基于51单片机和GP2Y1010AUOF的空气粉尘浓度检测仪的设计与研究.docx
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基于51单片机和GP2Y1010AUOF的空气粉尘浓度检测仪的设计与研究
本科毕业设计说明书
基于51单片机和GP2Y1010AUOF的空气粉尘浓度检测仪的设计与研究
BASEDON51SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDGP2Y1010AUOFAIRDUSTCONCENTRATIONDETECTORDESIGNANDRESEARCH
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业班级：
电气工程及其自动化10级2班
学生姓名：
指导教师：
2014年5月7日
基于51单片机和GP2Y1010AUOF的空气粉尘浓度检测仪的设计与研究
摘要
随着中国经济的快速发展，人民生活水品有了发生了很大的改变，现在的生活和工作有了很大的改变。
随着中国的工业生产总值逐年提高，工业高速发展，这就不可避免的会产生大量的工业废气，以及居民现在买车的在一直增加，汽车尾气的排放，空气中粉尘浓度大量增加，导致现在中国好多地区产生了大量的粉尘，空气环境问题异常严峻。
检测空气质量的关键环节就是检测空气中粉尘的含量，所以粉尘的检测变成了很重要的问题。
粉尘检测仪最大的用处就是检测环境中含有的粉尘浓度，适用于那些工作环境比较差、作业所处地方粉尘比较多的地方，还能用在环境监测部门监测环境等。
本文以微粒和分子在一束平行光的照射下会产生光的散射现象为原理，以单片机为核心，来完成粉尘检测仪粉尘的采集、显示数据等电路的设计,再结合各个不同的模块硬件电路来实现各个模块的相应功能，从而达到所需要的要求。
关键词：
粉尘，51单片机，显示，程序设计
BASEDON51SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDGP2Y1010AUOFAIRDUSTCONCENTRATIONDETECTORDESIGNANDRESEARCH
ABSTRACT
WiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,theimprovementofpeople'slifewaterproducthadtheverybig,nowofthelifeandworkhadtheverybigchange.AsChina'sindustrialproductionincreasedyearbyyear,industryrapiddevelopment,itwouldinevitablyproducealargeamountofindustrialwastegas,andresidentsnowtobuyacarhasbeenincreasing,automobileexhaustemissions,dustconcentrationintheairofalargeincrease,leadtomanypartsofChinanowproducesalargeamountofdust,airenvironmentproblemisveryserious.Akeylinkintheprocessofairqualitydetectionistodetectthecontentofdustintheair,sothedustdetectionbecomesaveryimportantproblem.Dustdetectorinthebiggestuseisthetestingenvironmentdustconcentration,suitableforthosewithpoorworkingenvironment,workplaceswheredustismore,canalsobeusedintheenvironmentalmonitoringdepartmentmonitoringenvironment,etc.Basedontheparticlesandmoleculesundertheirradiationofabeamofparallellightwillproducelightscatteringphenomenonasprinciple,withthesinglechipprocessorasthecore,tocompletethedustdetectorofdustcollection,datadisplaycircuitdesign,combiningvariousmodulehardwarecircuittorealizethecorrespondingfunctionsofvariousmodules,andhelptoreachrequirements.
KEYWORDS:
dust,51single-chipmicrocomputeranddisplay,theprogramdesign
1绪论
1.1前言
随着中国经济的进步，经过人们的不懈努力，我们国民的生活大大的提高了。
中国的工业生产总值逐年提高，工业高速发展，这就不可避免的会产生大量的工业废气。
人们在享有幸福生活和工作便利的同时，又不得不面对由于对自然的不合理开发，所导致的严重污染。
以及居民现在买车的在一直增加，汽车尾气的排放，空气中粉尘浓度大量增加，导致现在中国好多地区产生了大量的雾霾现象，尤其以北上广等大城市较为严重。
正是由于空气中粉尘浓度的增加，导致了空气环境质量的严重下降，环境问题变得越来越严重。
但是现在要求我们更好的使人与自然和谐与共，更有利得利用大自然，就使得我们要做好科学的研究与环境的监测以应对现在面临的环境问题。
人类如果要想做好治理环境问题，就要做到知己知彼，因此我们可以研究生产一种便携式随时随地检测空气质量的装置，以便于我们更好更便利及时的了解到我们所处地方的空气质量，以便做好相应的应对措施。
1.2研究背景
我国是世界上人口多地域广的大国。
我国现在处于一个高速发展的时期，从其他国家的工业革命来看，在当下的这个高速发展时期，不可避免的会引起一系列的环境问题，导致空气中粉尘浓度的大量增加。
粉尘随处都可以看到。
在现在人们的生活中，我们对粉尘有着许多的称呼，如灰尘、尘埃、砂尘、粉末等。
在国际上，定义粉尘的标准是粒径范围，这个范围是小于75μm的固体悬浮物。
地球的温度在大气中粉尘的作用下得以保持。
我们生存的环境也会被空气中的粉尘或多或少的影响。
空气中的有些粉尘会对我们的身体健康产生严重的影响，它们很有可能会导致人产生很多种疾病。
飘在大气中的有些粉尘一般会含有许多有毒的成分，比如含有一些重金属，如果人体吸入后，很容易深入肺部，使人得中毒性肺炎或矽肺，有时严重时更会使人得肺癌。
污染物一旦沉积在肺部并且被溶解，就会侵入到血液里面，导致人体血液的中毒，而那些没有被溶解的污染物，细胞也会有可能吸收，从而导致细胞结构的破坏。
另外，一些有价值的古代建筑也会被粉尘所腐蚀。
一些粉尘飘落到植物的叶面上可能会阻碍光合作用，导致抑制植物的生长。
粉尘在人们的生活当中还有着其他的一些危害，比如，在历史上曾发生过粉尘的爆咋事故，导致了很多人的死亡，大量的经济财产遭受到了损失，严重的威胁着人们的生存与健康。
虽然粉尘浓度过高时会发生危险，但如果要是及时采取措施还是可以避免的。
我们如果要是想及时预防发生粉尘爆炸的现象发生，那么我们就要了解发生粉尘爆炸的需要因素；控制好部分地区粉尘浓度比较高的地方的粉尘浓度，在粉尘浓度比较高的地方经常要保持通风的状态，并且还要避免在这些地区有易燃物，以及杜绝火源的产生；有效的采取降尘措施，建立一些预测系统。
安装一些压力释放口等等。
另外，在管理的基础上，建立必要的规章制度是非常必要的。
1.3研究现状
因为粉尘颗粒是很小的，我们如果只是用眼看的话是很难测出的。
但是在一些工作场所以及一些工作环境中，了解我们所处的粉尘的浓度有事很重要的。
所以我们就要设计出一种比较方便的仪器来检测空气中的粉尘。
就目前来看，过个国家都对粉尘浓度的测量做了一定量的研究，也有了较大的成果，研究制造除了一系列不同的检测仪器。
为了解决一些粉尘浓度传感器不能够现场实时得检测工作场所粉尘的浓度，所以最近出现的能够实时监测所处地的粉尘浓度传感器满足了我们所需要条件。
国外对于在线实时监测粉尘浓度的研究是比较早的，通过一系列的辛苦努力也得到了一些可行性的方法，比如光吸收法、摩擦电法以及电容法等等。
在这几种方法中，相比较就测量原理而言，比较容易的当属电容法。
然而由于相分布和流型变化都会影响到电容的测量，并且粉尘的浓度以及测量值之间也并不是直接的一一对应的关系，所以导致电容法存在一定的缺陷，测得的值并不是很准确。
β射线法，也叫称重法，它具有很好的优点就是可以直接测出病毒出所测地的粉尘的浓度。
他和其吸收的物质的物化性并没有什么关系，而只是和所吸收的质量有一定的关系，虽然测量的结果是比较准确的，但是缺点就是需要对粉尘进行一定的采样后还得进行对比，并且不能够满足我们实时的要求。
上面所说的一些测量粉尘的方法是比较成熟的方法，我们可以根据其原理以及其测量特性研制出原来相应的产品，至于其他的一些方法我们目前来看还是不太成熟，有些都是处在研究实验的阶段。
虽然我国的技术人员以及研究人员进行了大量的努力以及辛苦，可是就目前来看，由于上述的原理我们还并不特别的成熟，还不能生产出来所对应的产品，所以生成的产品在市场上并不是主要的，并且还得有待于完善。
这就要求我们这些人在这方面也要做出更大的努力，来使产品更好，测得的结果更准确。
光散射法原理：
通常认为含尘气流是指空气中散布者固体颗粒的气溶胶。
原光强的减弱是由于吸收和散射现象会发生，在有一束光通过含有灰尘的空气时，这种情况就会出现。
粉尘浓度传感器就是在测量探测变化的光信号，再经过转换来实现粉尘浓度的测量。
光吸收法原理是当光在通过线性物质以及其他的物质时，由于光以及物质的特殊性质，会导致光发生一些散射以及吸收的现象。
由于其他的一些原因，因此，有部分光被锁通过的物质所吸收，在物质内部发热，导致物质能量的增加；还有部分的光则由于反射散射以及其他原因，使光波在介质散射的原因下偏离了原来的方向；剩下的那部分仍按以前的方向传播并且通过介质。
通过人们的研究发现，入射光强和穿透过的部分存在着一定的关系。
我们称这种关系是朗伯——比尔关系。
通过一系列的运算前测出入射光以及出射光强，来计算出粉尘的浓度，定律基础是光吸收型粉尘浓度传感器。
这种方法在高粉尘浓度时测量的比较准确。
摩擦电法来测量粉尘的浓度算是最近这么多年来国际上很受重视的一种粉尘浓度测量方法。
运动着的颗粒与插入流畅的金属电极之间会发生碰撞、摩擦，从而产生一些静电荷，他们的符号相反，我们研究的这种方法就是对这些静电荷进行测量，用来反映粉尘浓度的关系。
它的特点是结构比较简单、不用维护、灵敏度比较高。
国外目前有代表性的产品有英国的Simslin系列监测仪和它的升级产品OSIRIS粉尘传感器和计算机监测系统；其他的一些国家比如日本、美国等国家又研制出了一些产品，他们都具有各自的特点以及特殊的优点。
这些产品所使用的原理就是上文所介绍的一些比较普及的，像光散射法、光吸收法和电摩擦法。
国内现在由于起步比国外要晚，导致我们现在的技术也是比国外要稍稍落后，大多还都是用直读式和采样式测试仪。
但是现在国家大力提倡发展科技，实现现代化，信息化，通过我国研究人员的不懈努力，开发出来了比较先进的GCG500型粉尘浓度传感器。
在国家的提倡下，既这一开发后，粉尘浓度传感器的开发如雨后春笋般出现。
研究人员也是不负众望，研制生产了一种最新的更加先进科学高效的粉尘浓度传感器。
他实现了多种功能于一体的情况，这样就使人们更加便捷的能够使用传感器来测量粉尘，更好的满足了更大的需求。
它可以直接采集所在工作地的空气中的粉尘，然后将所采集到的粉尘做一些处理，进而可以在仪器屏幕的显示屏上直接显示所在地的空气粉尘浓度值，天平可以称重其颗粒分布，可以测定所采集的滤膜粉尘以及其他粉尘的颗粒分散度。
然后我们利用安装的液晶显示器显示我们需要得到的结果，这样我们就能够得到所需要的粉尘的弄度。
研究生产的这种产品，不仅仅性能优良，而且，如果突然间发生了断电的现象，这种仪器上的显示屏也能够延时显示上面所测得的数据，这样我们就不至于在突然掉电的情况下，使数据丢失，导致工作的重来。
断电后，40组粉尘颗粒分布和粉尘浓度数据可以被存储。
1.4研究内容：
本论文研究的是基于单片机控制粉尘实行实时监测操作的一台仪器。
以空气中悬浮的细小颗粒物作为研究对象，粉尘传感器测量悬浮于气相介质或者是液相介质中的微小颗粒是利用光学的方法来测量的仪器，优点具有：
光测技术非接触式测量以及不被扰动的特点。
在光的照射下，一些能量会被微粒和粉尘分子所吸收，并且散射现象也会出现在其上。
当一些颗粒物被一束平行光照射到时，颗粒旁边就会出现散射以及吸收的现象，这样的话光的强度就会被减弱。
然后我们就可以得到相对衰减率，其实入射光通过浓度场得到的。
而待测粉尘的相对浓度可以通过相对衰减率的大小的线性来反映出来。
电信号的强弱和光强的大小有正相关的关系，因此我们只需要得到电信号的大小就可以再得到相对衰减率了。
与本系统主要分为三个部分：
一是电源模块，二是粉尘传感器采集粉尘以及对粉尘浓度的显示，三是把显示的浓度与标准合格的浓度对比，超过的话会产生报警。
1.5拟采用的研究思路与方法
通过对相关内容的学习以及对粉尘传感器的了解，我们打算采用以下的方法来进行设计研究，大概的方法以及思路如下：
在电源方面，为了电压的稳定，本文拟采用降压电源措施。
经过查阅资料可以知道，gp2y1010auof灰尘传感器是需要5V直流电源来供电。
为了电压的稳定以及携带的方便，本课题采用将12V左右电源降到5V使用。
在控制方面，我们可以使用单片机来控制，由于所需的控制较为简单，我们采用51单片机来进行控制就可以了。
51单片机可以提供发出周期为10ms，宽度为0.32ms的方波。
在其他控制方面，我们打算采用按键控制。
电源通过降压装置达到5V，在通过按键来控制单片机，进而使单片机发出方波，方波通过灰尘传感器，经过这个传感器的监测，可以检测出所在地的空气中粉尘的浓度，空气中粉尘的浓度可以通过现实装置来显示出来，查看是否超出一定值，超出的话发出报警信号。
2粉尘浓度检测仪的硬件原理
2.1粉尘浓度检测仪的功能和技术指标
2.1.1所设计的系统的功能
1）在显示屏上可以直接显示出所测得的当前的粉尘浓度
2）当所测得的浓度超过一定值时，系统会发生报警
2.1.2系统的主要技术指标
所测地的环境温度：
～70
测量误差：
±5%
电压输入范围：
0V～5V
2.2粉尘的检测原理
在文章的上面已经介绍了几种常用的检测粉尘浓度的方法。
本文所采用的是电容法，它是将通过一定的方法或者仪器采集到的含有灰尘的空气通过一装置的滤膜时，装置上的滤膜会捕捉到空气中的粉尘，这样就可以利用光学的原理测得粉尘的粒径。
如果使用光学原理测量的话，有两个原理会被用到，朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律和米（Mie）理论。
本论文打算采用光学原理的检测方法，这种检测方法比较方便简单，误差比较小，符合我们设计的要求，方法就是浊度发。
朗伯特-比尔定律是根据测定一束光通过被测介质后出现的光强比，来确定粉尘的浓度。
因为当一束光通过物质后，会产生散射以及出现其他的吸收，而使光强发生减弱的现象。
由于当光照射到粉尘颗粒上时，粉尘颗粒会对光进行散射和吸收，这样就会导致光强发生变化，光的强度发生减弱。
因此，要的到入射光和出射光之间的关系，我们利用上面现象将一束平行光照射到需要检测的均匀分布粉尘浓度的区域，再利用定律，就可以得到：
（2-1）
式中：
Q表示消光系数，它的大小和粉尘颗粒直径d、入射光波长λ以及粉尘物质折射率m相关，一些专用算法程序和Mie理论可以用来计算。
粉尘密度用N表示，粉尘颗粒的截面积用A表示，直径为d，粉尘的质量浓度用W来表示；ρ代表粉尘的质量密度。
如果设一种分布的粉尘颗粒半径为二分之一d1，w1为浓度。
则：
（2-2）
上式：
C对于所测得粉尘来说是常数；粉尘颗粒粒径的分层数用M来表示。
由公式2-2得:
（2-3）
在入射光为单色光时可以得到式2-3。
对应入射光采用多波长的每一波长的λi,都会有一个相对应的式2-3，因此得到方程：
（2-4）
上式消光列向量：
，能由
和
测得：
（2-5）
上式中T表示的是消光系数矩阵。
可以通过计算机算出T中的每个元素。
。
代表着粉尘浓度的分布情况。
W及粉尘的总质量浓度利用2-4便可得到。
很容易看出，在多波长减弱光的测尘中，要得到总的粉尘浓度是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度来实现的，所以可以准确地随时展现出粉尘分布的影响，我们可以利用此使其达到更高精度的测量成为了可能。
在这基础上，测量粉尘浓度的时候，还能一起检测粉尘的粒度分布（分散度）。
信号幅值U是根据粉尘颗粒具有的散射特性确定的，并且通过最小粒径潜质输出端输出的。
事先要设置好格挡的电平，每个直径档定义为0.1μm。
使用其中的一种作为测试的标准。
2.3系统硬件设计框图
单片机构成本系统重要的主控部分，形成各种控制信号并接收外部操作指令，进行着很重要的信息处理，以及完成记录的各种信息。
A/D转换、按键的输入、LCD显示电路是系统的外围电路。
如2-1图所示。
图2-1模块化注释：
1）模拟信号收集部分：
敏感、转换以及放大三部分。
敏感元件代表测量的模拟信号和测出的粉尘浓度；因为信号比较小，所以增加信号放大电路；数字信号是由两条路上的5V模拟信号被ADC0809了的，再送入至单片机中。
2）显示:
粉尘浓度。
3）看门狗：
是系统重启，正常工作。
4）键盘电路：
超过时报警。
由于环境对粒度以及浓度的要求不同，可以多次设置不同的值输入。
5）报警电路：
模拟如果粉尘超过限定值时，开启换气装置或者启动喷雾使用报警电路。
图2-1硬件电路结构框图
.2.4软件程序框图
根据硬件的设计，可以作出各模块框图，如图2-2、2-3所示。
图2-2各模块框图
系统编程要有四个部分：
a）采集信号程序；
b）LCD显示程序；
c）按键输入程序；
d）看门狗复位程序；
e）主控程序。
2.5工作原理
本设计使用的是gp2y1010auof灰尘传感器，它的原理是根据光学的原理来测量灰尘的浓度。
我们先将12V的电压降到5V，将电压接到传感器上。
在测量灰尘浓度时，会产生小于5V的模拟电压，该电压在送到0809时会转换成二进制的信号，这些信号会传送到单片机那里，经过单片机的一系列的处理，转变成的数字信号会显现在安装的显示屏上。
由于我们开始时设定过一浓度值，因此，当所测得的浓度值大于所设值的时候，就会发生报警。
按照系统的要求，再结合我们所涉及的各个部件的配合工作，我们就可以实现设置数据、采集数据、显示数据以及报警等功能，符合我们的设计要求。
3粉尘测试仪硬件设计
3.1单片机部分
3.1.1系统CPU器件选择
粉尘检测器的核心是微处理器，它的特性以及功能对于整台的一起具有至关重要的作用，完成采集数据、处理、输出以及显示等功能，因此可以看出它的重要性。
市场上出现的控制的器件花样繁多，仅仅单片机的种类就有不少。
本设计拟采用单片机为51单片机来进行控制。
51单片机是一种统称。
自从最初的8031开始，单片机也仅过了一段时间的发展，随着时代的进步，科技的发展，人们对于单片机的要求也越来越高，在这种情况下，Flashrom应用技术得到了较快的进步，在此基础上，8031系列出现了较快的发展，成为了在当时最流行的八位单片机之一。
我们通过对比可以得到，AT89S52单片机符合我们的要求。
AT89S52具有能耗小、通用性强以及工作性能稳定良好。
便宜的价格、功能的强大很好的符合了经济原则的基础上的功能的要求。
因此，AT89S52作为CPU芯片在在本系统中作为控制器件是我们的首选。
AT89S52是一个功能比较强大的单片机的一种。
它的制造方法比较特殊，使用的是非易失性高密度存储器技术。
此单片机是一种就有低功耗高性能、有着8Kflash存储器的微控制器。
它完全兼容工业80C51引脚和产品。
其优异的性能，使其不仅能用在系统编程，还可用在常规编程。
通过我们了解，这种单片机在运行的时候耗能是比较低的，并且运行稳定性好，所需要的其他部件也少。
所以这种单片机完全能够满足我们的需要。
1）AT89S52功能特性：
AT89S52具有的标准功能是：
两个数据指针；全双工串行口；8k字节Flash；定时器是看门狗；单片机能够调到省电的模式，并且可以降低到0赫兹。
在不工作的情况下，虽然系统中的处理器停止了运行，但是还是会有部分的期间是在正常的运行的，比如定时器，串口，中断等。
当在运行过程中单片机发生故障，即掉电时，就会出现系统的运行发生停止，但是RAM的内容会被保存下来，一直到下次的中断。
2）部分引脚功能：
XTAL1：
引脚接外部晶振。
片内振荡器是单片内部的一个重要部分，它是由放大器所组成。
XTAL2：
引脚接外部晶振。
在片内接至内部时钟发生器输入端和振荡器的反相放大器输出端。
若是接外部振荡器，则1引脚接外部振荡信号的输入。
RST:
复位输入。
若是想单片机在晶振工作时复位，那么这个引脚的高电平要持续两个周期。
看门狗计时完结后，96个晶振周期的高电平由RST脚送出。
要使这个功能没有作用，也可以使用其他特殊的寄存器中的某个位，在运行的过程中，提供高电平有效。
P0口：
P0口是八位漏极开路并且是双向的输入输出口。
输出八位逻辑电平。
写“1”，作高阻抗输入。
在这种工作方式下，上拉电阻会存在于p0口之中。
P1口：
这是入输出口，具有双向的输入输出功能，它作为地址接收，若是想要用作输入，则应该对其输入高电平。
若是想要使其作为输出电流，则就该送入低电平。
引脚号
第二功能
P1.0
T2
P1.1
T2EX
P1.5
MOSI
P1.6
MISO
P1.7
SCK
P3口：
这也是一个双向的输入输出口。
引脚号
第二功能
P3.0
RXD
P3.1
TXD
P3.2
INT0
P3.3
INT0
P3.4
T0
P3.5
T1
P3.6
WR
P3.7
RD
引脚如图3-1所示：
图3-189S52单片机引脚
3）89S52单片机的基本结构
如图3-2所示。
主要的构成是外围芯片。
控制作用上，采用集中控制方法。
如图3-2所示：
图3-2单片机内部结构
4）存储器的基本结构
MCS-51器件独自拥有着两种存储器。
这两种存储器均采用64K寻址。
下面是两种存储器的简介。
程序存储器：
如果想要使程序存储器读取程序，则需要EA引脚与大地相连。
数据存储器：
这个是单片机内部本身就具有的片内存储器。
在物理上分开的同时，特殊寄存器和数据存储器的高128位又是相互重叠的，即地址相同；另外的128个字节则不是。
3.1.2单片机引脚分配及连接
1）振荡器电路
89S52单片机如果使用外部振荡器，XTAL1引脚应接地，外部振荡信号的输入接XTAL2引脚。
下图3-3。
本设计用12MHZ，
和
是30pF，
和
能微调并且稳定振荡频率。
为了减少寄生电容振荡，电容最好安装得与单片机芯片较近。
图3-3振荡器电路
升级会员 