PM2.5檢測系統(tǒng)畢業(yè)設計

畢業(yè)設計（論文）專用紙ⅠPM2.5檢測系統(tǒng)畢業(yè)設計摘要大氣顆粒物污染對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響，這讓人們逐漸重視起對細顆粒物PM2.5檢測技術的研究。本文闡述了PM2.5濃度檢測的五種方法，在對上述各方法分析總結的基礎上針對日常生活中PM2.5污染檢測的實際需求，設計了一種PM2.5濃度檢測的方案。本設計通過GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集周圍環(huán)境空氣中PM2.5的濃度值，由ADC0832模數(shù)轉換芯片將傳感器輸出的模擬電壓轉信號轉換成數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機STC89C52。單片機分析處理數(shù)據(jù)得到最終的檢測結果，將其顯示在LCD1602液晶屏上。當檢測到的PM2.5濃度值大于預先設置的PM2.5濃度值時，蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。本論文對這些功能模塊進行了設計，并制作電路實現(xiàn)了相應的功能。通過進一步的調試與集成，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能，達到檢測目的。關鍵詞：PM2.5；粉塵傳感器；檢測系統(tǒng)ⅡAbstractThepollutionofambientfineparticulatematterhasagreatnegativeeffectonhumanhealthandtheecologicalenvironment.ItmakespeoplegraduallypayattentiontothedetectionofPM2.5.Inthispaper,describedfivekindsoftestmethodsofPM2.5.IntermsoftheactualdemandofPM2.5pollutiondetectionindailylife，thispaperputsforwardadesignofPM2.5testsystem.ThisdesignusestheGP2Y1010AU0FdustsensorcollectedofPM2.5concentrations.Inaddition,sensoranalogquantityturnintodigitalquantitybyADC0832anddataistransmittedtotheMCU.Single-chipmicrocomputerprocessdatatogetlastdetectresultontheLCDscreen.WhenthePM2.5testconcentrationisdetectedisgreaterthanthepresetconcentration,thebuzzerandthelight-emittingdiodeemitwillsoundandlightalarm.Inthispaper,designedthefunctionmodulesandrealizedthecorrespondingfunctionbyproductioncircuit.Throughfurtherdebuggingandintegrationtoachievethefunctionofthewholesystem，soastoachievethepurposeofdetection.Keywords：PM2.5；DustSensor；DetectionSystem目錄摘要 ⅠAbstract Ⅱ一緒論 １1.1研究背景及意義 １1.2國內外研究現(xiàn)狀 ２1.3研究的主要內容 ３1.4本章小結 ３二系統(tǒng)總體方案設計 ４2.1總體方案設計 ４2.2系統(tǒng)硬件選型 ６2.3本章小結 ７三硬件電路設計 ８3.1主控制器模塊 ８3.2粉塵傳感器模塊 ９3.3模數(shù)轉換模塊 103.4液晶顯示模塊 103.5電源模塊. 113.6按鍵模塊. 123.7報警模塊. 123.8本章小結 12四系統(tǒng)軟件設計 134.1程序功能分析 134.2系統(tǒng)程序設計 134.3本章小結 16五安裝與調試 175.1硬件安裝 175.2程序調試 185.本章小結 18六結論與展望 196.1結論 196.1展望 19致謝 20參考文獻 21附錄一元器件清單附錄二源程序一緒論1.1研究背景及意義隨著工業(yè)的發(fā)展，各種新產(chǎn)品不斷被制造出來，人們的生活水平得到了很大的提高。但是這些工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用過程中造成的污染卻越來越嚴重。工廠排放的工業(yè)廢氣，汽車排放的尾氣、燃燒產(chǎn)生的煙霧、還有很多化學性爆炸等都可以導致大氣的污染。大氣污染使得空氣質量惡化，會導致陰霾天氣頻繁出現(xiàn)，這種“不見天日”的天氣讓人們感到深深地恐懼。從1952年倫敦的殺人霧事件再到2013年北京霧霾持續(xù)不散的現(xiàn)象，無不透露出大氣污染已產(chǎn)生了巨大的危害。造成大氣污染的元兇就包括本課題要研究的對象PM2.5。雖然PM2.5在地球大氣成分中含量很少，但它與空氣中粗大顆粒物相比，富含更多的有毒、有害物質而且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，對大氣環(huán)境質量影響更大。因此，對PM2.5污染的檢測和治理便顯得越來越重要。我國于1982年由國家環(huán)境保護局首次發(fā)布《大氣環(huán)境質量標準》，但并未規(guī)定PM2.5的安全閾值，隨后在1996年、2000年和2012年進行了3次修訂也沒有針對PM2.5濃度限值做出修改。直到2012年2月29日，環(huán)境保護部公布了新修訂的《環(huán)境空氣質量標準》，才增設了細顆粒物（粒徑≤2.5μm）濃度限值。與新標準同步還實施了《環(huán)境空氣質量指數(shù)（AQI）技術規(guī)定（試行）》［1］。PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學當量小于等于2.5微米的顆粒物，也稱細顆粒物、可入肺顆粒物。PM2.5被吸入人體后會進入支氣管和肺腔，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心腦血管病等方面的疾病；這些細顆粒物還可以通過支氣管和肺泡進入血液，其中的可溶性物質、有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對人體健康的傷害更加大。通過對PM2.5濃度進行檢測，得到一個現(xiàn)實的可參考的數(shù)據(jù)，讓人們能很直觀地知道PM2.5污染的嚴重程度。為了可以得到更準確、更科學的檢測結果，要對PM2.5檢測技術進行研究尋求更先進的檢測技術。檢測環(huán)境空氣的PM2.5是做好預防PM2.5污染的第一步，也是為實施大氣污染治理提供準確的技術數(shù)據(jù)的關鍵所在。對PM2.5進行科學、準確地檢測，可以增強對大氣PM2.5的預測預警，將研究成果應用到各地，可以提高政府對公共事件指揮應急水平，降低對市民健康的潛在危害，減少經(jīng)濟損失，促進社會穩(wěn)定和諧，產(chǎn)生社會、經(jīng)濟和生態(tài)效應等。1.2國內外研究現(xiàn)狀對于PM2.5的檢測，國內國外都擁有多種成熟的檢測技術，包括地面PM2.5檢測技術、基于衛(wèi)星遙感技術的氣溶膠光學厚度結合空間聚類分析預測PM2.5的濃度等［2］。目前，在地面檢測空氣中PM2.5濃度常用的技術主要有5種，分別是重量法，壓電晶體法，光散射法，β射線法，微量振蕩天平法。經(jīng)過第一階段的比對測試工作，中國環(huán)境檢測總站開展的比對測試已取得一定成果，并提出可滿足我國自動檢測需要的PM2.5檢測方法及其采用的相關儀器的關鍵技術指標要求。所提的三種PM2.5自動檢測方法為：微量振蕩天平儀器加膜動態(tài)測量系統(tǒng)（TEOM+FDMS）、β射線方法儀器加動態(tài)加熱系統(tǒng)（β+DHS）、β射線方法儀器加動態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射法（β+DHS+光散射）［3］。美國熱電公司的TEOM1405F、TEOM1405檢測設備就是基于微量振蕩天平技術開發(fā)的；河北先河環(huán)保公司的XHPM-2000E監(jiān)測儀、武漢天虹公司的TH2000TM監(jiān)測儀是利用β射線法原理對PM2.5進行檢測的；美國熱電的5030-SHARP檢測儀同時利用了β射線法和光散射法原理。目前按照重量法設計的采樣設備也比較多，如中國生產(chǎn)的TH—150型智能中流量顆粒物采樣器、四通道PM2.5采樣器（PR2300）、美國URG公司生產(chǎn)的通用型大氣污染物采樣儀（URG—3000k）、德國GRIMM分析儀等。這些采樣儀器利用PTFE膜或PTEE濾膜對PM2.5進行采樣，再采用稱重的方法計算顆粒物質量濃度。此外人們還設計了基于光散射法的粉塵傳感器來檢測PM2.5濃度?？諝庵械姆蹓m在暗室內受到激光發(fā)生器發(fā)出的平行光照射時，粉塵的散射光強度正比于質量濃度，該散射光經(jīng)過光電轉換器轉換成光電流，經(jīng)主控板的光電流積分電路轉換成與散射光強度成正比的光電脈沖數(shù)。計算脈沖數(shù)即可測出粉塵的相對質量濃度。如夏普灰塵傳感器二代GP2Y1050AU，美國GE粉塵傳感器SM-PWM-01A，SDC智能灰塵控制器等。基于逆壓電效應的QCM質量傳感器也是人們研究的重點。QCM傳感器利用石英晶體作為敏感元件，其表面的敏感薄膜吸附空氣中的顆粒物，石英晶體的固有頻率隨吸附顆粒物質量的變化而變化。對石英晶體施加交變電壓，石英晶體產(chǎn)生振動，當振蕩電路的頻率與石英晶體的振動頻率一致時產(chǎn)生共振，測量此時振蕩電路的頻率就可得到空氣中粉塵的質量濃度。在實際應用中，由于氣候條件、環(huán)境特征、污染源特點等的差異，國外能正常使用的儀器設備，在國內進行檢測時卻存在檢測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或偏差較大的問題，如何改進進口設備的性能，或者降低甚至消除對進口設備的依賴是當前我國粉塵污染檢測所面臨的問題。我國針對PM2.5的檢測仍處于起步階段，需要繼續(xù)開展大量的基礎工作，研制出符合我國國情的檢測技術和設備，促進建立完備的PM2.5檢測體系。1.3研究的主要內容通過查找關于PM2.5檢測有關的資料，分析對PM2.5濃度進行檢測的技術。如重量法、壓電晶體法、光散射法、β射線法、微量振蕩天平法。分析每種方法的原理和特點，并評價每種方法的優(yōu)缺點。此外還介紹了可以實現(xiàn)對PM2.5濃度進行檢測的粉塵傳感器。針對日常生活中對PM2.5污染檢測的實際需求，利用PM2.5檢測傳感器和單片機最小系統(tǒng)設計一種PM2.5濃度檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)功能應包括：（1）采集PM2.5濃度；（2）模擬電壓轉換成數(shù)字信號；（3）單片機處理數(shù)據(jù)；（4）顯示檢測結果；（5）設定報警濃度限值。系統(tǒng)要用到的硬件應包括：（1）系統(tǒng)控制核心單片機；（2）采集裝置粉塵傳感器；（3）模數(shù)轉換芯片；(4)液晶顯示屏；（5）聲光報警裝置蜂鳴器和發(fā)光二極管。1.4本章小結本章主要介紹了本設計的研究背景、意義、現(xiàn)狀和研究的主要內容。簡單來說就是人們正面對著PM2.5造成的污染，迫切需要先進、可靠的檢測技術對PM2.5進行檢測，本設計就是討論如何設計一種PM2.5濃度檢測系統(tǒng)。二系統(tǒng)總體方案設計2.1總體方案設計本設計要實現(xiàn)對PM2.5濃度的檢測系統(tǒng)的設計。設計具體要滿足對PM2.5濃度采集、對數(shù)據(jù)信號處理、對檢測結果進行顯示等。因此，先要選擇合適的檢測方法，再選擇合適的采集裝置、A/D轉換芯片、單片機、顯示器等。分析現(xiàn)有的對PM2.5進行檢測的技術，可以達到要求的有5種檢測方法，具體方案如下：方案一：重量法重量法是國家標準分析方法。這種方法的原理是用一定切割特征的采樣器（切割器是根據(jù)氣流中顆粒是沿流線偏轉還是被擋板阻擋來分離不同粒徑的裝置）抽取定量體積的空氣，把空氣中的PM2.5截留在濾膜上，再用天平進行濾膜稱重，得到采樣前后濾膜的質量，就可計算出PM2.5的濃度。這種方法的優(yōu)點在于測量直接、數(shù)據(jù)可靠，還能夠用來對其他方法測量得到的結果的準確性進行驗證。缺點是人工工作量大，自動化程度低，不適合進行遠距離檢測，不能反映PM2.5質量濃度在短時間內的變化。國產(chǎn)的TH—150系列智能中流量顆粒物采樣器就是基于重量法設計而成的［5］。方案二：微量振蕩天平法微量振蕩天平法主要是利用錐形原件微量天平原理。錐形原件粗頭固定，細頭裝可以更換的濾膜，采樣氣體通過錐形原件（粗頭進，細頭出），PM2.5被截留在濾膜上，錐形原件質量的變化引起振蕩頻率的改變。測出前后兩個不同時刻的振蕩頻率，就能計算出PM2.5的質量濃度。微量振蕩天平技術與重量法有良好的一致性，還可以實現(xiàn)實時在線檢測，但采樣濾膜易受空氣濕度影響。我國具有PM2.5自動檢測能力的城市有60%以上使用基于微量振蕩天平法的檢測設備，美國生產(chǎn)的TEOM1405系列顆粒物監(jiān)測儀就是運用微量振蕩天平技術制備的［6］。方案三：β射線吸收法β射線吸收法利用了β射線衰減原理?？諝庥刹蓸悠魑氩蓸庸埽?jīng)過濾膜后排出，PM2.5沉淀在濾膜上，當β射線照射沉積了PM2.5的濾膜時，β射線的能量衰減，根據(jù)衰減量就可求出PM2.5質量濃度。β射線吸收法的優(yōu)點是檢測結果不受細顆粒物物理、化學性質影響，只與其電子密度有關，測量結果較為準確，可以實時檢測PM2.5濃度的變化情況。該法的缺點是濾膜與細顆粒物易吸附空氣中的水分，容易對檢測結果造成影響。我國具有PM2.5自動檢測能力的城市有30%左右使用的設備是采用β射線吸收法制備的，美國METON的BAM1020粒子檢測器就是采用了β射線吸收法原理對粒子進行檢測［7］。方案四：壓電晶體法壓電晶體法檢測PM2.5利用的是壓電晶體的逆壓電效應［8］。該技術采用石英晶體作為測量敏感元件，石英晶體表面的敏感薄膜吸附空氣中的PM2.5，石英晶體的固有頻率隨吸附質量的變化而變化。對石英晶體施加交變電壓，石英晶體產(chǎn)生振動，當振蕩電路的振動頻率與石英晶體的振動頻率一致時產(chǎn)生共振，測量此時振蕩電路的振動頻率就可得到石英晶體的振蕩頻率，進而可求得PM2.5的濃度。壓電晶體法可實現(xiàn)實時在線檢測，測量結果也較為準確，但因石英晶體對質量變化較為敏感，因此需保持良好的清潔來減少測量出現(xiàn)的誤差。QCM質量型傳感器就是采用壓電晶體法來實現(xiàn)對粉塵濃度的檢測。方案五：光散射法光散射法檢測PM2.5濃度利用了細顆粒物的相關性質和Mie散射理論。當光照射到懸浮在空氣中的細顆粒物上時，會產(chǎn)生散射光。在細顆粒物性質保持一定的前提下，產(chǎn)生的散射光強度與細顆粒物的質量濃度成正比。通過光電倍增管將顆粒物的散射光轉換成光電流，再經(jīng)光電流積分電路將光電流轉換成電脈沖，通過測量單位時間的脈沖數(shù)，就可以計算得到PM2.5的濃度［9］。光散射法測量PM2.5質量濃度具有測量快速、準確，檢測靈敏度高，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。但測量結果易受細顆粒物粒徑組成、結構、折射性等因素影響。夏普粉塵傳感器二代GP2Y1010AU就是采用光射法原理制備而成的。通過對以上方案進行比較可以得出：重量法適合對各種方法檢測結果的準確性進行驗證，若作為檢測系統(tǒng)的采集裝置會顯得很笨重；微量振蕩天平技術和β射線吸收法適合用在自動檢測中，它們?yōu)檫_到高精度、高準確性，需要加載膜動態(tài)系統(tǒng)，本設計達不到這樣的技術要求，故而不選用；用壓電晶體法來檢測，此法的檢測精度較高，但基于壓電晶體法的QCM質量型傳感器造價高，不適合作為日常檢測的設備；光散射法檢測可以做到快速、準確，而且設備性能較穩(wěn)定，此外基于光散射的各種傳感器價格都比較實惠，基于以上的考慮，本次設計選擇方案五的光散射法檢測技術，在此基礎上來選擇合適的采集裝置。本設計總體方案設計思路是采用單片機和傳感器技術相結合來實現(xiàn)對PM2.5濃度的檢測。具體設計是由粉塵傳感器實時采集PM2.5濃度值，通過AD轉換器將傳感器輸出的模擬電壓轉換成數(shù)字信號，并傳送給單片機進行數(shù)據(jù)處理，檢測結果將顯示在液晶屏上。當檢測到的PM2.5濃度值大于設置的濃度限值時，發(fā)光二極管會亮同時蜂鳴器發(fā)出聲響。PM2.5的濃度報警值可以通過按鍵進行設置。系統(tǒng)總體結構框圖如2-1所示：電源模塊電源模塊按鍵模塊模數(shù)轉換模塊單片機顯示模塊粉塵傳感器報警模塊圖2-1系統(tǒng)總體結構框圖2.2系統(tǒng)硬件選型2.2.1主控制器本設計需要對傳感器、顯示器、報警器等進行控制，讓它們發(fā)揮各自的功能，STC89C52單片機是一個功能很強的8位微處理器，可以滿足此要求。另外本設計預計要使用23個（不計復用）單片機引腳，STC89C52具有40個引腳也是可以滿足需要的。STC89C52內部程序空間多達8K，對于本設計而言也算是綽綽有余了，同時STC89C52單片機價格非常低廉，用于日常應用非常合適。不管從功能、價格還是使用的難易程度來說STC89C52都是合適的選擇。因此，本設計采用單片機STC89C52作為整個系統(tǒng)的核心。2.2.2采集裝置本設計需要用采集裝置來對周圍環(huán)境中的PM2.5濃度進行采集，采集裝置的工作狀態(tài)要受單片機的控制，另外采集裝置的工作電壓最好與電源電壓、單片機工作電壓相一致，性能上還要具有采集快速，準確的特點。GP2Y1010AU0F粉塵傳感器可以完成對PM2.5的采集和輸出模擬電壓信號，其最優(yōu)工作電壓為5V，與電源電壓一致。它采集周期不到0.01ms，檢測結果也較為準確，另外它還具有分辨煙霧和灰塵的功能［10］。因此，選用GP2Y1010AU0F傳感器為本設計的PM2.5采集裝置。2.2.3顯示器本設計準備顯示測量的實時數(shù)據(jù)，同時還需要設定PM2.5的報警閾值，因此要選用能顯示兩行內容的顯示器，第一行顯示檢測到的PM2.5濃度值包括“PM2.5、具體數(shù)值、單位μg/m3”，第二行要顯示預設定的PM2.5濃度報警限值，顯示具體內容與第一行相仿。液晶LCD可以顯示數(shù)字、字母、符號等，滿足本設計要顯示的內容。另外LCD還具有功耗小、體積小、使用方便，顯示快速，而且不需要外加驅動電路的特點等，可以使本設計系統(tǒng)的電路和程序的設計簡單化。LCD1602液顯能同時顯示16x2即32個字符，可以提供清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種控制命令，很適合作本次設計的顯示器。因此，本設計采用液晶LCD1602進行顯示。2.2.4模數(shù)轉換芯片本設計需要轉換傳感器輸出的0-5V的模擬電壓，ADC0832為8位分辨率的A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，當輸入信號最大值為5V時，此AD可以區(qū)分的信號的最小電壓為0.01953V，能滿足對本次設計模擬電壓轉換要求。另外ADC0832轉換時間僅為32us，轉換速度快且穩(wěn)定，而且本次設計對轉換時間的要求并不是很嚴格。此外ADC0832具有獨立的芯片使能輸入，使得處理器控制起來很方便。因此，本設計選擇ADC0832模數(shù)轉換芯片來對傳感器輸出的模擬電壓信號進行轉換。2.2.5電源本設計采用的單片機、傳感器、A/D轉換芯片、顯示器等都是在5V電壓下正常工作，所以本設計采用輸出電壓為5V的USB數(shù)據(jù)線供電，USB供電具有持續(xù)且穩(wěn)定的電壓輸出性能，而且使用起來很方便。用5V蓄電池供電也是可取的。2.2.6按鍵本設計采用的按鍵并不是太多，只有1個參數(shù)增加按鍵和1個參數(shù)減少按鍵，不會占用太多的I/O口，因而采用獨立式按鍵。每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響。這樣可以使電路設計簡單、編程也相對比較容易。2.2.7報警裝置本設計報警系統(tǒng)由兩部分組成，一是LED燈光報警，二是蜂鳴器聲音報警。2.3本章小結本章主要介紹了PM2.5檢測系統(tǒng)的總體方案設計和主要的硬件選擇。采用5VUSB數(shù)據(jù)線供電；STC89C52單片機進行數(shù)據(jù)處理；GP2Y1010AU0F傳感器采集PM2.5濃度值；ADC0832芯片進行模數(shù)轉換；LCD1602進行數(shù)據(jù)顯示；蜂鳴器和發(fā)光二極管進行聲光報警。三硬件電路設計3.1主控制器模塊主控制器模塊采用單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)能讓單片機正常工作和實現(xiàn)其功能。單片機具有體積輕、重量輕、功耗低、功能強、性價比高等特點，在本設計的整個系統(tǒng)中起到了統(tǒng)籌作用，可以控制按鍵和接收傳感器的各種參數(shù)，同時還能驅動液晶顯示相關數(shù)據(jù)。單片機最小系統(tǒng)由單片機、復位電路、時鐘電路、輸入/輸出設備等構成。本設計選用的單片機是STC89C52。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種8位微控制器，具有8K字節(jié)的Flash程序存儲器和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間。共有40個引腳，4個八位并行I/O口，1個全雙工串行口，5個中斷源，2個優(yōu)先級，3個十六位定時/計數(shù)器。STC89C52單片機的時鐘電路引腳為XTAL1和XTAL2；控制信號引腳為RST，ALE，PSEN和EA；輸入/輸出端口為P0，P1，P2和P3［11］。復位電路確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有自動復位和外部按鍵手動復位，本設計為編程簡單采用的是外部手動按鍵復位。STC89C52單片機P0端為開漏輸出，內無上拉電阻。P0口在本設計中做輸出用，為加大輸出驅動能力加上拉電阻，本設計采用的上拉電阻為4.7K的排阻。與復位電路同樣重要的還有時鐘電路。時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。本次設計外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為11.0592MHZ。STC89C52單片機的工作電壓范圍為3.8V-5.5V,所以本設計給單片機外接5V直流電源。主控制模塊系統(tǒng)電路如圖3-1所示：圖3-1單片主控電路3.2傳感器模塊傳感器模塊主要是采集PM2.5濃度并輸出一個模擬量。本次設計采用的粉塵傳感器的工作原理是單片機給傳感器LED端輸入一個脈沖信號，粉塵傳感器內部NPN三極管驅動此傳感器的紅外線發(fā)光二極管開始工作，發(fā)出檢測光線。當檢測光照射到粉塵上會發(fā)生折射。再由傳感器內部的光電晶體管采集經(jīng)粉塵折射后的檢測光，轉換成電壓信號輸入到A/D轉換芯片中，經(jīng)A/D轉換芯片轉換為數(shù)字信號傳送給單片機。本設計選擇的是GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，它是一個采用光學傳感系統(tǒng)的粉塵傳感器。該設備由紅外線發(fā)光二極管和一個光電晶體管成對角布置而成。它能夠有效地檢測到像香煙、煙霧等非常細的粒子，還可以通過脈沖模擬輸出區(qū)分煙霧和灰塵。其接線端V-LED接電源正極，LED-GND端接地，接通這兩個電源接口才能帶動傳感器內部發(fā)光二極管工作LED工作。LED端為串口數(shù)據(jù)輸入端，Vo端為粉塵濃度模擬量輸出端，S-GND接地，VCC接電源正極。GP2Y1010AU0F粉塵傳感器插上電源1秒之內就會穩(wěn)定，可以進行正常的檢出工作。檢出方法是從輸出的電壓來做判定。粒徑較大的粉塵輸出電壓表現(xiàn)為間隔的、較高的脈沖信號。細微粒子的輸出電壓表現(xiàn)為連續(xù)的、較高的脈沖信號［12］。傳感器的第一腳接了一個220uF的電解電容和150Ω的限流電阻。第三腳LED端接到單片機的P3^2外部中斷0口，傳感器是否開始工作是通過單片機P3^2口是否給LED端輸入一個脈沖信號來控制的。第五腳Vo端是粉塵濃度的模擬量輸出腳，接在模數(shù)轉換器ADC0832的通道1上，傳感器產(chǎn)生的模擬電壓就是通過這個口傳送給ADC0832的。第一腳和第二腳接電源正負極是給傳感器內部發(fā)光LED供電的。具體電路圖如圖3-2所示：圖3-2粉塵模塊電路3.3模數(shù)轉換模塊模數(shù)轉換部分在單片機控制系統(tǒng)中主要用于數(shù)據(jù)采集。通過轉換粉塵傳感器輸出的電壓信號提供PM2.5的各種實時參數(shù)，以便單片機對PM2.5濃度進行檢測。模數(shù)轉換器是架設在單片機和傳感器之間的橋梁，在單片機控制系統(tǒng)中占有極為重要的地位。本次設計采用ADC0832，它是一個8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便［13］。ADC0832作為單通道模擬信號輸入時的輸入電壓是0～5V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可將電壓值設定在某一個較大范圍之內，從而提高轉換的寬度。正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。因此ADC0832的DO和DI都接單片機的P1^0，DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號，D0端輸出數(shù)據(jù)；時鐘輸入端CLK接單片機的P1^1；使能端CS接單片機P1^2；通道一CH1端是與傳感器模擬電壓輸出端相連的。模數(shù)轉換電路如圖3-3所示：圖3-3A/D轉換電路3.4液晶顯示模塊單片機接收到數(shù)字信號后，經(jīng)過運算處理，在液晶顯示器上面顯示出最終的檢測結果。在單片機系統(tǒng)中液晶顯示器為主要顯示器件。液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。本次設計采用的是液晶LCD1602。字符型LCD1602的顯示容量為16*2個字符，芯片工作電壓為4.5～5.5V。LCD1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符圖數(shù)字、字母、常用符號等，每一個字符都有一個固定的代碼［14］。液晶VL端為對比度調整端，接電源正極對比度最弱，接地對比度最高；RS端為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器；RW端為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作；E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令；D0～D7端為8位雙向數(shù)據(jù)線端。液晶的命令操作腳是RS、RW、EN，分別接在單片機的P1^4、P1^5、P1^6腳。數(shù)據(jù)腳DB0～DB7分別接單片機的P0^0～P0^7口。VOL端串聯(lián)一個2K的電阻接地，使液晶保持一個較高的亮度。具體電路圖如3-4所示：圖3-4液晶顯示電路3.5電源模塊系統(tǒng)采用輸出電壓為5V的USB數(shù)據(jù)線為系統(tǒng)供電。電源接口電路如圖3-5所示，其中DC5V為電池接口，SW1為電源開關，R6為二極管的限流電阻，POWER為電源指示燈，C5和C6為電源的濾波電容，當電源電壓出現(xiàn)波動時電容的充放電可以減小電源電壓的波動。圖3-5電源模塊電路3.6按鍵模塊系統(tǒng)采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響。PM2.5濃度檢測系統(tǒng)的濃度報警限值可以通過按鍵進行設置。一個參數(shù)加鍵，一個參數(shù)減鍵。具體電路圖如圖3-6所示：圖3-6按鍵模塊電路圖3.7報警模塊系統(tǒng)采用聲光報警。由于單片機驅動不足，所以本設計采用NPN型S8550三極管增加單片機驅動能力。當單片機的P1^3口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0，三極管的發(fā)射結正偏，集電結反偏，三極管飽和導通，此時發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報警。當單片機的P1^3口輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。具體電路圖如圖3-7所示：圖3-7報警模塊電路圖3.8本章小結本章根據(jù)已設計好的系統(tǒng)方案和選定的硬件設計了包括單片機最小系統(tǒng)電路、傳感器接口電路、A/D模塊接口電路、液晶顯示電路、電源接口電路、按鍵模塊電路、聲光報警電路的系統(tǒng)電路原理圖。四系統(tǒng)軟件設計4.1程序功能分析本設計的系統(tǒng)軟件設計主要包括對主程序，ADC0832轉換子程序、LCD1602顯示子程序和定時器0中斷子程序的設計。主程序主要負責濃度的實時顯示和報警裝置的報警；定時器0中斷子程序負責驅動傳感器工作；ADC0832轉換子程序負責對傳感器傳送過來模擬信號進行轉換，轉換成數(shù)字信號；LCD1602顯示子程序負責顯示單片機處理分析過的PM2.5濃度值。主程序調用了ADC0832轉換子程序、LCD1602顯示子程序、定時器0中斷子程序。4.2系統(tǒng)程序設計從系統(tǒng)要實現(xiàn)功能的角度來看，主程序的流程為：在完成各部分初始化之后，采集模擬輸出電壓，再根據(jù)采集到的電壓值，通過擬合計算出PM2.5濃度值，顯示在液晶上。擬合關系近似為y=0.5x+0.9（y為濃度值/mg?m-3，x為模擬電壓值/V）［15］。系統(tǒng)主程序流程圖如4-1所示：圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)初始化，所有I/O口都初始化為高電平，代碼如下：P0=0xFF;P1=0xFF;P2=0xFF;P3=0xFF;本設計系統(tǒng)采用的定時器0中斷是為了驅動粉塵傳感器，定時器0中斷設定工作為方式1，每次進入中斷后需要不斷地重新賦值。在程序設計中，需要單片機產(chǎn)生周期為9ms脈寬為0.30ms的脈沖來驅動傳感器內部的LED發(fā)光，并在0.28ms對信號進行采集。其流程圖如圖4-2所示：圖4-2定時器0中斷程序流程圖定時器0中斷函數(shù)賦初值，中斷周期100us，代碼如下：TH0=0xFF;TL0=0xA4;TR0=0; count_100us++;ADC0832的主要作用就是把傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號，再由單片機處理。因為傳感器的采集是從傳感器工作0.28ms之后開始的，因此A/D轉換也應在傳感器工作0.28ms后開始。A/D轉換開始后，開始選擇轉換通道，在DI端輸入的兩位數(shù)據(jù)為“1、1”表示選擇只對CH1進行單通道轉換。A/D轉換流程圖如圖4-3所示：圖4-3A/D轉換程序流程圖ADC0832轉換通道選擇通道一，代碼如下：Clk=0;DATI=1;_nop_();Clk=1;_nop_();Clk=0;DATI=1;_nop_();Clk=1;_nop_();液晶LCD1602顯示首先自定義字符庫，設置好DDRAM地址后在第一行顯示，根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設置顯示數(shù)據(jù)的首地址并設置循環(huán)量，在循環(huán)過程中不斷取字符代碼直至終止，第二行的顯示過程與第一行的顯示過程一樣，兩行顯示完畢便結束子程序。流程圖如圖4-4所示：圖4-4液晶顯示程序流程圖4.3本章小結本章主要介紹了檢測系統(tǒng)的主程序及主要子程序的設計，分別畫出了它們的流程圖。程序的編寫是根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和所選擇硬件來編寫的，是整個檢測系統(tǒng)的靈魂所在。五安裝與調試5.1硬件安裝本次設計先進行電路原理圖的設計，然后根據(jù)設計好的電路原理圖列出元器件清單，并依照清單買回了元器件。在安裝元器件之前首先檢查了元器件的好壞，把每個元器件都檢查了一遍，確保它們都是可使用的，這樣防止了元件焊接好了才發(fā)現(xiàn)元器件本身是壞的現(xiàn)象的發(fā)生。在設計元器件在電路板上的位置時，做到了每個元器件都可以放置在上面，并且還做到焊接方便，接線不重復。在焊接過程中先焊接的是較低的元件，再焊接才是較高的元件。特別容易損壞的元件是在最后焊接的。在焊集成芯片時連續(xù)焊接時間都在5-8秒，沒有超過10s，所以芯片都沒有出現(xiàn)燒壞的問題，另外還特別注意了芯片的安裝方向，免除了在接通電路后燒壞芯片。另外還特別關注了開關、三極管的接線，由于這些元器件的接口較多，因此在接線時單獨制作了接線圖。還有就是有的元件需要分正負極，也是特別注意的地方。由于檢查知道元器件自身不存在問題，那么造成硬件設備的無法正常工作的原因一般來說就是焊接了。焊接造成的缺陷主要有以下幾種：（1）焊錫連橋。即由于焊錫量過多使元器件之間發(fā)生短路現(xiàn)象。（2）冷焊。即焊接時焊錫沒有充分地融化使焊錫產(chǎn)生疏松的現(xiàn)象。（3）產(chǎn)生突尖。即焊接技術不夠熟練造成焊點表面形成尖銳的突尖。（4）虛焊。即焊錫過少不足以包裹焊點。焊接過程中依次排除了以上現(xiàn)象，最終成功焊接好了檢測裝置實物，如圖5-1所示，（a）為正面，（b）為背面。baba圖5-1檢測裝置實物圖5.2程序調試本次設計檢測系統(tǒng)的控制程序是采用C語言編寫的，對程序的調試是通過keilC51軟件進行的。每次編寫完程序，都要從頭運行一次，若是出現(xiàn)錯誤，軟件系統(tǒng)會發(fā)出警示并顯示錯誤出現(xiàn)的地方。根據(jù)箭頭的提示，在對應的地方找出錯誤，改正后繼續(xù)運行。重復這個步驟直到編譯器不提示程序還存在錯誤或者警示。把設計好的程序燒入液晶顯示程序，看顯示器是否正常顯示。如果不正常，檢測LCD1602液晶的各引腳的焊接情況，有沒有虛焊，短焊，錯焊的情況。顯示正常之后，再加入粉塵檢測程序，看粉塵檢測是否正常。最后加入按鍵進行整機調試。最終的程序調試結果如圖5-2所示：圖5-2程序調試結果圖5.3本章小結系統(tǒng)的調試是設計過程中很重要的一環(huán)，不管是程序的編寫還是硬件的安裝，只有不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題才能完善系統(tǒng)，做出合格的檢測系統(tǒng)。六結論與展望6.1結論本次設計完成了設計之初的所有要求，所設計的檢測系統(tǒng)簡單實用，適合大眾對PM2.5濃度檢測的需要。最終完成的裝置所使用的材料價格低廉，檢測裝置簡單便攜，操作精度較高，還具有濃度限值可調節(jié)的優(yōu)點。本設計是通過單片機與傳感器技術相結合實現(xiàn)了對PM2.5濃度的檢測。此次設計用單片機STC89C52作為控制中心，傳感器GP2Yl010AU0F采集的顆粒物濃度，轉換芯片ADC0832進行模數(shù)轉換，液晶LCD1602進行結果顯示，發(fā)光二極管和蜂鳴進行聲光報警，按鍵設定報警濃度最大限值。通過這次設計將單片機與傳感器技術應用在檢測環(huán)境的質量上，提醒人們做出相應的安全防護措施，改善當前環(huán)境狀況，是一件非常有意義的事。通過本次設計我自身的能力也得到了很大的提高，學到了不少課本上沒有的知識，同時也鍛煉了自己的動手能力，將以前學過的零散的知識串到一起，完成了理論與實踐的結合。本次設計主要涉及硬件和軟件兩方面的內容，經(jīng)過不懈努力，我對51系單片機的接口知識有了更深層次的理解，熟悉了單片機常用的外圍電路引腳和連接方法，如液晶、按鍵、傳感器等。總之本次設計讓我學會了分析問題解決問題的能力，加深了對所學理論知識的理解和運用。6.2展望本次設計只完成了針對日常生活中對PM2.5檢測需要的檢測系統(tǒng)，僅僅實現(xiàn)了超過安全濃度值就會報警的功能，功能比較單調。一款成熟的PM2.5檢測裝置應該具有更多的功能，不僅可以檢測PM2.5還可以檢測PM10，甚至可以外帶實現(xiàn)對溫度濕度的檢測；另外也不能只有報警這樣簡答的功能，如果檢測到超過濃度限值會聯(lián)網(wǎng)打開空氣凈化器的開關，進行空氣的凈化，在不知不覺之間就給人們省了不少精力。PM2.5檢測技術還在不斷發(fā)展，未來將會有更科學更精確的檢測系統(tǒng)被設計出來。未來的PM2.5檢測裝置會朝著精度高、易操作、體積小、易攜帶、價格低、功能更加完備、普及率更加高的方向發(fā)展。致謝本論文是在***老師的悉心指導和熱情關懷下完成的。從論文選題、設計過程、動手實踐到最后的論文寫作，*老師都給予了我極大的鼓勵和幫助。此外還要感謝***和**同學，他們在系統(tǒng)程序設計方面給我提供的很大幫助。還有那些在實驗室和我一起學習、一起努力的同學，也要謝謝你們對我的鼓勵和幫助。還要感謝答辯組的評委老師在百忙之余對我的指導和對我論文提出修改意見。最后再次感謝老師、同學以及其他關心著我的人，正是你們的教導和幫助，我才能夠運用自己的所學知識完成我的畢業(yè)論文。參考文獻[1]寧愛民,文軍浩,鄭德智,等.PM2.5監(jiān)測技術及其比對測試研究進展[J].計測技術,2013,33(4):11-14.[2]趙鑫,潘晉孝,劉賓,等.基于β射線吸收法的PM2.5測量技術的研究[J].電子技術應用,2013,39(9):74-76.[3]勞動部，國家技術監(jiān)督局LD98-1996.空氣中粉塵濃度的光散射式測定法[S].勞動部文件，1997.[4]李佳穎，大氣顆粒物質量濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].上海：上海理工大學，2007.[5]LeeHJ,CoullBA,BellM