空气质量检测系统的研制学生科技项目结题报告书.docx
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空气质量检测系统的研制学生科技项目结题报告书
学生科技项目
结题报告
项目名称：
空气质量检测系统的研制
起止年月：
项目负责人：
学院名称：
年级专业
联系电话：
指导教师：
填写日期：
2015-3-29
环境及空气质量综合检测系统的研制
【简介】：
人们越来越注重生活环境的质量，环境及其空气质量的检测将会有一个很好的发展趋势。
而关于环境及空气质量的检测产品还是比较少见的。
本系统正是基于单片机及电子技术方面的专业知识，以单片机AtmelAtmega328作为主要信息处理，通过Sharp光学粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）、DHT11温湿度传感器对外部环境信息进行采集并且能时时显示在显示屏上，与此同时还能与计算机网络进行通信的产品。
具该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
【关键字】：
环境检测单片机传感器与计算机网络通信
Developmentoftheenvironmentandairqualitydetectionsystem
Abstract：
Thereisagrowingemphasisonthequalityofthelivingenvironment,theenvironmentandairqualitytestingwillhaveagooddevelopmenttrend.Inregardtotheenvironmentandairqualitytestingproductsisstillrelativelyrare.Thissystemisbasedontheexpertiseofmicrocontrollerandelectronictechnologies,AtmelAtmega328microcontrollerasthemaininformationprocessing,opticaldustsensorbySharp（GP2Y1010AU0F）,DHT11temperatureandhumiditysensorscollectinformationontheexternalenvironmentandcanalwaysbedisplayedonthescreenAtthesametimealsotocommunicatewiththecomputernetworkproducts.Theproductwiththeproducthasexcellentquality,fastresponse,anti-interferenceability,highcost,etc.
Keywords:
environmentaltestingSCMsensorcommunicationandcomputernetworks
目录
引言3
第一章总体方案理论概述4
1设计方案4
1.1总体方案4
1.2模块器件选择5
1.2.1单片机选择5
1.2.2传感器的选择6
1.2.3无线通信模块6
1.3系统功能模块6
第二章系统各部分器件功能简介7
2.1MCU控制器的处理模块分析7
2.1.1单片机AtmelAtmega328介绍7
2.1.2SPI简要概述8
2.2采集模块功能介绍8
2.2.1粉尘传感器介绍8
2.2.2DHT11温湿度传感器介绍9
2.3无线模块介绍9
2.4显示模块介绍10
2.4.1显示原理10
2.4.2显示特性10
第三章软件程序11
3.1接收程序11
3.2发送程序17
第四章系统调试及指标24
4.1系统调试24
4.1.1外部数据采集调试24
4.1.2无线通信测试24
4.1.3与计算机通信调试24
4.2系统指标24
参考文献25
附录26
引言
当前，随着人民生活水平的不断提高，人们对生活环境的关注更加密切，特别是近年的华北地区的雾霾天气，给群众造成很大的心理影响。
群众是环境污染的直接受害者，他们对于污染的反应最敏感、最强烈，要求也最迫切、最直接。
因此，PM2.5的监测得到政府、群众的高度重视及实际需要。
PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。
它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。
虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。
与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5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的影响更大。
虽然空气质量渐渐引起了人们的重视，但是在市场上面对空气质量进行检测的产品相对来比较少。
一款环境空气质量监测产品，必然会在市面上引起大热。
除此之外，日常生活此类产品将会成为必需品。
总的来说，在当前环境空气质量不好情况下，空气质量监测产品具有很好的应用前景。
因此研发一款对环境空气质量及温湿度进行监测，并能与计算机网络进行通信的产品，提醒人们注意生活周围的环境空气质量，是非常有必要，同时这类产品还能预示人们采取一定的措施来防范空气质量差的问题。
此款环境空气质量监测系统基于单片机结合相关传感器做到能够时时显示并自动生成报表，与远程终端进行通信，远程终端还可以对此遥控这些功能都能很好便利了人们在日常生活中的使用。
对于生产制造方面，这产品性价比极高，在产品质量方面也是有一定的保证，具有超快响应，抗干扰能力强的优点。
综合本次设计的各方面的优点，所设计的产品有将在未来市场中拥有较高的应用地位。
第一章总体方案理论概述
1设计方案
1.1总体方案
主控制器采样单片机，进行主要的信息处理，接收外部的信息（数字与模拟信息）。
运用pm2.5传感器对空气中颗粒物质进行采集和温湿度传感器对空气的温湿度情况进行采集，然后数据返回送到单片机进行处理，之后用SPI总线通信的方式经由无线发送模块发生送到远程终端，远程终端由无线接收模块接收并通过显示屏显示，计算机与远程终端进行连接，计算机网络由此获得相关数据。
整个系统包括如下模块：
MCU中心控制模块，由单片机最小系统组成；外部信息采集系统，由粉尘传感器和温湿度传感器组成；无线通信模块，通过SPI总线通信对无线模块进行配置，使其可以进行发送和接收数据；显示模块，远程终端上，用显示模块显示所接收到的数据。
除此之外，本设计在硬件设计处理上还预留了几个单片机的IO接口供外围的附加的电路提供一些根据需要的扩展功能。
整体电路设计时，应该严格考虑元器件的选择，布板布线的问题，严格计算大电流信号的走线宽度等。
方案框图如下：
1.2模块器件选择
1.2.1单片机选择
51单片机与AVR单片机的比较
①AVR单片机（ATmega16）的时钟源（晶振、内部RC等）可以不经过分频直接提供给CPU使用，而51的CPU主频等于晶振的12分频，ATmega16外部提供16M的晶振，所以AVR单片机的运行速度比51单片机的运行速度要快得多，并且AVR单片机可提供内容1M、2M、4M、8M等可变的CUP频率。
②AVR具有超功能精简指令。
具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32个累加器，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象），有128B～4KB个SRAM，可灵活使用指令运算。
③AVRI/O口是真正的双向I/O口，单片机读取外部引脚电平直接通过PINX读取，不需要像51那样先给I/O口全写1操作后才能读取外部引脚电平，使得单片机读取外部数据更容易。
④AVR内部提供丰富的中断及寄存器资源，光外部中断就有3个，定时器有3个，丰富的寄存器资源使得可以设置外部中断的多种触发方式，以及设置内部定时分频系数，丰富的寄存器资源使得可以对AVR的I/O口进行多功能操作。
⑤两者的CPU构架以及指令集完全不同，51系列单片机所使用的是CISC指令系统，冯诺依曼结构体系的总线；而AVR系列的单片机则使用的是RISC指令系统，哈佛结构的总线，AVR系列的单片机每个震荡周期处理一条指令，而相应的51系列的单片机则需要12个震荡周期来完成一条指令的处理。
⑥针对51系列单片机的I/O脚所体现出来的弊端，AVR单片机做了相应的改进，即加入了控制输入或输出的方向寄存器，从而解决了51系列单片机I/O脚位高电平时同为输入和输出的状态。
综合比较51系列单片机与AVR单片机，在应用方面AVR单片机性能更优于51系列单片机。
因此，选择AtmelAtmega328这款AVR单片机。
1.2.2传感器的选择
通过与其他PM2.5传感器的比较，Sharp光学粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）很好的满足了本设计方案的需求，对于PM2.5的检测其灵敏度刚刚好，在价格方面更是具有其优越性。
总的来说这款粉尘传感器在价格上，性能上都满足了此次设计的要求。
因此，选择了这款Sharp光学粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）。
而温湿度传感器，选择了DHT11温湿度传感器。
1.2.3无线通信模块
nRF24L01+是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器调制器、解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为13.5mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
nRF24L01+适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。
综合其的优点，故选择这款无线通信模块。
1.3系统功能模块
本作品在硬件实现上，利用了模块化设计的理念。
各个电路模块化的优势在于，可以针对每个不同的问题逐一进行解决，既不影响下个模块的测试工作，也使得电路调试难度下降，让每个模块其成为相对独立的个体，因而工作效率大大提高，各模块也得以更好的得到完善。
本设计的各个分模块设计的具体分工工作如下：
1.MCU中心控制：
单片机作为中心控制模块，首先，要搭建一个最小系统。
这个最小系统包括了复位电路，时钟电路，电源电路。
电源电路直接采用直流+5v供电。
时钟电路由12M晶振加上瓷片电容搭建而成。
复位电路采用的按键电平复位电路。
2.外部信息采集模块
对粉尘传感器和温湿度传感器进行供电，将其数据输出端接到单片机IO口，使得单片机获得外部空气粉尘浓度，温度湿度的数据，并进行处理。
3.无线通信模块
利用nRF24L01+无线传送模块，通过SPI总线通信实现了在两个终端之间的数据发送和接收。
4.功能显示模块
显示屏是用1602显示模块，将采集到的粉尘浓度，温湿度信息通过1602显示模块显示出来，这样人们就能够很直观的获得所需要的信息了。
第二章系统各部分器件功能简介
2.1MCU控制器的处理模块分析
2.1.1单片机AtmelAtmega328介绍
AtmelATmega3288位AVR®微控制器是基于RISC的高性能设备，结合了32KBISP闪存、同时读写功能、1KBEEPROM、2KBSRAM、23条通用型I/O线、32个通用型工作寄存器和串行可编程USART等。
AtmelATmega328MCU在一个单时钟周期内可完成强大的指令，使设备获得接近1MIPS/MHz的通量，同时可平衡功耗和处理速度。
技术参数：
1 引脚数：
28/32
2 I/O引脚最大值：
23
3 SPI：
2
4 UART：
1
5 模数转换器：
8个通道、10位分辨率
6 模拟比较器：
1
7 闪存（KB）：
32
8 EEPROM（KB）：
1
9 SRAM（KB）：
2
10 温度范围：
-40-+85°C
特点：
1、高性能、低功率AVR®8位微控制器、先进的RISC架构。
2、131个强大的指令在20MHz时具有高达20MIPS的通量片上两周期乘法器。
2.1.2SPI简要概述
SPI接口的信号组成主要由SDI，SDO，SCK，CS四种信号构成，CS为片选信号，决定选择所要与之通信的从机地址。
在与从机的通讯过程中，SDO作为数据的输出，SDI作为数据的输入，设置决定SDO的输出由时钟决定，可以设置为上升或下降沿的一种，经过8或者16次的时钟不断改变，便可以完成8/16位传输数据的过程了。
（2）SPI的控制的时序如图2-3-3所示
图2-3-3SPI时序
2.2采集模块功能介绍
将粉尘传感器和温湿度传感器与单片机最小系统进行连接，初步形成一个采集系统。
对周围的空气粉尘浓度，温度，湿度进行采集，并通过IO口传输到单片机中去。
单片机对此进行处理转化为二进制数据通过相关IO口存储和发送。
2.2.1粉尘传感器介绍
Sharp光学粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）：
对于像香烟烟雾这样的颗粒十分敏感，红外线发射二极管和光电晶体管对角式地排列在这款设备中，能够检测到空气粉尘中的反射光。
这款传感器的电流消耗很低（最大电流20mA，通常11mA），并且能够在高达7伏的直流电下启动。
传感器的模拟输出电压是同标准灰尘密度成比例的，其灵敏度为0.5V/0.1mg/m3。
产品名称：
GP2Y1010AU0F粉尘检测传感器模块
技术参数
1、电源电压：
DC5±2V
2、工作电流：
20mA（峰值）
3、灵敏度：
0.5V/（0.1mg/m3）
4、最小粒子检出值：
0.8微米
5、清洁空气中电压：
0.9V 典型值
6、工作温度：
-10~65℃
7、存储温度：
-20~80℃
8、使用寿命：
5年
9、尺寸大小：
46mm×30mm×17.6mm
2.2.2DHT11温湿度传感器介绍
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为 4 针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供
2.3无线模块介绍
采用nRF24L01+单片无线收发器芯片。
产品特点：
a.2.4～2.5GHz全球免申请ISM工作频段。
b.125个通讯频道，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求。
c.发射功率可设置为：
0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。
d.实际发射功率≥0dBm（设置为0dBm时测试得出）。
e.SMA接口，可方便连接同轴电缆或外置天线。
f.通过SPI接口与MCU连接，速率0～8Mbps。
g.支持2Mbps、1Mbps和250kbps传输速率。
h.增强型ShockBurstTM，完全兼容nRF2401A、nRF24L01等芯片。
i.支持自动应答及自动重发，内置地址及CRC数据校验模功能。
j.工作电压范围：
1.9V～3.6V，待机模式下电流低于1µA.
k.工作温度范围：
-40℃～+85℃。
2.4显示模块介绍
采用1602LCD液晶显示模块。
2.4.1显示原理
液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
LCD显示的基本原理
字符的显示
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
汉字的显示
汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字
2.4.2显示特性
1 单5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
2 内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）
3 具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或四个5×11点阵字符z显示方式：
STN、半透、正显
4 视角方向：
6点
5 背光方式：
底部LED
6 通讯方式：
4位或8位并口可选
7 标准的接口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
第三章软件程序
3.1接收程序
#include"NRF24L01.h"
#include
#include
//***************************************************
#defineTX_ADR_WIDTH5//5unsignedintsTXaddresswidth
#defineRX_ADR_WIDTH5//5unsignedintsRXaddresswidth
#defineTX_PLOAD_WIDTH32//32unsignedintsTXpayload
#defineRX_PLOAD_WIDTH32//32unsignedintsRXpayload
LiquidCrystal_I2Clcd（0x27,20,4）;
unsignedintstatus=0;
unsignedintkeyPin=7;
unsignedintPower=6;
unsignedintTX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]=
{
0x34,0x43,0x10,0x10,0x01
};//DefineastaticTXaddress
unsignedintRX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]=
{
0x34,0x43,0x10,0x10,0x01
};
unsignedintRX_BUF[TX_PLOAD_WIDTH]={0};
unsignedintTX_BUF[TX_PLOAD_WIDTH]={0};
//***************************************************
voidsetup（）
{
SPI_DIR=（NRFCE+NRFSCK+NRFCSN+NRFMOSI）;
SPI_DIR&=~（NRFIRQ+NRFMISO）;
pinMode（keyPin,INPUT）;
pinMode（Power,OUTPUT）;
delay（100）;
init_io（）;
init_NRF24L01（）;
lcd.init（）;//initializethelcd
lcd.init（）;
Serial.begin（9600）;
}
voidloop（）
{
intt,h,d,key;
intx=0;
digitalWrite（Power,HIGH）;
key=digitalRead（keyPin）;
if（key==HIGH）
{
lcd.noBacklight（）;
}
else
{
lcd.backlight（）;/*接收温度，湿度，PM2.5的值*/
nRF24L01_RxPacket（RX_BUF）;
delay（1000）;
d=RX_BUF[0];
h=RX_BUF[1];
t=RX_BUF[2];
if（isnan（t）||isnan（h））/*用液晶显示三个数值*/
{
lcd.setCursor（0,0）;
lcd.print（"Failedtoread"）;
}
else
{
lcd.setCursor（0,0）;
lcd.print（"H:
"）;
lcd.print（h）;
lcd.setCursor（5,0）;
lcd.print（"%"）;
lcd.print（"T:
"）;
lcd.print（t）;
lcd.setCursor（13,0）;
lcd.print（"oC"）;
delay（500）;
}
lcd.setCursor（0,1）;
lcd.print（"PM2.5:
"）;
lcd.print（d）;
lcd.setCursor（9,1）;
lcd.print（""）;
/*与计算机通信生成报表*/
Serial.write（RX_BUF[0]）;
Serial.write（RX_BUF[2]）;
Serial.write（RX_BUF[1]）;
delay（4500）;
}
}
voidinit_io（void）
{
SPI_PORT&=~NRFCE;//chipenable
SPI_PORT|=NRFCSN;//Spidisable
SPI_PORT&=~NRFSCK;//Spiclocklineinithigh
}
/**************************************************
*Function:
SPI_RW（）;
*
*Description:
*WritesoneunsignedinttonRF24L01,andreturntheunsignedintread
*fromnRF24L01duringwrite,accordingtoSPIprotocol
**************************************************/
unsignedintSPI_RW（unsignedintByte）
{
unsignedinti;
for（i=0;i<8;i++）//
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