基于单片机多功能环境检测系统研究大学本科毕业论文.docx

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基于单片机多功能环境检测系统研究大学本科毕业论文

随着经济的发展，人们越来越关注污染程度日益严重的居住环境。

他们开始利用高科技产品及时对居住环境进行检测，从而及时了解环境状况。

伴随着单片机技术的飞速发展，通过单片机开发的检测仪器越来越小型化和多样化，然而对环境检测的多功能设备却很少被开发出来。

本文主要介绍了基于单片原理开发的环境检测系统。

该系统把单片机的控制技术和传感器技术相结合，开发成多功能环境检测系统。

通过它对温湿度传感器、燃气浓度传感器、甲醒浓度传感器以及粉尘传感器的控制，实现对家庭环境的温湿度、燃气浓度、甲醒浓度、空气颗粒大小的采集。

采集的数值经过AID模数转换，再传输给单片机读取，然后传输给液晶显示屏显示，达到对室内环境的多功能检测和及时显示，使得室内环境状况一目了然。

当检测值超出预设值时，单片机驱动蜂鸣器报警，使得用户及时发现环境的具体状况，从而为用户的居住生活带来舒适和安全。

从而摆脱检测仪器的简单、独立的缺点而实现检测仪器的系统化、小型化、高效率和多功能。

关键词：

室内环境检测，单片机，传感器技术，PM2.5

Abstract

Withthedevelopmentofeconomy,peoplearepayingmoreattentiontothelivingenvironmentpollutionisincreasinglyserious.Theybegantousethehigh-techproductsinatimelymannertotestthelivingenvironment,andinatimelymannertounderstandthestatusoftheenvironment.

Accompaniedbysingle-chipcomputertechnologyrapiddevelopment,throughthesingle-chipmicrocomputerdetectinginstrumentismoreandmoreminiaturizedanddiversifieddevelopment.Detectionofmulti-functionequipmenttotheenvironment,however,israrelydeveloped.

Thisarticlemainlyintroducedthedevelopmentofenvironmentdetectionsystemonthebasisoftheprincipleofsinglechip.Thesystemofthesinglechipmicrocomputercontroltechnologyandsensortechnology,developedintoamultifunctionaltestingsystemenvironment.Throughitssensorfortemperatureandhumiditysensor,thegasconcentrationinthedust,formaldehydeconcentrationsensorandsensorcontrol,implementationofhomeenvironmenttemperareandhumidity,gasconcentrationandtheconcentrationofformaldehyde，theairparticlesthesizeofthecollection.AcquisitionvalueafterAIDanalog-to-digitalconversion,totransmittoMCUreadagain，andthentransferredtotheLCDdisplayshows,reachedfortheindoorenvironmentofthemulti-functiondetectionanddisplayintime,makeindoorenvironmentconditionbeclearatAglance.Whenvaluesbeyondthepresetvalue,MCUdrivebuzzeralarm,allowstheuserenvironmentspecificshapeintime.

Togetridofatestinginstrumentissimple,thefaultsofindependentandsystematictestinginstrument，theminiaturization,highefficiencyandmorefunctionality.

前言

随着经济的发展，生活水平的提高，人们对居住环境的舒适度要求越来越高。

由于经济发展带来的环境污染，使得人们对环境现状越来越关注，对自身的身体健康也越来越看重。

由环境污染给健康带来的危害越来越牵动着人们敏感的神经。

人们也越来越渴望有个干净舒适的居住环境，能呼吸到清新自然的空气。

伴随着科技的快速发展，用科学技术来进行环境的检测，快速准确的反映出环境的现状是当前最直接有效也最普遍的方式。

住房，这个作为人们生活起居的重要场所，它的美观、舒适、以及安全度是每个家庭成员最关心的也最迫切的。

当人们在追求室内环境的美观时，通过大量使用化学合成材料装修房屋，使得房屋美观度大大提高，也留下了甲醒气体危害。

由于环境的变化、气候的异常，粉层污染越来越厉害，造成的鼻炎等呼吸道疾病频繁发生。

因此PM2.5指数也就非常受到大家的重视。

本文的研究的思想就是利用单片机控制技术和传感器技术相结合，以AT89S52单片机为核心，PM2.5粉尘传感器GP2Yl010AUOF、ADC0832模／数转换器、LCD显示屏组成环境检测系统。

它通过对环境地检测实现PM2.5的采集、传输以及读取。

利用LCD显示技术实现数字化显示。

通过单片机将现代科技应用于对家庭环境的多功能检测，由系统自身能处理的一定的措施以及用户根据显示屏上的数据做出相应措施，改善环境状况，使得居住环境更加舒适安全。

1概述

随着工业的快速发展，人类掠夺式地开来资源以及以牺牲环境为代价来换取经济的发展，使得环境污染问题越来越严重，人类的生存环境变得糟糕不堪，因此急需保护环境才能与环境和谐相处。

在环境问题随之突出以来，人类开始利用科技手段对环境进行检测以寻找相应的对环境的改善措施。

1.1环境检测系统的应用现状及种类

对环境进行检测的系统有温湿度检测系统、空气和废气检测系统、光化学烟雾检测系统、有机污染自动连续监测系统、燃气报警系统、粉尘颗粒检测系统等。

环境检测系统的发展现状由以前人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化为主的检测方向发展；由劳动密集型向技术密集型方向发展：

由较窄领域向全方位领域监测的方向发展；由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展：

环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化方向发展而它的检测的方向将是物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展。

目前环境检测开始采用单片机或者PLC为系统核心，组成多功能检测系统，从而实现对环境高效、快速、精确、集成化、智能化的检测要求。

1.1.4粉尘检测研究

由于空气中的粉尘污染日益严重，各个国家都对其的检测研究很深入。

目前检测方法主要利用光吸收、光散射、。

射线和交流静电感应原理制成的检测仪器。

市场上较为常用的型号有：

SIDPAK、DUSTTRAK、LD、P-5L2、SintrolS300系列、CCZ-1000等型号的仪器。

1.2设计目的及其内容

本设计的最终目的是通过单片机与数字控制技术相结合而实现对PM2.5的检测于一体的环境检测系统。

这种检测系统具有制造成本低廉、操作简单而测量精度高、显示迅速的优点。

经过充分的调研、综合分析、对改善室内环境的方法进行比较以及对各种测量方法的对比，本设计基于单片机为系统控制核心，采用显示屏显示和蜂鸣报警，实现高效的室内环境检测的功能。

主要的设计内容如下：

（1）采用AT89S52单片机作为控制核心。

（2）采用GP2Y1010AUOF传感器对粉尘颗粒大小的采集。

（3）LCD显示屏显示所有测量值。

2环境检测系统总体设计

2.1总体系统硬件设计

本系统以AT89S52单片机为核心，主要包括传感器粉尘采集，AID模数转换，单片机控制，显示屏显示。

系统通过传感器电路检测PM2.5值。

2.2系统器件选择

2.2.1单片机模块的选择

2.2.5PM2.5传感器的选择

GP2Yl010AUOF是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子。

其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，通常在空气净化系统中应用。

GP2Yl010AUOF粉尘传感器的性能特点：

①灵敏度：

0.5V/（0.lmg/m3）;

②体积小，重量轻，便于安装；

③5V的输入电路，便于信号处理；

④内藏气流发生器，可以自行吸引外部大气：

⑤保养简单，可以长期保持传感器的特J性：

⑥输出电压〈无灰尘）：

0.9VCTYP）;

⑦消耗电流：

llmA;

应用领域：

可测量0.8微米以上的微小粒子，烟草产生的烟气和花粉，房屋粉尘等。

3环境检测系统的硬件设计

3.1控制硬件模块设计

3.1.1AT89S52单片机介绍

1.

（1）功能特征描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.引脚功能

VCC：

电源

GND:

接地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

2.4P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

2.5P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

2.6P3口：

P3口是一个有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器写选通）

2.7RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

2.8ALE/

：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（

）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

2.9

：

外部程序存储器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，

将不被激活。

2.10

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，

必须接GND。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

在flash编程期间，

也接收12伏VPP电压。

2.11XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

2.12XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.1.2AT89S52单片机时钟电路

AT89S52的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另外一种为外部方式，本论文根据实际需要和简便，采用内部振荡方式，MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。

AT89S52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，所以实际构成的振荡时钟电路，外接晶振以及电容C1和C2构成了并联谐振电路接在放大器的反馈回路中，对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。

晶振的频率可在1.2MHZ~12MHZ之间任选，电容C1和C2的典型值在20pf~100pf之间选择，由于本系统用到定时器，为了方便计算，采用了12MHZ的晶振，采用电容选择30pf。

3.1.3AT89S52单片机复位电路

AT89S52的复位输入引脚RST为单片机提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在AT89S52的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作，只要RST保持高电平，则AT89S52循环复位，只有当RET由高电平变成低电平以后，AT89S52才从0000H地址开始执行程序，本系统采用按键复位方式的复位电路。

3.5AID模／数转换器简介

ADC的应用

在单片机的实时测量和智能化仪表等系统中，常需要将检测的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换为数字量。

单片机对这些数字量进行处理后再对控制对象进行控制。

AD的工作原理与分类

AD是将模拟信号变成数字信号，方便于数字设备接口进行数据处理。

串并行比较型AD

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash（半快速）型。

还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分极

（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行小

。

AD的技术指标

1）分辩率（Resolution）指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。

分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

2）转换速率（ConversionRate）是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。

积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。

采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。

为了保证转换的正确完成，采样速率（SampleRate）必须小于或等于转换速率。

因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。

常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。

3）量化误差（QuantizingError）由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。

通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1L

4）偏移误差（OffsetError）输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

5）满刻度误差（FullScaleError）满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

6）线性度（Linearity）实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。

其他指标还有：

绝对精度（AbsoluteAccuracy），相对精度（RelativeAccuracy），微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonicDistotortion缩写THD）和积分非线性。

ADC0832简介

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种逐次逼近型、8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，有很高的普及率。

学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于单片机技术水平的提高。

ADC0832功能简介

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电压输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

ADC0832的特点

•ADC0832具有以下特点：

•8位分辨率；

•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；

•工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

•一般功耗仅为15mW；

ADC0832引脚功能说明

ADC0832有DIP和SOP两种封装。

DIP封装是8只引脚，SOP封装则是14只脚，请大家在使用的时候注意。

ADC0832时序图

ADC0832的输入通道配置在起始完成后的两位就是通道配置位，均为上升沿有效。

第一位0表示单通道差分输入，1表示双通道单极性输入，第二位表示单通道差分输入时的极性选择或者表示双通道单极性输入时的通道选择。

ADC0832的配置位

当起始位和两位配置位移入移位寄存器后转换便开始。

即从第三个脉冲的下降沿开始转换，同时DI转为高阻状态，DO端脱离高阻状态，为数据输出做准备。

ADC0832的DI端只是在多路器寻址时被检测，此时DO端为高阻态，在转换过程中，DO脱离高阻态，此时DI端和多路器是关断的。

因此DI和DO可以连接在一起。

ADC0832的数据转换

当起始位和两位配置位移入移位寄存器后转换便开始。

即从第三个脉冲的下降沿开始转换，同时DI转为高阻状态，DO端脱离高阻状态，为数据输出做准备。

由此可见，ADC0832的DI端只是在多路器寻址时被检测，此时DO端为高阻态，在转换过程中，DO脱离高阻态，此时DI端和多路器是关断的。

因此DI和DO可以连接在一起。

ADC0832的数据读取

从第三个脉冲之后，经过一个脉冲的延时，以使选定的通道稳定，在第四个脉冲的下降沿，DO端开始输出数据D7，随后一个脉冲下降沿DO端输出下一位数据。

数据输出时先输出最高位，直到第11个脉冲时发出最低位数据DO，一个字节的数据输出完成。

输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据，两次发送的最低位共用。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，将转换后的数据进行处理就可以了。

转换中后面输出的8位数据如果不需要可以不接收。

ADC0832工作流程

CS设置为低，当CS为高时芯片停止接收和输出数据DI电平变为高电平，并在时钟的上升沿保持高电平，表示启动位。

ADC0832的起始完成后的两位就是通道配置位，均为上升沿有效。

配置位设置完后，就可