單片機(jī)pm2.5檢測電子設(shè)計(jì)論文

1、<p>　　基于單片機(jī)PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)</p><p><b>　　誠信申明</b></p><p><b>　　本人申明：</b></p><p>　　我所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下對四年專業(yè)知識而進(jìn)行的研究工作及全面的總結(jié)。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中

2、創(chuàng)新處不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京化工大學(xué)北方學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而已經(jīng)使用過的材料。與我一同完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的同學(xué)對本課題所做的任何貢獻(xiàn)均已在文中做了明確的說明并表示了謝意。</p><p>　　若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。</p><p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　

3、近些年隨著霧霾天氣的肆虐，我們有理由且必要的做一些措施來注意我們身邊空氣中的PM2.5。人的一生中有三分之二的時間都是在室內(nèi)度過的，所以對室內(nèi)的PM2.5做實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析尤為必要。然而現(xiàn)有的PM2.5檢測產(chǎn)品功能較單一，只能用來檢測，無法應(yīng)對空氣PM2.5的惡化情況。正是基于上述情況，應(yīng)用所學(xué)的知識，制作一個經(jīng)濟(jì)，簡單，實(shí)用的智能化PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)是十分有現(xiàn)實(shí)意義的。</p><p>　　本課題針對PM2.

4、5監(jiān)測進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一套以ST公司的STC89C52單片機(jī)為核心的PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括中央處理器、信息采集、控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警等幾部分，設(shè)計(jì)中實(shí)時監(jiān)測與智能控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)PM2.5實(shí)時采集處理、顯示、報(bào)警、自動控制調(diào)節(jié)等多種功能。不僅能讓人們非常清楚室內(nèi)的污染情況，還可以自動控制調(diào)節(jié)空氣，為人類營造一個安全、方便、舒適的室內(nèi)生存空間。</p><p>　　對系統(tǒng)的硬件組成及工

5、作原理進(jìn)行了研究，同時設(shè)計(jì)了軟件流程圖，利用結(jié)構(gòu)化的分析與設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)工作采用軟件工程的思想，各個模塊耦合度低，模塊內(nèi)聚性高，該系統(tǒng)具有集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)周期短、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PM2.5　單片機(jī)　自動控制　報(bào)警</p><p>　　MCU-Based PM2.5 Intelligent Monitoring System<

6、;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years as the fog weather, we have reason to and necessary to do some measures to pay attention to PM2.5 in the air around us. Two-thirds of

7、the time in one's life is spent indoors, so the indoor PM2.5 do real-time monitoring and data analysis is necessary. PM2.5 testing existing product function is relatively single, however, can only be used to detect,

8、unable to cope with the deterioration of air PM2.5. It is based on the above situation, application of learned knowledge, making an ec</p><p>　　This topic to PM2.5 monitoring are studied, design a set of ST

9、company STC89C52 single-chip microcomputer as the core of PM2.5 intelligent monitoring system, this system mainly includes the central processor, information collection, control, data display, alarm and so on several par

10、ts, combining the design of the real-time monitoring and intelligent control, to realize the real-time acquisition of indoor PM2.5 processing, display, alarm, automatic control and other functions. Not only can make p<

11、;/p><p>　　On the system hardware composition and working principle are studied, and design the software flow diagram, using structured analysis and design methods, design work by adopting the idea of software e

12、ngineering, the low module coupling, module cohesion is high, the system has high integration and system stability, short design cycle, the characteristics of strong extensibility, has a certain practical value.</p>

13、;<p>　　Keywords:PM2.5singlechipautomatic control alarm</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　前　　言1</b></p><p>　　第1章　課題研究背景與價值2</p><p>　　第1

14、.1節(jié)　選題的意義與價值2</p><p>　　第1.2節(jié)　研究綜述3</p><p>　　第1.3節(jié)　課題的研究意義與目的5</p><p>　　第1.4節(jié)　研究范圍與內(nèi)容7</p><p>　　第1.5節(jié)　研究視角與方法7</p><p>　　第2章　PM2.5檢測研究的概況9</p>&

15、lt;p>　　第2.1節(jié)　PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的基本概念9</p><p>　　第2.2節(jié)　PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的特征9</p><p>　　第2.3節(jié)　PM2.5的基本概況10</p><p>　　第3章硬件選擇與設(shè)計(jì)12</p><p>　　第3.1節(jié)　系統(tǒng)原理概況12</p><p>　　第3.2節(jié)　

16、硬件電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　第4章系統(tǒng)軟件25</p><p>　　第4.1節(jié)整體設(shè)計(jì)思路25</p><p>　　第4.2節(jié)　主要模塊設(shè)計(jì)26</p><p>　　第5章　組裝調(diào)試28</p><p>　　第5.1節(jié)　調(diào)試分析28</p><p>　　第5.2節(jié)　不足與改

17、進(jìn)28</p><p><b>　　結(jié)　　論30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　前　　言</b></p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平不斷改善和提高，環(huán)境問題和健康問題受到日益重視。近些年越來越多的人

18、開始關(guān)注居住生活環(huán)境的空氣質(zhì)量安全問題，尤其是室內(nèi)的PM2.5污染問題，所以對室內(nèi)的PM2.5做實(shí)時檢測和智能調(diào)節(jié)顯得非常重要。</p><p>　　目前，雖然市面上的PM2.5檢測儀器已經(jīng)有很多種，檢測速度較快，但是絕大部分產(chǎn)品功能單一，只能用來檢測，不具備智能調(diào)控的能力。僅僅靠單純的檢測不能實(shí)施經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施，若在檢測的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能控制，使檢測智能化，這樣才能盡快為人們創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境。因此，

19、設(shè)計(jì)開發(fā)一套智能化監(jiān)測系統(tǒng)是有現(xiàn)實(shí)意義的。正是基于上述情況出發(fā)，本設(shè)計(jì)將檢測器與空氣凈化器結(jié)合，即通過估算當(dāng)前空氣中污染物濃度，指示空氣凈化器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)。主要工作原理是通過傳感器采集室內(nèi)的環(huán)境信息，送入到單片機(jī)通過分析處理得出相應(yīng)的結(jié)果，并輸出到顯示電路，這樣LCD顯示屏能即時顯示檢測到的各室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，使人們能及時了解室內(nèi)環(huán)境的具體情況。并在PM2.5濃度超過預(yù)先設(shè)置的上限時，指示報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號，及時的通知人們并自

20、動控制打開空氣凈化器來改善室內(nèi)空氣，為人類營造一個安全、方便、舒適的室內(nèi)生存空間。</p><p>　　第1章　課題研究背景與價值</p><p>　　第1.1節(jié)　選題的意義與價值</p><p>　　1.1.1　理論意義與價值</p><p>　　基于單片機(jī)PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)將檢測器與空氣凈化器結(jié)合，即通過估算當(dāng)前空氣污染物濃度，指示空

21、氣凈化器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)。環(huán)境檢測設(shè)備和凈化器、智能手機(jī)等家電和智能化產(chǎn)品結(jié)合，采用智能化檢測設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)，可以把數(shù)據(jù)傳到電腦或手機(jī)上，方便人們的控制。如果做個形象比喻，那就是“給電器裝上眼睛和鼻子”，這是未來發(fā)展的新趨勢。</p><p>　　順應(yīng)未來智能化檢測的趨勢，設(shè)計(jì)出應(yīng)用傳感器周期性從外部采集數(shù)據(jù)，通過LCD屏幕即時顯示，實(shí)時檢測空氣中PM2.5的濃度。如果PM2.5濃度超過預(yù)先設(shè)置的上限，

22、蜂鳴器報(bào)警，并自動控制打開空氣凈化器來改善室內(nèi)空氣。另外，還可以檢測室內(nèi)溫度，切換顯示時間日期。在實(shí)時監(jiān)測的基礎(chǔ)之上，還要進(jìn)行PM2.5高濃度預(yù)警和自動控制調(diào)節(jié)。若能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測與自動控制這兩者的結(jié)合，會使這個室內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)更加人性化。這個方案的解決也是實(shí)現(xiàn)PM2.5智能檢測的關(guān)鍵，因此這個設(shè)計(jì)非常有研究價值。</p><p>　　1.1.2　實(shí)踐意義與價值</p><p>　　世界衛(wèi)生組織

23、發(fā)布的報(bào)告顯示，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，目前大多數(shù)城市和農(nóng)村人口均遭受到顆粒物對健康的影響。那些直徑在2.5微米以下的細(xì)顆粒物，還不到成人頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20，不易被阻擋，被吸入人體后會直接進(jìn)入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發(fā)咳嗽、呼吸困難等呼吸系統(tǒng)的疾病并導(dǎo)致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。所以，對PM2.5的監(jiān)測顯得越來越重要。</p><p>　　今年4月22日清華大學(xué)在北

24、京發(fā)布了首個室內(nèi)PM2.5(細(xì)顆粒物)污染公益調(diào)研報(bào)告。結(jié)果顯示，相對于室外PM2.5污染，室內(nèi)PM2.5污染對人的影響更顯著，人均室內(nèi)PM2.5暴露量和潛在劑量為室外的4倍?！斑@主要是因?yàn)槿藗円惶熘杏写蠹s20小時是在室內(nèi)，只有4小時在室外?！?研究組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)電子工程系研究員張林（1968—?。┍硎荆刻鞌z入人體內(nèi)的80%的PM2.5來自于室內(nèi)。此次調(diào)研歷時兩個半月，有407名志愿者參與，調(diào)研組共獲得累計(jì)總時長約11萬小時的室內(nèi)

25、PM2.5數(shù)據(jù)，其中包括7703個地理位置點(diǎn)，覆蓋北京市13個區(qū)縣。</p><p>　　對于室內(nèi)PM2.5濃度，由于房屋面積有限，無法進(jìn)行直觀的能見度判斷。再加上室內(nèi)環(huán)境差異性較大，專業(yè)PM2.5檢測設(shè)備龐大昂貴，難以進(jìn)行普遍實(shí)時的監(jiān)測，這使得人們一直缺乏對于室內(nèi)PM2.5污染程度全面系統(tǒng)的認(rèn)識和研究[1] ?，F(xiàn)代人70%～90%的時間處于室內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量直接影響人體健康。對付室內(nèi)的PM2.5，開窗

26、通風(fēng)本是最有效的辦法，但也要依據(jù)室外空氣狀況而定，像目前我國的室外空氣質(zhì)量，就不適宜長期開窗通風(fēng)。</p><p>　　基于單片機(jī)PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使實(shí)時監(jiān)測與智能控制相結(jié)合，不僅能讓人們非常清楚室內(nèi)的污染情況，還可以實(shí)現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)，為人類營造一個安全、方便、舒適的室內(nèi)生存空間。智能監(jiān)測系統(tǒng)不僅能為人們的生活帶來便利，更符合可持續(xù)發(fā)展理念，無論是經(jīng)濟(jì)學(xué)角度還是社會學(xué)角度來看，這樣做都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義

27、和經(jīng)濟(jì)價值。</p><p>　　第1.2節(jié)　研究綜述</p><p>　　1.2.1　國內(nèi)PM2.5檢測的發(fā)展和應(yīng)用</p><p>　　2013年1月,霧霾天氣侵襲了大半個中國，“霧霾”就成為了年度關(guān)鍵詞，而且連續(xù)兩年成為兩會熱議話題。今年2月28日，在柴靜霧霾深度調(diào)查紀(jì)錄片《穹頂之下》中，國家環(huán)境保護(hù)部提供的數(shù)據(jù)顯示，2014年北京污染天數(shù)為175天，天津19

28、7天，成都125天，沈陽152天，蘭州112天，石家莊高達(dá)264天！相關(guān)數(shù)據(jù)表明，如今在中國每年因?yàn)榇髿馕廴具^早死亡的人數(shù)有50萬人！紀(jì)錄片一出隨即引起全民熱論，使“霧霾”問題再度回到公眾視野，環(huán)境保護(hù)的話題迅速升溫。在今年“兩會”上，霧霾治理又成為提及頻度最高的熱點(diǎn)之一。代表委員們認(rèn)為，政府應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)防治力度，更加注重運(yùn)用市場和法治手段，促進(jìn)企業(yè)更好地履行社會責(zé)任，全社會“同呼吸、共奮斗”，形成合力，以切實(shí)的成效保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境

29、、造福全體人民。</p><p>　　其實(shí)早在2007年，中國工程院、環(huán)保部聯(lián)手開展的戰(zhàn)略研究就對引入PM2.5標(biāo)準(zhǔn)給予高度關(guān)注，將PM2.5納入宏觀戰(zhàn)略目標(biāo)。2008年環(huán)境保護(hù)部啟動環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂程序，將PM2.5納入環(huán)境空氣標(biāo)準(zhǔn)和空氣污染治理系統(tǒng)之中。在2011年的第七次全國環(huán)保大會上，公布了全國PM2.5檢測時間表，2012年，在京津冀、長三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域及直轄市和省會城市開展PM2.5監(jiān)測，2

30、013年，在113個環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市和保護(hù)模范城市開展監(jiān)測，2015年，在所有地級以上城市開展監(jiān)測，2016年也就是明年在全國實(shí)施。</p><p>　　在國內(nèi)，PM2.5檢測儀器已不鮮見。例如，去年4月初正式上市的漢王藍(lán)天科技首款PM2.5檢測儀M1（如圖1.1），和手機(jī)大小相似、可隨身攜帶，其原理采用激光測試法，即采用了散射粒子加速度測量法，可以精確獲得粒子質(zhì)量、運(yùn)動速度、反光強(qiáng)度等信息，并對空氣中的顆粒物粒

31、徑大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從而能較準(zhǔn)確地測量空氣中的粒子濃度。</p><p>　　目前，網(wǎng)上關(guān)于家用PM2.5檢測儀的叫賣也非?；馃?。如果在淘寶網(wǎng)上輸入關(guān)鍵詞“PM2.5檢測儀”，就能跳出近4000件檢測儀，價格從上百元到數(shù)萬元不等，銷量好的產(chǎn)品訂單月售量已經(jīng)超過200單。PM2.5檢測儀能及時評判空氣質(zhì)量，促進(jìn)人們改善空氣質(zhì)量，推動人們尋找空氣安全之道，從而提高全社會的健康指數(shù)。因此，PM2.5檢測儀器在家居領(lǐng)域

32、有非常廣泛的使用前景。</p><p>　　圖1.1　漢王霾表M1</p><p>　　1.2.2　國外PM2.5檢測的發(fā)展和應(yīng)用</p><p>　　在美國，由于工業(yè)排放、機(jī)動車尾氣等曾導(dǎo)致發(fā)生了非常嚴(yán)重的大氣污染。到二十世紀(jì)中期，洛杉磯一帶大氣臭氧濃度很高，光化學(xué)煙霧問題突出，在1952年和1955年就發(fā)生了兩次短短數(shù)日內(nèi)上百位老人死亡的慘劇。美國立即采取了區(qū)域

33、環(huán)境管理框架，打破州的界限，開始進(jìn)行統(tǒng)一管理。環(huán)保機(jī)構(gòu)有權(quán)進(jìn)行立法、執(zhí)法、處罰，并通過強(qiáng)制執(zhí)行手段和監(jiān)控、技術(shù)改進(jìn)等相結(jié)合的方式協(xié)調(diào)開展工作?！肚鍧嵖諝夥ò浮沸拚冈?990年正式獲得通過，到1997年，美國環(huán)保署設(shè)立了專門針對大氣PM2.5濃度的標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地檢測過去那些被忽略的細(xì)小顆粒物。當(dāng)污染較為嚴(yán)重時，美國官方網(wǎng)站還會要求民眾盡量控制外出活動的強(qiáng)度和時間，以此來減少PM2.5對人們身體的傷害。此外，媒體還建議人們不要在繁忙的道

34、路附近鍛煉，不要在室內(nèi)吸煙，減少使用蠟燭、燒火爐子，以此來控制室內(nèi)污染。2005年，歐盟出臺了關(guān)于限制PM10的法令；到2010年，對PM2.5的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)生效。目前，歐盟的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包含對PM2.5年均濃度和PM10年均濃度和日均濃度的要求，是世界上對PM10監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的地區(qū)之一。</p><p>　　去年由加拿大研究人員研發(fā)出了一項(xiàng)便攜式PM2.5在線實(shí)時測量技術(shù)，該系統(tǒng)首先使用一個PM2.5采樣器把PM

35、2.5從總的大氣顆粒中分離提取出來，通過顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)監(jiān)測這些顆粒，然后利用基于懸浮顆粒物的基本原理,計(jì)算出測量地點(diǎn)的PM2.5數(shù)值,并即時顯示出PM2.5測量結(jié)果。這種便攜式PM2.5在線檢測儀器可以應(yīng)用在幾乎任何空氣檢測的場所，也可以進(jìn)一步研發(fā)出用于科研用的高精度的測量儀器。</p><p>　　第1.3節(jié)　課題的研究意義與目的</p><p>　　1.3.1　理論意義</p>

36、;<p>　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，性能和種類也得到不斷的提高和豐富，傳感器已經(jīng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，這使得基于微電子芯片控制的室內(nèi)環(huán)境實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。</p><p>　　現(xiàn)在PM2.5相關(guān)的檢測儀器已經(jīng)有很多種，絕大部分產(chǎn)品只能用來檢測，對檢測到的數(shù)據(jù)不能采取任何應(yīng)對措施，只是進(jìn)行單純的檢測而不能提供經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。針對上述情況，設(shè)計(jì)出一套相

37、對來說更加智能化的監(jiān)測系統(tǒng)，使檢測變得智能化，讓它具備最基本的解決實(shí)際問題的能力，這樣才能使檢測更有意義，為人們創(chuàng)造更好的室內(nèi)環(huán)境。</p><p>　　本設(shè)計(jì)具體研究內(nèi)容為：</p><p>　　（1）研究基于STC89C52系列單片機(jī)的PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案；</p><p>　　（2）結(jié)合課題實(shí)現(xiàn)完成的實(shí)際功能設(shè)計(jì)合適的算法和軟硬

38、件整體設(shè)計(jì)；</p><p>　　（3）以STC89C52芯片為核心搭建系統(tǒng)硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制及信號的處理；</p><p>　　（4）自動實(shí)時檢測和A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　（5）在軟硬件平臺上研究系統(tǒng)各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，用C語言完成算法以及各接口和驅(qū)動程序的編寫，以實(shí)現(xiàn)智能檢測系統(tǒng)的整體功能。</p><p

39、>　　本課題要解決的關(guān)鍵問題是：設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體硬件框架工作流程；理解整個系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)出合理的電源電路和接口電路，來保證電源以及輸入信號的穩(wěn)定性；選擇合適的算法，來保證系統(tǒng)處理被測信號的準(zhǔn)確性以及突出系統(tǒng)智能檢測的特點(diǎn)。</p><p>　　1.3.2　實(shí)踐意義</p><p>　　在過去的20年間，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量PM2.5相關(guān)的研究，主要包括PM2.5污染特征、排放清單、排

40、放特征譜、源解析以及PM2.5對大氣能見度和人體健康影響等方面。尤其是在美國加州地區(qū)進(jìn)行細(xì)微顆粒物研究的最多，在PM2.5源排放特征譜的研究方面，研究人員對地殼物質(zhì)、機(jī)動車尾氣和燃料等主要污染源的排放特征進(jìn)行了較為全面的研究，并建立了用于源解析研究的源排放特征譜庫。</p><p>　　然而我國對PM2.5的監(jiān)測相對滯后，大氣PM2.5及大氣污染監(jiān)測裝備技術(shù)研究起步較晚，現(xiàn)有的PM2.5監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，與實(shí)際需求

41、相比差距仍然較大，大部分監(jiān)測設(shè)備幾乎完全依賴進(jìn)口，部分自主開發(fā)的儀器設(shè)備尚未開展工程化、標(biāo)準(zhǔn)化、工藝以及網(wǎng)絡(luò)化等關(guān)鍵技術(shù)研究。在市場初期，國產(chǎn)產(chǎn)品還面臨著不被接受的尷尬，研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)的空氣監(jiān)測設(shè)備，將是目前國內(nèi)儀器生產(chǎn)企業(yè)的重中之重。本課題針對PM2.5監(jiān)測進(jìn)行了研究，不僅可以加快中國PM2.5監(jiān)測的研究發(fā)展速度，還能給氣象、環(huán)保、防災(zāi)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化作出貢獻(xiàn)。</p><p>　　人的一生中大概有

42、三分之二的時間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)空氣質(zhì)量受到越來越多的關(guān)注。因此，智能監(jiān)測系統(tǒng)在家居領(lǐng)域有著很大的需求發(fā)展空間。本文研究的基于單片機(jī)PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)是以STC公司的一款低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)PM2.5實(shí)時采集處理、顯示、報(bào)警、自動控制調(diào)節(jié)等功能。進(jìn)行智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時可以推動相關(guān)聯(lián)科研項(xiàng)目發(fā)展，為國產(chǎn)監(jiān)測裝備逐漸滿足國家大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)布設(shè)的需求做出貢獻(xiàn)。</p&g

43、t;<p>　　第1.4節(jié)　研究范圍與內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要利用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器和DS18B20溫度傳感器分別采集PM2.5濃度和空氣溫度數(shù)據(jù)，送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。然后通過LCD屏幕即時顯示，如果PM2.5濃度超過預(yù)先設(shè)置的上限，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號，并自動控制打開空氣凈化器來改善室內(nèi)空氣。本課題研究基于單片機(jī)的PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)研究內(nèi)容涉及單片機(jī)技術(shù)、傳感器技

44、術(shù)、自動檢測技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。</p><p>　　本課題主要集中在檢測、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)四個方面。本文內(nèi)容安排如下:</p><p>　　第1章：對PM2.5監(jiān)測課題的提出及意義，介紹國內(nèi)外的研究狀況及確定總體方案。</p><p>　　第2章：首先介紹PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的基本情況，然后對PM2.5的定義、來源、標(biāo)準(zhǔn)、危害、應(yīng)對措施進(jìn)行詳細(xì)敘述。</p>

45、<p>　　第3章：對PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了分析。首先給出了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)及框圖，然后以模塊的形式對電源供電部分、單片機(jī)主控部分、信息采集電路部分、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、報(bào)警電路等幾部分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。</p><p>　　第4章：系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)軟件工作的具體流程，并對關(guān)鍵模塊程序流程進(jìn)行簡單介紹。</p><p>　　第5章

46、：簡單敘述了系統(tǒng)的組裝調(diào)試和開機(jī)測試以及設(shè)計(jì)存在的不足之處。</p><p>　　第1.5節(jié)　研究視角與方法</p><p>　　1.5.1　課題的研究視角</p><p>　　本課題研究基于單片機(jī)PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)從多視角來進(jìn)行，從PM2.5檢測的發(fā)展背景與應(yīng)用的意義著手，多角度地認(rèn)識與評價這樣一個智能監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義與其存在的優(yōu)缺點(diǎn)，從而做出正確的評價與研

47、究。對這樣一個實(shí)用的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用有著貢獻(xiàn)的技術(shù)做出一個客觀評價，顯得尤為必要。既為了讓我們更清楚地了解當(dāng)前PM2.5檢測應(yīng)用產(chǎn)品存在的問題，也為了更進(jìn)一步對其討論研究。從PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的研究與未來的應(yīng)用來看，它將會起到尤為重要的作用，為此在多領(lǐng)域范圍的普及使用還需要進(jìn)一步的考察與研究。</p><p>　　1.5.2　課題的研究方法</p><p>　　本文采用國內(nèi)外的文獻(xiàn)

48、、期刊及學(xué)術(shù)論文進(jìn)行研究，通過查閱與空氣檢測的相關(guān)資料、以及國內(nèi)外學(xué)者已有的研究成果和網(wǎng)絡(luò)論壇等方式進(jìn)行比較、學(xué)習(xí)、借鑒，從而系統(tǒng)而全面的分析介紹與研究討論該系統(tǒng)。</p><p>　　第2章　PM2.5檢測研究的概況</p><p>　　第2.1節(jié)　PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　1.1.1　PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)整體介紹</p>&l

49、t;p>　　本PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)的PM2.5數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控，對PM2.5高濃度預(yù)警和自動調(diào)節(jié)室內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要包括中央處理器、信息采集、控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)顯示等幾部分。信息采集部分主要有：GP2Y1010AU0F粉塵感器和DS18B20溫度傳感器，對空氣中PM2.5濃度和溫度進(jìn)行實(shí)時采集?？刂普{(diào)節(jié)部分是通過由繼電器模塊控制的LED燈來模擬控制空氣凈化器。傳感器周期性從空氣中檢測采集數(shù)據(jù)后先通過ADC0

50、832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳輸?shù)娇刂破鲉卧M(jìn)行比較和分析處理再通過LCD顯示屏即時顯示檢測結(jié)果。當(dāng)達(dá)到限制值時，蜂鳴器自動報(bào)警，并且實(shí)現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)，即PM2.5濃度過高超過設(shè)定的閥值將啟動報(bào)警并打開空氣凈化器，恢復(fù)正常則關(guān)閉并停止報(bào)警。為了方便供電，固設(shè)計(jì)了兩種可互相切換的供電模式：一種是直接使用常見的USB電源5V為設(shè)備供電，另一種是通過LM7805轉(zhuǎn)換芯片對設(shè)備供電。</p><p>　　1.1

51、.2　PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)各部分功能</p><p>　　設(shè)計(jì)各部分實(shí)現(xiàn)的功能：</p><p>　?。?）通過GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集空氣中PM2.5濃度數(shù)據(jù)； </p><p>　?。?）通過DS18B20溫度傳感器采集空氣溫度；</p><p>　?。?）通過繼電器控制的LED燈模擬自動控制空氣凈化器；</p>

52、<p>　?。?）通過DS1302時鐘模塊控制計(jì)算時間和日期；</p><p>　?。?）通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)PM2.5高濃度預(yù)警；</p><p>　?。?）通過LCD1602液晶顯示器顯示PM2.5濃度、空氣溫度、時間。</p><p>　　第2.2節(jié)　PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的特征</p><p>　　近些年越來越多的人開始關(guān)注居住生活

53、環(huán)境的空氣質(zhì)量問題，尤其關(guān)注室內(nèi)的PM2.5污染問題。從網(wǎng)上可以看到關(guān)于家用PM2.5檢測儀的生意非?；馃幔瑑r格從上百元到數(shù)萬元不等。由此看來，PM2.5檢測儀器在家居領(lǐng)域有非常廣泛的使用前景。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)與其他常見的檢測儀器最大的不同在于檢測器與空氣凈化器的結(jié)合，不僅可以實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的PM2.5濃度，進(jìn)行即時顯示和預(yù)警，還可以通過估算當(dāng)前PM2.5濃度，指示

54、空氣凈化器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)。即能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)PM2.5實(shí)時采集處理、顯示、報(bào)警、自動控制調(diào)節(jié)等眾多功能，使PM2.5監(jiān)測更加智能化和人性化。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用光散射原理的粉塵傳感器，測量快速，靈敏度較高，不怎么需要維護(hù)，適合家用和實(shí)時監(jiān)測。</p><p>　　第2.3節(jié)　PM2.5的基本概況</p><p>　　2.3.1　PM2.5的定義及

55、來源</p><p>　　近年來我國霧霾天氣多發(fā)，PM2.5被稱為霧霾天氣的元兇。PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。PM的英文全稱為particulatematter(顆粒物)，科學(xué)家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒物的含量。2013年2月，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會將PM2.5的中文名稱命名為細(xì)顆粒物。細(xì)顆粒物的化學(xué)成分主要包括有機(jī)碳(OC)、元素碳

56、(EC)、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽(Na+)等。這個值越高，就表明空氣污染的越嚴(yán)重。</p><p>　　PM2.5的主要來源是日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等過程中經(jīng)過燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質(zhì)。一般而言，粒徑2.5微米至10微米的粗顆粒物主要來自道路揚(yáng)塵等；2.5微米以下的細(xì)顆粒物（PM2.5）則主要來自化石燃料的燃燒（如機(jī)動車尾氣、燃煤）、揮發(fā)性有機(jī)物等。對于室內(nèi)來說主要來源為烹飪、吸

57、煙、打掃和其他增塵行為。</p><p>　　2.3.2　PM2.5的危害及標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　因?yàn)榱捷^小，PM2.5可以穿透呼吸道的防護(hù)結(jié)構(gòu)，深入到支氣管和肺部，直接影響肺的通氣功能，誘發(fā)肺部硬化、哮喘和支氣管炎，甚至導(dǎo)致心血管疾病。此外，細(xì)粒子顆粒物吸附在肺泡上很難脫落。更為可怕的是PM2.5還能攜帶空氣中的病毒、細(xì)菌、放射性塵埃和重金屬等物質(zhì)，對呼吸系統(tǒng)、心血管、免疫系統(tǒng)、生

58、育能力、神經(jīng)系統(tǒng)和遺傳等都有影響。</p><p>　　近年來我國PM2.5污染問題日益凸顯。將PM2.5放入強(qiáng)制性污染物監(jiān)測范圍，出發(fā)點(diǎn)就是針對當(dāng)前危害人體健康和生態(tài)環(huán)境的突出環(huán)境問題，引導(dǎo)有關(guān)區(qū)域的各級政府和社會各界積極開展相應(yīng)的大氣環(huán)境保護(hù)工作，防控灰霾等重點(diǎn)大氣污染問題。既是我國以人為本，保護(hù)人體健康的需要，也是解決灰霾等環(huán)境管理的需要，有利于提高環(huán)境空氣質(zhì)量評價工作的科學(xué)水平，有利于消除或緩解公眾自我感

59、觀與監(jiān)測評價結(jié)果不完全一致的現(xiàn)象。</p><p>　　新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095－2012）將于2016年1月1日在我國全面實(shí)施,其中調(diào)整了顆粒物（粒徑小于等于10毫克）、二氧化氮、鉛和苯并[a]芘等的濃度限值,增設(shè)了顆粒物（粒徑小于等于2.5毫克）濃度限值和臭氧8 小時平均濃度限值。在新標(biāo)準(zhǔn)中，24小時平均值標(biāo)準(zhǔn)值分布PM2.5年和24小時平均濃度限值分別定為0.035毫克/立方米和0.075毫克/立方

60、米[2]。將PM2.5濃度值列入環(huán)境空氣質(zhì)量評價，這也是我國首次制定PM2.5標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　2.3.3　PM2.5的應(yīng)對措施</p><p><b>　?。?）家居預(yù)防方法</b></p><p>　　過濾法。包括空調(diào)、加濕器、空氣凈化器等，優(yōu)點(diǎn)是明顯降低PM2.5的濃度，缺點(diǎn)是濾膜需要清洗或更換。</p><

61、p>　　水吸附法。超聲霧化器、室內(nèi)水簾、水池、魚缸等，能夠吸收空氣中的親水性PM2.5，缺點(diǎn)是增加濕度，憎水性PM2.5不能有效去除。</p><p><b>　?。?）生活應(yīng)對方法</b></p><p>　　盡量減少吸煙甚至不吸煙。</p><p>　　霧霾天氣少開窗，最好不出門或晨練。</p><p>　　外

62、出戴專業(yè)防塵口罩，如KN90，KN95，N95級別的防塵口罩才能有效過濾這類細(xì)顆粒物。</p><p>　　第3章　硬件選擇與設(shè)計(jì)</p><p>　　第3.1節(jié)　系統(tǒng)原理概況</p><p>　　3.1.1　系統(tǒng)的功能分析及體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　基于STC89C52的PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)總體上主要由供電單元、核心處理單元、粉塵

63、傳感器電路、LCD顯示模塊電路、溫度檢測電路、報(bào)警電路、控制調(diào)節(jié)電路等幾部分組成。應(yīng)用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器設(shè)計(jì)的PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如下：粉塵傳感器實(shí)時的檢測空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物的含量，并根據(jù)含量比例輸出模擬電壓信號，該信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)進(jìn)行采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理后，在LED顯示屏上顯示出PM2.5的數(shù)值。當(dāng)PM2.5超過系統(tǒng)設(shè)定值時，使用蜂鳴器電路對系統(tǒng)出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行及時報(bào)警，并

64、實(shí)現(xiàn)自動控制空氣凈化器調(diào)節(jié)空氣。另外，本系統(tǒng)采用了DS18B20溫度傳感器對現(xiàn)場溫度進(jìn)行實(shí)時采集，還使用了DS1302時鐘模塊顯示當(dāng)前時間和日期。</p><p>　　3.1.2　系統(tǒng)的功能特點(diǎn)</p><p>　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PM2.5的檢測，并能夠根據(jù)現(xiàn)場PM2.5濃度的大小做出實(shí)時判斷來決定是否打開空氣凈化器調(diào)節(jié)空氣。其實(shí)現(xiàn)的功能具有如下特點(diǎn)：</p><p>

65、;　　(1)　LCD顯示屏可以展示必要的信息，具有良好的人機(jī)對話界面；</p><p>　　(2)　硬件采用低成本的STC89C52單片機(jī)和外設(shè)電路元件，使系統(tǒng)具有性價比高的優(yōu)點(diǎn)；</p><p>　　(3)　本系統(tǒng)電路精簡，設(shè)計(jì)整體有著簡單、實(shí)用、靈巧的特點(diǎn)，用戶舒適度好；</p><p>　　(4)　系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，還有數(shù)碼管預(yù)留電路，為以后產(chǎn)品升級以及功能擴(kuò)展

66、做準(zhǔn)備。</p><p>　　所以系統(tǒng)具有集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)周期短、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，產(chǎn)品以實(shí)用性、易用性和人性化為主，目標(biāo)是為人們提供一個舒適、方便和高效的生活環(huán)境。</p><p>　　PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示</p><p>　　圖3.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第3.2節(jié)　硬件電路設(shè)計(jì)<

67、;/p><p>　　3.2.1　單片機(jī)核心系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本文所選單片機(jī)控制芯片是STC89C52單片機(jī)，STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。具有8K在系統(tǒng)可編

68、程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，這使得STC89S52可以為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 </p><p>　　STC89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。片內(nèi)晶振及

69、時鐘電路。此外，STC89S52可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。</p><p>　　STC89C52引腳圖如圖3.2所示，其電路圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.2　STC89C

70、52引腳圖</p><p>　　圖3.3　STC89C52核心控制器</p><p>　　中央處理單元采用STC89C52微處理單元，其在本設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，作為這個系統(tǒng)的控制核心，STC89C52與外圍的硬件相連，進(jìn)行采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理，在顯示屏上顯示當(dāng)前PM2.5的濃度值、溫度，還可以六秒切換顯示時間和日期。同時對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行超限比較。當(dāng)被測PM2.5的濃度超過設(shè)定的報(bào)警閾

71、值時，儀器產(chǎn)生蜂鳴器報(bào)警，單片機(jī)發(fā)出指令打開空氣凈化器，PM2.5濃度恢復(fù)正常則關(guān)閉并指示蜂鳴器停止報(bào)警。</p><p>　　3.2.2　供電電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種不同的電源輸入，一種是直接使用常用的USB電源5V為設(shè)備供電，另外一種是通過LM7805轉(zhuǎn)換芯片對設(shè)備供電，在LM7805芯片輸入端加上合適電壓，輸出端就會輸出5V電壓，兩種供電模式的切換通過P6排針

72、短接跳線帽的方式實(shí)現(xiàn)，簡單方便。本電源單元負(fù)責(zé)為系統(tǒng)的其他單元供電，其中傳感器單元不但需要工作電壓，還需要加熱電壓，使氣室維持一個理想的溫度，使測量結(jié)果盡量準(zhǔn)確。試驗(yàn)證明本系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)可以滿足PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)的供電要求。</p><p>　　電源設(shè)計(jì)的典型電路如圖3.4所示。</p><p><b>　　圖3.4　電源電路</b></p><

73、;p>　　3.2.3　粉塵傳感器電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU在其內(nèi)部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，中心有個洞可以讓空氣自由流過，定向發(fā)射LED光，通過檢測經(jīng)過空氣中粉塵折射過后的光線來判斷粉塵的含量。即使非常細(xì)小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到。實(shí)物圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5　GP2Y1010AU實(shí)物圖</p

74、><p>　　粉塵傳感器GP2Y1010AU安裝保養(yǎng)方便，使用壽命長，精度高，穩(wěn)定性好。又體積小巧，靈敏度高，可以用來測量0.8微米以上的微小粒子，可用于室內(nèi)環(huán)境中香煙煙塵、房屋灰塵、花粉等濃度的檢測。該傳感器還具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），可以搭載高達(dá)7VDC的傳感器。輸出的是一個模擬電壓正比于所測得的粉塵濃度。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，主要技術(shù)參數(shù)如表3.1所示。</p>

75、<p>　　圖3.6　粉塵傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　表3.1　主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　通過對灰塵和煙檢測時輸出波形的區(qū)別研究，作以下介紹：</p><p>　　通常香煙的煙是細(xì)微的粒子，密度高，會擴(kuò)散式的大范圍漂移。然而，灰塵是一個個大顆粒，密度低，斷斷續(xù)續(xù)式的進(jìn)入灰塵傳感器的檢測區(qū)域。所以煙表現(xiàn)是出連續(xù)的較高的輸出電壓，而灰塵表現(xiàn)

76、是出間隔的較高的輸出電壓。因此，根據(jù)傳感器的輸出電壓值在時間上的推移向微機(jī)軟件的讀取，是否有煙/是否有灰塵，不管是哪種狀態(tài)，以及空氣污染的程度是多少，都可以進(jìn)行檢出。具體電路如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7粉塵傳感器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　夏普粉塵傳感器（GP2Y1010AU）其測量結(jié)果為相對濃度（計(jì)數(shù)濃度除外），它和質(zhì)量濃度成正比，有一個修正系數(shù)。但其特點(diǎn)是測量快速，

77、靈敏度高，不怎么需要維護(hù)，適合家用和實(shí)時監(jiān)測。試驗(yàn)證明其性能優(yōu)越，靈敏度較高，滿足本設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.2.4　A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)的歡迎，現(xiàn)已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832各腳功能如表3.2所示。</p

78、><p>　　ADC0832 具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）8 位分辨率；</p><p>　　雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換；</p><p>　?。?）輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容；</p><p>　?。?）5V 電源供電時輸入電壓在 0~5V 之間；</p><p>　?。?）

79、工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32μS；</p><p>　　（6）一般功耗僅為 15mW；</p><p>　　芯片頂視圖如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 芯片頂視圖</p><p>　　表3.2　ADC0832各腳功能</p><p>　　ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其

80、最高分辨可達(dá) 256 級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32us，具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。在本設(shè)計(jì)中ADC0832的功能是將粉塵傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后將信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理，試驗(yàn)證明，本電路滿足本設(shè)計(jì)要求，其具體電路如圖3.9所示。</p&g

81、t;<p>　　圖3.9　A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.2.5　控制調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在本系統(tǒng)中PM2.5濃度過高超過設(shè)定的閥值則系統(tǒng)會報(bào)警并打開空氣凈化器，PM2.5濃度恢復(fù)正常則關(guān)閉空氣凈化器并停止報(bào)警。在本設(shè)計(jì)中凈化器用繼電器控制的LED燈來模擬，即控制它的通斷。</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用松樂繼電器（SRD-05

82、VDC-SL-C），理論上可以開斷的最大功率是2500W,不過我們電壓都是220V，所以可以開斷的最大功率是2200W，但實(shí)際使用要留余量，最好不要超過1100W，如果是容性或感性負(fù)載應(yīng)該留更大的余量。鑒于當(dāng)前大多數(shù)空氣凈化器都屬于小功率電器，所以使用此繼電器符合模擬空氣凈化器的要求。</p><p>　　在本電路中，單片機(jī)引腳P11為高電平時繼電器就會閉合，LED燈就會亮；反之，繼電器斷開，LED燈不亮，具體設(shè)

83、計(jì)電路如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10　控制調(diào)節(jié)電路</p><p>　　3.2.6　LCD顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對應(yīng)的信號到相應(yīng)的管腳就能顯示。字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。本設(shè)計(jì)采用的是字符型LCD1602作為顯示器件輸出信息顯示。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)

84、的16腳接口，有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光功能，主要技術(shù)參數(shù)如表3.3所示。</p><p>　　表3.3　主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　本電路根據(jù)各管腳的功能電路設(shè)計(jì)如圖3.11所示：</p><p>　　圖3.11　LCD1602顯示電路</p><p>　　

85、系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要外加驅(qū)動電路，在本設(shè)計(jì)中LCD1602顯示器顯示內(nèi)容為四項(xiàng)：日期、時間 和 溫度、PM2.5濃度。前兩項(xiàng)和后兩項(xiàng)內(nèi)容6秒切換顯示。試驗(yàn)證明，LCD1602顯示屏滿足本設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.2.7　溫度檢測電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　

86、本設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器選擇的是DS18B20傳感器，其具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。其技術(shù)性能描述如下：</p><p>　　（1）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；</p><p>　?。?）測溫范圍 －55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃；</p><p>　?。?

87、）工作電源: 3.0～5.5V/DC （可以數(shù)據(jù)線寄生電源）；</p><p>　?。?）測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送；</p><p>　?。?）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。</p><p>　　DS18B20傳感器外部有三個引腳

88、，單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ、外接電源端口VDD、地線端口GND。兩種供電方式可供選擇：一種是數(shù)據(jù)線供電的方式，用單片機(jī)的一個I/O口來完成對傳感器總線的上拉。它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量來工作；另一種是外部供電方式，此時VDD接+5V。第二種相對來說完成溫度檢測轉(zhuǎn)換時間較短，固本設(shè)計(jì)選用第二種供電方式，其設(shè)計(jì)電路圖如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12　溫度檢測電路</p>

89、<p>　　DS18B20溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、熱敏感系統(tǒng)等領(lǐng)域。試驗(yàn)證明DS18B20溫度傳感器滿足本設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.2.8　按鍵電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　為防止在設(shè)計(jì)中需要的按鍵較多對單片機(jī)有限I/O口的占用，本設(shè)計(jì)使用了3*3的矩陣鍵盤作為信息的手動輸入方

90、式，在該3*3矩陣鍵盤中，每條水平線和垂直線相交叉處不直接連接，而是通過一個按鍵進(jìn)行連接，這樣在3條水平線和3條垂直線之間就有最多可以有9個按鍵，大大減少了按鍵對單片機(jī)I/O口的占用。本文所涉及的按鍵功能主要是設(shè)置PM2.5濃度閥值相關(guān)按鍵，其他按鍵功能暫作保留，以便為后期擴(kuò)展功能所用。其電路設(shè)計(jì)如圖3.13所示。</p><p>　　圖3.13　鍵盤電路</p><p>　　系統(tǒng)的用戶輸

91、入單元由九個按鍵組成，分別為“設(shè)置鍵”、“確定鍵”、“粉塵濃度上限加鍵”、“粉塵濃度上限減鍵”，其他按鍵功能保留。“設(shè)置鍵”用于告訴系統(tǒng)進(jìn)入中斷，設(shè)置粉塵濃度超限值?！按_定鍵”用于告知系統(tǒng)設(shè)置完成。</p><p>　　3.2.9　時鐘電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)DS1302時鐘模塊為系統(tǒng)提供時鐘功能顯示時間和日期，DS1302芯片是由美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電

92、流充電能力的低功耗實(shí)時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計(jì)時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。采用了雙電源供電（主電源和備用電源）：當(dāng)Vcc2>Vcc1+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電；當(dāng)Vcc2<Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電。DS1302可用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多種測量系統(tǒng)中。</p><

93、p>　　DS1302時鐘模塊與單片機(jī)的連接需要5條線：CE引腳，SCLK串行時鐘引腳，I/O串行數(shù)據(jù)引腳，Vcc為電源，GND為接地端。外接32.768kHz晶振，為芯片提供計(jì)時脈沖。實(shí)驗(yàn)證明完全滿足本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求，具體設(shè)計(jì)電路如圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14　時鐘電路</p><p>　　3.2.10　報(bào)警電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　

94、本系統(tǒng)所采用的報(bào)警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管8050來驅(qū)動，只要單片機(jī)P10引腳為高電平，蜂鳴器就會鳴響，反之則不鳴響。其設(shè)計(jì)電路圖如圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15　報(bào)警電路</p><p><b>　　第4章系統(tǒng)軟件</b></p><p>　　第4.1節(jié)整體設(shè)計(jì)思路</p><p>

95、　　4.1.1　軟件設(shè)計(jì)思想</p><p>　　在系統(tǒng)硬件電路確定以后，其主要功能的實(shí)現(xiàn)將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)軟件基本要求:</p><p>　?。?）可靠性?？煽啃允擒浖O(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。</p><p>　?。?）易理解性、易維護(hù)性。編制的軟件要求易讀，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補(bǔ)充。</p><p>　?。?/p>

96、3）實(shí)時性。系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生并能及時做出處理結(jié)果。</p><p>　　（4）準(zhǔn)確性。保證系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的精度。</p><p>　　本系統(tǒng)采用C語言編寫方法，主要有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）編制的程序效率高，占用存儲空間小，運(yùn)行速度快。</p><p>　?。?）能寫出最優(yōu)化程序，且能反映出計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。

97、</p><p>　　（3）程序模塊化，主程序模塊、顯示模塊、數(shù)模模塊、時鐘模塊等容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植。</p><p>　?。?）中斷響應(yīng)外部事件，提高了系統(tǒng)的實(shí)時處理事件能力。</p><p>　?。?）軟、硬件抗干擾，軟件抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　4.1.2　功能實(shí)現(xiàn)圖</p&g

98、t;<p>　　圖4.1　功能實(shí)現(xiàn)圖</p><p>　　第4.2節(jié)　主要模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1　主程序模塊</p><p>　　軟件要實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送液晶進(jìn)行顯示。程序開始時，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、RAM、定時器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。

99、完成初始化后，開始調(diào)用顯示、讀PM2.5濃度、讀溫度、鍵盤等模塊程序，從而完成顯示、報(bào)警、自動控制調(diào)節(jié)。主程序運(yùn)行流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2　主程序流程圖</p><p>　　4.2.2　液晶顯示模塊</p><p>　　本設(shè)計(jì)所用的顯示器件為1602液晶顯示器，該液晶能顯示32個字符，滿足顯示要求。1602液晶與單片機(jī)是并口通信，由單片機(jī)

100、的P1.4、P1.5、P1.6引腳來控制1602的讀寫數(shù)據(jù)命令功能，單片機(jī)P0口傳輸數(shù)據(jù)到1602進(jìn)行顯示。</p><p>　　圖4.3　1602工作流程圖</p><p>　　4.2.3　矩陣鍵盤模塊</p><p>　　圖4.4　按鍵工作流程</p><p><b>　　第5章　組裝調(diào)試</b></p>

101、<p>　　第5.1節(jié)　調(diào)試分析</p><p>　　5.1.1　電路焊接</p><p>　　硬件電路板焊接調(diào)試時遇到不少問題，由于以前都是在實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)開發(fā)，現(xiàn)在是第一次親自動手設(shè)計(jì)的電路圖，所以在設(shè)計(jì)時考慮不周全，出現(xiàn)的問題必須在調(diào)試時解決。尤其在在焊接過程中，通過仔細(xì)與電路對照，查找到錯誤所在并及時的修正。</p><p>　　應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試

102、和軟件調(diào)試是不可分開的，有許多硬件故障是在調(diào)試軟件時才發(fā)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)硬件電路時，調(diào)試也應(yīng)該同時進(jìn)行，通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后才和軟件結(jié)合起來調(diào)試，如此有利于問題的分析和解決，不會造成問題的積累，從而可以節(jié)約大量的調(diào)試時間。調(diào)試的總原則是本著節(jié)省時間和保證成功率的前提下，分模塊化進(jìn)行調(diào)試，在已經(jīng)調(diào)試成功模塊的基礎(chǔ)上，逐步累加新加入的未調(diào)試的模塊，然后再分級調(diào)試下去，這樣可以保證調(diào)試的逐級進(jìn)行，最后能夠在最有效的時間內(nèi)使整塊開發(fā)板

103、能夠經(jīng)過檢測調(diào)試后能夠按照預(yù)先的要求正常運(yùn)行。</p><p>　　尤其對于供電單元應(yīng)事先做好單獨(dú)調(diào)試，調(diào)試好后。檢查其電壓值、負(fù)載能力、極性等是否符合要求，正確無誤后才能連接到系統(tǒng)上。另外在不插單片機(jī)的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，仔細(xì)測量各點(diǎn)電位是否正常，還特別注意單片機(jī)插座上的各點(diǎn)電位是否正常，防止聯(lián)機(jī)是出現(xiàn)損壞電子器件的情況。</p><p>　　5.1.2　實(shí)物運(yùn)行<

104、/p><p>　　第5.2節(jié)　不足與改進(jìn)</p><p>　　本文完成了基于STC89C52單片機(jī)的PM2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，通過各模塊調(diào)試和系統(tǒng)測試，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)已經(jīng)具有一定的智能化，但是由于本人的學(xué)識、成本控制等各方面的條件限制，設(shè)計(jì)中還有很多方面不夠完善，主要可以在以下幾方面進(jìn)行研究和改進(jìn)：</p><p>　?。?）電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對各模塊

105、電路進(jìn)行參數(shù)測試，針對性的改進(jìn)參數(shù)，力求可以進(jìn)一步的提高工作效率。</p><p>　?。?）粉塵傳感器如果選擇進(jìn)風(fēng)式的產(chǎn)品（專業(yè)的大多有內(nèi)置的采樣泵），其測量值受環(huán)境影響小，會更穩(wěn)定一些。被動采樣在有風(fēng)無風(fēng)時的測量值可能會有很大不同，所以以后會考慮更換粉塵傳感器的型號。</p><p>　?。?）本設(shè)計(jì)尚不屬于專業(yè)測試儀器，只能對空氣質(zhì)量做一個暫定量測試，或者作出一個趨勢性預(yù)測。其檢測數(shù)

106、據(jù)算不上科學(xué)權(quán)威，僅供用作空氣質(zhì)量趨勢參考。</p><p>　　（4）時鐘模塊自帶備用電源，即使在外部斷電的情況下，時間都不會丟失。因此未加入調(diào)時功能，但萬一時間丟失，校準(zhǔn)時間麻煩，因此以后要增加此功能。</p><p>　?。?）雖然實(shí)現(xiàn)了自動控制調(diào)節(jié)，但只是通過繼電器簡單的控制電器電源開關(guān)。目前，智能手機(jī)、智能家居得到大眾青睞，設(shè)計(jì)一個高度智能PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)也是市場需求。本設(shè)計(jì)可

107、以在以后的工作中外擴(kuò)接口，考慮接入RS485遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、ZigBee無線控制系統(tǒng)、以及網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)預(yù)測報(bào)警和信息發(fā)送，并能與家電系統(tǒng)配合聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)家庭室內(nèi)環(huán)境的自動化場景化的模式控制，提高人們的生活質(zhì)量，減少能源消耗，真正做到人性化和智能化。</p><p><b>　　結(jié)　　論</b></p><p>　　隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的傳感器應(yīng)用