基于51单片机的空气质量检测仪改稿.docx

1、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，

2、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； ABSTRACTWith the development of high and new technology, SCM has been used more and more in daily electronic products. With the STC89C5

3、2 microcontroller as control core, through the use of PM2.5 sensor module, LCD LCD module, key control module, alarm template, implementation of air quality detecting system based on mcu. The design of the air quality detection instrument based on MCU is mainly divided into the design of hardware ci

4、rcuit and software program of the preparation of the two part, the hardware design according to the overall plan of system diagram design, the overall design of the hardware circuit is divided into modules. In the software design uses the monolithic integrated circuit C language realization system t

5、hat that the entire procedure writes, uses the C language to carry on the programming to be possible to make the program readability good, and the procedure is easy to transplant. Through the design of hardware and software can achieve the measurement of air quality in PM2.5 and showed that when the

6、 concentration of the detection system of PM2.5 in the air was higher than the normal standard, the alarm module will give an alarm when the air PM2.5 concentration below the alarm threshold, the alarm stops. The design of the air detector is simple, low cost, stable performance, is the only choice

7、for home.KEYWORDS: MCU; PM2.5 sensor; Alarm; LCD display; 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

8、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

9、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.

10、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

11、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，

12、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

13、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

14、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，

15、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

16、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、10K。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

17、3-5所示。图3-5 LCD1602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9D2IO接口2VDD电源正极10D3IO接口3VL显示偏压信号11D4IO接口4RS数据选择12D5IO接口5R/W读写端13D6IO接口6E使能信号14D7IO接口7D0IO接口15BLA背光源正极8D1IO接口16BLA背光源负极图3-6 1602LCD显示器引脚说明图LCD1602读操作时序图，如下图3-7所示。图3-7 LCD1602读时序图写时序操作图，如下图3-8所示为：图3-8 LCD1602写时序图3.3 PM2.5传感器电路设计本次传感器选用的是ZPH

18、01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1m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3-9 PM2.5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

19、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3-10 ZPH01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

20、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P

21、A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

22、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

23、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Keil Software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

24、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

25、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Lab Center Electronics公司设计和研发的一款软件，在单片机或者ARM，D

26、SP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、MA

27、TLAB、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STC

28、89C52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

29、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

30、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):190-19

31、3.4 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Lab VIEW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:Protel 99SE入门