基于单片机的空气质量检测系统设计.docx
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基于单片机的空气质量检测系统设计
佳木斯大学毕业论文
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
指导教师
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。
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。
不论在国内还是国外,都需要极佳的环境来提高生活指数。
比如在国内,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,使得国内出现严重雾霭天气。
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。
随着国内经济的迅猛发展,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课题的主要内容
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,主要的设计内容如下:
(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。
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,内存大,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内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,因为其内核依旧是51系列内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),工作频率正常范围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,工作温度范围:
-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
时钟电路分为内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。
所以这个设计采用内部时钟方式的电路,单片机内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。
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,晶体振荡频率的范围通常是在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。
单片机的内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。
商用级芯片温度范围为0°C--+70°C,工业级芯片温度范围为−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:
CS_:
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,显示内容切换方便,而且不需要外加驱动电路。
同时LCD1602显示内容功能也非常强大,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
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。
而且在其内部自带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℃。
粉尘器内部电路图如图3-8所示。
图3-8粉尘器内部电路图
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,然后输出模拟电压。
故在仿真原理图中,我们用滑动变阻器来模拟粉尘传感器发回的模拟信号(电压值)。
ADC0832电路设计仿真图如图3-11所示。
.
图3-11ADC0832电路设计图
3.5蜂鸣器
本设计中采用有源蜂鸣器,相对无源蜂鸣器而言,控制方式简单,无源蜂鸣器需要一个交变的信号去驱动,实现内部磁场变化。
而有源蜂鸣器只需要在蜂鸣器上加直流,就可以驱动蜂鸣器正常工作。
而且2者在价格上相差无几,所以会优先选择有源蜂鸣器。
有源蜂鸣器对电压的适应范围广,寿命长,可以用个调整有源蜂鸣器的电压值,来控制蜂鸣器的声音响度,所以设计起来很方便。
本设计的报警电路的控制输出使用了单片机的P1.7口,设计图如图3-12所示。
图3-12报警电路图
3.6按键电路
本次设计的按键电路使用了单片机的P1.3,P1.4,P1.5三个口。
设计图如图3-13所示。
图3-13按键电路图
3.7污染级别提醒电路和程序下载电路
根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路,采用了蓝、绿,黄,红四个LED灯,使用了单片机的P3.0,P3.1,P3.2,P3.4口来实现提醒功能,污染级别显示电路以及单片机的程序下载电路设计图分别如图3-14和3-15所示。
图3-14级别显示电路图3-15程序下载电路图
3.8总体原理图
本设计包括信号采集模块、信号处理模块、显示模块、报警模块和按键设置模块组成,以此来完成信号的采集、处理、传输、报警等功能。
图3-16系统原理图
当PM2.5传感器采集到空气中PM2.5浓度值后,通过5号引脚将输出的模拟量经过ADC0832模数转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机13号引脚,然后单片机对此信号进行运算处理,单片机P2口与LCD显示屏相连并在液晶LCD1602显示器上面显示计算出实时测量到的PM2.5的浓度值,然后通过与SCT89C52单片机8号引脚相连的蜂蜜报警器进行设定值进行比较,通信部分采用ISP程序下载器与单片机10.11号引脚相连来实现单片机与上位机之间的数据交换。
如果小于设定值,系统保持;如果超过设定值,系统将报警,提醒PM2.5浓度超标。
当蓝色灯亮时表示空气质量优,当绿色灯亮时表示空气质量良好,当黄色灯亮时表示空气质量中等,当红色灯亮时表示空气质量差。
第4章软件部分设计
4.1系统流程设计
软件主程序部分主要是ADC模数转化,获取PM2.5粉尘传感器发回来的数据,然后经过数据转化处理后,放入数组里面。
然后再和预设值对比,如果实际值大于预设值,那么就会驱动声报警电路。
当然,预设值大小可以根据需要进行修改。
而且,在正常仿真过程中,会实时显示环境中PM2.5实时浓度,系统流程图如图4
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