基于单片机的空气质量检测系统设计和实现计算机专业.doc

基于单片机的空气质量检测系统 摘 要 随着工业技术的飞速发展，虽然人们的生活获得了很多的方便，但是在工业生产过程中，不可避免的产生了一些对人体有害的因素，如煤炭、水泥、面粉等毫不相干的行业中产生的粉尘污染。粉尘对人体产生最大的危害就是肺部以及呼吸道相关的疾病。当周围环境处于高温干燥的情况下时，粉尘浓度到达某一极限值，这个时候如果存在火源或强烈振动与摩擦，极有可能产生爆炸。 本设计使用STC89C52单片机作为主控单元，由夏普GP2Y1010AU粉尘传感器采集周围环境的粉尘浓度值，再经过ADC0832模数转换器对测量到的信号进行模数转换，最后将数值通过LCD1602液晶显示屏显示出来，然后根据事先通过按键设置好的阈值相比较，超出则蜂鸣器报警。 关键词：GP2Y1010AU0F传感器，粉尘检测，空气质量 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 引言 3 1.1 课题研究背景与意义 3 1.2 国内外研究现状 3 1.3 本文主要内容 4 第二章 系统方案设计、比较与论证 5 2.1 系统方案设计.................................................................................................................................5 2.2 主控制器模块选择 5 2.3 按键的选择 6 2.4 显示模块的选择 6 2.5 电源选取 6 第三章 系统硬件设计 7 3.1 GP2Y1010AU0F传感器 7 3.1.1 内部原理图 7 3.1.2 主要参数 7 3.1.3 电光特性 8 3.1.4 LED的输入条件..................................................................................................................8 3.1.5 LED输入端子的输入条件 8 3.1.6 电路接线 9 3.1.7 检出方法 11 3.2 ADC0832模数转换器 13 3.3 LCD显示模块 15 3.3.1 LCD1602的特性 15 3.3.2 LCD1602的使用说明 17 3.4 STC89C52单片机 19 3.4.1 STC89C52单片机主要特性 20 3.4.2 STC89C52单片机引脚说明..............................................................................................21 3.5主控制模块 23 3.6显示模块电路 24 3.7报警模块的设计 25 3.8按键模块的设计 25 3.9粉尘模块电路设计 26 3.10电源部分的设计 27 第四章 系统软件设计 28 4.1程序结构分析 28 4.2系统程序流图 28 4.2.1 DS18B20初始化程序流程图 29 4.2.2读空气中粉尘浓度子程序流程图 29 第五章 系统的安装与调试 31 5.1安装步骤 31 5.2电路的调试 31 第六章 总结与展望 34 6.1 本文总结 34 6.2 展望...............................................................................................................................................34 参考文献 35 致谢 .............36 第一章 引 言 1.1 课题研究背景与意义 二十一世纪的今天，科学技术水平的发展与日俱进，与此同时，测量技术也随之发展，现代控制设备在性能和结构上都远远超出了过去老式的设备。现在的时代是信息时代，发展速度走上了快车道，每天都有新的东西出现，因此我们获取信息的渠道主要是靠测量技术，因此它被广泛地应用到各种项目的各个领域。 随着我国经济水平的飞速发展，人们的生活水平也日益提高，于是人们对空气质量问题也倍感关注。粉尘又被称为可吸入颗粒物，这种颗粒物直径小于75μm，而且漂浮在空气当中，可以进入人体呼吸道，对人的眼睛、鼻腔以及上呼吸道都会造成很大的危害。同时这种可吸入颗粒能够直接进入肺泡。关键是其沉积时间较长，这样很有可能导致心肺病和心血管疾病。而且粉尘作为大部分病原体的载体，当它散布在空气中时，极易传播疾病。在生产过程中，许多工作环境对粉尘浓度也有极为严格的要求。例如，一些生产化学品的工厂中的很多粉尘携带有毒化学物质，在这种工作环境下工作的人们长久呼吸或接触这些粉尘，很容易导致一些与皮肤或者呼吸道有关的疾病。还有煤炭生产企业，无论是在井下作业还是露天采煤，都会产生大量粉尘，尤其是在通风条件很差的矿井里。长期在这种环境下工作，肺泡中就会沉积粉尘，会引起慢性职业病。由此可见，粉尘对人体的健康和工业生产有非常大的危害性。因此，必须对生产环境的粉尘浓度进行实时检测，这样便于及时了解工人的工作生活环境。 1.2 国内外研究现状 使用β射线法测量数据是目前国内采用的最为先进的测量方法，这个方法的原理就是吸收量只与吸收物质的重量有关，而与吸收物质的物理和化学性质没有关系。跟称重法的原理差不多，都可直接读取粉尘浓度。但是β射线法比称重法有一点好处，就是β射线法可以采用不同的采样入口装置，分别对不同类别的粉尘进行测量。 袖珍式激光粉尘仪是以激光管为光源，基于前向光散射原理设计而成的。与前面介绍的两种方法相比，袖珍式激光粉尘仪使用更加方便，测量更加便捷。适用于那些极易产生粉尘的工厂，可以为防尘、降尘提供最新的现场数据。 1.3 本文主要内容 本文的主要内容就是使用STC89C52单片机作为主控单元，由夏普GP2Y1010AU粉尘传感器采集周围环境的粉尘浓度值，再经过ADC0832模数转换器对测量到的信号进行模数转换，最后将数值通过LCD1602液晶显示屏显示出来，然后根据事先通过按键设置好的阈值相比较，超出则蜂鸣器报警。 第二章 系统方案设计、比较与论证 本系统主要分成四个部分：粉尘传感器测量空气中的粉尘浓度，液晶显示屏显示实时数值，按键上下调整设定的阈值，当测量到的实时数值超过所设定的阈值时，蜂鸣器发出声音报警。 2.1 系统方案设计 本系统的工作流程就是首先由粉尘传感器测量周围环境中的粉尘的浓度，然后通过ADC0832模数转换器将模拟量转换为数字量，之后再将数字量送入STC89C52单片机中，通过单片机内部的数据以及程序处理，将测量到的数据传输到液晶显示屏上显示出来，我们可以通过按键模块进行设置阈值，当粉尘传感器实时监测到的粉尘浓度超出所设置的阈值时，蜂鸣器会产生报警。系统的总体框图如下图2.1所示： 液晶显示 单片机STC89C52 ADC0832 粉尘传感器 按键模块 蜂鸣器报警 电源部分 图2.1 总体结构框图 2.2 主控制器模块选择 1、方案一:我们可以采用CPLD 作为主控单元，其中文是复杂可编程逻辑器件，因为它是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，所以这就使CPLD可以轻易地实现各种复杂的逻辑功能，并且这个器件编程灵活、适用范围广、设计制造的成本较低、开发工具先进，尤其是这个器件对设计者的硬件要求不高。但是本设计只用到了很简单的数据传输以及处理的功能，并不需要复杂的逻辑功能，并且从价格方面来考虑，这个方案并不适合我们这个设计。 2、方案二:采用STC89C52单片机作为主控单元，分析我们的设计方案就可以得出STC89C52单片机最为适合，因为STC89C52单片机控制比较简单，但是功能强大，其功耗和电压都比较低，便于供电，方便随身携带，单片机的编程语言也是比较基础和简单，出现错误也容易检查。还有一点就是CPLD无法媲美的，那就是STC89C52单片机价格十分便宜，而且非常容易购买。 2.3 按键的选择 1、方案一:采用矩阵式键盘，这种键盘适用于按键需求非常多的情况，这种时候使用矩阵式键盘可以减少使用单片机的输入输出口，但是也存在一定的缺点，那就是增加了编程的难度。 2、方案二:采用独立式按键电路，独立式按键最显著的特点就是一个按键控制一个输入输出口，与其他输入输出口互不干扰。这个键盘的优点就是编程相对简单，但是随之而来的缺点也很明显，那就是一个按键对应一个输入输出口，无法适应按键需求过多的设计。 结合我们的设计要求来看，在这个设计中，我们只用到两个按键，一个负责增，一个负责减，再考虑到编程的难度问题，所以我们选择独立式按键。 2.4 显示模块的选择 1、方案一:采用数码管来显示实时浓度。数码管有很明显的优点，那就是显示速度快，而且使用也非常方便。但是缺点就是它无法显示字母以及百分比符号。 2、方案二:用LCD液晶显示屏进行显示。LCD液晶显示屏的优点就是显示的内容丰富且清晰，能显示出很多东西，比如字母、百分比符号以及一些特殊字符。 结合我们的设计要求来看，在这个设计中，我们测量到的粉尘浓度是以百分比形式展现的，所以我们选用LCD液晶显示屏。 2.5 电源的选用 1、方案一:采用5V蓄电池供电。蓄电池的优点就是输出的电压极其稳定，但是缺点就是体积比较庞大，不方便随身携带。 2、方案二:采用移动电源USB供电，移动电源也能输出比较稳定的5V电压，并且它的体积小，携带方便。 结合我们的设计要求来看，我们这个系统要求能够随身携带，所以我们选择移动电源来供电。 第三章 系统硬件设计 3.1 GP2Y1010AU0F传感器 GP2Y1010AU0F粉尘传感器的工作原理就是光学传感系统。该传感器灵敏度比较高，甚至可以检测到直径只有0.8微米的颗粒。，可以很方便的用来检测工人的生产工作环境。 3.1.1 内部原理图 图3.1 GPP2Y1010AUOF传感器原理图 夏普公司的灰尘传感器GP2Y1010AU的内部结构如图3.1所示，这款灰尘传感器内部有一个气流发生器，可以吸入当前需要测量的环境的空气，当空气被吸入后，内部的红外发光二极管发出红光，然后电路通过探测到的经由粉尘反射回来的光线来判断当前空气中的粉尘浓度。 3.1.2 主要参数 表3.1 GPP2Y1010AUOF传感器主要参数 主要参数 技术条件 备注 灵敏度 0.5V/(0.1mg/m^3) 输出电压 0.9V(TYP) 无灰尘 供电电流 11mA 体积规格 46.0*30.0*17.6 单位：mm 兼容性 兼容 无铅ROHS指令 供应电压Vcc -0.3~+7.0 单位：V 输入终端电压 -0.3~Vcc Vled单位：V 适应温度 -10~65 单位：℃ 3.1.3 电光特性 表3.2 GP2Y1010AU0F传感器的电光特性 (=25℃,=5V) 参数 符号 工作条件 最小 典型值 最大 单位 灵敏度 K 0.35 0.5 0.65 V/(0.1mg/m³) 无粉尘时的输出电压 Voc 0 0.9 1.5 V 输出电压范围 =4.7KΩ 3.4 - - V LED端子电流 L