基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)帥

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)帥

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)化水平的不斷提高，空氣的質(zhì)量狀況不斷變差，保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的迫切要求。造成環(huán)境污染的原因有很多，其中顆粒狀粉塵所造成的空氣污染已成為一個(gè)十分突出的問題。本文是通過設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的粉塵濃度檢測(cè)儀來完成檢測(cè)。論文先介紹了系統(tǒng)總體的硬件組成以及代碼的執(zhí)行過程。在硬件電路設(shè)計(jì)好后，采用C語言完成了單片機(jī)程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粉塵傳感器、最終完成了對(duì)粉塵濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)以及超過警戒值報(bào)警的功能。

STC12C5A60S2單片機(jī) CON6粉塵傳感器 DHT11溫度傳感器

1 緒論

粉塵是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體顆粒，能夠較長時(shí)間懸浮于空氣中。可吸入顆粒物是空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10um的懸浮顆粒，由于這些小粒徑顆粒物能夠長時(shí)間懸浮于空氣中,很難降落在地面,經(jīng)常漂浮在空中，特別容易被吸入到人體的呼吸道,而且顆粒的半徑越小,被人吸入到人體呼吸道的位置就越深,對(duì)人體的危害性就越大。

基于單片機(jī)的粉塵顆粒濃度檢測(cè)儀的選題充分結(jié)合了實(shí)際生活應(yīng)用，通過此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)能充分了解更多實(shí)際應(yīng)用方面的知識(shí)，從前期的資料收集，再到中途的硬件電路設(shè)計(jì)、C語言編程以及最后階段的功能調(diào)試等各方面進(jìn)行系統(tǒng)的鍛煉。同時(shí)系統(tǒng)的研制可以方便地檢測(cè)環(huán)境中的粉塵濃度，對(duì)超標(biāo)的情況及時(shí)整改，保證操作人員的健康和安全。

2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控部分是通過單片機(jī)設(shè)計(jì)完成，通過信息處理，接收外部操作指令并形成各種控制信號(hào)，記錄各類信息。外圍電路有：A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入、LCD顯示電路。其系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)是粉塵檢測(cè)儀的主控部件，是完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能的核心，它的選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作。選擇通用性強(qiáng)、功耗小、性能穩(wěn)定良好的單片機(jī)十分重要，在本系統(tǒng)中我們選用STC12C5A60S2單片機(jī)，如圖2所示。

3.1.1 振蕩器電路

STC12C5A60S2單片機(jī)的時(shí)鐘源在常溫下頻率是11MHz-17MHz，本設(shè)計(jì)選擇12MHz。晶振的兩個(gè)引腳接在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上。兩個(gè)電容的值為30pF，兩個(gè)電容可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。

3.1.2 復(fù)位電路

復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)，因此非常重要。STC12C5A60S2系列單片機(jī)提供5種復(fù)位方式：外部RST引腳復(fù)位、外部低壓檢測(cè)復(fù)位、軟件復(fù)位、上電復(fù)位、看門狗復(fù)位。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2 粉塵傳感器電路設(shè)計(jì)

粉塵濃度檢測(cè)儀的核心部件是粉塵傳感器。它的選擇直接影響到了量程的大小以及測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。本設(shè)計(jì)中使用CON6粉塵濃度傳感器,粉塵對(duì)光有反射作用，空氣中的浮游粉塵越多，對(duì)光的反射作用越強(qiáng)。粉塵傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 粉塵濃度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

①紅外線發(fā)射裝置IRED：引腳1（V-LED）提供+5V電壓（為了消除外界干擾，需串聯(lián)1個(gè)150歐姆的電阻且在電阻一側(cè)和GND之間再串聯(lián)一個(gè)220uf的電容）；引腳2(LED-GND)接地；引腳3(LED)由單片機(jī)直接給一個(gè)周期為10ms，低電平為0.28ms的脈沖方波（輸入脈沖后要經(jīng)過三極管驅(qū)動(dòng)），用來控制開關(guān)IRED；

②紅外線接收裝置PD：引腳4(S-GND)接地；引腳5(Vo)輸出電壓模擬信號(hào)，輸入給單片機(jī)；引腳6(Vcc)接+5V電源；

③GP2Y1010AU0F其內(nèi)部對(duì)角安放著紅外線發(fā)光二極管IRED和光電晶體管PD。電源接通后，紅外線二極管開始發(fā)出紅外線，在沒有粉塵的情況下，光電晶體管PD是接收不到發(fā)出的紅外線的；當(dāng)有粉塵的時(shí)候，粉塵會(huì)反射紅外線使得光電晶體管能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射的紅外線。粉塵越多，則接收到的反射光越強(qiáng)，光電晶體管兩端的電壓越大。該模擬電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大電路從引腳5輸出；

④通過該光學(xué)粉塵濃度傳感器可知，粉塵濃度越大，入射光被反射越多，接收到的光越多，其輸出電壓也越大。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。

3.3 系統(tǒng)電源供電電路設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，供電電路是十分重要的。5V直流USB電源和三節(jié)1.5V（共4.5V）堿性干電池。只需在電源接口的引腳4和引腳1分別接上電源正負(fù)極即可。

3.4 LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用l602LCD字符型液晶顯示模塊，該模塊可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。顯示信息包括顯示字母、數(shù)字符號(hào)以及其他的一些字符型符號(hào)。采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單。1602字符型LCD具有以下的基本特性：

①顯示容量：16×2個(gè)字符；提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；

②芯片工作電壓：4.5—5.5V；對(duì)比度可調(diào)；③工作電流：2.0mA(5.0V)；④模塊最佳工作電壓：5.0V；

⑤字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm；⑥內(nèi)含復(fù)位電路；

⑦有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM；

⑧8個(gè)可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹

本設(shè)計(jì)中選用KEIL公司的uVision4開發(fā)環(huán)境作為單片機(jī)程序的編譯器。該軟件集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)。KEIL uVision4支持匯編和C語言兩種開發(fā)語言，提供了強(qiáng)大的仿真功能。

4.2 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如下，上電后系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后從EEPROM存儲(chǔ)器讀取從鍵盤輸入設(shè)定的最高粉塵濃度值。單片機(jī)將設(shè)定的報(bào)警值顯示在LCD，并檢測(cè)當(dāng)前空氣中的粉塵濃度值，隨后與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到的值大于設(shè)定值時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED指示燈報(bào)警。如果不大于報(bào)警值則延時(shí)若干秒后繼續(xù)采集當(dāng)前粉塵值，并且在LCD上顯示溫濕度。循環(huán)往復(fù)執(zhí)行該程序。系統(tǒng)主程序流圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

在LCD的液晶顯示中，已經(jīng)詳細(xì)介紹了顯示的原理，此外還需要知道顯示驅(qū)動(dòng)程序。顯示驅(qū)動(dòng)程序在進(jìn)入中斷后，對(duì)每個(gè)定時(shí)器賦初值，用來確保顯示屏刷新頻率的穩(wěn)定。1/16掃描顯示屏的刷新率計(jì)算公式如下：

刷頻率（幀頻）=1/16×T0溢出率=1/16×f/12（65536-t）

其中f位晶振頻率，t為定時(shí)器T0初值（工作在16位定時(shí)器模式）。然后利用顯示驅(qū)動(dòng)程序來查詢當(dāng)前點(diǎn)亮的行和列，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。

5 系統(tǒng)調(diào)試

畫出電路原理圖后，就要按照該圖進(jìn)行硬件實(shí)物的焊接。焊接好的電路板在上電之前必須得經(jīng)過調(diào)試，以免發(fā)生短路燒毀元器件或者因?yàn)閿嗦穼?dǎo)致的元器件無法工作。下面就硬件調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題做相關(guān)敘述。

5.1 系統(tǒng)電源供電路調(diào)試

在供電接口VCC與GND兩端接上電源后，閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)電源指示燈不亮，用萬用表檢測(cè)到USB供電口的1腳和4腳有電壓，猜想發(fā)光二極管的正負(fù)極接反。后來調(diào)換正負(fù)極后，發(fā)光二極管正常工作。

5.2 單片機(jī)電路調(diào)試

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中核心部件。在最初的調(diào)試中，會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)按鍵失靈，還有液晶顯示屏幕顯示的數(shù)據(jù)不完整的情況。這個(gè)是由于單片機(jī)的14、15引腳以及單片機(jī)36、37引腳與按鍵電路和顯示電路接口脫焊導(dǎo)致的。

6 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)完成了基于單片機(jī)的粉塵顆粒濃度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，具體包括硬件電路的設(shè)計(jì)、程序的編寫及系統(tǒng)調(diào)試。通過系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果分析驗(yàn)證了預(yù)期設(shè)想該設(shè)計(jì)主要是將光學(xué)測(cè)塵原理所得的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中。程序中的中斷可以根據(jù)邏輯優(yōu)先級(jí)需要響應(yīng)各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)端口的開啟和關(guān)閉。

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[2]鄒麗新,季晶晶,湯榮生.基于光散射的小型便攜式粉塵測(cè)量儀的研制[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào),2008

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