细颗粒物PM25检测系统的设计.docx
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细颗粒物PM25检测系统的设计
学号：
1111410011
本科毕业论文（设计）
（2015届）
细颗粒物（PM2.5）检测系统的设计
院系电子信息工程学院
专业电气工程及其自动化
姓名韦德宝
指导教师王俊杰助教
2014年5月
摘要
随着现代工业发展，污染越来越严重，空气质量也越来越受人们关注。
PM2.5检测器也随之被广泛应用。
本课题所研究的PM2.5检测器采用STC89C52为核心控制器，利用气体传感器MQ-2、ADC0809模数转换器的A/D转换原理，将被测的模拟量转化为数字量，然后已数字的形式显示出来，实现基本功能。
并且还使用keil软件进行所需要的程序的编程还有调试，编程结束时，会生成一个hex文件，并将此文件导入已做好的仿真软件中，这样可检测软件编程的正确与否。
控制器STC89C52通过这些传感器和芯片，当环境中烟雾浓度或可燃气体浓度等发生变化时系统会发出相应的灯光报警信号和声音报警信号，以此来实现烟雾报警，当烟雾达到一定的范围时，系统还可以加上驱动继电器工作，继电器可以驱动负载，如换气风扇、报警信号灯、消火栓水龙头开关等。
实现智能报警控制。
关键词：
气体传感器MQ-2；空气质量检测；单片机；智能控制
Abstract
Withthedevelopmentofcity,thepollutionismoreandmoreserious,airqualityisbecomingmoreandmoreattentionbypeople.PM2.5detectorhasbeenwidelyapplied.
ThistopicresearchofPM2.5STC89C52detectorisusedasthecorecontroller,usingMQ-2gassensor,A/DconversionprincipleofADC0809,theanalogueintodigitalquantitywillbemeasured,andthenhasdigitaldisplay,intheformofrealizationofbasicfunctions.Andalsousethekeilsoftwareprogramminganddebuggingoftherequiredprogram,attheendoftheprogramming,generatesahexfile,andthefiletoimportthesimulationsoftwarehasbeencompleted,thesoftwareprogrammingcanbedetectedcorrectlyornot.ControllerSTC89C52throughthesesensorsandchips,whenthesmokeconcentrationintheenvironmentorcombustiblegasconcentrationchangesystemhaveacorrespondinglightalarmsignalsandvoicealarmsignal,inordertorealizethesmokealarm,whensmokereachesacertainscope,thesystemcanalsoadddriverelaywork,relaycandriveload,suchasventilationfan,alarmlights,firehydrantwaterfaucetswitch,etc.tointelligentalarmcontrol.
Keywords:
MQ-2gassensor;Airqualitydetection; MCU; intelligentcontrol
目录
摘要0
Abstract1
1绪论3
1.1课题的研究背景3
1.2课题的研究目的与意义3
1.3PM2.5检测器的发展与现状3
1.4课题的研究内容4
2PM2.5检测器的总体方案设计4
2.1系统的功能要求5
2.2系统的技术要求5
2.3系统的组成及方案设计5
3系统的硬件设计6
3.1主控电路6
3.2烟雾探测电路的设计9
3.2.1MQ-2介绍9
3.2.2ADC0809介绍10
3.3数码管显示电路设计11
3.4声光报警提示电路12
3.4.1灯光提示电路12
3.4.2声音报警电路13
3.5按键电路14
4系统的软件设计15
4.1软件介绍15
4.2系统程序流程图16
5PM2.5检测器的测试结果及结论18
5.1调试18
5.2结论20
致谢22
参考文献23
1绪论
1.1课题的研究背景
随着社会的发展，工业的发展，城市家庭的私家车持有量剧增，气候的变化使污染物不断积累，还有草原的沙漠化，生物质燃烧量，如秸秆焚烧，对大自然的排放的废物越来越多，其中对空气质量有着比较大的影响，最明显的就是近几年的雾霾现象，就是空气质量明显下降所表现出的现象，形成这一现象原因就是空气中细颗粒物的含量过高的所产生的，细颗粒物又称作PM2.5.PM2.5面积大，颗粒直径下，活性强，有可能附带有毒、有害物质，例如，重金属、微生物等，而且在大气中的飘行距离比较远，在空气中滞留的时间也比较长，从而对人们的身体的健康产生一些影响.
1.2课题的研究目的与意义
人们的身体健康会受细粒颗粒的影响，因为细粒颗粒物的直径足够小，就可以足够的深入呼吸道。
10μm直径的细粒颗粒会在呼吸道上随着时间进行积累，2μm以下的，因为细粒颗粒足够的小，就可以足够的深入呼吸道的内部。
如果肺泡有细粒颗粒物，则通气功能会被其影响，人体就会有缺氧的可能。
细颗粒物会使呼吸道受刺激，咳嗽，呼吸困难，降低肺功能，加重哮喘，导致慢性支气管炎，心率失常，因此，对细颗粒物进行研究并预防就很有必要，此时可利用烟雾传感器对空气进行检测，如果目标空气的pm2.5含量超过预定值，则烟雾传感器报警，此时就不适宜在此空气条件下进行活动。
而且最近几年火灾事故的频发，使得人们提高了对火灾的警惕，故烟雾传感器可用于火灾易发生的场所，对于火灾的预防和检测起到非常显著的作用
1.3PM2.5检测器的发展与现状
国内外有很多PM2.5检测器，主要由信号采集，信号处理，数字显示以及对参数控制等一些部分组成。
世界各国对PM2.5检测都做了大量的研究，开发出一系列检测器，尤其是细颗粒物浓度传感器的出现，解决了粉尘以往传感器不能实时监测作业场所细颗粒物浓度的问题。
国内PM2.5检测技术发展比较晚，主要以采样器，直读式检测器为主，最近几年，随着信息技术的发展及光电技术，计算机技术的提高，国内产的GCG500传感器在市场上得到了广泛的使用。
1.4课题的研究内容
烟雾报警器，主要检测可燃气体和烟雾，再通过单片机控制相应的声光报警。
通过数码管显示当前的烟雾值，通过按键设定相应的阀值。
该项目主要是为了完成任务，包括：
⑴硬件部分：
包括传感器的选择，显示模块的选择，烟雾信号转换电路的设计，报警驱动电路的设计。
（2）软件部分：
包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。
（3）系统的综合调试与分析：
在其他的工作完成后，对系统完成任务的情况进行调试和评测，然后分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。
。
2PM2.5检测器的总体方案设计
本课题主要是实现对已设置的pm2.5值的报警及控制，下面分别对系统功能要求、系统技术要求及系统实现方案总体阐述。
2.1系统的功能要求
本系统的研制主要包括以下几项功能：
（1）烟雾探测功能：
为了提高烟雾报警的准确性和及时性，烟雾报警系统需要使用各种方法进行烟雾探测。
在实际使用中，根据不同的场所，有效的探测烟雾的方法是根据一些物理特性来进行探测，比如温度，可燃性气体，可根据用户的需求来选择；
（2）灯光报警功能：
当被测对象空气中的颗粒物浓度大于所设定的值得浓度，报警器就会用灯光来报警，驱动电路可以驱动火灾控制负载工作。
2.2系统的技术要求
为了实现我们实验的目的，我们就知道我们的实验所需的要求，也就可以确定这个系统的所需的要求，根据这些要求，我们可以选用单片机，因为它的成本低，而且产能也很充足，可以应付我们实验的要求，这样可以使我们实验的系统具有体积小，耗能低，而且性能相对稳定的优点，也可以使我们的实验更容易完成，具体的要求如下:
（1）体积小：
探测器的体积要很小，这样才能使占用的空间减少，使用或者更换才会更方便；
（2）功耗低：
系统可以5v电源供电。
（3）可靠性高:
由数码管显示，既可以灯光报警，也可以声音报警，二者可以同时进行。
提高报警的可靠性。
2.3系统的组成及方案设计
本设计主要由烟雾探测传感器电路、单片机、灯光报警电路、负载驱动电路、控制程序和编解码程序等组成。
系统的组成结构如下：
图2.1
3系统的硬件设计
3.1主控电路
STC89C2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，并且还是一种高性能，低能耗的的一种单片机，而且这种单片机还拥有更加丰富的硬件资源，而且它的存储也为开发和应用带了不小的方便，这就是为什么STC89C52可以为一些嵌入式控制系统提供高灵活、高效率的运行结果。
也就是为什么此次实验我们采用STC89C2的原因。
STC89C52引脚介绍
①2根主电源引脚
VCC一端是用正5伏的电源来接通的，其引脚为Pin40。
GND一端和地线相连接，其引脚为Pin20。
②2根外接晶振引脚
XTAL1一端是输入片内振荡电路的一端，其引脚为Pin19。
XTAL2一端是输出片内振荡电路的一端，其引脚为Pin20。
③4根控制引脚
RST/VPP是改引脚出现用2个机器周期的高电平就可以来进行复位功能的引脚，其引脚为Pin9。
ALE/PROG是会使地址锁存的信号锁存的一端引脚，其引脚为Pin30。
PSEN是会使外部存储器读选通的信号的一端引脚，其引脚为Pin29。
EA/VPP是会让程序存储器的内部和外部进行选通，如果接入低电平，会从外部程序存储器读取指令，如果接入高电平，会从内部程序存储器读指令的一端引脚，其引脚为Pin31。
④32根可编程输入/输出引脚
STC89C52单片机有8位的可编程I/O口，一共有4组，这些位是P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，即8根引脚，一共32根。
P0口为P0.0～P0.7，是8位双向I/O口线，Pin39～Pin32
P1口为P1.0～P1.7，是8位准双向I/O口线，Pin1～Pin8
P2口为P2.0～P2.7，是8位准双向I/O口线，Pin21～Pin28
P3口为P3.0～P3.7，是8位准双向I/O口线，Pin10～Pin17
工作频率为35Mhz，可选6T/12T。
图3.2STC89C52DIP封装图
最小系统包括单片机包括其所需要的时钟，电源、复位等部件，这样单片机会处于正常的运行状态。
单片机能运行的必备条件是有电源、时钟等电路，核心部分就是最小系统的应用系统，通单片机能完成较复杂的功能，是因为有存储器扩展，模数转换扩展等。
STC89C52是一种拥有简单并且可靠的芯片的单片机，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
（1）时钟电路
STC89C52单片机的时钟信号一般有两种方式来产生：
内部时钟方式是第一种，外部时钟方式是第二种。
在我们的试验中，我们使用的时钟信号方式是内部时钟的方式，如图3.4所示。
内部的时钟脉冲信号是由单片机的自激振荡器形成。
图3.4STC89C52内部时钟电路
（2）STC89C52中断技术
如果没有中断技术，那么CPU不能处理其他的事情，只能等到任务完成才可以继续进行，这样的话效率就会低很多，于是就算出现了中断技术，当任务中有其他的需要优先处理的任务时，先中止当前任务，先去处理更高优先级的任务，更好优先级的任务完成后，才返回原来的任务，继续从刚刚的中止的地方继续完成任务，这样就可以高效的利用CPU，并且节约了不少的时间。
3.2烟雾探测电路的设计
图3.7烟雾探测电路
如图3.7所示，在这个电路中，有两个部分，一个是烟雾传感器，这部分的功能是来检测烟雾，ADC0809将受到刚刚由烟雾传感器检测完的电压信号，单片机会读取模数转换电路将模拟信号转换成数字信号的数值由并进行处理。
3.2.1MQ-2介绍
MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，而且它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。
MQ-2型气敏元件具有以下特点：
（1）长期工作的稳定性。
（2）单功耗低。
（3）性能优秀。
（4）广泛的探测范围
（5）高灵敏度／快速响应恢复
（6）优异的稳定性／长寿命
（7）简单的驱动电路
MQ-2型气敏元件有两种型号。
一种适用于一般的无毒的气体，另一种适用于有毒的气体。
3.2.2ADC0809介绍
ADC0809芯片有28条引脚，封装是双列直插式，如图所示。
各引脚功能如下。
IN0～IN7是具有8路模拟量的输入端。
2-1～2-8是具有8位数字量的输出端。
3位地址输入线分别是ADDA、ADDB、ADDC，功能是选通8路模拟输入中的一路
ALE的作用是地址锁存允许的信号，不过要输入高电平才有效。
START是A/D转换启动脉冲输入端，启动它要输入一个正脉冲（ADC0809复位是由脉冲上升沿触发，启动A/D转换由下降沿触发）。
A/D转换的结束信号是EOC，，当此端输出一个高电平，则A/D转换结束时（转换期间一直为低电平）。
数据输出允许信号是OE，高电平才可以触发。
如果此端输入一个高电平，并且输出三态门打开，然后进行数字量输出，则表示A/D转换结束。
CLK是时钟脉冲输入端。
功能是使时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）是基准电压。
Vcc接入+5V的电源。
GND：
地。
首先输入3位地址，并使ALE=1，这样会让地址锁存器存入地址。
译码选通8路模拟输入之一会让此地址译码到比较器。
寄存器复位使用的是START上升沿将逐次逼近的方法。
A/D转换由下降沿启动，EOC输出信号变低，与此同时表示转换正在进行。
到A/D转换完成时，它的输出值变为高电平，与此同时表示A/D转换结束，已存入锁存器保存结果数据，中断申请可以使用该处理过的信号。
当高电平输入OE时，与此同时输出三态门会打开，数据总线上会接收输出结果。
刚刚的结果在传送给单片机进行处理，而这些数据是由A/D转换后得到。
如何确认A/D转换的完成是数据传送的关键，因为只有确认数据传输完成后，才能进行下一步的传送过程。
这里会介绍三种传送方式。
（1）定时传送方式
无论哪一种A/D转换器，它的转换时间是一个固定的，因为它的硬件是固定的，是已知的。
有个例子，比如ADC0809转换时间为128μs，这个值是固定的，就是和64个机器周期的6MHz的MCS-51单片机是差不多的。
一个延时子程序就可以根据这个特性来进行设计，调用此子程序可以实现A/D转换启动，延迟时间一到，就可以完成转换，数据传送就可以继续进行。
（2）查询方式
A/D转换芯片有一种信号，它表示转换完成，有个例子，就比如ADC0809的EOC一端。
如果转换完成，就可以用此查询方式，并且查询EOC的状态，如果完成了，数据传送就可以继续进行。
（3）中断方式
中断请求信号是一种表示转换已经完成的一种信号即EOS，进行数据传送是用中断方式的来完成的。
无论哪一种方式让转换完成进行确认，那么数据传送就可通过指令来进行。
首先送OE信号有效，然后让单片机接受送上数据总线的转换数据。
3.3数码管显示电路设计
图3.8数码管显示电路设计
LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
数码管分为动态显示和静态显示驱动两种。
，第一种静态显示方法是都用一个单片机的I/O端口来驱动任何一个段码，第二种是使用二-十进制的译码器进行驱动译码，比如BCD。
编程简单，这是静态驱动的优点，显示亮度高也是他的优点，占用I/O端口多，这就是它的缺点，如果要5×8=40根I/O端口来驱动，才可以驱动5个数码管用于静态显示，这样占用的端口实在是太多了，在一些的条件下是无法实现的占用这么多的端口，实际条件的应用下若要驱动就必须要增加其他的设备，这样的话设计起来考虑的东西就会更多，更加不好设计，时间和材料的成本和也就会提高。
但是单片机中实际运用中应用最为广泛的一种显示方式是数码管动态显示接口，就是通过每个数码管的选通控制电路是可以由数码管的公共极COM增加位来实现，当单片机输出字形码时，相同的字形码会输入所有数码管，但字形会由数码管怎样显示，是受对位选通COM端电路的控制来影响的。
在轮流显示过程中，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，并且每位数码管的点亮时间只有1到2ms，所以实际上各位数码管不会同时接通，但只要有足够快的扫描的速度，人体就会感觉就是显示了一组稳定的显示数据。
动态显示比静态显示的优点是如下，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
本设计利用三极管驱动数码管，用4.7k电阻起到限流作用，使得数码管亮度适中。
3.4声光报警提示电路
3.4.1灯光提示电路
图3.9左下为灯光提示电路
LED英文单词的缩写，主要含义：
LED=LightEmittingDiode，发光二极管。
，它的作用是能够将电能转化为可见光的的一种装置，；它改变了白炽灯钨丝发光和节能灯三基色粉发光的原理是通过这个装置来改变的，并且，这个装置采用的的原理是电场发光。
根据有效的资料和实验，LED的特点有如下，使用时间长、能量转换的效率高、产生的辐射低与产生的耗能低。
这是新世纪的新一代光源代表，LED因其产生的高尼特的亮度、热损耗低的耗能、长时间使用、无毒物质的产生、可回收再利用等是LED之所以成为新一代光源的原因，这就是为什么21世纪最有发展前景的绿色照明光源是LED。
我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过多年的开发与发展，景观照明和普通照明等场景是产品的主要运用的地方，我国是世界上运用照明和生产照明电器的主要大国之一。
近几年来，随着人们对半导体发光材料不断开发，对材料的不断地研究，人们对这项技术不断地了解，于是就让LED制造工艺的不断的上升和对新材料的开发与应用，比如氮化物晶体和荧光粉这些材料就运作在LED显示技术上，LED已经有了一些飞跃式的进展，比如运用各种颜色的高亮度显示，还有功耗的明显降低，也就使其的效率上升了近1000倍，可见光波段可以显示各种颜色，这是在色域一方面的明显进步，还有最具发展潜力的LED就是超高亮度的白色LED，这就有这样一种潜能，让LED运用到市场，最终普及的可能。
还有这么一种可能，LED是新世纪最有用的创造。
本设计利用LED显示来指示PM2.5报警。
3.4.2声音报警电路
图3.10右上为声音报警电路
这种装置是一个电子报警器，具有报警的功能，也就是蜂鸣器，这种装置需要使用直流电压的方式来进行供电的方式，这种装置的使用场景比较广泛，玩具中，家用电器，汽车电子，它最为一种报警器件来报警以示提醒。
这种装置有2种类型，第一种是压电式，第二种是电磁式。
第一种的压电式是由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱及阻抗匹配器、外壳等组成。
一些压电式的外壳上还装有发光二极管来进行光源报警。
晶体管或集成电路构成的多谐振荡器。
它的作用是接通电源后，比较低的电压,多谐振荡器起振,会产生音频信号，这些信号的频率是1.5~2.5kHZ，匹配的阻抗会让蜂鸣器工作即报警警示。
第二种是电磁式，电磁式蜂鸣器由电磁线圈、振荡器、振动膜片，磁铁及外壳等组成。
接通电源后，通过电磁线圈音频信号电流是由振荡器产生的，产生的磁场就是由电磁线圈产生的。
本次的设计采用有源蜂鸣器。
三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。
3.5按键电路
本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理
单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：
独立键盘每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。
独立式键盘接法比较适合我们实验的场景。
根据单片机I/O口读取口的电平高低来取决于是否有键按下，这样可以实现独立式键盘。
让常开键的一端I/O口，另一端接地，一开始I/O口置于高电平这是有程序控制的，若要I/O口保护高电平，则表示此时无键按下。
若I/O口为低电平，则表示有按键按下。
按键松开后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。
如果我们想知道按键动作的产生与否，我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以知道了。
在用单片机有一个不可缺少的一步对于键盘的处理，那就是键盘去抖。
这里的键盘抖动，不是我们在按键时通过注意可以避免的，而是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象。
这种抖动一般10~200毫秒之间，这种抖动对人来说是不可感知的，但是对机器来说是可以感知的。
硬件去抖动就是用硬件电路的方法来改善抖动的可能性，软件去抖动不是去掉抖动，而是处理已经稳定的键盘，而这稳定的键盘是避开键盘抖动的时候。
所以这里选择了软件去抖，实现的方法是检查按键当有低电平出现时延时100毫秒以避开抖动的时间（经典值为20毫秒），再检查一次I/O口的值在延时完成之后，若此时的值为1表示低电平的时间不到100毫秒，则此时的信号为干扰信号。
若此查询的值是0时，则此时的信号表示按键按下了，就会调用对应的处理程序。
硬件电路如图3.12所示：
图3.12按键电路
图3.1总体电路
如图3.1所示，上面的图为protel99se所画，实时显示当前的PM2.5值，共有3个按键来设置报警值。
4系统的软件设计
4.1软件介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的一种软件开发系统，它可以兼容单片机的软件开发，并可以使用的是C语言，而且C语言比汇编更有一些优点，比如方便，易被开发者理解，传递性理解更加有可能，所以，C语言传播性比汇编更加广泛，而且在修改上也更加容易。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件。
Windows操作系统里的软件设软件就可以使用这个软件，这个软件可以用于网页设计以及电路原理图的设计，，
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