毕业论文-基于单片机空气PM2.5浓度检测系统设计.docx
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基于单片机空气PM2.5浓度检测系统设计摘 要
随着柴静的纪录片《苍穹之下》的播放,现在的人们对 PM2.5已经变得更加的熟悉了。
了解它的危害以后,监测PM2.5已经变得具有非常重要的意义,尤其是小型便携式的让能够让我们我们随时随地的对空气质量进行检测,确保我们周围环境的质量。
同时现代社会的经济和社会得到了充分地发展,高科技技术应用于社会的例子已经屡见不鲜,尤其在单片机快速发展的今天,单片机应用于现今检测设备已经越来越多,形成了一定的规模,越来越小型化和多样化。
本课题主要是采用单片机对空气浓度PM2.5的测量系统。
此系统把传感器技术与单片机的控制技术,AD转换技术相结合,实现对空气颗粒浓度的采
集。
把模拟量转换成数字量,经过单片机的处理计算后,在显示屏上显示。
实践证明,该设计系统电路便于人们对身边的空气质量进行实时监测,
从而可以有效地提高身体健康,改善人们周围的环境,具有非常重要的实际意义,并且操作简单,集成度高、工作稳定,调试方便,测试精度高,具有一定的实用价值,因此市场应用前景非常的广泛。
关键词:
单片机;PM2.5;粉尘浓度;传感器技术
BASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERPM2.5AIRQULITLYMEASURMENTDESIGN
ABSTRACT
WiththebroadcastJingChaidocumentary"underthesky",andnowthe
peopleofPM2.5havebecomemorefamiliar.Familiarwithitsharm,PM2.5monitoringhasbecomehastheveryimportantsignificance,especiallysmallportableletcanletusanytime,anywhereontheairqualitytesting,toensure
thequalityoftheenvironmentaroundus.
Andtheeconomyandsocietyofmodernsocietyhasbeenfullydeveloped,technologyisusedausedinthemoderntestingequipmenthasbeen
more and more, forming a certain scale, more and more small anddiversified.This paper mainlyusesthesingle chip microcomputer toairconcentration PM2.5measurement system.This systemcombinesthesensortechnologywiththesinglechipmicrocomputercontroltechnology,andtheADconversion technology. Realize theconcentration ofair paticles inthecollectionAnalogKingadisconvertedtodigitalquantity,throughcalculation
ofthemicrocontrollerindisplayscreendisplay.
Practicehasprovedthatthedesignofcircuitsystemforreal-timemonitoringoftheairqualityaround,whichcaneffectivelyimprovehealth,improvetheenvironmentaroundus,andhasveryimportantpracticalsignificance,andhastheadvantagesofsimpleoperation,highintegration,stability,convenientdebugging,hightestprecision,withsomepracticalvalue.
Therefore,marketprospectisverywidely.
KEYWORDS:
MCU;PM2.5;Dustconcentration;Sensortechnology
目 录
前 言 1
第1章国内外同类设计的概况综述 3
§1.1设计的历史依据及其意义.........................3
§1.2国内外检测PM2.5主要的设计方法 3
第2章系统硬件总体设计及电路设计 5
§2.1系统硬件总体设计.................................5
§2.2硬件电路设计及相应主要芯片介绍 6
§2.2.1单片机最小系统..............................6
§2.2.2采集电路设计...............................11
§2.2.3液晶显示模块...............................14
§2.2.4发光报警电路...............................18
§2.2.5供电电路...................................19
第3章软件部分设计 19
§3.1开发环境.......................................21
§3.2主体程序设计...................................21
§3.2.1主程序设计.................................21
§3.2.2中断程序设计...............................22
第4章系统调试 23
§4.1硬件的调试.....................................23
§4.2软件的调试.................................... 23
§4.3软件的下载.................................... 24
结 论 27
参考文献 28
致 谢 29
附 录 A 30
附 录 B 46
前 言
数字由于现代社会经济与科技的高速发展,人们对身边生活环境的要求越来越高,经济的发展同样不可避免的带来一些负面的影响,环境污染就是其中之一,现在人们对周围的环境已经变得越来越关注。
使得人们感觉到环境对自身健康的影响有着很大一部分的影响作用,人们的关注点时刻的被牵引在周围的环境危害上面,现在的我们已经变得对周围环境要求比较渴望居住在舒适的环境里,迫切的希望吸上比较新鲜的空气。
我们大部分的时间都是在都是在我们居住的房子里,由此监测我们住房的环境显得更加的有效,还我们一个舒适,安全的居住环境,由于现在房屋的建材,专修房屋的材料对人体还是有一定的危害作用,例如;甲醛、有毒的重金属颗粒物、环境的直接危害就是导致呼吸道健康方面的危机,
PM2.5的浓度指数已经引起了不少的关注,手机上时常有着PM2.5的浓度检测。
现在有了高科技的快速发展,并且与其相结合的优势,对环境的检测相对来说比较高效,并且具有实时性。
此次设计主要是利用单片机作为微处理器为核心并与粉尘传感器相结合以及其他电路形结合,以AT89S52单片机为核心,ADC0832模/数转换器、PM2.5粉尘传感器GP2Yl010AUOF、LCD1602显示屏组成粉尘浓度检测系统。
它通过对当前环境地检测实现PM2.5的采集、转换、计算以及读取,把得到的数据经过显示屏进行显示。
通过单片机将先进科技应用于检测环境的质量,提醒人们做出相应安全防护措施,改善当前环境状况。
本课题的终极目的是通过单片机与控制技术传感器技术相结合而实现对PM2.5的检测的环境检测系统。
本次设计具有很多明显的优势就是简单便携并且材料不贵,可操作的精度要求比较高,并且具有可调节的优点,此次设计以单片机作为控制中心,传感器采集的颗粒物浓度经过 AD转换成数据通过单片计算输送给显示屏显示设定最大爆表值超过这个值蜂鸣报警,实现高效便捷的检测PM2.5浓度的作用。
主要的设计内容如下:
(1))采用夏普GP2Y1010传感器对粉尘颗粒采集。
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(2))使用AD0832作为采集样品的模拟量转化为数据量
(3)采用AT89S52单片机作为控制核心,计算其颗粒物的浓度
(4))LCD1602作为显示屏显示所有测量值。
(5))通过按键设置报警值,作为检测量最高值,当测量的值高于报警值,蜂鸣器报警。
第1章国内外同类设计的概况综述
§1.1设计的历史依据及其意义
PM2.5受到关注是在上世纪的90年代,在美国的一些科学家或者协会相应的做出一些研究和发表一些论文,指出了颗粒物污染的一些来源,制定一些规章制度来限制各个国家地区对颗粒物的排放问题,在我国最早是在一位网络友人“美帝是管空气”在微博上转发的美国驻华使馆在twitter上发表的北京PM2.5的检测数据,严重爆表。
而在2015年2月28日柴静自费拍摄的《苍穹之下》更是揭露了现在我们面临的种种环境危机,从而现在的我们更加的关注颗粒物的一些实质性的危害。
可以提高我国的环境保护的意识,具有不可磨灭的影响。
随着人类掠夺式地开发资源以及以牺牲环境为代价来换取工业和经济的快速发展,导致环境污染问题愈来愈严重。
生存的环境变得苦不堪言时常受到一些迫害,因此与大自然的和平相处已变得刻不容缓。
为了解决这些问题,所以现在的很多东西都应用了高科技的产品来实行对自身周围的环境进行检测,提高保护措施。
§1.2国内外检测PM2.5主要的设计方法
重量法
重量法通俗来讲指直接将大气流中的PM2.5颗粒被截留在滤膜上,然后用天平直接称重。
但是仍然会有一些比较较小的颗粒会穿过滤膜,但是这些颗粒较小重量可以忽略对重量的影响不大。
目前,按照重量设计的检测PM2.5采样设备比较多,如美国URG公司生产的通用型大气污染物采样仪(URG-300K),中国生产的四通道PM2.5采样器(PR2300),TH-150型智能颗粒物采样器。
重量法可以是说最基本的方法,是验证其他方法的标尺,是最简单,最可靠的方法。
但是也有其缺点,他需要人工来完成,并且其相应的配套
设备也比较相当的复杂,相对来说比较费时,因此重量法多应用于单点上。
微量振荡天平法
微量震荡天平法相对来说就没有那么高的检测精度,但是它并不像重量法那样的复杂,它主要是靠颗粒通过他的传感器(锥形管构成)改变其震荡的频率,也就是说空气中的颗粒被截留在可随时更换的滤膜上,导致振荡频率发生变化,这是就可以根据频率的变化来检测此时的颗粒浓度。
它能够实现连续检测的目的,并且能够自动实现。
因此我国现在的很多地方目前都是采用这个方法来测定PM2.5的浓度,从而更好地实时测量周围的环境质量。
Beta射线法/β射线法
Beta射线法基本上可以跟微量震荡天平法是一个性质类的,此方法是根据射线衰减的原理来实现的,就是当射线照射在通过空气的颗粒时,相应的接收到的射线就会相应的减少。
减少的多少,根据换算公式就会计算出颗粒物的浓度大小。
此系统也有相应的缺点,那就是可能在照射的过程中会有相应的挥发,这时就需要一些补偿的系统,能够最大限度的保证其准确性,接近于真实值。
光散射法
光散射的原理是指;空气中的颗粒物对光具有一定的散射作用并且根据浓度的不同散射的值也就相应的会有所不同,浓度较高时,对光的散射也不会相应的提高,测定光值以后,通过相应的换算公式也就会得到其浓度值。
但是,颗粒物与光的散射有着复杂的关系,颗粒的的形状,化学组成,比重,微粒的分布都会影响光的散射问题。
此外,这鞋颗粒物之间有可能还会发生一些化学反应。
第2章系统硬件总体设计及电路设计
§2.1系统硬件总体设计
本设计系统以AT89S52单片机为基本核心,主要包括粉尘传感器采集模块,A/D模数转换ADC0832模块,单片机作为控制模块,显示屏作为显示模块。
设计系统通过传感器电路检测PM2.5粉尘信息,由
AD模数转换,经过过过单片机的计算,最后在液晶上面显示。
整个系统的框架结构如图 2-1所示
图2-1整体系统框架总图
1.灰尘传感器:
实现对灰尘颗粒的感应。
2.A/D转换电路:
用于完成传感器输入模拟量转换成数字量
3.供电电路:
实现对整体系统的供电。
4.单片机最小系统:
AT89S52作为微处理器,包含时钟电路,复位电路控制其他的设备。
5.显示液晶:
用于完成对系统测量值和报警值得显示。
6.按键电路:
用于完成报警值参数调整的功能。
7.报警电路:
实现系统的报警。
§2.2硬件电路设计及相应主要芯片介绍
硬件电路设计主要是根据设计技术的要求,设计出硬件电路原理图,也就是说硬件设备应该怎样连接的方式,下面将对这个方面做具体的阐述。
§2.2.1单片机最小系统
单片机的最小系统应能让单片机正常工作并且能够正常的发挥其功能的一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
它是一个小型的电脑设备所具有的那样拥有者明显的大脑,也就是控制的核心。
同时,也具有一些输出设备,还有就是定时器,能够作为时间的控制中心,具有作为通讯的接口,把所有需要用到的都集中在一个小小的芯片之上,这就是单片机。
当然单片机现在的发展已经比较先进,我们来看一下作为最基本的存在它是怎样的。
如图2-2及2-3
图2-2单片机最小系统框
图2-3单片机最小系统引脚接线图
一般把AT89S52单片机的工作电压定为5V,经过查看电路图,VCC接5V的电压,VSS接地,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。
这个复位开关就相当于开机键的存在,同时如果我们的机器死机,或者是出现不可未知的危害是,需要我们重新启动时,都可以这样开始,这次的设计采用的是手动复位的开关。
与复位电路同样至关重要的就是属于我们应用的时钟电路,这个时候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。
XTAL1为反向放大器的输入,XTAL2为反向放大器输出,这是利用晶振的作用来实现放大的节奏。
本次设计就是采用机器周期为12个振荡周期的石英晶振。
单片机最初是作为微控制器被利用起来,它被用在工业领域的很多方面,比较早的时候CPU是其核心装置,然后就集成了很多的外设接口,能够实现比较复杂的小型控制。
单片机最早是由英特尔公司提出来的。
AT89S52单片机是本次设计所采用的单片机,下面将重点介绍它的主要性能和参数。
如图2-4实物图
AT89S52
图2-4AT89S52实物图
AT89S52具有一些比较优质的性能,例如能更好地与其他的设备兼容,目前在小型的设备中,它有32位I\O线,这是能够跟外界沟通的基础,同时也是能够控制外设的基础,另外还具有256自的RAM,能够存储一些必要的即时数据,或者一些程序,8K字节的Flash,能够不断地擦写上千次,同时还具有一定的断电保护设备,即使在断电的情况下,也能够把所需要的设备保护在起来,为了能够更加的快速工作有时候要实行串行并行接口同时使用这样的设备。
全双工串行口,还有复位的功能,此功能可以在系统发生崩溃时,重新再来的接口,有时是手工的有时可以设计成高电平的。
P0口
P0口作为I\O接口的一种,它是一个8位漏极开路的双工接口,可以驱动8个低电平的逻辑电平,需要在外部添加上拉电阻,以提高阻抗。
所以在其输入比较高的阻抗时,引脚可以作为高阻抗输入。
还有就是在程序校验的过程中呢,也需要外部的上拉电阻。
P1口
P1口中有个比较特殊的两个是P1.0与P1.1这两个作为定时器运用在单片机中有时还可以作为定时器。
它在编程的过程中呢,这个接口主要接受低八位的地址字符。
它能够输出驱动4个低电平的逻辑电平,但是其内部有着上拉电阻,双向输入接口。
引脚号第二功能:
P1.0T2时钟输出,P1.1T2EX捕捉,重载触发信号和控制方向。
P1.5MOSI、P1.6MISO、P1.7SCK、作为系统编程用。
P2口
P2口与P1口有一些明显的差别,它在做为输入使用时,由于在外部条件的影响下就会被拉低将输出低电平的电流,此外它的内部也具有上拉电阻,能够驱动四个低电平,在访问外部程序寄存器或者是存储器时,这时候就会输出高八位的地址,当对其写入1时,内部的上拉电阻就会把阻值提高,在使用其编程时,就会接受高八位的一些控制信号或者是地址字节。
P3口
P3口在AT89S52中有特殊的功能(第二接口),他跟另外的两个接口同样也具有内部上拉电阻,在编程的工程中或者检验中,他也能够收到一些控制类的信号,具有8位双向I\O接口。
同时有时候也会接受一些
flash闪存,接受一些控制类的信号。
端口引脚第二功能:
P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据,存储器写选通)
P3.7RD(外部数据,存储器读选通)
RST
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚可以通过按键将单片机进行复位。
ALE/PROG
此脚可以作为地址锁存器,也可以作为编程脉冲,当作为编程脉冲时要对flash进程编程,当作为地址锁存器的时候,这时候适当访问外部程序
存储器或者是出具的存储器的时候,这时候,它仍然是以时钟振荡频率的六分之一的固定脉冲信号。
PSEN
这个控制程序储存是否允许,每个机器周期允许两次的时候有效。
EA/VPP
这个脚是外部访问允许按钮,如果想要CPU访问外部存储器的时候,就要使EA保持低电平的状态。
。
XTAL1
振荡器反相放大器输入端以及内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2
XTAL2表示的是振荡器反相放大器的输出端。
寄存器
寄存器中有的地址是不被定义的,而那些没有被定义的地址很显然是不能被使用的,所以在使用这些地址时,也就是在写入这些数据时,写入的将是无效的地址。
AT89S52包含了定时器寄存器其中是T2CON和T2MOD。
还有一些中断寄存器,这些寄存器在使用的过程中选择优先级的问题。
此外还包含了双数据指针寄存器,这是为了能够更好的访问其外部的数据寄存器。
存储器
存储器可分为程序存储器和数据存储器,当访问程序存储器的时候其
EA引脚接地的时候,程序读取只从外部存储器开始。
在AT89S52内有256
字节的片内数据存储器,也包含了一些特殊功能的数据存储器。
中断源
AT89S52包括两个外部中断源和三个定时中断以及一个串行中断,他们分别为INT0H和INT1定时器0定时器1定时器2除了这些以外,我们在这个过程中IE也包括允许总控制中断定时器2可以被寄存器T2CON中的
TF2和EXF2的或逻辑触发,定时器0和定时器1在技术溢出的周期被置位。
中断允许控制寄存器(IE)(MSB)(LSB)
表2-1中断允许控制器引脚
EA
ET2
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
中断允许控制位=1,允许中断中断允许控制位=0,禁止中断
表2-2中断允许控制器引脚功能
§2.2.2采集电路设计
粉尘采集电路采用夏普GP2Yl010AUOF空气质量传感器采集空气中的PM2.5颗粒,采用NPN三极管驱动此传感器的LED端,输出的模拟量输入模数ADC0832,经过模数ADC0832模数转换后输给单片机,电路图如图2-5所示。
图2-5采集电路
夏普GP2Yl010AUOF
GP2Yl010AUOF 利用光电来测定空气质量的一个传感器,利用发光二极管发射光线,利用晶体管接收二极管发射的光引起电压的变化,这时候传感器里的空气传导设备就会产生一定的作用使空气流通,此设计能够检测到小的微粒,甚至非常小的烟草颗粒也能感应到。
即使在一个地方测量到比较高的PM2.5值,到另外一个地方空气质量较好,PM2.5值低的地区测量的结果也是比较准确的。
GP2Yl010AUOF粉尘传感器的性能特点:
1灵敏度:
较高
2其重量比较轻,能够很快的找到安装的方法
3消耗的电量比较小一般采用5V的电压,有利于信号的储量过程
4能够实现空气的流通,大大的增大了外部的大气的流通
5保养简单,能够长时间的保持其模拟量,有利于AD转化
6输出电压0.5V
7消耗电流相对比较小,降低了其功率达到11lmA;
应用领域:
一般的烟草,房屋的灰尘都可以检测到,可以达到0.8微
米的级别。
实物图如图2-6所示。
图2-6传感器实物图
夏普GP2Y1010AU0F对空气中的粉尘粒子进行感应,通过二极管发射光线,经过晶体管感应到电压的变化,典 型应用电路加上 150Ω电阻和
220UF电容如图2-7所示。
图2-7电容电路图
模数转换ADC0832
ADC0832作为模数转换器采用的8位分辨率、双通道的转换芯片,其最高的分辨率最高时可以达到256级,可以适应一般的模拟量转换要求,很多的用户都比较青睐于它,由于他的体积行对来说比较小,兼容性比较强,向我们用户大部分是考虑性价比比较高,它使用的电压一般在 5V它独立于其他的设备之中,转换的过程相对来说比较快速简单,并且转换相对来说比较稳定,可以实现其基本的功能。
ADC0832的输入通道配置需要完成的必须的的两位就是通道配置位,
都需要上升沿有效。
时序如图2-8
图2-8 ADC0832时序图
§2.2.3液晶显示模块
单片机采集到模拟信号后,经过单片机运算处理,在液晶LCD1602上面显示出计算测量到的PM2.5浓度值,如图2-9LCD160
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