基于51单片机的空气质量检测仪改稿.docx
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基于51单片机的空气质量检测仪改稿
摘要
随着电子信息的快速发展，越来越多的电子设备应用在我们生活中。
本次设以STC89C52单片机为控制核心，通过使用PM2.5检测传感器模块、LCD液晶显示模块、按键控制模块、报警模板，实现基于单片机的空气质量检测系统。
本次设计主要针对的是解决检测空气中PM2.5的值，设计分为硬件设计和软件设计两个部分，软件设计主要是根据硬件需要实现的功能，按照软件流程图进行编码设计，硬件设计主要是按照不同的模块进行，把整体的硬件分成模块电路设计。
软件设计中使用C语言作为单片机的开发语言，由于C语言是偏向于底层硬件语言，其比汇编更加通俗易懂，比高级语言更加适合对硬件的直接控制，而且具有很好的移植性。
通过硬件和软件的设计系统可以实现对空气质量PM2.5的检测和显示，当系统检测空气中PM2.5的的浓度值高于正常标准时，报警模块将发出报警，当空气PM2.5浓度值低于报警阈值时，报警停止。
本次设计空气检测仪操作简单、成本低、性能稳定、是只能家居的首选。
关键字：
单片机；PM2.5传感器；报警器；LCD显示器；
ABSTRACT
Withthedevelopmentofhighandnewtechnology,SCMhasbeenusedmoreandmoreindailyelectronicproducts.WiththeSTC89C52microcontrollerascontrolcore,throughtheuseofPM2.5sensormodule,LCDLCDmodule,keycontrolmodule,alarmtemplate,implementationofairqualitydetectingsystembasedonmcu.ThedesignoftheairqualitydetectioninstrumentbasedonMCUismainlydividedintothedesignofhardwarecircuitandsoftwareprogramofthepreparationofthetwopart,thehardwaredesignaccordingtotheoverallplanofsystemdiagramdesign,theoveralldesignofthehardwarecircuitisdividedintomodules.InthesoftwaredesignusesthemonolithicintegratedcircuitClanguagerealizationsystemthatthattheentireprocedurewrites,usestheClanguagetocarryontheprogrammingtobepossibletomaketheprogramreadabilitygood,andtheprocedureiseasytotransplant.ThroughthedesignofhardwareandsoftwarecanachievethemeasurementofairqualityinPM2.5andshowedthatwhentheconcentrationofthedetectionsystemofPM2.5intheairwashigherthanthenormalstandard,thealarmmodulewillgiveanalarmwhentheairPM2.5concentrationbelowthealarmthreshold,thealarmstops.Thedesignoftheairdetectorissimple,lowcost,stableperformance,istheonlychoiceforhome.
KEYWORDS:
MCU;PM2.5sensor;Alarm;LCDdisplay;
第一章绪论
1.1课题背景
现在，关于单片机的使用非常普遍。
很多系统控制过程都把单片机当成主计算机，或者把它当成分布式的控制系统里的前端计算机。
这样，可以达到模拟量收集、统计和计算、数据输出等任务，之后还可输出系统的控制信息。
很多仪器仪表都使用单片机，它们被连接在不一样的传感器上，达到一些测量目的，比如频率、速度、压力等等一些测量。
另外，单片机还可以用在家庭设备上并且很普遍，比如说，现在的物联网、智能家居中的一些设备，包括现在很多的儿玩家，很多都有单片机的应用。
在一些重要领域，单片机也有应用，比如，在航空航天领域内应用，或者商业界应用。
技术发展日新月异，关于空气质量检测技术也越来越微型化、可视化而且智能化了。
该研究的主要想法为：
下位机使用单片机，上位机使用PC机，同时把单片机与PC机连接到一起，然后测量空气质量情况。
这个研究需要更加智能、可操作并且稳定性强。
我们国家的工业日新月异，空气的质量逐渐受到污染，能够快速的检测到周围的环境质量显得尤为重要，能够快速准确的检测到周围环境中的空气质量也是最有效的方式。
空气的变化、室内装修残留的甲醛气体、粉尘的污染等，这将无时不刻的威胁这人们的呼吸道疾病的发生，因此，一款可以实时检测PM2.5的测试仪越来越受到人们的重视。
1.2设计任务和基本要求
设计任务：
掌握单片机的基本应用，软件设计的编程设计、硬件的设计、系统的调试和需求分析等。
基本要求：
设计出一款能够实时检测空气中PM2.5情况的测试仪，同时当检测的PM2.5值大于阈值则启动报警，可以通过手动按键设置报警阈值大小，在设计过程中按照分模块的方法进行，在每次焊接一个模块，则测试一个模块，最后进行系统测试。
第二章整体方案设计
2.1设计内容介绍
具体功能，即到实时检测空气中的PM2.5值，达到阈值报警，设计内容主要包含以下几个方面：
（1）选择适合本次设计的单片机；
（2）系统软件设计；
（3）系统软件硬件的连接调试。
（4）系统仿真分析
2.2控制器选择
控制器是本次设计的PM2.5检测控制系统的主要的核心部分。
用户通过在控制器中编写单机控制程序，使控制器具有类似人体大脑一样的逻辑功。
在进行控制器的选择时,我们设计了如下的二种方案。
方案一：
采用可编程逻辑阵列（FPGA）作为系统的主控制器。
FPGA是最近几年逐渐兴起并在相关领域广泛使用的器件，能够很好的进行接口扩展的功能，同时也可以进行程序算法的控制[3]，除此之外FPGA还具有优良的高速性。
可以说FPGA的功能是非常强大的。
但是对于初学者来说，使用FPGA需要掌握的知识内容繁多而复杂，最大的难关便是编程环境的学习以及对于FPGA编程语言Verilog语言的学习。
对于初学者来说不但困难，而且在有限的毕业设计期间内还难以保证效率。
方案二：
使用STC89C52单片机设计。
单片机采用CMOS工艺进行制作而成，同时选用了来自宏晶公司所设计，具有很好的存储性能。
在引脚的兼容性上也做的十分好，编程难度适中，并可以良好地完成设计中的各项要求。
综合上面的分析讨论，在两种设计方案中，本次设计采用方案二作为方法。
2.3显示模块选择
顾名思义，显示电路将信息以可视化的形式展现给使用者的。
在本次设计中，我们需要显示当前检测到的PM2.5值，也需要显示设定的报警阈值。
根据此需求得到了如下两种设计方案：
方案一：
使用LED数码管实现对PM2.5值信息的显示。
数码管按照原理可以分为共阴和共阳数码管。
数码管的主要的特点是显示亮度高，工作稳定性好，而且数码管的工作所需电流很小并可显示0-F等字符字样的数据。
方案二：
使用液晶显示器显示PM2.5值的相关的信息。
显示器型号为LCD1602，该型号的液晶显示器可以分成两行来显示数据信息，支持对于数字和字母的显示，但是不支持对中文的显示，每行可以显示16个字符。
但是液晶显示有一个缺点就是显示的亮度不够好。
经过对方案一和方案二的对比，本次设计中我们选用方案二进行对显示模块的设计。
2.4系统整体方案设计
对空气中的PM2.5进行检测是本次设计的主要任务，我们所选用的单片机型号为STC89C52，PM2.5经过检测电路模块检测以后，将信息传给单片机进行处理，进而在LCD液晶显示器上进行显示出来，显示器对检测出来的PM2.5的值进行显示，然后再去判断该值是否大于报警设置的阈值，如大于阈值，则会启动报警电路。
下图2-1即是空气质量检测系统：
图2-1系统整体框图设计
第三章系统硬件设计
3.1单片机电路设计
该单片机是主要是有STC公司进行研发生产的一款基于51内核的8位单片机，在优点方面该单片机具有功耗低和性能稳定的特点，在处理数据运行方面比较快，是其他普通单片机的数倍。
在51单片机上能够运行的程序，在该单片机一样可以运行，对于程序的开发和移植具有很好的帮助。
STC89C52单片机具有40个引脚，其中可以供用户开发使用的有32个IO引脚，在内存方面具有8K字节的Flash和512字节的RAM，同时具有4个外部中断和2个内部定时器中断。
单片机的最高的运行的频率为35MhZ，可以通过串口进行程序的下载使用。
如下图3-1所示，为STC89C52单片机的引脚示意图。
图3-1单片机的引脚图
3.1.1单片机的最小系统组成
本次设计中采用的单片机为STC89C52单片机，单片机最小的电路设计中最少需要包含晶振电路、复位电路、电源电路。
其整体电路图如下图3-2所示。
图3-2单片机的最小系统构成原理图
3.1.2单片机的时钟电路设计
STC89C52单片机内部有高增益反向放大器构成的振荡器，输入/输出端为XTAL1/XTAL2，对应单片机的Pin19/Pin18引脚，在这两个引脚两端跨接石英晶体和微调电容，构成稳定的自激振荡器，图3-3是STC89C52工作在内部时钟方式的电路。
所设计的电路中晶振频率值为12MHz，微调电容器值为20pF。
图3-3时钟电路
3.1.3单片机时钟复位电路设计
复位电路是单片机不可缺少的重要部分之一，其主要功能是为单片机系统在运行中出现问题以后，能够及时提供复位功能，让单片机进入初始化的过程。
STC89C52单片机主要使用的是高电平复位，当用户按复位电路中的按钮以后，电路中会给引脚一个高电平，单片机收到电平信号后，就重新启动。
在设计复位电路时应该注意如下问题：
1.电源脉冲宽度足够宽；2.电源脉动形成误复位。
本设计的STC89C52单片机复位电路如图3-4所示，具有上电复位和手动复位功能，选取的晶振、复位电容、复位电阻取值分别为12MHz、10uF、10KΩ。
图3-4复位电路
3.2显示电路设计
显示器的主要的作用是用来显示系统的相关的信息，本次设计中显示器主要是显示PM2.5等信息。
单片机中常用的显示器有液晶显示和数码管显示两种，为了能够具有清晰的显示效果，本次设计的基于单片机系统主要使用LCD液晶显示器进行显示。
本次先用的LCD显示器是有长沙太阳人公司研发生产的产品，使用的是1602型号，在显示上可以分两行进行显示，每行最多可以显示16个字符，但是不支持对中文的显示，在设置可以可以对显示器的背景设置不同色调，同时对于显示的字体可以进行一定的设置。
具体电路图如下图3-5所示。
图3-5LCD1602引脚图
每个引脚的说明如下图3-5所示：
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
IO接口
2
VDD
电源正极
10
D3
IO接口
3
VL
显示偏压信号
11
D4
IO接口
4
RS
数据选择
12
D5
IO接口
5
R/W
读写端
13
D6
IO接口
6
E
使能信号
14
D7
IO接口
7
D0
IO接口
15
BLA
背光源正极
8
D1
IO接口
16
BLA
背光源负极
图3-61602LCD显示器引脚说明图
LCD1602读操作时序图，如下图3-7所示。
图3-7LCD1602读时序图
写时序操作图，如下图3-8所示为：
图3-8LCD1602写时序图
3.3PM2.5传感器电路设计
本次传感器选用的是ZPH01粉尘传感器，本传感器对于PM2.5进行检测采用的是先进的光电技术，可以检测灵敏直径在1μm以上的灰尘颗粒物，具有很好的灵敏度、而且在使用中也比较稳定、内置加热器可以加快进入传感器检测体重的空气分子的运动，便于检测的准确。
产品在外观上采用集成的原理，体积小，重量轻，便于使用者镶嵌于其他的产品中。
主要用于通风设备、环境监控设备、烟雾报警器、空调等。
如下图3-9所示，为PM2.5传感器的电路图。
图3-9PM2.5传感器电路图
PM2.5传感器对于空气中的粉尘检测的工作原理，主要使用是粉尘对于光照的影响，进而影响电路所产生的电压的大小。
如下图3-10所示为ZPH01粉尘传感器的工作原理示意图。
当空气中的粉尘开始进入传感器的检测口时，检测口上所放置的加热装置会对粉尘进行加热，这时粉尘会加快活动，从而发射光源受到粉尘活动的影响，会影响到光学接受的效果，最后改变电路中的电流和电压，进过信号处理器处理以后，将电信号转变为数字信号，这样可以供单片机进行处理以后供其他木块使用。
图3-10ZPH01粉尘传感器工作原理示意图
3.4报警电路设计
在PM2.5传感器会对空气中的粉尘进行实时的检查，当检测到空气中的PM2.5的值以后，就会把电信号转换为可以供单片机出来的数字信号，单片机在接收到传感器传输过来的数字信号以后，就会把数字显示在LCD屏幕上，以此同时，单片机会对检测到的PM2.5的浓度值与之前设定的报警阈值进行比较，如果检测到的值是大于报警阈值，这时单片机就会启动报警模块，LED灯就会来说闪烁，蜂鸣器发出嗡响，当检测到的值小于阈值以后，报警电路停止。
如图3-11所示光电报警电路图，主要采用的蜂鸣器啸叫和LED闪烁报警，它约需要10mA电流作为驱动，只需要在两个引脚接上3-10v的电源，就可以产生3KHz左右的蜂鸣声音。
图3-11电报警电路图
3.5按键电路设计
我们在本设计中需要对报警阈值进行设定，采用两个键盘按钮，一个是对于阈值的增大，一个是对于阈值的减小。
键盘的按动会改变电平的高低，使用单片机的PA接口作为按钮的输入引脚，键盘的列线接在PA口的低2位，它的行线经过二极管然后连接到PA口的高2位。
因为上面的接法，我们选择P1.2、P1.3来作为键扫描的输出线线。
我们采用中断扫描方式，把它的输入端分别和各列线连接在一起，将外部中断输入INT0接到输出端。
在使用过程中，我们输入一次命令结束时，必须进行初始化时，即使键盘行输出口全部置零。
当有命令被输入时即有键按下，INT0端就会编程低电平，然后向处理器发出中断请求。
如果处理器开放外部中断，对中断请求做出回应，调用中断服务程序，执行扫描式键盘输入子程序。
图3-12按键电路图
第四章系统流程设计
4.1系统主流程设计
系统的主程序主要完成的是系统中最主要的部分，当系统一上电以后，系统主程序开始其中，其中包括对于系统的初始化过程，然后开始对于系统中阈值等的设定，然后对键盘进行扫描，判断用户是否有对键盘的操作，然后开始对传感器的启动，数据的处理，数据的显示等等。
主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.2按键流程设计
由于使用的按键较少，所以本文采用了独立式键盘，即每个按键单独占用一根口线。
在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的端口变为低电平，这样通过读入I/O口状态判断是否有按键按下。
查询式键盘的程序流程图如下4-2所示：
图4-2键盘程序流程图
第五章仿真与调试
5.1硬件调试
在完成整体的原理设计以后，就需要开始动手焊接电路板，在焊接的过程中总会遗留很多问题，这些问题在焊接的过程中很难被发现，这些问题只要在使用的过程中才会暴露出来。
通常的做法是按照一个模块焊接，焊接好了一个测试一个。
同时为了模块电路元件安全起见，必须在不通电的情况下焊接，以免在通电过程中发生短路、断路现象导致电路板整体损坏。
当所有的引脚接口等位置检查完成之后，需要通电看看单片机是否能上电，然后将编写好的程序烧录到单片机中运行。
图5-1焊接过程
图5-2焊接过程
图5-3焊接过程
5.2软件调试
本次在程序设计上使用了Keil4软件进行单片机程序的编写，Keil软件是美国KeilSoftware公司设计和研发的一款软件，在51系列单片机中使用的非常的广泛，软件在设计上兼容汇编语言和标准C语言。
内部集成了很多型号单片机的头文件，对于单片机的开发者来说使用这款软件可以节省很多的时间。
在进行系统软件程序的编写，先要新建一个工程项目，然后在工程中选择本次设计中的单片机型号，然后在该型号下编写程序。
对于本次编写程序主要使用的是C语言进行，C语言因为其通俗易懂，而有可以很好的对硬件进行操作，在单片机中使用十分广泛，对于软件程序的编写严格按照第四章中设计好的流程图，对编写好的程序进行一下步的调试和编译。
再次。
当调试没有错误以后，使用编译软件对调试后的程序进行编译，编译好的程序会生成一个hex的文件，hex文件终究是可以供单片机运行的程序。
最后把生成的hex文件加载到单片机中就可以看到程序执行的效果。
最后编译结果如图5-4所示。
这就表示程序没有问题，接下来就要将程序写入单片机了。
图5-4程序编译结果
程序下载
当程序编译好之后，就可以通过软件对编译好的程序进行烧录到单片机中运行使用，软件是STC-ISP作为本次系统设计的烧录的软件，该软件快捷方便，能够很好与单片机进行烧录。
程序下载到单片机后的结果如图5.2所示。
这表示程序已经下载进单片机，本次设计的系统已经可以运行了。
图5-5程序下载
5.3仿真
5.3.1仿真软件介绍
Protues软件是专门为电子方面进行软件和硬件联合仿真的软件平台，该软件是由美国的LabCenterElectronics公司设计和研发的一款软件，在单片机或者ARM，DSP领域使用的非常的广泛，也可以是一款智能的EDA开发软件，使用这款软件可以方便的对单片机的硬件和软件进行仿真调试。
对于单片机的初学者或者爱好者来说，使用这款软件进行单片机的开发和学习非常的有帮助，学习者可以不用花钱买硬件电路板，只要在Protues中按照设计的原理图绘制我们需要的电路，绘制好电路后在把在Keil软件中生成的hex文件下载到Protues中就可以在Protues软件上验证我们设计的电路的功能。
而且使用Protues软件还可以快速的绘制印制板PCB电路图。
在2010年以后Protues软件中有添加了很多当前流行的处理器，比如ARM7和DSP系列，同时在软件上夜增加了Keil、MATLAB、IAR等众多的编译器。
使用起来已经非常的方便。
5.3.2仿真结果
在编写完实际的开发程序之后，我们就可以使用protues软件中对系统进行仿真，仿真也是对于系统硬件和软件进行测试和模拟的方法。
我们把在keil中生成的hex文件记载到protues中的单片机中后，点击运行软件，可以看到通用Protues软件仿真的原理图和运行效果。
图5-6仿真效果
第六章总结
通过这次课题设计，理论加上实践。
使我对51单片机又进一步的深入了解和学习。
这是一个关于研究设计的课题，我在此研究中做了很多资料调查，最后选定设计方案和材料设备。
介绍了他们的引脚和在系统中的电路图。
这个研究设计，做成了以单片机STC89C52为基础的空气质量检测仪。
这个研究功能有：
自动的实时PM2.5监测，可以手动的设置报警阈值，自动处理与显示等功能。
这个研究有着广泛的使用范围，应用非常大它有点很多，比如，它的效率非常高，较少时间，让水位自己检测等等一些方面。
它的广泛使用，还提高的各种优秀单片机的使用范围，增强了利用率。
综上所述，我知道，实际应用大于理论知识，不能纸上谈兵。
我要把我们所学的理论知识应用到实际当中。
以后，我要更多的把学到的理论知识与实际应用相结合，争取更好的应用我们课堂上所学到的理论知识。
一路走来，体会十分深刻，从最开始对于论文设计和毕业设计的制作一无所知，到慢慢的开始从互联网和图书馆查找资料学习，到动手对单片机的焊接制作和调试，最后到论文的编写，这是一件由简到繁的过程，也是一个学习深入到提高的过程，总得来说，可以归纳为以下几点：
1、学习善于对图书馆资料的查阅和网络资源的利用。
在学校的课程学习中，对于知识的学习还是处于比较浅显的阶段，对于电子方面的设计与制作的能力还有很大的欠缺，由于一些客观因素的影响，对于软件编程的知识更加了缺少。
在学习的过程中，需要不断的完善自己的知识体系，以点带面的扩充必要的知识修养，增加自己的动手能力。
2、对于以前所学的专业知识有了更好的巩固。
此次设计需要设计大量的电路，这对于模电知识有了很好的实际应用和复习，在电路的设计过程中元器件参数的选择，就考验了我的模电知识，很好的掌握了各个元器件的工作原理和使用方法，在电路中哪个位置使用，为什么在这些位置使用等为题，不同的元器件之间的关系和性能的差别等，通过对程序的编写，对于C语言的使用有了进一步的理解。
3、毕业设计培养了自己对于科学的认真严谨的态度，同时也培养了自己吃亏耐劳的精神，深刻的理解了团队中的合作意识。
参考文献
[1]张毅刚,彭喜元,董继成.单片机原理及应用[M].北京:
高等教育出版社,2003.
[2]李书旗,沈金荣.液位测量传感器系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2009,17（11）:
2131-2133.
[3]郑伟建,夏扬,夏晴.自抗扰控制器在液位控制中的研究[J].计算机仿真,2009,26（10）:
190-193.
[4]钟晓强.基于单片机实现的液位控制器设计[J].现代电子技术,2009,32
（2）:
51-53.
[5]蔡黎.一种基于单片机的水位控制系统设计[J].仪器仪表用户,2007,14（4）:
44-45.
[6]陈霞,白小军.基于单片机的液位监控系统[J].武汉理工大学学报,2007,29（3）:
3-5.
[7]陈新昌,王万章,李祥付.单片机在水位控制中的应用[J].中国科技信息,2006，（24）:
89-90,94.
[8]苏晓龙,王香婷.基于RS-485总线的数据采集系统[J].仪表技术与传感器,2007,（12）.
[9]张宝伟.基于LabVIEW的液位监控系统[D].哈尔滨:
哈尔滨工业大学,2007.
[10]张凤兰.液位测量与监控系统设计[D].北京:
北方工业大学,2010.
[11]任开春,涂亚庆.20余种液位测量方法分析[J].工业仪表与自动化装置,2003,（5）:
12-16.
[12]柳军,等.基于AVR单片机的液面测量监控系统的设计[J].中国医疗设备,2009,24（12）:
27-30.
[13]丁希顺.单片微型计算机液位测量系统设计[J].安阳师范学院学报,2005
（2）:
71-73.
[14]老虎工作室编著.电路设计与制版:
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