基于单片机的空气质量检测系统.docx

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基于单片机的空气质量检测系统

大学毕业论文

基于单片机的空气质量检测系统

学院信息电子技术

专业通信工程

班级12级1班

学籍号

姓名琦

指导教师田静

佳木斯大学

2016年6月10日

摘要

随着工业发展，国民经济日益增长，人民生活指数也在不断提高。

但是给环境却带来不可逆的影响，因为空气质量的恶化，使人类引起一系列呼吸道病症，危害身心健康。

国家政府出台政策，一方面从源头控制污染源，一方面增加空气质量监控。

各大中城市也将PM2.5作为天气预报一项重要指标，时时提醒市民关注环境。

本设计就是基于51系列单片机的PM2.5监控预警系统，对环境里的PM2.5浓度进行实时监控，预警。

本设计以STC89C52单片机为控制核心，用夏普GP2Y1010AU0F传感器实时采集空气中粉尘情况，然后由ADC0832模数转化芯片，将从粉尘传感器采集到的模拟信号转化成数字信号，然后传给单片机进行精确换算，在LCD1602液晶屏显示当前空气粉尘浓度和显示预置报警阈值，按键可以设置系统粉尘报警阈值，蜂鸣器报警模块可在环境PM2.5浓度超过设置值时进行报警。

本系统电路稳定性高、抗干扰能力强，处理速度快，功耗低，操作简便，实时精准显示，实时反馈环境因素。

关键字：

PM2.5；单片机；粉尘浓度；GP2Y1010AU0F；报警

Abstract

Withtheindustrialdevelopmentofthenationaleconomygrowing,peoplelivingindexisalsorising.Buttheenvironmenthasbroughtirreversibleimpactbecauseofthedeteriorationinairquality,weatherhazephenomenonincreasedhazardphenomenonworse.Nationalgovernmentpolicies,ontheonehandtocontrolpollutionfromthesource,ontheonehandincreasetheairqualitymonitoring.PM2.5majorcitieswillalsobeanimportantindicatorastheweatherforecast,remindthepublicconcernfortheenvironment.Thisdesignisbasedonthe51computersPM2.5monitoringsystemontheenvironmentinthePM2.5concentrationtimemonitoring,earlywarning.

ThisdesignSTC89C52RCmicrocontrollertocontrolthecore,SharpGP2Y1010AU0Fsensortocollectdustintheairsituation,LCD1602displayshowsthecurrentairconcentrationofdustanddisplaythepresetalarmthresholdsize,thekeyscansetthesystemdustalarmthreshold,thebuzzeralarmmodulecanalarmwhentheambientPM2.5concentrationexceedsthesetvalue.Systemworks:

collectedbythesensorintheairPM2.5PM2.5concentration,andthenconvertedtoadigitalsignalthroughADC0832forSTC89C52RCmicrocontrollerreads,afterthesystemconversion,real-timedisplayofthecurrentPM2.5concentration,andthensetvalue,iflessthanthesetvalue,thesystemremains;ifitexceedsthesetvalue,thesystemwillalarmtoalertthePM2.5concentrationexceeded.Thesystemcircuitissimple,stable,highlyintegrated,easytodebug,highprecision,hassomepracticalvalue.

Keywords：

Alarm;Dustconcentration;GP2Y1010AU0F;PM2.5

第1章绪论

1.1课题研究背景

21世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步的同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。

随着我国经济的发展，人民的生活质量的提高，人们对环境的问题及健康的问题日益重视，空气的状况也越来越受到关注。

空气质量的好坏反映了空气污染的程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的，来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。

空气质量检测种类包括装修污染，作业现场所有有害物质检测，食堂油烟检测，锅炉大气和工业窑炉检测及工厂排放的工业废弃检测等。

目前在工业生产当中排放好多的有害工业气体，这些气体对环境的污染是越来越严重，而这些气体的泄露也严重的威胁到了许多操作人员的生命。

因此设计一种能够有效的检测到当地的环境污染的实时数据，也可以有效的遏制这些有害气体泄露的事故的发生。

因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。

中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。

统称为“雾霾天气”。

雾霾主要由PM2.5[1]、PM10、PM0.1以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。

在空气动力学和环境气象学中，颗粒物是按直径大小来分类的，粒径小于100微米的称为TSP（TotalSuspendedParticle）[2]，即总悬浮物颗粒；粒径小于10微米的称为PM10（PM为ParticulateMatter缩写），即可吸入颗粒物；粒径小于2.5微米的称为PM2.5，即可入肺颗粒物，它的直径仅相当于人的头发丝粗细的1/20。

虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量影响更大。

世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响。

因此，对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。

1.2课题研究的目的和意义

众所周知，在日益发展的21世纪，人们对于环境的要求越来越高。

不论在国还是国外，都需要极佳的环境来提高生活指数。

比如在国，导致环境因素急剧下降的有以下几点：

大气污染问题、水环境污染问题、垃圾处理问题、水土流失问题等严重问题。

但大气污染问题迫在眉睫，由于我国目前还处于粗放型经济模式，多地为了追求经济效益，不顾对环境造成的严重影响，直接往空气中排放，使得国出现严重雾霭天气。

这不仅给人们带来心理上严重影响，而且对人体也带来严重的病痛影响。

在大气污染中，表现最为突出的而且被提上日程的就是PM2.5。

研究表明，PM2.5日平均浓度增加，会导致人类出现各种无法想象的严重后果。

首先，表现最明显就是医院的呼吸道门诊量增长迅速[3]，导致医疗资源跟不上增长速度，严重的还会引起纠纷。

其次，上班一族，会在长期的雾霭中工作，心理会由于过度的压抑，导致患上抑郁症等精神疾病，一系列不可控疾病随即而来，严重到可能导致社会动荡。

随着国经济的迅猛发展，工业化[4]水平的越来越高，小康水平的基本普及，人们也日益追求高质量生活。

自然，对于环境的要求也是有着苛刻的要求。

在现今，人们使用的监控设备精度越来越高，空气里PM2.5浓度受到了实时关注,在各种严重后果面前，人们都希望有一个干净、舒适的环境供大家生存。

所以也都纷纷加入到保护环境的队伍中来，一方面发挥监督作用，从源头控制污染源，另一方面实时监控环境因素，做到合理安排日程。

同时也有更多的人加入到植物造林中来，亲自动手参与环境建设，美化环境,创造出一个赖以生存的环境。

1.3课题的主要容

本课题是基于单片机所设计的空气质量检测系统,由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AU粉尘传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、蜂鸣器报警模块和按键等模块组成，主要的设计容如下：

（1）使用GP2Y1010AU传感器对粉尘颗粒的采集；

（2）使用ADC0832作为采集样品的模拟量转化为数据量；

（3）采用STC89C52单片机作为控制核心，计算其颗粒物浓度；

（4）LCD1602作为显示屏显示所有测量值。

通过按键设置报警值，作为检测量最高值，当测量值高于报警值，蜂鸣器报警。

基于单片机的空气质量检测系统既可以在工业生产实时检测到工业目标气体的浓度，也还可以完成数据的采集、分析、显示、存储、报警等任务，其具有操作简便，检测快速和便携性强的特点，适用于家庭和社区的医疗健康的保健，能够实时的知道空气中粉尘颗粒的含量。

第2章设计方案论证

2.1题目解析

本设计要求制作一个基于51系列单片机[5]的PM2.5实时监控系统，它由控制器模块、ADC0832模数转化模块、按键模块、蜂鸣器报警模块、LCD显示模块、PM2.5传感器模块电路等组成。

当传感器采集到空气中PM2.5浓度值后，然后经过ADC0832芯片，对GP2Y1010AU0F传感器获取到的模拟信号转化成数字信号，然后经过单片机系统运算处理，在液晶LCD1602显示屏上面显示出实时测量到的PM2.5的浓度值，根据题目的要求，确定系统框图如2-1所示。

图2-1系统组成基本框图

2.2方案论证与设计

2.2.1控制部分的方案选择

（1）采用凌阳16位单片机，存大，处理速度快，编程容易，而且其自身自带音频处理系统，可以不使用外部器件就可以实现语音报时功能，在一定程度上可以说大大节约成本比较适合此类规模系统。

但是相对来说价格还是比较高，很多资源都被浪费掉了，不适合本设计，所以不采用该方案。

（2）用STC89C52单片机，虽然他没有凌阳16位单片机的功能强大，但是他可以满足该程序编程的需要以及各个功能部分也都可以实现，真正做到资源充分利用，而且在价格方面也比16位单片机的成本少好几倍，所以本设计选用该方案。

2.2.2显示部分的方案选择

（1）采用点阵式显示屏显示，点阵式显示屏是由八行八列的发光二极管组成，比较适合各种信息可以从左到右移动，也可以从右到左显示，给消费者一个真正的视觉冲击，但是对于这种显示方式似乎显得太浪费,对于单片机的扫描速度也是一个考验，且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。

（2）采用液晶屏显示方式显示。

液晶显示美观性强，一目了然，可以运用菜单项来方便操作,液晶显示屏的显示功能强大,显示的信息量大，清晰可见。

而且LCD1602价格低廉，控制程序简单，稳定性高，使用寿命长等有点。

所以，选择液晶屏显示方案。

2.2.3传感器模块的方案选择

（1）采用炜盛传感器，该传感器灵敏度高，但是体积大，不方便安装；电流大，不能使本设计做到低功耗。

该方案不适合采用本设计。

（2）采用夏普PM2.5传感器，该传感器使用方便，体积小，方便安装，正常使用时，电流小，可做到电流的低功耗，有利于信号的储量过程，能够实现空气的流通，且利于AD转换，所以本设计采用该方案。

2.2.4模数转化模块的方案选择

（1）采用ADC0809模数转化芯片，ADC0809是一款8位逐次逼近式A/D模数转换器。

他是通过地址锁存译码后的信号，选通ADC0809部相对应的地址通道，然后进行A/D信号转换，其一个芯焊接的脚位过多，占用的单片机IO口过多，而且目前仅在单片机初学应用设计中较片就可以有8个通道，功能非常强大，但是本设计只需要一个通道即可，再加上其需要为常见，而且价格也比较昂贵，不适合大规模应用。

（2）采用ADC0832模数转化芯片，ADC0832是一款双通道8位分辨率A/D转换芯片。

其封装为DIP-8或者SOC-8，方便焊接，调试。

同时，其和单片机接口只有四条线，大大减少单片机的IO口损耗。

同时由于其性价比高，广受消费者追捧。

通过学习ADC0832我们就可以理解A/D转化芯片的工作原理。

同时ADC0832模数转化芯片在本设计中，完全满足各种性能，自然优先考虑ADC0832模数转化芯片，所以本设计采用该方案。

2.3系统方案论证

综上各方案所述,对此次设计的方案选定为：

采用STC89C52RC作为主控制系统；以夏普GP2Y1010AU0F为核心传感器；以ADC0832作为系统模数转化模块；采用LCD1602作为系统的显示电路；采用蜂鸣器电路作为报警电路等，以完成PM2.5监控系统的设计。

第3章硬件电路设计

3.1单片机最小系统

STC89C52RC[6]为宏晶推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机。

单片机为DIP-40直插芯片,有四组I/O口P0,P1,P2,P3，每一条I/O线都能独立地作输出或输入，单片机引脚图如3-1所示。

图3-1单片机引脚图

该增强型8051单片机具有可任意选择的6时钟/机器周期和12时钟/两种机器周期，因为其核依旧是51系列核所以指令代码完全兼容传统8051系列.工作电压为5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机），工作频率正常围0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz，用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，通用I/O口32个，复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片，具有EEPROM功能，具有看门狗功能，共3个16位定时器/计数器。

定时器T0、T1、T2，外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒，通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART，工作温度围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级），PDIP封装。

STC89C52RC单片机的省电工作模式有几种。

掉电模式：

典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。

空闲模式：

典型功耗2mA正常工作模式：

典型功耗4Ma～7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

单片机的最小系统[7]就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、时钟电路、复位电路、输入、输出设备等,在单片机中复位电路是必须存在的电路，就像我们开启一台电脑一样，需要打开开机键。

在单片机系统中,复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位，与复位电路同样至关重要的就是时钟电路，时钟电路就像是整个机器的心脏一样，控制着单片机的节奏。

单片机最小系统框图如3-2所示。

图3-2单片机最小系统

（1）时钟电路

时钟电路分为部时钟方式和外部时钟方式[8]。

外部时钟电路使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，用于多片单片机同时工作以便于它们之间的同步。

所以这个设计采用部时钟方式的电路，单片机部有一个用于构成振荡器的反相放大器，输入端引脚为XTAL1，输出端为XTAL2。

两引脚接一个石英晶体和两个电容，每个电容的另一端再接到地构成一个稳定的自己振荡器。

时钟电路用于给单片机工作时产生所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的工作关系，单片机的本事就如一个复杂的同步时序电路，为了确保同步工作方式的实现，电路就应该在唯一的时钟信号控制下进行严格的工作。

电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，晶体振荡频率的围通常是在1.2到12MHz，频率越高，系统的时针频率越高，单片机的运行速度也就越快。

因为CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，一个机器周期包括12个时钟周期，所以选12MHz方便计算初值。

单片机的部电路正是在时钟电路的控制下，严格地按时序指令进行工作。

（2）复位电路－

复位电路就是使单片机的CPU或系统中其他部件处于某一确定的初始状态时，并从这一状态开始工作时，除了进入系统的正常的初始化之外，而由于程序运行错误或操作错误使当前系统正处于死锁状态时，为摆脱此困境，也需要按复位电路进行系统的重新启动。

复位电路有上电自动复位和按键复位两种方式[9]。

按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通来实现。

这个设计使用按键电平复位电路，当按键时电容器被短路放电，+5V直接加到RST上面达到高电平，进行复位。

按键松开后电源开始对电容器充电，此时充电电流在电阻上，形成高电平送到RST，仍然是“复位状态”；稍后充电结束，电流降为0，电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。

单片机的复位电路和时钟电路电路图分别如3-3和3-4所示。

图3-3时钟电路图图3-4复位电路图

3.2ADC0832模数转化模块

ADC0832是8位分辨率A/D模数转换芯片[10]，其最高分辨高达256级；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0-5V之间；一般功耗仅为15mW；其封装为DIP-8或者SOC-8，方便焊接，调试。

商用级芯片温度围为0°C--+70°C，工业级芯片温度围为−40°C--+85°C，可以适应大部分场合的模数转换要求。

同时，其和单片机接口只有四条线，大大减少单片机的IO口损耗。

通过学习ADC0832，我们就可以理解A/D转化芯片的工作原理，可以帮助我们深入学习单片机其他相关知识，其电路设计图如图3-5所示。

图3-5A/D电路设计图

芯片接口说明：

：

片选使能，低电平芯片使能。

CH0：

模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1：

模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND：

芯片参考0电位（地）。

DI：

数据信号输入，选择通道控制。

DO：

数据信号输出，转换数据输出。

CLK：

芯片时钟输入。

Vcc/REF：

电源输入及参考电压输入（复用）。

3.3液晶屏显示模块

LCD显示器[11]分为字段显示和字符显示两种。

其字段显示和数码管显示原理类型，还是通过取模，然后单片机向LCD发送数组，方可实现显示要求，这个就无法真正体现出LCD液晶屏的优势点。

所以在本设计中，采用自带字库的LCD显示模式，与传统的LED数码管显示器件相比，控制程序方便，显示容切换方便，而且不需要外加驱动电路。

同时LCD1602显示容功能也非常强大，每行可以同时显示16个汉字，一共可显示2行，其电路设计如3-6所示。

图3-6LCD管脚图

LCD1602主要技术参数：

显示容量为16×2个字符；芯片工作电压为4.5～5.5V；工作电流为2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压为5.0V；字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。

LCD1602采用标准的14脚接口，其中:

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚。

1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

（说明：

1为高电平、0为低电平）

指令1：

清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H

指令3：

光标和显示模式设置I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁

指令5：

光标或显示移位S/C：

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标

指令6：

功能设置命令DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：

低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:

低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符

指令7：

字符发生器RAM地址设置

指令8：

DDRAM地址设置

指令9：

读忙信号和光标地址BF：

为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

指令10：

写数据

指令11：

读数据

3.4夏普PM2.5传感器

灰尘传感器GP2Y1010AU是由日本夏普公司生产的，可以测试环境中的PM2.5值，其模块体积小，方便安装，可以适用于各类空气净化器中，作为检测环境因素传感器[12]。

其灵敏度极高，可以用来测试直径在8um以上的烟尘、花粉、粉尘等微小颗粒。

造成空气雾霭等肉眼看不见的颗粒，该传感器都可以方便的测试到。

同时，其自带气流发生器，可以吸收外部空气，是自身达到一个清洁的效果，大大增加其使用寿命和灵敏度。

而且在其部自带LED显示灯，减少外界干扰，大大增加灵敏度，准确想外界传递实时空气质量。

夏普灰尘传感器外形图如图3-7所示。

图3-7夏普灰尘传感器GP2Y1010AU0F

应用领域：

（1）空气净化器和空气清新机；

（2）空调；

（3）空气质量监控仪；

（4）空调等相关产品。

主要参数：

灵敏度：

0.5V/（0.1mg/m3）；输出电压：

0.9V（TYP）；消耗电流：

11mA；

工作温度：

-10~65℃；存储温度：

-20~80℃。

粉尘器部电路图如图3-8所。

图3-8粉尘器部电路图

根据粉尘传感器GP2Y1010AU的规划书中对管脚的描述，对应的管脚如图3-9所示。

图3-9粉尘传感器管脚图

故粉尘传感器的电路设计如图3-10所示。

图3-10粉尘传感器的电路设计图

粉尘传感器GP2Y1010AU通过对空气粉尘颗粒浓度进行检测测算，然后输出模拟