基于51单片机的监测PM25的采集器设计.docx
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基于51单片机的监测PM25的采集器设计
基于51单片机的监测PM2.5的采集器设计
摘要：
随着社会发展，我们的生活质量也不断地提高，例如家家户户都会至少买一辆小汽车，方便出行；家具装修会越来越精致，住宅环境越来越美观，因此装修过程中使用的各种化学原料也比以前多等等。
所以在我们追求生活质量的同时，也留下了如甲醛等一些对人体有害的气体，还有汽车不断增加，尾气排放也不断增加，这些各种有害气体正悄悄的侵害着我们的健康。
环境的变化侵扰着我们的呼吸系统，患上鼻炎等呼吸道疾病的人群越来越多，所以，在提高生活质量的同时，我们也要开始注意生活环境变化带来的一些例如空气污染的弊端。
本设计正是基于这些情况，拟设计一款PM2.5的报警器，该设计基于单片机STC89C52控制，结合PM2.5测传感器ZPH01模块和LCD1602液晶显示模块，达到可以监测身边的PM2.5浓度的设计效果。
关键字：
PM2.5单片机粉尘浓度液晶显示
1.引言
1.1目的和意义
1.1.1设计的意义
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。
测量的方式也随着科技进步在转化，例如以前大多是人工测量，然后把数据收集后也人工分析，工作量大，而且有人为误差，有可能他们的测量习惯不一样，导致不同的测量者测量出来的数据往往也有偏差，而现在，测量一般都利用更智能化的测量产品替代测量了，如空气质量检测仪，这类型的测量产品，应用先进的粉尘传感器，结合具有良好控制性能的单片机做控制数据处理模块，使得测量结果更准确，也更标准。
对于PM2.5，因为我们肉眼无法看到这些颗粒，也无法感知它们的浓度，只有通过监测仪器才能时刻关注着空气中这些颗粒的浓度变化，更好的做好防范措施，保障自己的健康。
1.1.2设计的目的
本设计将利用大学所学知识，制作一个基于STC89C52单片机，可以测量PM2.5浓度并把具体数值反馈出来的PM2.5监测器。
该监测器可以通过粉尘传感模块直接采集数据并直接反馈给单片机系统，由单片机作数据处理并输出到液晶显示屏。
而且，该设计也考虑到了它的通用性，所以本设计如果想换其他的单片机型号模块，只需要相应的改变一下连接的地址，具有可继承性，实用性，后续继续调试优化都很方便。
2.本设计主要控制模块和主要器件介绍
本次设计是基于51单片机的粉尘颗粒检测，也称为PM2.5检测，主要的功能就是检测出PM2.5数据并且将数据显示到液晶上，同时增加数据超限报警的功能。
那么根据本次设计的功能，最终硬件方面主要就五大部分：
单片机控制部分、定时器/计数器部分、液晶显示部分、按键处理部分、报警部分电路以及PM2.5检测部分电路。
下面图1是本设计的基本硬件组成图。
图1本设计的基本硬件组成图
2.1主要控制模块：
STC89C52单片机
主控模块是在整个系统中起着协调作用的主要模块，主要作用是控制协调电源模块、1602LCD液晶显示屏模块、ZPH01粉尘传感器模块、按键电路模块和报警电路之间的工作。
本设计拟使用STC89C52单片机作为主控模块，是一种51内核的单片机，片内含有丰富的功能模块，它接口丰富，在整个设计系统模型里面，功能强大却不耗电，可以让产品续航能力更强，接口丰富也使得这种控制元件下的设计产品后期可扩展能力强。
选择它作为这次设计的单片机模块还有一个原因是，大学期间曾经学习使用过这个单片机，正好可以借这次机会学以致用。
封装图
如下图2所示：
图2STC89C52单片机封装图
2.1.1STC89C52单片机的主要特性
STC89C52是一种微处理器（CPU），它有优秀的参数，有断电数据保护功能，在这里就不一一详述了，同时C52还可以直接使用串口下载。
相比STC89C51单片机，STC89C52的程序存储空间大一倍，同时C52还多了一个定时器，可以说功能更为多一点。
下图是STC89C52单片机的芯片管脚图：
2.1.2STC89C52引脚介绍
下面图2是STC89C52的详细引脚图
图2STC89C52详细引脚图
部分引脚功能介绍：
VCC（40引脚）：
电源电压
VSS（20引脚）：
接地
P3.1TXD（串行输出口）
P3.3（外部中断1）
P3.4T0（定时器0的外部输入）
P3.5T1（定时器1的外部输入）
P3.6（外部数据存储器写选通）
P3.7（外部数据存储器读选通）
VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
首先要接上GND，外部存储器才会执行读取从0000H到FFFFH的指令。
当要执行来源于单片机内部的程序指令时，先把接GND换成接VCC。
当使用Flash进行编程时，也接收12伏VPP电压。
2.1.3定时器/计数器
89单片机至少有两个16位内部定时器/计数器（T/CTimer/Counter）。
它们既可以编程为定时器使用，也可以编程为计数器使用。
T/C是加1计数的，不支持减1计数。
当T/C工作在定时器时，计数频率=当前单片机工作频率/12。
当单片机工作在12MHz时，计数频率=1MHz，单片机每1us计数值加1。
当T/C执行计数器功能时，首先是引脚T0、T1，即口P3.4、P3.5收到计数脉冲信号输入，然后这两个引脚就会把计数值加1。
在这里，T0或T1口可计数外部脉冲的最高频率计算公式是：
单片机的实时工作频率/24，所以根据这个公式，如果单片机工作频率是14.4MHz，则它的最高计数频率是600KHz，高于该频率将计数出错。
TMOD在内存RAM中位于特殊功能寄存器区的89H处，下面是功能寄存器各个位的功能表。
表1特殊功能寄存器位数功能表
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
T1控制字
T0控制字
当GATE执行置0操作，定时器/计数器只受TCON的TR0控制，相应的TR0为0时，T0执行停止工作指令，TR0为1时，T0执行开始工作指令。
当GATE执行置1操作，定时器/计数器的工作模式同时受TCON和外部引脚P3.2共同控制，相应的，P3.2收到高电平信号和TR0=1两个条件共同满足，定时器/计数器才执行开始工作指令。
C/T位则控制T0的工作方式。
C/T位执行置0操作时，T0转换到定时模式，定时模式使用的计数容器是TH0到TL0一共16位，TH0和TL0组成的16位计数容器中的数据就会每隔1微妙自动加1。
C/T位执行置1操作时，T0转换为计数模式，由TH0和TL0组成的16位计数容器会对从单片机外部引脚P3.4输入单片机的脉冲进行计数，每输入一个脉冲，则TH0和TL0组成的16位计数容器中的数据会自动加1。
如果TMOD高4位中的C/T=0，表示T1工作在定时方式，而当C/T=1表示T1工作在计数方式。
具体见下表2：
表2TH0和TL0构成的16位计数容器的计数方式的描述表
工作模式
TH0和TL0构成的16位计数容器的计数方式的描述
模式0
此时TH0和TL0构成16位计数容器，最大计数范围0～65535共65536个数
模式1
此时TH0和TL0构成16位计数容器，最大计数范围0～65535共65536个数
模式2
TH0和TL0成为两个8位计数器，TH0中的数据固定为开始设定的值不变，TL0中数据按晶振12分频后速度自动加1至溢出，TH0中数据自动拷贝给TL0，在此基础上自加，TL0如此循环自加
模式3
只有T0可用于本模式，T1不可以，TH0和TL0由共同组成的16位计数器转换成两个独立的8位计数器，且TH0只能用于定时方式；TL0可以工作与定时方式也可以工作与计数方式
定时器/计数器控制寄存器TCON如下表所示，既可以进行字节寻址也可以进行位寻址。
表3定时器/计数器控制寄存器TCON表
TCON
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
TF1—T1是溢出标志位。
当出现溢出现象时，寄存器会向CPU申请中断进入终端服务程序，TF1又由硬件清零0，也可以软件清零0。
TF0—T0溢出标志。
其功能操作与TF1相同。
TR1—T1运行控制位，可通过软件置1或0来启动关闭定时器1。
TR0—T0运行控制位，其功能操作与TR0相同1。
表4中断允许寄存器IE位数功能表
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
EA
ET2
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
当ET0=1（SETBET0）时，单片机的CPU能够在定时器/计数器T0的计数容器发生溢出时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序；当ET0=0（CLRET0）时，单片机的CPU不能够在定时器/计数器T0的计数容器发生溢出时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序。
当ET1=1（SETBET1）时，单片机的CPU能够在定时器/计数器T1的计数容器发生溢出时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序；当ET1=0（CLRET1）时，即使定时器/计数器T1的计数容器发生了溢出，单片机也不能中断主程序而去执行相应的中断服务子程序。
EA为总中断允许控制位，将EA位设置成0关中断。
2.1.4外部中断
单片机正在主程序里无穷无尽的循环的时候，突然发生了一个紧急事件，程序就“飞”到了另一处（发生突发事件的地方）执行，处理完突发事件后又自己“飞”回到主程序中继续执行。
表1中断允许寄存器IE功能表
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
EA
ET2
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
8051系列单片机有5个事件可以中断单片机正在执行的主程序，分别是定时器/计数器T0和T1计数容器溢出、外部引脚P3.2和P3.3上的信号以及串口通讯中断；8052系列单片机比8051单片机多一个引起中断的事件就是定时器T2，中断允许寄存器IE就是用于设置单片机，当相应的事情发生时是否通知单片机的CPU中断当前执行的任务并“飞”出去做相应的处理的。
下面分别介绍中断允许寄存器IE中各位的功能。
1、EX0
当EX0=1（SETBEX0），同时在单片机P3.2引脚上出现中断信号时，单片机会中断主程序的执行“飞”往中断服务子程序去执行，执行完中断程序后通过中断返回指令RETI自动返回主程序继续执行。
当EX0=0（CLREX0），即使单片机P3.2引脚上出现中断信号，程序也不会从主程序“飞”出去执行。
因为此时单片机的CPU相当于被“堵上了耳朵”，根本接收不到P3.2引脚上的中断信号。
2、ET0
当ET0=1（SETBET0）时，单片机的CPU能够在定时器/计数器T0的计数容器发生溢出时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序；当ET0=0（CLRET0）时，单片机的CPU不能够在定时器/计数器T0的计数容器发生溢出时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序。
3、EX1
当EX1=1（SETBEX1）时，并且外部P3.3引脚上出现中断信号时，单片机的CPU会中断主程序而去执行相应的中断服务子程序；当EX1=0（CLREX1）时，即使外部P3.3引脚上出现中断信号，单片机的CPU也不能中断主程序转而去执行中断服务子程序。
4、ET1
当ET1=1（SETBET1）时，单片机的CPU能够在定时器/计数器T1的计数容器发生溢出时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序；当ET1=0（CLRET1）时，即使定时器/计数器T1的计数容器发生了溢出，单片机也不能中断主程序而去执行相应的中断服务子程序。
5、ES
当ES=1（SETBES）时，单片机的CPU能够在串口发送完或接收完一个字节数据时中断主程序而去执行相应的中断服务子程序；当ES=0（CLRES）时，即使单片机的串口发送完或接收完一个字节数据也不会产生中断。
6、EA
EA为总中断允许控制位，将EA位设置成0关中断。
2.1.5串口通信
一条信息的各位数据被逐位顺序传送的通信方式成为串行通信。
根据信息的传送方向，串行通信可以可以进一步划分为单工、半双工和全双工3种。
信息只能单方向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送为半双工；信息能够同时双向传送则成为全双工。
8051系列单片机有一个全双工串行口，全双工的串行通信只需要一根输出线和输入线。
串行通信又有异步通信和同步通信这两种方式。
异步通信用起始位“0”表示字符的开始，然后从低位到高位逐位传送数据，最后用停止位“1”表示字符结束。
一个字符又称作一帧信息，一帧信息包括1位起始位、8位数据位、1位停止位，若数据位增加到第9位，在8051系列单片机中，第九位数据可以用作奇偶校验位，也可以用作地址/数据帧标志。
8051系列单片机串行I/O接口的工作原理就是：
当要发送数据时，单片机自动将SBUF内的8位并行数据转换为一定格式的串行数据，从TXD引脚按规定的波特率来输出；当要接收数据时，要监视RXD引脚，一旦出现起始位“0”，按规定的波特率将外围设备送来的一定格式的串行数据转换成8位并行数据，等待用户读取SBUF寄存器，若不及时读取，SBUF中的数据有可能被刷新。
8051系列单片机上有通用异步接收/发送器用于串行通信，发送时数据由TXD引脚输出，接收时数据从RXD引脚输入。
有两个缓冲器（SerialBuffer），一个作发送缓冲器，另外一个作为接收缓冲器。
UART是可编程的全双工的串行口。
SBUF是可以直接寻址的专用寄存器。
物理上，它对应着两个寄存器，即一个发送寄存器一个接收寄存器，CPU写SBUF就是修改发送寄存器；读SBUF就是读接收寄存器。
接收器是双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能及时的响应接收器的中断，没有把上一帧的数据读走而产生两帧数据重叠的问题。
对于发送器，为了保持最大的传输速率，一般不需要双缓冲，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠问题。
SCON是一个逐位定义的8位寄存器，用于控制串行通信的方式选择、接收和发送，指示串口的状态，SCON即可以字节寻址也可以位寻址，字节地址98H，地址位为98H~9FH。
它的各个位定义如下：
表1SCON各个为的定义表
MSB
LSB
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
SM0和SM1是串口的工作方式选择位，两个选择位可以分出四种工作方式。
SM2在工作方式2和3中是多机通信的使能位。
在工作方式0中，SM2必须为0。
在工作方式1中，若SM2=1且没有接收到有效的停止位，则接收中断标志位RI不会被激活。
在工作方式2和3中若SM2=1且接收到的第9位数据（RB8）为0，则接收中断标志RB8不会被激活，若接收到的第9位数据（RB8）为1，则RI置位。
此功能可用于多处理机通信。
REN为允许串行接收位，由软件置位或清除。
置位时允许串行接收，清除时禁止串行接收。
TB8是工作方式2和3要发送的第9位数据。
在许多通信协议中该位是奇偶位，可以按需要由软件置位或清除。
在多处理机通信中，该位用于表示是地址帧还是数据帧。
RB8是工作方式2和3中接收到的第9位数据（例如是奇偶位或者地址/数据标识位），在工作方式1中若SM2=0，则RB8是已接收的停止位。
在工作方式0中RB8不使用。
TI为发送中断标志位，由硬件置位，软件清除。
工作方式0中在发送第8位末尾由硬件置位；在其他工作方式时，在发送停止位开始时由硬件置位。
TI=1时，申请中断。
CPU响应中断后，发送下一帧数据。
在任何工作方式中都必须由软件清除TI。
RI为接收中断标志位，由硬件置位，软件清除。
工作方式0中在接收第8位末尾由硬件置位；在其他工作方式时，在接收停止位的中间由硬件置位。
RI=1时，申请中断，要求CPU取走数据。
但在工作方式1中，SM2=1且未接收到有效的停止位时，不会对RI置位。
在任何工作方式中都必须由软件清除RI。
系统复位时，SCON的所有位都被清除。
（1）工作方式0
SM0=0且SM1=0时，串口选择工作方式0，实质这是一种同步移位寄存器模式。
其数据传输的波特率固定为Fosc/12，数据由RXD引脚输入或输出，同步时钟由TXD引脚输出。
接收/发送的是8位数据，传输是低位在前，帧格式如下：
……..D0D1D2D3D4D5D6D7…….
（2）工作方式1
当SM0=0且SM1=1时，串口选择工作方式1，其数据传输的波特率由定时/计数器T1、T2的溢出速率决定，可通过程序设定。
当T2CON寄存器中的RCLK和TCLK置位时，用T2作为发送和接收波特率发生器，而RCLK=TCLK=0时，用T1作为波特率发生器，两者还可以交叉使用，即发送和接收采用不同的波特率。
数据由TXD引脚发送，由RXD引脚接收。
发送或接收一帧的数据为10位，即1位起始位（0）、8位数据位（低位在先）和1位停止位
（1）。
帧格式如下：
起始位0D0D1D2D3D4D5D6D7停止位1
类似于工作方式0，当执行任一条SBUF指令时，就启动串行数据的发送。
在执行写入SBUF的指令时，也将“1”写入发送移位寄存器的第9位，并通知发送控制器有发送请求。
实际上，发送过程始于内部的16分频计数器下次满度翻转（全“1”变全“0”）后的那几个机器周期的开始。
所以，每位的发送过程与16分频计数器同步，而不是与“写SBUF”同步。
方式2和方式3
这两种方式都是11位异步接收/发送方式。
他们的操作过程都是完全一样
的，所不同的是波特率而已。
方式3波特率同方式1（定时器1作为波特率时钟发生器）。
方式2和方式3的发送起始于任何一条SBUF数据装载指令。
当第9位数据（TB8）输出之后，TI将被置位（TI=1）。
方式2和方式3的接收数据前提条件也是REN被编程为1。
在第9位数据接收到后，如果下列条件同时满足，即RI=0且SM2=0或者接收到的第9位为1，则将已接受的数据装入SBUF缓冲器和RB8，并将RI置位（RI=1）否则接收数据无效。
8051串行口的不同寻常的特征是包括第9位方式。
它允许把在串行口通信增加的第9位用于标志特殊字节的接收。
用这种方式，一个单片机可以和大量的其他单片机对话而不打扰不寻址的单片机，这种多机通信方式必须工作在严格的主从方式，由软件进行分析。
2.21602LCD液晶显示屏
显示部分则主要用于显示温度与温度的上下限度。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机与人的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
本设计中采用的是液晶显示器作为输出器件的。
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出有以下几个优点：
显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
体积小、重量轻：
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多
低功耗：
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
本设计采用的液晶显示器为1602字符型液晶显示器。
LCD1602液晶显示屏的实物图如图3所示：
图3LCD1602液晶显示屏
2.2.1LCD1602液晶显示屏主要技术参数
1.显示容量为16×2个字符；
2.芯片工作的稳定电压范围是4.5V~5.5V；
3.5V电压下工作稳定电流是2mA；
4.液晶显示屏最适宜的工作电压是5V；
2.2.2LCD1602液晶显示屏的引脚说明
LCD1602液晶显示屏使用的是标准14引脚无背光接口，下面为每一个引脚的作用：
第一脚：
VSS为地电源；
第二脚：
VDD接+5V电源；
第四脚：
RS负责寄存设备的选择，寄存设备主要有两种，一种是数据寄存设备，一种是指令寄存设备。
当输入信号是高电平，选择数据寄存设备；当输入信号是低电平，选择指令寄存设备；
第五脚：
RW负责读取和写入信号，当接收到一个高电平的电信号时，执行读取操作，当接收到一个低电平信号时，执行写入数据操作。
而当RS端和RW端同时都收到了低电平信号时，可以执行写入指令或者显示地址；当RS端接收到低电平信号，RW端接收到了高电平信号，则会执行读忙信号；当RS端接收到的是高电平信号，RW端接收到的是低电平信号，则执行写入数据操作；
第六脚：
E端是使能端，即控制信号输入端，又叫使能输入端，具体工作原理是，当E端接收的电平信号由高电平信号变成低电平信号时，液晶显示屏模块执行命令；
备注：
第十五脚和十六脚是空脚，应该是备用的。
2.2.3控制指令的说明
LCD1602型号的液晶显示屏模块，里面有11条指令，已整理到下面这个表上，分别如表1所示：
表1液晶显示模块指令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRA或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
LCD1602液晶显示模块的各种显示效果都是通过指令进行操作的，例如屏幕显示的内容，屏幕上光标的移动等等，这些都需要写入指令进行操作。
（备注：
1是代表高电平信号，0是代表低电平信号）
下面是各个指令的详细说明：
指令1：
显示屏清屏指令，相应的指令码是01H，光标会复位到原始地址00H的位置
指令2：
光标复位指令，输入指令后，光标复位到原始位置00H的位置
指令3：
该
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