環(huán)境管理_基于人工智能的環(huán)境參數(shù)檢測儀的設(shè)計方案

畢業(yè)設(shè)計 題目：基于人工智能的環(huán)境參數(shù)檢測儀的設(shè)計 專業(yè)： 電子信息工程 作者： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師(職稱)： 二0 一五 年 四 月 六 日努力了的才叫夢想，不努力的就是空想！如果你一直空想的話，無論看多少正能量語錄，也趕不走滿滿的負(fù)能量！你還是原地踏步的你，一直在看別人進(jìn)步?；谌斯ぶ悄艿沫h(huán)境參數(shù)檢測儀的設(shè)計【摘要】 在眾多空氣污染問題中，霧霾是最接地氣的，而作為霧霾大家庭中重要的一員的PM2.5更是家喻戶曉。這種顆粒物不僅直徑微小、還包含毒素，最讓人揪心的是它能在大氣中長期停留，能嚴(yán)重影響人類的健康。所以，不間斷的檢測大氣中PM2.5的濃度是勢在必行之事。在本次設(shè)計中，將以單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心，利用復(fù)合型溫濕度傳感器DHT11測量環(huán)境溫濕度，利用粉塵傳感器GP2Y10采集空氣粉塵濃度，并用LCD1602顯示屏實(shí)時顯示當(dāng)前空氣粉塵濃度及環(huán)境溫濕度。若空氣粉塵濃度、溫度或濕度超過設(shè)置的限值時由WT588D芯片構(gòu)建的語音模塊會自動報警，無線傳輸技術(shù)將報警信息發(fā)送到指定手機(jī)。通過實(shí)踐，證明該檢測儀的穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高、時效性強(qiáng)，有一定的開發(fā)價值?！娟P(guān)鍵詞】 PM2.5 STC12C5A60S2 溫濕度Based on the design of the artificial intelligence environment parameters of the detector【Abstract】: Among the many problems of air pollution, haze is the most ground gas, but as PM2.5 haze, one of the main components is the household.The particle diameter of tiny, also contains toxin, not only the most concern is that it can stay in the atmosphere for a long time, can seriously affect human health. So, it is imperative to real-time detection of PM2.5 concentrations.This design will STC12C5A60S2 microcontroller as the core, the digital temperature and humidity sensors to measure temperature and humidity DHT11 by dust collecting airborne dust concentration sensor GP2Y10 and LCD1602 display with real-time display of the current air temperature and humidity and dust concentration.If the air dust concentration,temperature or humidity exceeds the limit of the set WT588D voice chip automatic alarm, wireless transmission technology to the designated mobile phone to send out alarm information. Through practice, proves that the detector has good stability, high accuracy, timeliness strong, has the certain development value.【 Keywords】: PM2.5 STC12C5A60S2 Temperature and humidity目錄第1章 引言31.1 環(huán)境參數(shù)檢測儀的研究意義31.2 環(huán)境參數(shù)檢測儀的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀31.3 環(huán)境參數(shù)檢測儀的研究內(nèi)容和關(guān)鍵問題4第2章 環(huán)境參數(shù)檢測儀系統(tǒng)的總體概述42.1 系統(tǒng)總體框圖42.2 系統(tǒng)各模塊的功能52.3 系統(tǒng)各模塊的特點(diǎn)5第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計63.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計63.2 語音模塊設(shè)計73.3 LCD1602液晶顯示模塊設(shè)計103.4 溫濕度采集模塊設(shè)計12 3.5 PM2.5檢測模塊設(shè)計133.6 按鍵電路設(shè)計143.7 GPRS模塊設(shè)計14第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計154.1 軟件設(shè)計的總體思路154.2 軟件設(shè)計主程序流程圖164.3 部分模塊軟件設(shè)計17第5章 系統(tǒng)整裝調(diào)試19 5.1 語音模塊測試195.2 溫濕度模塊測試 195.3 PM2.5檢測模塊測試19 5.4 GPRS模塊測試195.5 綜合測試195.6 測試反饋及問題解決20結(jié)束語20致謝語21參考文獻(xiàn)21附 錄 22第1章 引言本章主要介紹了環(huán)境參數(shù)檢測儀的研究意義、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，進(jìn)而提出本課題主要的研究內(nèi)容和研究過程中需要解決的關(guān)鍵問題。1.1 環(huán)境參數(shù)檢測儀的研究意義科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是一把雙刃劍，一方面高科技幫助人類探索越來越多的未知領(lǐng)域，另一方面高科技也給人類帶來許許多多的問題。如果將這一矛盾具現(xiàn)化到我們的日常生活中，最典型的便是人類能看到的天空越來越大，但能看到的藍(lán)天卻越來越少，檢測與改善空氣質(zhì)量已經(jīng)成了當(dāng)下急需處理的大事。以前，我們判斷空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是天空是不是藍(lán)色。但是，隨著空氣問題越來越多，想要清楚的判斷我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的空氣是否合格，我們就需要一定的數(shù)據(jù)支持。在眾多空氣檢測數(shù)據(jù)中，PM2.5是一個非常有價值的數(shù)據(jù)。PM2.5在大氣中的相對比重并不高，但由于其顆粒直徑不大于2.5微米，還包含毒素，最讓人揪心的是它能在大氣中長期停留，能嚴(yán)重影響人類的健康。有資料顯示，長期吸入PM2.5將會影響人體肺部正常的氣體交換，輕者會因此患上咳嗽、支氣管發(fā)炎等氣管方面的病癥，嚴(yán)重者甚至?xí)虼嘶忌戏侵旅孕呐K病。據(jù)調(diào)查，近些年來歐洲每年因PM2.5致死的人數(shù)已經(jīng)超過3萬人，我國越來越多的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民也正遭受PM2.5之痛。在這樣的背景下，檢測空氣中PM2.5的含量顯得十分必要。事實(shí)上，不僅要檢測PM2.5濃度，還必須做到實(shí)時檢測，進(jìn)而為解決PM2.5帶來的問題打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。本次設(shè)計制作的人工智能環(huán)境參數(shù)檢測儀不僅能檢測大氣中PM2.5濃度，而且制造結(jié)構(gòu)較為簡單，穩(wěn)定性較強(qiáng)，具有不錯的研發(fā)生產(chǎn)的前景4。1.2環(huán)境參數(shù)檢測儀的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀1979年，美國環(huán)境保護(hù)署將顆粒直徑小于或等于10微米的顆粒物定義為可吸入顆粒物，也就是PM10。1994年，美國環(huán)境保護(hù)署再次定義顆粒物的概念，從此以后，直徑不大于2.5微米的顆粒物有了自己的專屬名稱，也就是我們熟知的PM2.5。實(shí)際上，早在十?dāng)?shù)年前，環(huán)境參數(shù)檢測儀就已經(jīng)在專業(yè)研究領(lǐng)域中得以運(yùn)用，但直到近些年來霧霾問題愈發(fā)的嚴(yán)重，PM2.5漸漸進(jìn)入大眾的視線，科學(xué)家們才將以檢測PM2.5為主的儀器定義為環(huán)境參數(shù)檢測儀。近些年，我國對于PM2.5濃度的檢測的方法主要有測重法，通過濾膜沉淀一定體積的大氣中的PM2.5，由濾膜前后質(zhì)量的相差值來確定PM2.5濃度；天平振蕩法，即由濾膜質(zhì)量變化引發(fā)振蕩頻率的變化，進(jìn)而計算PM2.5濃度；射線衰減法，這種方法的前期準(zhǔn)備和上述兩個方法相同，首先都是通過濾膜沉淀PM2.5，再用Beta射線照射濾膜，依據(jù)射線通過濾膜的前后對比值來計算確定PM2.5濃度6。在PM2.5濃度檢測儀的研究制造領(lǐng)域，我國也已取得一定的成就，最具說服力的是我國已經(jīng)能制造內(nèi)置濾膜并可在線采樣的激光粉塵儀,一方面能實(shí)時檢測大氣中PM2.5的濃度，另一方面能解析相應(yīng)顆粒物的成分，在專業(yè)的技術(shù)的支持下獲得質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K。1.3環(huán)境參數(shù)檢測儀的研究內(nèi)容和關(guān)鍵問題本次設(shè)計制作的是人工智能環(huán)境參數(shù)檢測儀，即以STC12C5A60S2單片機(jī)為中心構(gòu)建系統(tǒng)，由粉塵傳感器GP2Y10采集大氣中PM2.5的濃度，由復(fù)合型溫濕度傳感器DHT11采集當(dāng)前環(huán)境的溫度與濕度，并用LCD1602顯示屏實(shí)時顯示當(dāng)前空氣粉塵濃度及環(huán)境溫濕度。若空氣粉塵濃度、溫度或濕度超過設(shè)置的限值時語音模塊自動報警，無線傳輸技術(shù)將報警信息發(fā)送到指定手機(jī)。針對實(shí)時環(huán)境參數(shù)的采集，對器材的靈敏度和穩(wěn)定性有較高的要求，但考慮到該檢測儀研發(fā)的目的是為大眾服務(wù)，因此需要選用性價比較高的器件。除此之外，本次設(shè)計從人工智能角度出發(fā)，需要考慮數(shù)據(jù)反饋的及時性和用戶體驗(yàn)，因此需要解決非單一報警器件和信息反饋器件加裝于本系統(tǒng)的問題。第2章 環(huán)境參數(shù)檢測儀系統(tǒng)的總體概述2.1 系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)硬件主要包括了PM2.5傳感器、GPRS通信模塊、語音模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD顯示、溫濕度傳感器、用戶按鍵等。系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計框圖如圖2-1所示，各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計及相應(yīng)功能在下文中分點(diǎn)介紹。MCUPM2.5傳感器控制按鍵溫濕度傳感器語音模塊GPRS模塊LCD顯示圖2-1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計框圖2.2 系統(tǒng)各模塊的功能本系統(tǒng)可細(xì)分為三個部分：第一、硬件設(shè)計與制作，處理好硬件結(jié)構(gòu)是檢測儀滿足設(shè)計要求的前提。第二、環(huán)境參數(shù)檢測，將單片機(jī)STC12C5A60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)構(gòu)建中心點(diǎn)，利用溫濕度采集模塊檢測溫度和濕度，PM2.5檢測模塊檢測PM2.5濃度。第三、顯示反饋，由LCD1602顯示模塊實(shí)時顯示當(dāng)前空氣粉塵濃度及環(huán)境溫濕度。當(dāng)PM2.5或溫濕度度超過設(shè)置的限值時WT588D語音芯片報警，GPRS模塊將報警信息發(fā)送到指定手機(jī)。2.3 系統(tǒng)各模塊的特點(diǎn)2.3.1語音模塊本系統(tǒng)在報警模塊的構(gòu)建上選用了WT588D語音芯片，而非蜂鳴器，主要是出于蜂鳴器的功能較為單一，而WT588D語音芯片不僅功能性強(qiáng)，而且更人性化，相比之下較為適合本系統(tǒng)。WT588D語音芯片的控制模式十分多樣，這是許多類似的芯片做不到的地方。當(dāng)用戶選擇按鍵控制模式后，共有十五種按鍵觸發(fā)方式供用戶選擇，其中關(guān)于電平保持的便有電平保持不可循環(huán)方式和電平保持可循環(huán)方式，除此之外還有較為常見的方式有音量遞增、音量遞減等。除了按鍵控制外，用戶還能選擇一線串口控制或者三線串口控制，這兩種控制模式在觸發(fā)方式方面沒有按鍵控制模式多樣化，僅有兩種可供選擇的觸發(fā)方式，第一種為直接法，即觸發(fā)0到219地址位來選擇播放或停止語音、調(diào)節(jié)語音聲音大小等；第二種為間接法，即以MCU發(fā)碼端為中介，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語音控制的目的10。2.3.2溫濕度采集模塊針對溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器有許多，可供選擇的有測溫度的PT100、測濕度的HIH4000、測溫度與濕度的DHT11。PT100是一款測量溫度的傳感器，雖然精度高，但器件的購買價格同樣很高，使用時性價比低；HIH4000濕度傳感器顯示精度2%RH，穩(wěn)定性好；但由于本系統(tǒng)重點(diǎn)在于檢測PM2.5，出于性價比考慮決定選用復(fù)合型傳感器DHT118。作為復(fù)合型傳感器，DHT11在技術(shù)支持方面十分強(qiáng)大，精準(zhǔn)的數(shù)字采集技術(shù)保證測量的溫度與濕度的高準(zhǔn)確性，穩(wěn)定的溫濕度信息傳感技術(shù)可以有效的減少外界信息帶來的干擾。在結(jié)構(gòu)組成方面，DHT11傳感器主要由NTC溫度感應(yīng)部分和電阻式濕度感應(yīng)部分構(gòu)成，除此之外，DHT11傳感器還連接了一個高性能8位單片機(jī)，因此在響應(yīng)速度方面較一般傳感器更為快速。2.3.3 PM2.5檢測模塊本系統(tǒng)在PM2.5檢測模塊的構(gòu)建上做了仔細(xì)挑選，最終決定選用粉塵傳感器GP2Y10，這款傳感器在檢測空氣中的粉塵方面的功能較為強(qiáng)大，例如汽車排放的尾氣、花朵散發(fā)的粉塵、香煙燃燒后產(chǎn)生的煙塵都逃不出GP2Y10的檢測。由于內(nèi)置了加熱氣流吸收和電阻可變裝置，GP2Y10能很好的檢測灰塵體積，而在檢測顆粒絕對個數(shù)方面則充分利用了粒子計算器的原理來實(shí)現(xiàn)。相較于大多數(shù)粉塵傳感器，GP2Y10在體積上相對小巧，方便攜帶和安裝，在靈敏度上更是能測量最小直徑為0.8微米的顆粒，同時由于內(nèi)置加熱氣流吸收裝置，GP2Y10實(shí)現(xiàn)了空氣自動吸收檢測，從整體來說具有非常高的性價比，是一款極具使用價值的粉塵傳感器。因此，這款傳感器往往被應(yīng)用到空氣交換器、PM2.5檢測器、空氣凈化儀等儀器中。2.3.4 GPRS模塊本系統(tǒng)在GPRS模塊的構(gòu)建上選用SIM900A模塊。SIM900A是一款三頻段的GPRS模塊，它在全球范圍內(nèi)的PCS 1900MHz、DCS 1800MHz、EGPRS 900MHz三種不同頻率下都能正常運(yùn)行，最多能提供十個GPRS多信道類型，除此之外，它能使用的GPRS編碼方案多達(dá)四個，即CS-1到CS-4。為了保證SIM900A能投入到大多數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)制造過程中，SIM900A在設(shè)計生產(chǎn)時便考慮到了體積問題，現(xiàn)有的SIM900A的高度為40毫米，寬度為33毫米，厚度僅為2.85毫米，是大多數(shù)小型移動器材的必備模塊。第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計本系統(tǒng)構(gòu)建最小系統(tǒng)時選用STC12C5A60S2單片機(jī)，相應(yīng)的最小系統(tǒng)圖如圖3-1所示。圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.1.1 STC12C5A60S2的概述STC12C5A60S2單片機(jī)的生產(chǎn)公司宏晶科技，雖然這款單片機(jī)依舊屬于單時鐘單片機(jī)，但相比同類型的8051單片機(jī)，STC12C5A60S2在正常運(yùn)行時損耗較低，而且響應(yīng)速度快上不少，外界的干擾對其的影響程度較小，是一款高性價比的單片機(jī)。本次設(shè)計需要的單片機(jī)必須滿足高速這一特點(diǎn)，而內(nèi)置兩個全雙工串口的STC12C5A60S2的運(yùn)行速度非?？?，在速度方面是傳統(tǒng)8051單片機(jī)的十倍左右，恰好滿足設(shè)計需求3。3.1.2 STC12C5A60S2的管腳圖STC12C5A60S2的管腳圖如圖3-2所示。圖3-2 STC12C5A60S2的管腳圖3.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)的作用單片機(jī)模塊作為核心模塊，是整個設(shè)計系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)，其作用主要體現(xiàn)在協(xié)調(diào)方面，保證設(shè)計系統(tǒng)中的所有模塊能各司所職，組成一個完整的事故報警系統(tǒng)。從設(shè)計角度來看，采用事故驅(qū)動式報警機(jī)制，也就是說在一般情況下，核心部分實(shí)時解析采集到的數(shù)據(jù)，此時GPRS模塊為預(yù)啟狀態(tài)，當(dāng)事故發(fā)生時，GPRS模塊進(jìn)入啟動狀態(tài)，開始正常運(yùn)行。GPRS模塊的基礎(chǔ)功能是預(yù)警和報警，但GPRS模塊的設(shè)計理念是能接收大量信息，例如經(jīng)緯度定位信息、實(shí)時報時信息、物體移動速度信息。因此，若需要以GPRS模塊為基礎(chǔ)建構(gòu)信息量較大的復(fù)雜系統(tǒng)，只需要在GPRS模塊上添加相應(yīng)的擴(kuò)展模塊即可9。3.2 語音模塊設(shè)計本系統(tǒng)在報警模塊的構(gòu)建上選用了WT588D語音芯片，相應(yīng)的框圖如圖3-3所示。音頻輸出BUSY輸出控制端USB下載WT588D-U模塊圖3-3 WT588D語音芯片應(yīng)用框圖3.2.1封裝管腳圖WT588D語音芯片的封裝管腳圖如圖3-4所示。圖3-4 WT588D語音芯片的封裝管腳圖3.2.2控制模式WT588D語音芯片采用的控制模式為一線串口控制，即由一根數(shù)據(jù)線傳輸來自串口的信息。這種控制模式能實(shí)現(xiàn)的功能較多，調(diào)節(jié)聲音大小，開始或停止播放語音都是其中之一。IO口P00、P01和P02的設(shè)置方式有兩種，第一種是屏蔽，第二種是任意觸發(fā)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，端口分配表如表3-1所示。表3-1 端口分配表I/O口P00P01P02P03功能按鍵K1按鍵K2按鍵K3DATA3.2.3控制時序圖在控制時序方面，受限于數(shù)據(jù)線的數(shù)量為1，因此想要具體的表現(xiàn)數(shù)據(jù)位0和數(shù)據(jù)位1必須借助電平占空比。在這種情況下，如果要發(fā)送數(shù)據(jù)，必須提前五毫秒拉低數(shù)據(jù)信號。若數(shù)據(jù)位顯示為0時，高低電平占空比為1比3；相反，若數(shù)據(jù)位顯示為1時，高低電平占空比為3比1。在控制時序時，通信數(shù)據(jù)會從低位發(fā)送至高位，且在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，地址數(shù)據(jù)可以觸發(fā)語音播報，不再需要提前接收命令碼。在一線串口控制模式下，單個地址可以用D0到D7來表示，地址指令則可以用00H到DBH來表示，除此之外，E0H到E7H是用來調(diào)節(jié)聲音大小的指令，若想重復(fù)播放當(dāng)前語音需要輸入命令F2H，而想終止正在播放的語音必須要通過命令碼FEH來完成。相應(yīng)的時序圖如圖3-5所示。圖3-5 控制時序圖說明：WT588D-U語音模塊的狀態(tài)可分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，如果要讓其始終處于工作狀態(tài)，只需將控制模式調(diào)整為一線串口控制，即讓電池充當(dāng)系統(tǒng)的電量源頭。在系統(tǒng)得到供電17毫秒之后，WT588D-U語音模塊才能通過DATA（一線串口的數(shù)據(jù)線）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時BUSY輸出為忙，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸20毫秒之后，BUSY輸出會有相對性的響應(yīng)。數(shù)據(jù)位和占空比的對應(yīng)圖如圖3-6所示。 高電平：低電平=1：3表示0 高電平：低電平=3：1表示1圖3-6 數(shù)據(jù)位和占空比的對應(yīng)圖3.2.4 語音模塊電路圖WT588D語音模塊圖如圖3-7所示。圖3-7 WT588D語音模塊圖3.3 LCD1602液晶顯示模塊設(shè)計本系統(tǒng)在顯示模塊的構(gòu)建上選用了LCD1602液晶顯示屏，這種液晶模塊在操作光標(biāo)時可以直接通過程序來控制，除此之外，液晶屏幕的顯示、讀和寫時也能通過編寫對應(yīng)的程序來操作。LCD1602的顯示容量非常大，一次性顯示的內(nèi)容可以達(dá)到32個字符（16*2），其有16個管腳，相應(yīng)的管腳分布如圖3-8所示，各管腳對應(yīng)的功能如表3-2所示7。圖3-8 LCD1602管腳分布圖表3-2 LCD1602管腳功能表在本設(shè)計中，從開始到結(jié)束的所有操作過程，如：檢測到的卡的類型、序列號、歡迎詞。對應(yīng)的原理圖如圖3-9所示。圖3-9 LCD1602液晶顯示模塊電路3.4 溫濕度采集模塊設(shè)計本系統(tǒng)在溫濕度采集模塊的構(gòu)建上選用了DHT11傳感器，之所以選用這款傳感器是因?yàn)樗敵龅乃行盘柖冀?jīng)過專業(yè)校對，存在的誤差較小。每個DHT11傳感器在生產(chǎn)過程中都會放在高精度的溫濕度校對室中校對，以此減少硬件誤差。除此之外，相對小巧的產(chǎn)品體積、長達(dá)20米的有效信號收發(fā)距離以及充分考慮到用戶體驗(yàn)的4針單排引腳封裝使得DHT11能在被裝配到諸多要求嚴(yán)苛的場所或設(shè)備中。DHT11的基本信息如下：(1)實(shí)時采集環(huán)境溫度、相對濕度；(2)數(shù)字信號輸出且提前校對；(3)穩(wěn)定性高、使用周期長；(4)無需外加器件；(5)有效信號收發(fā)距離長；(6)超低能耗； (7)4引腳安裝。外形圖及引腳圖如圖3-10所示。圖3-10 DHT11封裝DHT11傳感器與單片機(jī)相連的方式并不復(fù)雜，其中單片機(jī)的P2.0口作為數(shù)據(jù)口，與DHT11的PIN2相連，其作用是傳輸串行數(shù)據(jù)。當(dāng)電路的測量范圍不超過20米時，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，需將一個5K的上拉電阻連接到電源和傳感器的PIN2之間。單片機(jī)的VCC端與DHT11的PIN1相連，而GND端則連接傳感器的PIN4，至于傳感器的PIN3口則需設(shè)置為懸浮狀態(tài)8。DHT11傳感器電路圖如圖3-11所示。圖3-11 DHT11應(yīng)用電路圖 3.5 PM2.5檢測模塊設(shè)計本設(shè)計中用于測量大氣中PM2.5的濃度的是粉塵傳感器GP2Y10，它相應(yīng)的管腳如圖3-12所示。圖3-12粉塵傳感器GP2Y10管腳圖灰塵傳感器GP2Y10輸出的模擬電壓與空氣中顆粒濃度成正比，在本系統(tǒng)中GP2Y10的設(shè)計原理圖如圖3-13所示。圖3-13 GP2Y10的設(shè)計原理圖3.6 按鍵電路設(shè)計本次設(shè)計中按鍵的作用是用來設(shè)置報警數(shù)值，包括PM2.5的上限值、溫濕度的上限值和下限值，除此之外，還能通過按鍵控制系統(tǒng)是否開啟自動報警功能。相應(yīng)的電路圖如圖3-14所示。圖3-14 按鍵電路圖3.7 GPRS模塊設(shè)計本系統(tǒng)在GPRS模塊的構(gòu)建上選用SIM900A模塊，SIM900A是一款可靠性高、性價比高的模塊，在和移動設(shè)備連接時，只需要利用一個60引腳的板板連接器即可。3.7.1 SIM900A功能模塊及主要特性SIM900A功能模塊如下：(1)一個調(diào)試串口，一個數(shù)據(jù)輸出串口，雙串口模式降低了研發(fā)新產(chǎn)品的難度；(2)鍵盤、LCD接口的類型為SPI，降低了開發(fā)新的應(yīng)用設(shè)備的難度；(3)兩個麥克風(fēng)輸入和兩個話筒輸出，即兩個音頻通道，相應(yīng)的工作模式由AT指令控制。SIM900A主要特性如表3-3所示。表3-3 SIM900A主要特性表特性說明工作電壓單電壓供電，3.44.5V低功耗模式低功耗模式時，SIM900A的電流值是2.5mA工作頻段SIM900A具有三個頻段：EGPRS900、DCS1800、PCS1900。頻段頻率可由AT指令設(shè)置，默認(rèn)頻段是EGPRS900和DCS1800。GPRS類型小型移動基站（MS）發(fā)射功耗在頻率EGPRS900 CLASS 4下為2W在頻率DCS1800和PCS1900 CLASS 1下為1WGPRS連接GPRS多時隙10級GPRS移動電臺B級工作溫度正常工作溫度：-22+55極限工作溫度：-25-20，+55+70存儲溫度：-40+803.7.2 SIM900A收發(fā)短信息（1）通信協(xié)議在計算機(jī)和GPRS模塊之間存在一些Attention指令集，這就是所謂的通信協(xié)議。通信協(xié)議的存在保證了系統(tǒng)能進(jìn)行實(shí)時反饋，這里說的反饋并不受指令執(zhí)行成敗的影響。常用的AT指令及相應(yīng)功能如表3-4所示。表3-4 常用的AT指令及相應(yīng)功能表AT指令功能AT+CMGCSend an SMS command（發(fā)出一條短消息命令）AT+CMGDDelete SMS message（刪除SIM卡內(nèi)存的短消息）AT+CMGFSelect SMS message formate（選擇短消息信息格式：0-PDU;1-文本）AT+CMGRRead SMS message（讀短消息）AT+CMGSSend SMS message（發(fā)送短消息）AT+CMGWWrite SMS message to memory（向SIM內(nèi)存中寫入待發(fā)的短消息）AT+CMSSSend SMS message from storage（從SIN|M內(nèi)存中發(fā)送短消息）AT+CNMINew SMS message indications（顯示新收到的短消息）AT+CPMSPreferred SMS message storage（選擇短消息內(nèi)存）AT+CSCASMS service center address（短消息中心地址）（2）短消息的發(fā)送與接收案例本次實(shí)驗(yàn)的測試格式為TEXT格式。 第一步：設(shè)置中心號碼 AT+CSCA=+00(中心號碼)； 第二步：設(shè)置短消息發(fā)送格式 AT+CMGF=1 (1-TEXT; 0-PDU)； 第三步：發(fā)送短消息(內(nèi)容為“test”) AT+CMGS=(目的地址) test z ； 第四步：設(shè)置短消息接收后自動提示，即收到短消息時提示短消息被接收，將獲取指令： +CMTI:SM,INDEX(信息存儲位置) AT+CNMI=1,1,0,0,1()； 第五步：讀取內(nèi)容(Once more)，假設(shè)INDEX8。 AT+CMGR=8 返回信息如下： +CMGR: REC UNREAD,+51,01/07/16,15:37:28+32,Once more113.7.3 GPRS模塊在該系統(tǒng)的作用在本次設(shè)計中，GPRS短信模塊的主要作用是發(fā)短信。即當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境參數(shù)信號超過預(yù)定報警值時，自動將報警信息發(fā)至目標(biāo)手機(jī)。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計本章主要介紹單片機(jī)系統(tǒng)通過軟件控制和協(xié)調(diào)各個模塊，也就是以單片機(jī)為主，各模塊為對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測、顯示以及GPRS反饋。4.1 軟件設(shè)計的總體思路本次設(shè)計要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化后將系統(tǒng)開始工作信息發(fā)送至目標(biāo)手機(jī)、實(shí)時檢測數(shù)據(jù)、通過按鍵設(shè)置參數(shù)上下限值、通過按鍵設(shè)置是否開啟短信報警等功能。系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）對溫度、濕度、PM2.5和GPRS進(jìn)行基本軟件參數(shù)配置；（2）初始化IO口，配置各模塊的IO接口；（3）配置外部中斷，確保實(shí)時接收并處理采集得到的數(shù)據(jù)；（4）處理采集到的數(shù)字信號或模擬信號，并把模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，確保不誤地轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)信息，在液晶顯示器上顯示。若參數(shù)超過閥值，發(fā)送報警短信并進(jìn)行語音報警。4.2 軟件設(shè)計主程序流程圖本系統(tǒng)在軟件設(shè)計方面主要分為四個步驟：第一步是系統(tǒng)初始化，第二步是參數(shù)采集，第三步是參數(shù)處理比較，第四步是LCD顯示及語音播報，若參數(shù)超標(biāo)，第四步還需實(shí)現(xiàn)短信報警和語音報警，整體流程圖如圖4-1所示。N開始GPRS初始化發(fā)送系統(tǒng)開始工作短信到目標(biāo)手機(jī)GPRS初始化成功Y讀取傳感器數(shù)據(jù)LCD顯示各參數(shù)N按鍵按下Y設(shè)置參數(shù)N超過閥值Y發(fā)送報警短信語音播報圖4-1 程序流程圖4.3 部分模塊的軟件設(shè)計4.3.1溫濕度采集模塊軟件設(shè)計本系統(tǒng)溫濕度采集模塊由DHT11執(zhí)行，DHT11傳感器是通過單總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)初始化成功后，經(jīng)過最長40微秒的等待，DHT11傳感器將發(fā)出響應(yīng)信號，此時拉高總線，為數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備，如下圖所示可見，任何一位的數(shù)據(jù)起始于低電平。這里需要注意三個方面：第一點(diǎn)，在系統(tǒng)初始化成功后，總線處于低電平狀態(tài)的持續(xù)時間不可短于18毫秒，否則傳感器DHT11將沒有足夠的時間來響應(yīng)初始化信號。第二點(diǎn)，若線路出現(xiàn)連接不正確的情況，則讀取的信號會是高電平，即DHT傳感器并未因初始化信號做出響應(yīng)8。主機(jī)復(fù)位信號及傳感器響應(yīng)信號如圖4-2所示，讀DHT11數(shù)據(jù)時序如圖4-3所示，實(shí)物調(diào)試顯示圖如圖4-4所示。圖4-2 主機(jī)復(fù)位信號及傳感器響應(yīng)信號圖圖4-3 讀DHT11數(shù)據(jù)時序圖圖4-4 實(shí)物調(diào)試顯示圖4.3.2 LCD1602液晶顯示模塊軟件設(shè)計本系統(tǒng)在顯示模塊的構(gòu)建上選用了LCD1602液晶顯示屏。若該模塊在執(zhí)行指令時忙標(biāo)識為高電平，則指令無效。除此之外，必須設(shè)置顯示地址才能保證液晶屏能顯示字符。相應(yīng)流程圖如圖4-5所示，實(shí)物調(diào)試顯示圖如圖4-6所示。單片機(jī)初始化液晶模塊初始化顯示結(jié)束數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)顯示結(jié)束NY圖4-5 LCD流程圖圖4-6 實(shí)物調(diào)試顯示圖 第5章 系統(tǒng)整裝調(diào)試基于人工智能的環(huán)境參數(shù)檢測儀的主要應(yīng)用場所為居民室內(nèi)、馬路口監(jiān)測點(diǎn)、中小型監(jiān)測站等，因此必須具有不錯的環(huán)境適應(yīng)性與抗干擾性。經(jīng)過實(shí)踐證明，本系統(tǒng)的設(shè)計理念并無錯誤，且具有一定的實(shí)用價值，從實(shí)踐過程中也發(fā)現(xiàn)了本系統(tǒng)存在的問題，在經(jīng)過一番調(diào)整調(diào)試之后，解決了不少問題。在選擇測試方法上，由于本系統(tǒng)由多個模塊構(gòu)建而成，因此選擇模塊式測試法。5.1 語音模塊測試本系統(tǒng)在語音模塊的構(gòu)建上選用了WT588D語音芯片，這種語音芯片的引腳多達(dá)28腳，若需要長度不同的語音存儲時間只需要更換相應(yīng)的存儲器即可。除此之外，WT588D語音芯片內(nèi)置一個人聲處理裝置，最多五百段可用的編輯語音能滿足大多數(shù)情況，在非語音播放狀態(tài)下自動休眠，稱得上是一款十分人性化的環(huán)保型語音芯片。對本系統(tǒng)的語音模塊進(jìn)行測試的方法比較簡單，利用按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)數(shù)值的播報、設(shè)置參數(shù)的上限值與下限值、開啟或關(guān)閉報警功能以及人工制造PM2.5超標(biāo)的情況時進(jìn)行語音報警。5.2 溫濕度模塊測試DHT11傳感器在測試較長線路的數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)較大的誤差，為了避免這一誤差，我們需要在傳感器的PIN2口與電源之間添加上拉電阻。對本系統(tǒng)的溫濕度模塊進(jìn)行測試的方法是對比法，首先初始化系統(tǒng)，采集環(huán)境的溫度與濕度，再用溫度計和濕度表進(jìn)行溫濕度測量，對比兩者的數(shù)值以判斷準(zhǔn)確性。將硬件放置于筆記本電腦出風(fēng)口，觀察溫度是否有變化；將硬件放置于桌面，對DHT11傳感器哈氣，觀察濕度是否有變化。5.3 PM2.5檢測模塊測試本設(shè)計中用于測量大氣中PM2.5的濃度的是粉塵傳感器GP2Y10，在測試該模塊時，先將硬件放置于桌面上，觀察顯示的PM2.5數(shù)值，再將鉛筆筆尾巴插入傳感器通風(fēng)口，觀察PM2.5濃度是否變化。5.4 GPRS模塊測試本系統(tǒng)在GPRS模塊的構(gòu)建上選用SIM900A模塊，首先初始化系統(tǒng)，觀察手機(jī)是否收到系統(tǒng)啟動的短信。通過按鍵開啟短信報警功能，同時將PM2.5上限值調(diào)低，然后將鉛筆筆尾巴插入傳感器通風(fēng)口，觀察手機(jī)是否收到PM2.5超標(biāo)的短信。5.5 綜合測試通過模塊式檢測法的檢測，本系統(tǒng)的各個模塊的檢測誤差都在正常范圍之內(nèi)，由于PM2.5的測試需要人工營造環(huán)境，因此存在較大的數(shù)值變化，但從整體來看，本系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。綜合測試結(jié)果如表5-1所示，PM2.5等級劃分如表5-2所示。表5-1 綜合測試結(jié)果表溫度（）濕度（%RH）PM2.5（ug/m3）空氣等級是否報警1233732優(yōu)否2243834優(yōu)否3244027優(yōu)否4253832優(yōu)否5243830優(yōu)否6223732優(yōu)否7253426優(yōu)否82437178重度污染是92537150重度污染是102438329嚴(yán)重污染是表5-2 PM2.5等級劃分表標(biāo)識等級PM2.5（ug/m3）空氣等級0-35優(yōu)35-75良75-115輕度污染115-150中度污染150-250重度污染大于250嚴(yán)重污染5.6 測試反饋及問題解決問題1：測試溫濕度模塊時，室內(nèi)濕度幾乎穩(wěn)定，無法確定DHT11傳感器是否存在問題。處理方案：用電吹風(fēng)給DHT11吹冷風(fēng)，從而觀察濕度變化。問題2：測試PM2.5濃度時，液晶顯示屏顯示的PM2.5濃度單位為ug/cm3。處理方案：通過Keil4軟件打開程序進(jìn)行修改，將PM2.5濃度單位改為ug/m3。結(jié)論本次設(shè)計是基于人工智能的環(huán)境參數(shù)檢測儀的設(shè)計，在應(yīng)用單片機(jī)和多個傳感器的基礎(chǔ)上制作了一個以檢測PM2.5濃度為主，采集環(huán)境溫濕度為輔的智能檢測裝置。從設(shè)計要求出發(fā)，對每個傳感器的選擇都經(jīng)過一番比較挑選，對各個模塊的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都做了分析和測試，其中對PM2.5檢測模塊和語音播報模塊做了針對性設(shè)計。在整個設(shè)計的準(zhǔn)備過程中，參考了不少文獻(xiàn)，通過結(jié)合課本知識和文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)到了許多課堂上無法了解的知識點(diǎn)。在制作系統(tǒng)的過程中，從手工制版，到軟件設(shè)計，最后進(jìn)行的實(shí)物測試讓我明白了方案對比論證的必要性、A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)用性、模塊分類測試的重要性。通過對比綜合測試結(jié)果和設(shè)計理念，可以確定本次設(shè)計達(dá)到了基本成功的程度，但由于實(shí)力和精力有限，導(dǎo)致整個系統(tǒng)仍舊存在不少有待改進(jìn)的地方。例如溫度測量的精度比較低，在經(jīng)濟(jì)條件允許的前提下可以考慮使用非復(fù)合型溫度、濕度傳感器；在硬件布局方面可以做的更加美觀合理；語音報警方面可以進(jìn)一步的分析設(shè)計，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)報警。致謝語作為一名電子信息工程的學(xué)生，在四年大學(xué)生活即將結(jié)束的這段時間，我再次感受到作為一名電本人的光榮和驕傲。在電本，我有最貼心的同學(xué)，在電本，我有最用心的老師，在電本，我有最銘心的生活。光靠一個人的努力是無法完成此次畢業(yè)設(shè)計的，同學(xué)、家人以及老師的幫助才是關(guān)鍵所在。此時此刻，我首先要感謝的是物機(jī)院組織了這次畢業(yè)論文的設(shè)計，讓我們不僅有機(jī)會重溫四年來學(xué)習(xí)的知識，還讓我們在實(shí)踐的過程中掌握了書本上學(xué)不到的新知識。然后，我要感謝的是我的指導(dǎo)老師和其他指導(dǎo)老師，是老師的精心指導(dǎo)幫我解決了不少理論上的困擾，是老師的悉心關(guān)懷幫我穩(wěn)定了畢業(yè)設(shè)計過程中的心理情緒，是老師的用心講解幫我認(rèn)清了人生道路。在畢業(yè)論文撰寫階段，老師的耐心和貼心，讓我們學(xué)會了直面難題，在不斷前進(jìn)中找尋屬于自己的路。很榮幸，也很高興，我們有這樣的導(dǎo)師。在這里，我再一次感謝在畢業(yè)設(shè)計過程中幫助過我，鼓勵過我，指導(dǎo)過我的同學(xué)們和老師們，愿你們身體健康，萬事如意。參考文獻(xiàn)1 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#include LCD1602.H#include DELAY.H#include DHT11.H#include ADC.H#include UART.H#include EEROM.H#include WT588D.Hsbit s1=P34;sbit s2=P32;sbit s3=P33;uchar s1num=0;sbit LED=P16;uint pm;uint counts1=0,counts2=0,counts3=0,counts4=0,counts5=0;bit sendover1=0,sendover2=0,sendover3=0,sendover4=0,sendover5=0;unsigned char READ_GP2Y10()unsigned char res;LED=1;Delay280us();res=GetADCResult(0);Delay40us();LED=0;Delay9ms();Delay680us();return res;unsigned int Get_PM()unsigned int sum,jg,res;unsigned char i;sum=0;for(i=0;i30)jg=(uint)(float)sum/20.0-30.6)*3.27)+2;return jg;elsereturn 0;bit shezhi=0;bit jirnushezhi=0;uint longptimes=0;uchar TH,TL,HH,HL,BJ;uint PM25;void SPEAK_CS()Send_oneline(15,1);Send_oneline(16,1);Send_oneline(29+DWENDU/10,1);Send_oneline(39,1);Send_oneline(29+DWENDU%10,1);Send_oneline(19,1);Send_oneline(17,1);Send_oneline(29+DSHIDU/10,1);Send_oneline(39,1);Send_oneline(29+DSHIDU%10,1);Send_oneline(18,1);if(pm99)Send_oneline(29+pm%1000/100,1);Send_oneline(40,1);else 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