按一次K1，下一位数值就会进入设置模式；这时候如果按下K2键，K2闭合，就能实现设置模式下的数值增加的功能了，如果按下K3键，K3闭合，相反的数值就会减少；如果按下K4键，K4闭合，就会进入布防模式。图2-15按键电路第三章软件的设计3.1软件介绍1.KeilC51是一个拥有友好的用户界面并且功能十分强大的C语言软件开发系统。使用过后，经验会变得更加丰富。最主要的是这个软件还提供了许多强大又便捷的功能。软件界面如图3-1所示。图3-1软件界面2.Protel99SE基于Windows环境下开发的电路板设计\t"/item/protel%2099se/_blank"软件。这个软件运行十分稳定并且非常高效，将所有的设计工具，集成在单一的设计环境中并且还将设计数据文件储存在单一的设计数据库中。不仅功能强大，人机界面也是友好，易于人们的学习和使用，对于学校电脑来说运行起来不占用过多资源，许多学校和学生都首选这个软件。并且对于业余爱好者来讲，它简单易学，操作方便，做为业务爱好足够用了，如果你是专业设计电路板的，protel99se就显得有点老旧了。软件界面如图3-2所示。图3-2Prtel99SE软件界面3.2系统程序流程图图3-3系统程序流程图YNYN第四章焊接与调试4.1焊接1.在焊接之前应该先做好充足的准备工作，以免在焊接过程中出现像元器件焊接错误，电路焊接失误等原因造成的焊接失败。购买好元器件，甚至多买一份，做好备份，以免因为自己焊接失误或者其他原因，导致元器件不能用之后造成焊接的延期甚至是失败。提前做好模块划分布局，分配好各个元器件的焊接位置，别焊接到一半才发现已经没有焊接位置了，提前做好规划是非常节省时间的，也比较省力气。做好充足准备以后就可以着手进行焊接工作了，按照自己的布局一步一步的进行焊接，注意元器件的引脚，正负极等问题。焊接成品图如图4-1所示。图4-1成品图2.系统设计完成后，焊接电路并接通电源，观察设备能否正常工作，分别在不同环境下测试设备的稳定性与精度。在测试中，我对整成品的各个功能都进行了亲手的测试，每个功能都能完整的工作，能够正常运行。结论此次毕业设计的实物产品已达到预期的要求并实现了所需的功能。实现这个毕业设计之后，我意识到了，从一开始的题目拟定，到功能模块的确定以及硬件的焊接，再到整体测试的完成，所有的步骤都需要很多时间和精力。当然，指导老师的谨慎指导和学生的热心帮助也是分不开的。通过这次毕业设计的参与和行动到最后的完成，学习到了许多新的知识，也非常感谢每一位帮助过我的人。但是毕业设计从开始的选题到最后的实现，离不开老师的指导和同学的帮助。我觉得从课题的选择到材料的准备，硬件的焊接，使用各种传感器和模块，让我对每个模块的特定应用方法，相应的软件编程和使用注意事项都有了更深入的了解。同时，我已经学会了模数转换芯片的使用方法和编程方法。通过这次设计以及撰写论文时组合整个项目的过程，我对产品的设计的过程和使用说明有了更加深入的了解。同时，我的个人能力得到了极大的提高，这也为我的未