基于单片机的PM2.5浓度检测及报警系统设计与实现计算机专业.docx

基于单片机的PM2.5浓度检测及报警系统设计与实现 II 摘 要 II Abstract III 第一章 前言 1 1.1、设计的目的和意义 1 1.2、设计的发展趋势及国内外现状 2 第二章　主要元器件选择 4 2.1、AT89C51单片机 4 2.3、A/D转换芯片ADC0832 8 2.4、LCD1602液晶显示屏 10 第三章 设计各模块电路介绍 13 3.1、电路设计框图和原理图 13 3.2、单片机最小系统介绍 14 图3.5 夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器的电路连接 17 3.4、A/D转换模块介绍 17 3.5、显示模块介绍 18 3.7、按键模块介绍 21 第四章 软件和流程图 22 4.1、keil 软件简介 22 4.2、proteus设计仿真软件介绍 23 4.3、程序流程图 24 第五章 仿真测试及分析 25 5.1、PM2.5浓度检测与报警系统的功能仿真 25 5.2、分析 27 总结 28 参考文献 29 致谢 30 基于单片机的PM2.5浓度检测及报警系统设计与实现 摘 要 PM2.5、PM10、SO2和重金属铅砷镍铬为雾霾的主要成分，PM2.5的空气动力学当量直径小于2.5 µm，它是可吸入颗粒物，它不仅属于严重的空气污染物，而且还是多种重金属以及其他粉尘的载体。PM2.5常常可以长时间的在空气中漂浮，随风移动，因此其具有污染距离长范围广的特性。由于PM2.5的强传播性、长停留性、使空气能见度变低、重金属和有毒物质易附性、强污染性等特性导致它严重影响城市和地区的环境空气质量和正常的居民日常生产生活，因此实时监PM2.5是十分重要的。本设计通过使用夏普GP2Y1010AU0F芯片检测PM2.5的浓度电压，再由模数转换芯片ADC0832将检测的模拟电压转换为数字电压输入AT89C51单片机最小系统，最后把测量值显示在显示器上，显示器使用LCD1602液晶显示，当检测浓度大于预设浓度时LED灯亮并且蜂鸣器报警。 关键词：PM2.5，单片机，夏普GP2Y1010AU0F，检测，报警。 Design and Realization of PM2.5 Concentration Detection and Alarm System Based on Single Chip Microcomputer Abstract The main components of the haze are PM2.5, PM10, SO2 and heavy metal lead arsenic nickel chrome and other particles. PM2.5 is an inhalable particulate matter; it not only belongs to the serious air pollutants, but also is a carrier of variety heavy metals and other dust. PM2.5 can often float in the air for a long time and move with the wind, so it has a wide range of characteristics. Due to the characteristics of strong propagation, long stay, low visibility, easy adsorption of heavy metals and toxic, strong pollution, PM2.5 lead to serious environmental and seriously affects the urban and regional environmental air quality and residents’ daily life, so real-time monitoring PM2.5 is very important. This design detects PM2.5 concentration voltage by using Sharp GP2Y1010AU0F chip, and then converter the analog voltage into digital voltage using chip ADC0832 input AT89C51 microcontroller minimum system. Finally, the measured value is displayed on the display, LCD1602 liquid crystal display, the LED lights and buzzer alarm when the detection concentration is greater than the preset concentration. Keywords：PM2.5, MCU, SHARP GP2Y1010AU0F, Detection, Alarm. 第一章 前言 1.1、设计的目的和意义 环境问题一直是人们比较关心的问题，而其中的雾霾天气更是和人们的生产生活戚戚相关，雾霾严重影响着城市的空气质量。雾霾天气在我国十分常见，它主要分布在发达城市，最典型的就是北京、广东、上海。雾霾的主要形成原因是工厂生产和居民生活生产，比如工厂烟雾的排放、火力发电产生的烟雾、汽车尾气的排放、城市灰尘产生的雾霾颗粒等等。PM2.5、PM10、SO2和重金属铅砷镍铬为雾霾的主要成分，PM2.5（Particular matter less than 2.5 μm）是一种可吸入颗粒物，其空气动力学直径小于2.5　μm。PM2.5不仅属于糟糕的空气污染颗粒，而且还是铅砷镍铬等重金属的载体。PM2.5常常可以长时间的在空气中漂浮，随风移动，当PM2.5的值越大即PM2.5颗粒的浓度越大，就表示空气质量越差污染越严重。因为PM2.5的直径小，所以它很容易由呼吸进入人的呼吸道和肺部，粘黏在肺泡上，抑制肺部的气循环，导致人体缺氧。因此PM2.5对人民的生活和人体的健康造成了巨大的不良影响。由于PM2.5的强传播性、长停留性、使空气能见度变低、重金属和有毒物质易附性、强污染性等特性导致它严重影响城市和地区的环境空气质量和正常的居民日常生活，所以在2012年2月，国务院颁布了新的空气质量指标，空气质量新指标将PM2.5的检测纳入环境监测中，从此PM2.5为主要衡量一个地区的空气质量的主要指标。为了更好的了解空气质量，保护自身，所以对PM2.5的实时监测是有必要的并且是必须的。 本文是要设计一个可以随时检测空气中PM2.5的浓度并且在PM2.5浓度超过一定值的时候能自动报警的系统，通过本系统人们就可以随时随地检测身边的空气PM2.5是否超标，进而选择相应的防护措施比如戴口罩或者减少外出，关好门窗防止雾霾进入家里。由于PM2.5的检测与报警是实时的，可调控的，而单片机具有实时性、可控性、准确度高、价格低廉等特点，所以PM2.5的浓度检测与报警系统基于单片机来设计是可行的、合适的。 1.2、设计的发展趋势及国内外现状 目前国内外的单片机发展趋势是越来越简单化、小型化、智能化以及运用领域越来越广泛化。由于单片有使用简单、容易嵌入程序、稳定性能好、工作环境广泛、性价比高、功耗低等优点，所以单片机拥有广阔的应用领域[1]。单片机在家用消费类产品方面有洗衣机、热水器、洗碗机、微波炉、音响和高级玩具等；在工业生产中可以过程控制、传感器控制、机械臂控制等；在军事武装上有各种智能仪表、信息对抗、航天航空等应用[2]。世界各国对于单片机的研究和应用已经十分成熟，不管是在单片机本身的研究还是在以单片机为基础的领域都已经取得了很大的成就。目前国内基于单片机的PM2.5浓度检测及警报系统的研究也已经十分成熟，制造工艺也趋于成熟。国内的基于单片机的PM2.5浓度检测与报警系统大多数主要采用MSP430F149作为控制芯片，因为MSP430F149自带A/D转换，也有使用STC89C51作为控制芯片的设计。基于单片机的设计一般都有单片机最小系统，它分为复位电路、复位按键、振荡电路以及最小系统的扩展部分组成[3]。 对于粉尘传感器的选择大多数设计都选择Sharp公司生产的GP2Y1010AU0F，因为GP2Y1010AU0F引脚简单价格便宜稳定性高而且测量精度高。然后由夏普GP2Y1010AU0F检测PM2.5的浓度，再由A/D转换[4-6]和单片机系统使PM2.5的测量值在LCD上显示，然后报警系统大多采用LED和蜂鸣器报警。国内的PM2.5检测系统主要是使用MSP430F149单片机为处理中心，由夏普GP2Y1010AU0F传感器检测空气灰尘浓度，通过单片机内置的12位AD转换将模拟的电压信号转换成数字信号，然后由单片机进行数据的处理，最后由LCD1602显示屏显示当前空气粉尘浓度，当浓度超过设定阈值时报警[7]。基于51单片机的空气质量检测仪,也可以以STC89C51单片机为控制核心,通过sharp的灰尘传感器对空气进行检测,通过模数转换装置最终以数字形式在液晶显示屏上显示PM2.5的实测值[8]。基于51单片机的灰尘检测仪,主要的元器件有AT89C52,DSM501,还有简单的液晶显示模块LCD1602。此设备可用于检测室内的PM2.5的单位时间内的数目[9]。 目前国内的大多数设计都只实现PM2.5的检测和显示检测值，只是一个PM2.5的浓度检测计，而本设计不仅仅实现检测，还实现报警，控制等多功能，它更是一个PM2.5的检测，显示，报警系统。本系统可以预设一个浓度值，并且当PM2.5的检测值大于了预设的浓度值时LED灯变亮以及蜂鸣器变响，这个预设的浓度值可以人为设置（会有固定按钮）。在生产工艺上，本设计基于PM2.5浓度检测与报警系统生产更简便，更方便携带和使用。对于单片机的选择我们使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，因为AT89C51和其他所有的M C S-5 1相 兼 容，而且拥有999次以上的 可 循 环 的 程 序 嵌 入 和 擦 除，超过10年的数据保存时间而且它有较高的稳定性[10]。Kiel C语言可以很简单的编程，能轻松的烧录在AT89C51单片机上，Kiel C语言相对于汇编语言来说，它更简单，更容易学习，更容易编程，而且拥有较高的程序移植性，选择Kiel C语言作为本设计的编程语言可以提高电路运行速度，提高工作效率[11-15]，使本设计更加稳定高效。 1.3、设计的主要内容 本设计主要由六大模块构成，分别是传感器模块、模数转换模块、单片机模块、液晶显示模块、LED和蜂鸣器报警模块以及按键模块。本设计先由夏普粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）采集空气中的PM2.5的浓度，然后输出模拟电压，接着由A/D转换芯片（ADC0832）将模拟电压用采样数组采样然后排序取中间值的方式将模拟电压转换为数字电压，最后通过AT89C51处理，将测量的P M 2.5浓度值显示在液晶显示屏LCD1602上，当测量出的PM2.5的值超过按键预设的报警值时，单片机使报警装置LED变亮并且蜂鸣器发生报警，而且具体的预设值可以通过按键电路进行调节。 第二章　主要元器件选择 2.1、AT89C51单片机 AT89C51是一种高效率高灵活性的单片机，它内带4 K字节的flash存储器的C MOS 8位微处理器，并且内带2 K 字节的可编程/擦除只读存储器，其可以擦除超过999次。AT89C51之所以灵活是因为它的制造使